TW200838816A - A crucible having a doped upper wall portion and method for making the same - Google Patents
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Description
200838816 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關石英坩鍋之領域,更詳細地說,係有關 - 5 鍋壁中形成了摻雜層的一個石英坩鍋。 Γ 發明背景
Czochralski(CZ)法於單晶石夕之晶棒生產技術中廣為所 φ 知,矽晶圓即由晶棒製成,而用於半導體業中。 10 在CZ法中,係將金屬矽裝入位於承座内部的一個矽玻 璃坩堝中,接著利用一個環繞此承座之加熱器將裝載物加 - 熱以熔化所裝填之矽,從等於或接近矽石熔化溫度時所熔 _ 化之矽石拉出一個單晶矽。 除了 CZ法之外,熔融石英坩鍋係用以熔化金屬矽,接 15 著將其自坩堝内所形成的一個噴嘴倒進一個鑄模中,以製 作一根用以製備太陽能電池之多晶矽晶棒。如同CZ坩堝 • 般,有一個加熱器環繞著固定坩堝的承座。 - 當如此使用熔融玻璃坩堝時,坩堝中的金屬矽由於加 熱器經由承座及掛锅發出的輻射熱而溶化(至少部分地溶 20 化)。輻射熱會熔化坩鍋中的矽而非坩鍋,其熔點大約1410 度C,然而一旦坩鍋中的矽被熔化,則由於熔化矽之熱傳導 作用,位於熔化矽表面下的坩鍋内表面會被加熱至相同溫 度,此高溫足夠使坩鍋壁變形,而坩鍋壁被熔化物的重量 壓進承座中。 5 200838816 炫接線乃炼化石夕表面與掛銷壁的交接處,由於炼接線 上方的坩鍋壁並不會被熔化物之重量壓進承座中,亦即維 持原狀,故其可能會變形。吾人很難控制熱度以將雜化 並維持熔紐n,同時防歧躲±方騎_下垂、彎 曲或者變形,轉精確的熱度㈣會減緩cz|^,因而減 緩碎晶棒產量。 在已知技術中,係形成外層中具有經摻雜石英的-個 熔融賴,當掛鋼被加熱時,用以摻雜石英者係能促進結 晶的-個元素,例如銘。結晶石夕較熔融玻璃更堅固,且不 10會因cz法及類似方法中使用的熔爐内部溫度而變形。 其中一個這種已知方法係以範圍50-120 ppm的銘摻雜 於掛銷外層’早期在耗時之cz法過程中,外壁會由於紹之 掺雜而結晶,結晶部分比掛鋼其他部分更剛硬,因而支樓 著熔接線上方的上壁。 15 20 習知記憶方法產生了至少兩種問題,視摻雜濃度而 定。百先’摻雜濃度必須夠高才能製作剛硬之外壁以支擇 溶接線上方的上壁,若找吨、曲由 摻‘》辰度過低,則壁面會和未摻雜 时鋼時一樣發生變形,而當掺雜濃度高至足以支撲壁面 時’位於熔接線下方的壁面部分會在CZ法期間承受非常高 之溫f、,而於_線下方形成非常厚的結晶層。由於長時 間之南溫及厚結晶層,、吟 总接線下方的壁面可能會破裂。 t發明内容】 依據本發明之一訾^^ /, y
、也例,係特地提出一種用於製備一 溶融玻璃掛銷之方法,甘A /、包括有:轉動一個具一用於形成 6 200838816 掛锅底部之大體上水平表面與一用於形成掛鋼壁面部分之 大體上直立表面的掛锅模;於該旋轉掛鍋模之直立表面的 一個上方部分上面沈積經摻雜石英晶粒;於該直立表面之 下方部分上面及經摻雜石英晶粒上面沈積塊狀石英晶粒; 5於該鑄模之大體上水平表面上沈積塊狀石英晶粒以形成該 坩鍋之底部;以及基本上將所有晶粒熔化。 依據本發明之一實施例,係特地提出一種用於製備一 熔融玻璃坩鍋之方法,其包括有:
沈積-層經摻雜石英晶粒,以形成一個界定了一掛鋼 〇壁之上方部分的-個外側部分之環圈;於該環圈上面沈積 -層塊狀石英晶粒’以形成該⑽壁之其餘部分;沈積一 層塊狀石英晶粒,以形成該稿之底部;以及基本上將所 有晶粒溶化。 15 20 種熔融玻璃坩 鋼,其包括有:—個由縣塊m日日粒所形成之大體上 直立的圓柱形祕壁;-個由炫融塊狀石英晶粒所形成之 大體上水平的祕底部,該底部倾該料壁 接;-個由該壁内所含之熔融經摻雜石 體上圓柱形的環圈,該環圈位於該形成之大 以及-個於底部與不含轉雜石英t目上方分處, 壁面下方部分。 * 一之«之間延伸的 圖式簡單說明 第K3圖相當簡略地繪示了形成_個在复山 斗之掛鋼的連續階段之鑄模橫截面侧_側'。、下端具一漏 7 200838816 弟Θ為所开》成之掛锅的橫截面圖。 # 為在〜cz法期間利用本發明所形成的另一種財 鍋橫截面圖。 裡 第6圖為第4圖中使用之_於一製備太陽能電池方法 5期間的一個横戴面圖。 【實】 較佳實施例之詳細說明 第1圖中的10 一般係指用於製備熔融玻璃坩鍋的系 統,系統包括一個可繞一根垂直軸14旋轉之堆鋼模12,掛 1〇銷模12包括-個大體上水平之表面15,其上形成了堆鍋之 氐Ρ由圖中可清楚看出。掛銷模亦包括一個大體上直立 之表面16。於第1圖中,系統10乃裝配為在其之下端具有一 個喷嘴的购類型,有鑑於此,將一根石墨柱塞18配置在 坩鍋模下端,以形成一條與熔化後接於坩鍋上之噴嘴(未示 15出)連接的通道。關於製造具有這種噴嘴之坩鍋的細節,請 參看2005年11月9日所提申、標題為“具喷嘴之石夕管及製造 方法”之美國專利申請案第11/271,491號,茲將在此列為參 考。 糸統10包含一個大容篁晶粒料斗20和一個經摻雜晶粒 2〇料斗22 ’自各料斗流出之晶粒乃分別利用調節閥24、26加 以控制’有一根供料管28自其中一個料斗或兩個料斗將石 英晶粒注入掛鋼模12中’其取決於調節閥24、26如何設定。 供料管28可垂哀地移動而進出坩鋼模12,此有助於選擇性 地將晶粒沈積在直立表面16及大體上水平之表面1 $上,稍 8 200838816 後將進-步說明。有-個到刀3〇可垂直地移動,亦可 地移動以將模12内之晶粒隨著旋轉㈣以塑形。 現在將考慮如何利用系統1〇製備一個掛鋼。首先將 狀石英晶粒32裝入料斗2〇,並將銘推雜石英晶粒料裝入料 5斗22,石英晶粒34可摻雜範圍大約85_5〇〇鹏的銘。 其次,以大約1〇〇 rpm的速度轉動掛銷模^,如第斶 中所不將供料吕28定位,打開閥26,開始繞著掛鶴模η週 j將經掺雜晶粒34沈積成條帶或環圈36。如_示,、供料 s係垂直地移動以沈積轉雜晶粒,_模轉速相當高, !〇使環圈36中的經摻雜晶粒維持在大體上直立之表面上的某 個預定高度之上。若轉速過低,經摻雜晶粒會落在掛鋼模 的下方部分,並非所樂見。於本實施例中,環圈%的捏向 外表面包括掛鋼壁最上部分之最外側部分,形成環圈之經 摻雜晶粒係沈積在一層厚度(沿掛鋼模j 2之輻射轴測量)由 15刮刀30位置所界定的層内,在完全成形的掛銷中,此厚度 靶圍可能大約0.7〜2.0 mm。