TWI406980B - 多晶晶體的製造裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

多晶晶體的製造裝置及其製造方法

本發明是關於多晶晶體之製造，尤指多晶晶體的製造裝置及其製造方法。

以目前所使用的太陽能光電池而言，多屬半導體之一種，故又稱為太陽能晶片，矽(silicon)為目前通用的太陽能電池之原料代表，其發電原理為將太陽光能轉換成電能。

太陽能光電基板(Solar PV Cell)的晶片材質有很多種，大致上可分為單晶矽(Monocrystalline Silicon)、多晶矽(Polycrystalline/Multicrystalline Silicon)、非晶矽(Amorphous Silicon)，以及其它非矽材料，其中以單晶矽及多晶矽兩類最為常見。其中，單晶矽的組成原子均按照一定的規則，產品轉換效率較高，但相對的製造成本也較為昂貴，雖然早期市場的產品仍以單晶矽為主，但即因其生產成本較高，加上近年來多晶矽的技術進展很快，使得多晶矽的轉換效率大幅的提高，在低成本的優勢下，多晶矽已有取代單晶矽產品的趨勢。

請參閱圖1與圖2。請先參閱圖1，為習用的多晶矽晶體製造裝置的構造示意圖。其中，坩鍋10內將長晶原料11放入，並在鄰近坩鍋10之處，如長晶原料11為固態，則通常是其兩側或周圍設置加熱器20使原料熔化，或是直接以液相的長晶原料11放入坩堝10內，之後於坩鍋10底層絕熱結構80以及散熱裝置40之作用下，使坩鍋10底層形成複數個成核點(晶粒7的前身)，並且令該成核點以單向凝固向上成長而形成一完整的多晶矽晶體。請參閱圖2，為多晶矽晶體的立體示意圖。其中所示的完整多晶矽晶體70，可以看到上面有複數個晶粒7，各個晶粒7之間則形成晶界71。該多晶矽晶體70之後會被橫向切割、研磨、拋光和切片成為既定尺寸的晶片底材，以供製作成太陽能晶片。請參閱圖3，為利用習用技術製造而成的多晶矽晶體橫剖面示意圖。其中顯示使用習用技術所製造的多晶矽晶體70在橫截面的單位面積中具有較多數量的晶粒7，相對的晶界71的數量也較多，也由於受到晶界71的區隔使得晶粒7的體積無法加大，導致利用此多晶矽晶體70所切片成型的晶片光電轉化率低。

請參閱圖4，為另一種習用的多晶矽晶體製造裝置的構造示意圖。其中，在鄰近坩堝10的側邊或周圍具有加熱器20，用以加熱坩堝10內的長晶原料11。如長晶原料11為固相，則在其放入坩堝10內後，以加熱器20加熱之使之融化再行長晶。當然，亦可將已融化的長晶原料11放入坩堝10內以進行長晶程序。又，坩鍋10外的底部設有一絕熱結構80，且在絕熱結構80下方再設置一散熱裝置40，該絕熱結構80設有複數與坩堝接觸的接觸區段80’及非接觸區段80”，而該接觸區段80’底端並與散熱裝置40接觸，以形成對坩堝10底層施以間隔散熱的方式，使坩鍋10底層的特定位置(相對於接觸區段80’)形成攣生晶界比例較高之晶片，此孿生晶界可以有效的減少電子電洞再複合、忍受高濃度雜值、以及減少晶片的內部缺陷，因此能夠增加晶片之光電轉換效率。然而，如此的裝置對於增加晶粒大小的效果雖然優秀，但仍有進一步的改善空間。

爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「多晶晶體的製造裝置與方法」，用以改善上述習用手段之缺失。

本發明之目的在於提供一種不易有缺陷及雜質產生之多晶晶體製造裝置與方法。

為了達到上述之目的，本發明提供一種多晶晶體的製造裝置，包括一坩堝，在該坩堝內具有一底面；以及一加熱器，鄰近於該坩堝而設置，其中該坩堝的該底面形成一凹陷部，且該凹陷部由上而下呈漸縮狀。

