TWI485295B

TWI485295B - 用以減少熔化物污染及減少晶圓污染之方向性固化爐

Info

Publication number: TWI485295B
Application number: TW098131815A
Authority: TW
Inventors: Steven L Kimbel; Richard G Schrenker; Lee Ferry; Jihong John Chen
Original assignee: Memc Singapore Pte Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2015-05-21
Also published as: US20100074825A1; CN102159754A; US9222196B2; EP2334847A1; KR20110076937A; CN102159754B; KR101370180B1; US20120186299A1; JP2012502879A; WO2010033885A1; US8317920B2; TW201018756A; EP2334847B1

Description

用以減少熔化物污染及減少晶圓污染之方向性固化爐

本發明大致上係關於方向性固化爐，且更具體言之，係關於一種用以引導一惰性氣體流至該爐內之裝置及方法。

方向性固化爐通常用於生產多晶矽鑄錠。首先將原料矽載入一石英坩堝中。該矽可為諸固體塊、回收再利用多晶矽、矽塵形式或其之一組合。該坩堝通常由石英，或另一可在基本上保持惰性的同時耐高溫之恰當材料所構成。該坩堝通常為一五面盒狀物，該盒狀物之頂部向該爐內之環境開放。由增加該石英坩堝之結構剛性之諸石墨支撐壁支撐該坩堝。

將矽裝入該坩堝後，將該坩堝之周圍區域密封，與外部周圍環境分隔。將該坩堝放入一構成該爐部分之密封容器內，以協助該坩堝與該外部環境之分隔。隨後降低該密封容器內之壓力。該密封容器內之環境之含量亦可被監測及控制。

隨後將該坩堝及該裝入之矽加熱至足夠熔化該矽之溫度。在該裝入之矽完全熔化後，以一受控速率冷卻該裝入之矽，以達成一方向性固化結構。該受控冷卻速率係藉由減少諸輻射加熱器施加之熱之量及位置、移動或打開該坩堝周圍之隔離區內之一排熱孔、或經由一冷卻板使一冷卻介質循環之任一組合而設立。此等方法之任一者均從該坩堝之表面轉移走熱。若該坩堝之底部之該冷卻速率高於該坩堝之諸側之該冷卻速率，則產生一具有大體上為軸向溫度梯度之相對平直、水平之固化等溫線。因此，該鑄錠在最接近該坩堝之較冷側之區域固化，且繼續朝遠離該坩堝之該側之方向固化。欲固化之該熔化物之最後部分通常係在該鑄錠之頂部。

在方向性固化爐中生產諸多晶矽鑄錠之一重要關注點在於雜質對該鑄錠之污染。一污染之進入點通常係該熔化物表面。該密封容器內出現之氣態或固態碳或諸其他污染物從該熔化物表面進入，且至少部分被該熔化物吸收，隨後在固化過程中以一沉澱化合物之形式併入該鑄錠。一些碳污染物之來源係在加熱該坩堝及諸壁時所形成之一氧化碳氣體，以及含氧化合物接觸加熱後之隔離區及石墨或該等壁及該爐封閉空間內部之脆弱隔離之惡化所導致之微粒碳污染物。該一氧化碳氣體於下列反應中生成：SiO(g)+C(s)=>SiC(s)+CO(g)及O2(g)+2*C(s)=>2*CO(g)，其中氣態SIO可能係該自由矽熔化物表面產生之蒸汽或該坩堝藉由2*SiO2(g)=>2*SiO(g)+O2(g)反應分解，且該氧氣可能源自該爐內殘留之空氣或空氣滲進該爐。該石英坩堝被附近之坩堝支架分解亦係諸含碳物之一重要來源。此藉由一諸如SiO2+2*C(s)=>SiC(s)+CO(g)之反應發生。(任何來源所產生之)該一氧化碳及二氧化碳氣體如下列諸反應所示與該熔化物表面發生反應：Si(l)+CO(g)→SiO(g)+C或Si(l)+CO2(g)=>2*SiO(g)+C。