如圖所示,最外層的石英晶粒 亚未熔化,此防止坩鍋模燃燒,並使其較易從模中取出坩 鋼。此未溶融晶粒之厚度必須納入考量,以提供最終產品 0.7-2.0 mm的厚度。 2〇 如第2圖中所示,當環圈36如上文所述配置之後,將閥 26關閉’而閥24開啟。此外,將坩鍋模12轉速降至75 rpm, 讓其中一些塊狀晶粒32落至坩鍋模12下方部分。隨著塊狀 晶粒從料斗20流出供料管28,供料管會垂直地移動而將坩 鋼模侧面及底面塗覆一層38如圖所示之塊狀晶粒。刮刀 200838816 * 將塊狀脉層塑造絲娜狀,由®巾可;,層38大體 上覆蓋了整個環圈,石墨柱塞18穿過層38而界定了 一個柱 塞形狀的開口。 參看第3圖,當石英晶粒掛銷於第2圖中所示之掛鋼模 ·,5 12内定型之後,將彻3G及供料管28取出。電極4〇、42可 - 垂直地移動而進出賴模12内部,電極係接至—部DC電源 供應器46 ’其可提供選擇範圍介於大約300 KVA和1200 KVA之間的電力給電極。當足夠之電力供應至電極上時, _ t極周圍會有-個極熱的電漿球形成,所產生的熱形成了 1〇 :娜化物前部,從已成形之祕内表面處開赠解石英 曰曰粒並進行到外表面。此熔化物前部熔解了大部分的層 3曰8及經摻雜石英晶粒的環圈%,但在其將包含了塊狀石^ 日日粒3 8及經掺雜石英晶粒3 6的最外側未溶融晶粒層* 9炫解 之前即停止(停止供電給電極4〇、42)。如前所述,沈積於模 15 12内之晶粒深度必須將此未㈣層49納人考量,而使未溶 融經摻雜晶粒36之深度範圍介於0.7-2.0 mm,如第4圖中所 _ 不。第4圖中繪示了自掛鋼模12中取出且石墨柱塞18已經移 ' 除之後的單一熔融玻璃坩鍋50。 、,可X看出,坩銷5〇的上方部分已經切除,以形成一個 20 j平上緣52,此提供了一個具有預定高度之掛鋼,同時亦 提供了一個扁平上緣。由第4圖中可以看出,環圈36提供了 掛^〇之最外側及最上侧部分,在本實施例中,當切除上 方邛刀之後,環圈36從上緣52往下延伸大約5〇瓜瓜。然而 應該理解的是,所形成之環圈36可進-步往下延伸多達2/3 10 200838816 - 或1/3,而提供較高的一個環圈。較短的環圈較佳,稍後將 說明。 現在翻閱第5圖,54所示通常乃用於€2法中的一個坩 鍋除了在其之下方部分無開口之外,坩銷54大體上係以 ' 5和坩鍋5〇相同方式製成,此可利用具有連續平滑下表面且 - 不使用類似柱塞18之石墨柱塞的一個鑄模完成。坩鍋54包 含一個鋁摻雜環圈56,環圈係以上述和坩鍋50相關之方式 形成。類似於坩鍋50,坩鍋54已經沿著和其縱軸垂直的一 • 個平面切除,此形成了大體上扁平的邊緣58。 10 坩鍋54係支撐於熔爐(未示出)内部的一個承座6〇中,承 座60被-個加熱器62包圍,由於炼爐内部之加熱器^所產 - 纟的熱,賴54已經裝了純的金財(現在稱之為溶化物 64)。根據CZ法’有-個單晶石夕種晶61由支架63固定著,支 架自熔化矽緩緩抽出種晶61,並且根據C/法,有一根晶棒 15 65於種晶61下端形成。熔接線66繞著坩鍋54週長形成,熔 接線隨著晶棒65之形成逐漸地降低且從熔化物料拉串。 • 熔化物64之溫度大約為1彻度C,因此,位於、熔接線下 - #的_54表面亦為該溫度。即使來自熔化物之熱度使低 於溶接線66之掛鋼變軟,溶化物之重量仍可將掛鋼壓進承 20座60中,因此防止熔接線66下方的坩鍋54產生任何變形。 