如上所述的製造裝置，其中該凹陷部是呈槽狀。而其深度為五公厘至二公分。且其寬度與該底面的寬度的比值範圍是0.1至0.5。

如上所述的製造裝置，其中該凹陷部是呈錐狀，而其錐角角度為80-140度。且其錐角角度的測量，是該凹陷部的開口的兩端各自與該凹陷部的底部連接的假想線的夾角。

如上所述的製造裝置，其中該底面更形成複數個該凹陷部。而各該複數個凹陷部的樣式可以全部相同也可部分相同。

如上所述的製造裝置，其中該凹陷部的凹陷部內面呈直線狀或曲線狀。

如上所述的製造裝置，其中在該坩堝外的底部設置一散熱裝置。並可在該坩堝的底部與該散熱裝置之間，更設置一絕熱裝置。此外，亦更可於該凹陷部的下方設置一導熱元件(通常是一熱管，heat pipe)與該散熱裝置連接，導熱元件可選擇使用熱的良導體如石墨。

為了達到上述之目的，本發明亦提供一種多晶晶體的製造方法，包含下列步驟：提供一坩堝；於該坩堝內的底面形成一凹陷部；在該坩堝內加入長晶原料；由該坩堝的側邊或周圍加熱該長晶原料，並自該坩堝的下方對該長晶原料予以散熱，使該長晶原料在該凹陷部結晶成核。

如前述的製造方法，其中該凹陷部是以切槽方式加工而成。

如前述的製造方法，其中該凹陷部是以離開該坩堝內的方向形成並逐漸縮小而成一錐狀。

如前述的製造方法，其中所述自該坩堝的下方對該長晶原料予以散熱，是對該凹陷部予以散熱。

以下針對本案之多晶晶體製造裝置與方法的各實施例進行描述，請參考附圖，但實際之配置及所採行的方法並不必須完全符合所描述的內容，熟習本技藝者當能在不脫離本案之實際精神及範圍的情況下，做出種種變化及修改。

請參閱圖5，為本發明多晶晶體的製造裝置之實施例示意圖。其中，本發明的多晶晶體製造裝置包括一用以容置長晶原料11之坩堝10，而鄰近該坩堝10，即通常在該坩堝10的邊側或周圍則設有加熱器20，以對坩堝10內之原料11進行加熱，如放入坩堝10的長晶原料11為固相，則以加熱器20加熱使之融化。當然，亦可將已融化的長晶原料11放入坩堝10內。又，坩堝10底部則設置有絕熱結構80及散熱裝置40，該絕熱結構80係設於坩堝10與散熱裝置40之間。此外，本發明的坩堝10的底面12與長晶原料11接觸面間形成有複數深入坩鍋的底面12之凹陷部30。而底面12亦具有一底面寬度D2。

請參閱圖6，為本發明多晶晶體的製造裝置之凹陷部的實施例示意圖。其中，該凹陷部30之開口31大小係由下方至上方漸增，亦即由上方至下方漸減，亦即向坩堝10的材料內漸減。該凹陷部30可以為V型的切槽，亦即橫斷面為V型的槽狀結構，而凹陷部30兩側則具有凹陷部內面33，通常呈直線狀，且由於是V型的凹陷部30，故在凹陷部30的底部形成一錐角32，其錐角角度θ係為80~140度，該凹陷部30亦具有一凹陷深度H，其範圍為5mm~2cm。此外，凹陷部30的開口31具有一開口寬度D1，而開口寬度D1與坩堝10的底面12的底面寬度D2(請配合圖5)的比值為0.1~0.5。而如圖5所示之實施例中，該坩堝10的底面12各凹陷部30之型式相同，亦即各凹陷部30具有相同之開口寬度D1、錐角角度θ以及凹陷深度H，且各凹陷部30間具有相同間距，當然亦可具有不同間距。

請參閱圖7，為使用本發明之多晶晶體製造裝置的晶粒成形示意圖。並請配合圖5。其中，整體裝置即在加熱器20及絕熱結構80及散熱裝置40之作用下，使坩堝30的底面12各凹陷部30處之原本為液相的長晶原料11結晶成核時，可在凹陷部30中自然競爭而在坩堝10的底部12形成體積較大之晶粒51，亦即在凹陷部30內所形成的晶粒是愈靠近開口31愈大的，如圖7所示，較大晶粒51則形成於凹陷部30的開口31處，並接著繼續往凹陷部30的上方區域成長。且各較大晶粒51間則形成體積較小之較小晶粒52，再由晶粒51沿著凹陷部30之錐角32的錐角角度θ而大型化，進而壓抑其他體積較小之較小晶粒52向上成長，從而形成之完整多晶矽晶體，使得該多晶矽晶體之晶界數量減少。由此可知，本案還可透過凹陷部30的斜率控制晶粒51的大小，亦即透過錐角角度θ的變化來改變所欲的晶粒51的尺寸。

請參閱圖8，為應用本發明多晶晶體製造裝置所製造的多晶晶體的橫斷面示意圖。其中，體積較大之晶粒51(請配合圖7)在適當條件下可具有數量較多之孿生晶界6，該孿生晶界6係具有相互對稱之晶界，可提升多晶晶體的品質。

請參閱圖9，為本發明多晶晶體的製造裝置之另一實施例示意圖。其中，該坩堝10的底面12(圖九未註明)各凹陷部30之型式不相同，亦即各凹陷部30具有不同之開口寬度D1(請配合圖6)、錐角角度θ(請配合圖6)以及凹陷深度H(請配合圖6)，且各凹陷部30間具有相同間距，如圖7所示者。當然，各凹陷部30間亦可具有不同間距。此外，成形後的晶粒尺寸亦是愈靠近開口31(請配合圖6)愈大，較大晶粒51則亦形成於相對凹陷部30處，亦即凹陷部30上方區域，通常就是開口31區域。且各較大晶粒51間則形成體積較小之較小晶粒52，再由較大晶粒51沿著凹陷部30之錐角32的錐角角度θ(請配合圖6)持續成長進而壓抑其他自無凹陷部生長之體積較小之晶粒52的成長，從而形成之完整的大晶粒多晶矽晶體，使得該多晶矽晶體之晶界數量減少。

請參閱圖10，為本發明多晶晶體的製造裝置之又一實施例示意圖。其中亦包括一用以容置長晶原料11之坩堝10，如長晶原料11為固相，則以加熱器20以對坩堝10內之長晶原料11進行加熱使之融化，而坩堝10底部則設置有絕熱結構80及散熱裝置40，該絕熱結構80係設於坩堝10與散熱裝置40之間。此外，本發明的坩堝10的底面12與被熔化之原料11接觸面間形成有複數深入坩堝的底面12之凹陷部30。與圖5的實施例不同之處在於，圖10的實施例於該絕熱結構80設有導熱元件81，而導熱元件81的一端與坩堝10底部接觸，且相對應設置於各凹陷部30下方，亦即導熱元件81的一端與凹陷部30下方接觸、而另一端則與散熱裝置40接觸，以將凹陷部30的熱導引至散熱裝置40，透過導熱元件81與凹陷部30的作用使被熔化之長晶原料11在凹陷部30漸次結晶成為高比例孿生晶界之較大晶粒51。因此，圖10的實施例除了具有晶粒可大型化的特性，此大型化晶粒並包含高比例孿生晶界，所形成之完整多晶矽晶體不易有缺陷及雜質之產生。另外，導熱元件81通常以熱的良導體來製造，如實心的石墨、鋁、銅、銀、金等，而較佳者則以熱管(heat pipe)來導熱。