隨著金屬石夕熔解,由於環圈内的銘捧雜石夕,熱開始將祕 54結晶成環圈56。_的結晶部分會硬化,繞著㈣形成 較剛硬的結晶環或環圈’而使未結晶之_壁部分變穩 定。換言之’即使熔接祕降騎鋼底部,雖環圈仍能 11 200838816 ,接、、泉上方|續未結晶之^^壁塌陷或變形。 最後帛5圖中!會示了使用中的義5〇。其亦固定在一 個承座68巾,同樣亦有—個加熱㈣包圍著承細,將第6 圖中繪示之所有結構裝在—個_(未示出)中。利贿爐中 的加熱副將_5G内之金屬贿化而形成㈣化物η, 田石夕被’熔化時,將购解方部分與石墨柱塞Μ —起形成 之噴嘴74插人’―旦完姻卜縣柱塞取出,並透過如 電池的鑄模 圖所示之噴嘴74將溶化物倒人用以製備太陽能 (未示出)中。 士如同第5圖之掛銷,當環圈从於⑺去早期開始結晶 時,第6圖之坩鍋壁由於結晶環之形成而獲得支撐。於是, 甜鍋壁被支撐於熔接線上方。 應該理解的是,當使用魏時,崎雜如環圈%、 56可做成使其之下方部分大體上位於或略高於溶接線,或 I5令其等略低於溶接線(至少在Cz法開始時)。環圈下方部分
的一個較佳位置乃小於大約5%熔接線下方的坩鍋高度。 範例A 形成一個高度為400 mm、内徑為270 mm而壁厚為1〇 mm之坩鍋(類似坩鍋50),在此範例中,坩鍋摻雜了 1〇〇卯茁 20的鋁而形成一個環圈(類似環圈36),其自邊緣52往下延伸 150 mm。如圖所示,環圈厚度為L4mm,並界定了坩鍋的 最外表面及最上表面。將120 kg載量之金屬矽裝入坩鍋中 維持120小時並不會有問題。
範例B 12 200838816 .〆成個鬲度為400 mm、内徑為270 mm而壁厚為i〇 mm之贿(類似_5G),於範例B中,掛鋼摻雜了 鹏 的銘而形成—個環圈(類似環圈36),其自邊緣52往下延伸5〇 mm。如圖所示,觀厚度為1 6麵,並界定了掛銷的最外 5表面及最上表面。將120 kg載量之金屬石夕裝入賴中維持 120小時並不會有問題。
範例C 形成一個高度為400 mm、内徑為27〇 mm而壁厚為1〇 _之掛鋼(類似掛鋼5〇),在此範例中,掛鋼接雜了刚啊 1〇的銘而形成一個環圈(類似環圈36),其自邊緣52(大體上為 2鋼的所有直立外壁)往下延伸31〇醜。如圖所示,環圈界 2 了掛銷的最外表面及最上表面。將12G kg載量之金屬石夕 裝入坩鍋中。在此範例中,熔化物大體上會和環圈重疊, 不同的疋,熔接線大體上位於環圈的下緣。將熔化物維持 15 5〇小%之後,坩鍋在大體上直立之壁面部分及大體上水平 之底部會出現裂痕,此裂痕起因於溶化物非常接近經摻雜 之已結晶圈。 雖然每個範例都以鋁作為摻雜劑,應該理解的是,可 利用任何能夠促進結晶之摻雜劑(例如鋇)實施本發明。 2〇 可以看出,當經摻雜部分不與熔化物重疊或僅稍微重 ®時’可避免習知技藝中完全經掺雜的外掛鋼壁之相關問 題,此外,當使用方法係已知時、亦即有多少石夕將裝入掛 鍋中及溶化物多快會被拉下,可將掛鋼設計成在該方法早 期階段中環圈和溶化物會重疊,但僅持續數小時,因此不 13 200838816 . 足以損壞坩鍋。於是,即使在該方法早期階段中熔化物和 經摻雜環圈會重疊,仍可避免習知記憶的相關問題。 