請參閱圖11，為本發明多晶晶體的製造裝置之凹陷部的另一實施例示意圖。並請配合圖6。在圖6中的凹陷部30的凹陷部內面33是呈直線狀，而在圖11中的凹陷部30形成於坩堝10且其凹陷部內面33是曲線狀，其中凹陷部30的開口31與底面12交界處為開口緣31’，以圖11所示橫斷面而言，於開口31兩側各有一開口緣31’，而凹陷部30具有一底部32’，通常是凹陷部30的最深處或是凹陷部內面33於下方的終端。而底部32’與二開口緣31’各可以直線連成假想線33’，而二假想線33’之間的角度即與圖6所示的錐角角度θ同義，且二假想線33’之間的角度範圍亦在80~140度之間。換言之，圖11的錐角角度θ就是凹陷部30的開口31的兩端(開口緣31’)各自與凹陷部的底部32’以直線連接的假想線33’的夾角。

請參閱圖12，為本發明多晶晶體的製造裝置之凹陷部的又一實施例示意圖。其中坩堝10的底部12形成的一凹陷部30是向底面12內凹入的圓弧狀結構，因此凹陷部內面33是呈圓弧狀，此外在最深處是一底部32’，其與開口31的兩端即開口緣31’各自以直線連成一假想線33’，而二假想線33’之間即形成一錐角32，其角度即等同於圖6所示的錐角角度θ，其範圍亦在80~140度之間。

請參閱圖10，本發明亦是提供一種多晶晶體的製造方法，包含下列步驟，首先提供一坩堝10；並於坩堝10內的底面12形成一凹陷部30；再於坩堝10內加入用以長晶的原料11；由坩堝10的側邊或周圍的加熱器20加熱長晶原料11，使長晶原料11融化，並再透過坩堝10的下方散熱裝置40對該被熔化之長晶原料11予以散熱，使該被熔化之長晶原料11在凹陷部30開始成核。而凹陷部30的製造則以切槽方式加工而成。又凹陷部30是以離開該坩堝內的方向，即朝向坩堝10材料內部而形成並逐漸縮小而成一錐狀。而更為有效的一散熱方式則是對凹陷部30予以散熱。

綜上所述，本發明提供一較以往各習用技術更為優良的多晶晶體之製造裝置與製造方法，即透過在坩堝底面形成、製造出凹陷部而讓長晶的原料得以在凹陷部的區域形成較大的晶粒，此晶粒更大於習用技術所製造者。此外，晶粒沿著凹陷部之錐角的錐角角度變大，進而壓抑其他由無凹陷部處所生長體積較小之晶粒之成長，從而形成大晶粒之之完整多晶矽晶體，使得該多晶矽晶體晶界數量減少。此外，本發明還揭露在凹陷部下方可設置導熱元件以與散熱裝置連接，使得上述被凹陷部大型化的晶粒內有高比例攣生晶界生長，對於多晶晶體製造技術而言，本發明具有莫大的貢獻。