雖然已經說明了本發明之較佳形式,然而此處揭示及 例示之特定實施例不應具有限制,事實上,那些熟悉技術 • 5 者應該容易瞭解,本發明可以極多方式予以變更,發明者 - 認為本發明之主題必須包含此處揭示之各種不同要素、特 色及(或)性質的所有組合和次組合。 I:圖式簡單說明3 # 第1-3圖相當簡略地繪示了形成一個在其下端具一漏 10 斗之坩鍋的連續階段之鑄模橫截面側視圖側。 第4圖為所形成之坩鍋的橫截面圖。 ' 第5圖為在一 CZ法期間利用本發明所形成的另一種坩 一 锅橫截面圖。 第6圖為第4圖中使用之坩鍋於一製備太陽能電池方法 15 期間的一個橫截面圖。 【主要元件符號說明】 10…系統 30…刮刀 12...坩鍋模 32、34...石英晶粒 14...垂直軸 36、56...環圈 16···表面 38、49…層 18...柱塞 40、42...電極 20、22…料斗 46...電源供應 24、26·.·調節閥 50、54...坩鍋 28...供料管 52、58··.上緣 14 200838816 . 60、68...承座 61.. .種晶 62、70...加熱器 63.. .支架 64、72…熔化物 65…晶棒 66...熔接線 74…噴嘴
15
Claims (1)
- 200838816 -、申請專利範園·· 一種用於__賴__之方法,龙 轉動-個具一用於形成掛銷底部之大匕· 面與一用於形絲㈣面部分之 > 水平表 鍋模; 上直立表面的坩 之直立表面的—個上方部分上面 於该旋轉掛鋼模 沈積經摻雜石英晶粒; Φ 上面===^衫峰雜石英晶粒 10 於該鎢模 15 以<大體上水平表面上沈積塊狀石英晶粒 I成δ亥掛銷之底部;以及 基本上將所有晶粒熔化。 2·如申請專利範圍第!項之方法,其中該方法更包括 塊狀石英晶粒沈積於該經摻雜石英晶粒上方的直 面上 防止 立表3.如申請專利範圍第1 、 項之方法,其中將經摻雜石英_ 沈積於该直立表面之上方立 上万。卩分上面包括沈積鋁摻雜 晶粒 央晶粒 石 4.如申請專利範圍第3項之方法,其中沈積输摻雜石英 晶粒包括沈積摻雜了大約5到5〇〇 pm銘的石英晶粒。 5·如申請專利範圍第1項之方法,其中該方法更包括切除 該炼融玻璃義之最外侧部分,且其中將經摻雜石英晶 粒沈積於該旋轉掛鋼模之直立表面的一個上方部分上 面包括將該經摻雜石英晶粒沈積於該直立表面上,以在 16 200838816 切除之坩鍋上面形成一層經摻雜外層,從該坩鍋邊緣順 著坩鍋壁部分往下延伸至上方大約2/3的一個高产。 6·如申請專利範圍第5項之方法,其中該切除之掛銷上面 的經摻雜外層係從該坩鍋邊緣順著坩鍋壁部分往下延 \ 5 伸至上方大約1/3的一個高度。 ‘ 7·如巾請專職圍第1項之方法,其巾該方法更包括切除 該熔融玻璃賴之最相部分,且其中將轉雜石英晶 粒沈積於該旋轉坩鍋模之直立表面的一個上方部分2 籲 面包括將該經掺雜石英晶粒沈積於該直立表面上,以在 1〇 切除之_上面形成—層經摻雜外層,從觸鋼邊緣順 著坩鍋壁部分往下延伸大約5〇mm。 、、 - 8.如申請專利範圍第!項之方法,其中將該經摻雜石英晶 - 粒沈積於該旋轉掛鋼模之直立表面的-個上方部分上 面包括沈積經摻雜石英晶粒至大約〇 7職到2 〇酿的 15 一個深度。 9.如申請專利第1項之方法,其中該賴係用以容納 炫切,熔化料度相—條崎切之上表㈣ 之壁面科較錢所衫之轉線,且其巾該;法更 切除溶融玻璃掛鋼之最上面部分;以及 其中將賴摻雜石英晶粒沈積於該旋轉_模之 直立表面&冑上方部分上面包括將該經摻雜石 粒沈積於該直立表面上,LV 、曰曰 一 ^在切除之坩鍋上面形成一岸 經摻雜外層,從該掛鋼曰 門逯緣順者坩鍋壁部分往下延伸至 17 200838816 熔接線。 10.如申請專利範圍第9項之方法,其中該切除之掛鋼上面 的經摻雜外層係從該掛銷邊緣順著掛鋼壁部分往下延 伸至略低於熔接線的一個高度。 5 11·如中凊專利範圍第10項之方法,其中該切除之 的經摻雜外層係從該掛鋼邊緣順著掛鋼壁部分往下延 伸至溶接線下方小於大約5%之掛鋼高度的一個高度。 12·如申請專利範圍第9項之方法,其中該切除之掛銷上面 的、二摻雜外層係從該掛銷邊緣順著掛鋼壁部分往下延 〇 伸至略高於熔接線的一個高度。 13.種用於製備—溶融玻璃掛鋼之方法,其包括有: 沈積-層經摻雜石英晶粒,以形成—個界定了一掛 Μ壁之上方部分的一個外侧部分之環圈; 於該環圈上面沈積-層塊狀石英晶粒,以形成該掛 5 鍋壁之其餘部分; 沈積-層塊狀料晶粒,㈣成該_之底部;以 及 一 基本上將所有晶粒熔化。 20 14.=請專利範圍第13項之方法,其中沈積-層經摻雜石 央晶粒以形成一個界定了朗鋼壁之上方部分的一個 外侧部分之環圈包括沈積一層經接雜石英晶粒以 該坩鍋壁之最外側部分。 15· =請專利範圍第1項之方法,其中沈積一層_雜石 央日日粒以形成—個界定了該掛鋼壁之上方部分的—個 18 200838816 外側部分之環圈包括沈積一層經摻雜石英晶粒以形成 該坩鍋壁之最上面部分。10 1520 16. 如申請專利範圍第13項之方法,其中該方法更包括當使 用該坩鍋時,利用一個在CZ法早期階段中有助於結晶的 摻雜劑摻入經摻雜石英晶粒。 17. —種熔融玻璃坩鍋,其包括有: 一個由熔融塊狀石英晶粒所形成之大體上直立的 圓柱形坩鍋壁; 一個由熔融塊狀石英晶粒所形成之大體上水平的 坩鍋底部,該底部係與該坩鍋壁之下端連接; 一個由該壁内所含之熔融經摻雜石英晶粒所形成 之大體上圓柱形的環圈,該環圈位於該壁的一個上方部 分處;以及 一個於底部與不含經摻雜石英晶粒之環圈之間延 伸的壁面下方部分。 其中該環圈内 其中該環圈内 其中該環圈之 其中該環圈係 其中該環圈係 18. 如申請專利範圍第17項之熔融玻璃坩鍋, 含於該壁之最外側部分中。 19. 如申請專利範圍第18項之熔融玻璃坩鍋, 含於該壁之最上面部分内。 20. 如申請專利範圍第19項之熔融玻璃坩鍋, 高度大約為50 mm。 21. 如申請專利範圍第17項之熔融玻璃坩鍋, 從該坩鍋邊緣順著壁面往下延伸大約2/3 22. 如申請專利範圍第17項之熔融玻璃坩鍋, 19 200838816 - 從該坩鍋邊緣順著壁面往下延伸大約1/3。 23. 如申請專利範圍第17項之熔融玻璃坩鍋,其中該經摻雜 石央晶粒包括銘換雜石央晶粒。 24. 如申請專利範圍第23項之熔融玻璃坩鍋,其中該經摻雜 ' 5 石英晶粒摻雜了範圍大約85 ppm到500 ppm的銘。 ^ 25·如申請專利範圍第17項之熔融玻璃坩鍋,其中該環圈之 徑向深度大約0.7到大約2.0 mm。 26.如申請專利範圍第25項之熔融玻璃坩鍋,其中該環圈之 參 高度大約為50 mm。 20
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