本發明的多晶晶體之製造裝置與製造方法，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧坩堝

11‧‧‧長晶原料

12‧‧‧底面

20‧‧‧加熱器

30‧‧‧凹陷部

31‧‧‧開口

31’‧‧‧開口緣

32‧‧‧錐角

32’‧‧‧底部

33‧‧‧凹陷部內面

33’‧‧‧假想線

40‧‧‧散熱裝置

51‧‧‧較大晶粒

52‧‧‧較小晶粒

6‧‧‧孿生晶界

7．．．初成核

70．．．多晶矽晶體

71．．．晶界

80．．．絕熱結構

80’．．．接觸區域

80”．．．非接觸區域

81．．．導熱元件

θ．．．錐角角度

D1．．．開口寬度

D2．．．底面寬度

圖1，為習用的多晶矽晶體製造裝置的構造示意圖；圖2，為多晶矽晶體的立體示意圖；圖3，為利用習用技術製造而成的多晶矽晶體橫剖面示意圖；圖4，為另一種習用的多晶矽晶體製造裝置的構造示意圖；圖5，為本發明多晶晶體的製造裝置之實施例示意圖；圖6，為本發明多晶晶體的製造裝置之凹陷部的實施例示意圖；圖7，為使用本發明之多晶晶體製造裝置的晶粒成形示意圖；圖8，為應用本發明多晶晶體製造裝置所製造的多晶晶體的橫斷面示意圖；圖9，為本發明多晶晶體的製造裝置之另一實施例示意圖；圖10，為本發明多晶晶體的製造裝置之又一實施例示意圖；圖11，為本發明多晶晶體的製造裝置之凹陷部的另一實施例示意圖；以及圖12，為本發明多晶晶體的製造裝置之凹陷部的又一實施例示意圖。

10．．．坩堝

11．．．長晶原料

12．．．底面

20．．．加熱器

30．．．凹陷部

Claims (20)

1. 一種多晶晶體的製造裝置，包括：一坩堝，在該坩堝內具有一底面；以及一加熱器，鄰近於該坩堝而設置，其中該坩堝的該底面形成複數個凹陷部，各該凹陷部具有一開口，且該凹陷部由上而下呈漸縮狀，俾使長晶原料在各該凹陷部於所述開口處結晶成核，以形成一多晶晶體。
2. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中該凹陷部是呈槽狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中該凹陷部的深度為五公厘至二公分。
4. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中該凹陷部的寬度與該底面的寬度的比值範圍是0.1至0.5。
5. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中該凹陷部是呈錐狀。
6. 如申請專利範圍第5項所述的製造裝置，其中該凹陷部的錐角角度為80-140度。
7. 如申請專利範圍第6項所述的製造裝置，其中該錐角角度的測量，是該凹陷部的開口的兩端各自與該凹陷部的底部連接的假想線的夾角。
8. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中該底面更形成複數個該凹陷部。
9. 如申請專利範圍第7項所述的製造裝置，其中該複數個凹陷部的樣式均相同。
10. 如申請專利範圍第7項所述的製造裝置，其中該複數個凹陷部中，有一個凹陷部的樣式與另一個凹陷部的樣式不同。
11. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中該凹陷部的凹陷部內面呈直線狀。
12. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中該凹陷部的凹陷部內面呈曲線狀。
13. 如申請專利範圍第1項所述的製造裝置，其中在該坩堝外的底部設置一散熱裝置。
14. 如申請專利範圍第13項所述的製造裝置，其中在該坩堝的底部與該散熱裝置之間，更設置一絕熱結構。
15. 如申請專利範圍第14項所述的製造裝置，其中在該絕熱結構內更設置一導熱元件，該導熱元件之一端位於該凹陷部的下方，而另一端則與該散熱裝置連接。
16. 如申請專利範圍第15項所述的製造裝置，其中該導熱元件是選自熱良導體中的石墨。
17. 一種多晶晶體的製造方法，包含下列步驟：提供一坩堝；於該坩堝內的底面形成複數個凹陷部，各該凹陷部具有一開口；在該坩堝內加入長晶原料；由該坩堝的側邊或周圍加熱該長晶原料，使該長晶原料融化，並自該坩堝的下方對該被融化之長晶原料予以散熱，使該被融化之長晶原料在各該凹陷部的開口結晶成 核，俾使形成一多晶晶體。
18. 如申請專利範圍第17項所述的製造方法，其中該凹陷部是以離開該坩堝內的方向形成並逐漸縮小而成一錐狀。
19. 如申請專利範圍第17項所述的製造方法，其中所述自該坩堝的下方對該被融化之長晶原料予以散熱，是對該凹陷部予以散熱。
20. 一種多晶晶體的製造方法，包含下列步驟：提供一坩堝；於該坩堝內的底面形成複數個凹陷部，各該凹陷部具有一開口；在該坩堝內加入已融化的長晶原料；自該坩堝的下方對該長晶原料予以散熱，使該被融化之長晶原料在各該凹陷部的開口處結晶成核，俾使形成一多晶晶體。