諸矽鑄錠中之碳沉澱在使用該等鑄錠所最終生產之諸產品(例如太陽能電池)中引發非所要之電分流。碳還污染矽之回收再利用流，因為未使用或不合要求之鑄錠通常被回收再利用形成新的鑄錠。因此，減少該熔化物內之該碳污染可降低該回收再利用流之該碳污染含量。

已做諸嘗試向該爐內引入一惰性氣體流，但是由於一無效之流動路徑，因此該等嘗試並不完全令人滿意。因此，需要一高效且有效之裝置及方法以引入一惰性氣體流，從而降低該鑄錠之污染含量。

在一態樣中，一方向性固化爐包括一用於盛裝熔化之矽之坩堝及一覆蓋該坩堝且在該熔化之矽上方形成一封閉空間之蓋子。該坩堝還包括一位於該蓋子中用於將該惰性氣體引入至熔化之矽上方以抑制該熔化之矽之污染之進氣口。

在另一態樣中，一方向性固化爐包括一用於盛裝熔化之矽之坩堝及一用於支撐該坩堝之坩堝支架。該爐還包括一覆蓋該坩堝及坩堝支架且在該熔化之矽上方形成一封閉空間之蓋子。該爐進一步包括一位於該蓋子中用於將該惰性氣體引入至熔化之矽上方之進氣口。將一第一間隙及第二間隙設置於該蓋子附近。該第一及第二間隙界定一有助於將諸污染物移除出該封閉空間及允許該惰性氣體流出該封閉空間之非線性流動路徑。

在再一態樣中，一種製造一多晶鑄錠之方法包括將固態多晶矽放入一坩堝中，並將一蓋子放在該坩堝上以形成一在該蓋子與該坩堝之間具有一迷宮間隙之封閉空間。該方法進一步包括施加熱以熔化該多晶矽。該方法還包括將惰性氣體引入該封閉空間內，使該氣體從該封閉空間吹洗出污染物，且僅經由該間隙流出該封閉空間。該方法還包括將熔化之多晶矽固化，以形成該鑄錠。

存在各種具有與諸上述態樣相關之諸特點之細微改良。亦可將諸進一步特點併入諸上述態樣。此等細微改良及額外特點可單獨或以任意組合形式存在。例如，下文討論到的與該等所繪示實施例相關之各種特點也可單獨或以任意組合形式併入諸上述態樣之任意者。

參考圖1，一該實施例之方向性固化爐大致上指100。該方向性固化爐包括一藉由一坩堝支架103支撐之石英坩堝102，該坩堝支架103包含諸壁104(諸坩堝支撐壁)及一坩堝底座106。可用其他結構或構件支撐該坩堝。該坩堝102、該等壁104及該坩堝底座106與一下文描述之蓋子112一同形成一坩堝總成或一內部總成105(圖2)。此內部總成105也可包含一設置於該坩堝底座106下方之熱交換器107。在一實施例中，該內部總成105除有意在其中形成之諸通風孔或諸間隙外並無洩漏。同樣地，該爐100在其中亦可無或大體上無洩漏。

在此實施例中，諸加熱器108繞著該等壁104定位於一封閉容器110內。該等加熱器108可恰當地為諸放射加熱器。該等加熱器108施加足夠之熱，使該坩堝內之裝入材料熔化。此實施例之該裝入材料為矽，但是亦可為其他材料。側邊隔離區109繞該坩堝設置，且可部分開啟，例如藉由垂直運動(如圖1諸箭頭所繪示)。一旦該矽裝入物經已融化，應向該熱交換器107引入一冷卻介質，或將該隔離區109抬高，以協助該矽之方向性固化。可對該等加熱器108之發熱能進行調整，以便向該熔化物111施加較少之熱。亦可藉由將該等加熱器108移離該坩堝102調整其相對於該坩堝之定位(尤其是將其移離該坩堝底座106)。此外，可相對於該爐移動該爐周圍之隔離區，用以從該爐中移走更多之熱。隨後，該鑄錠之方向性固化可藉由此等步驟之任意組合達成。因此，該熔化物111最靠近該坩堝底座106之該部分首先固化，且該固化繼續大致地以遠離該坩堝支架底座106向上之方式進行。最後固化之部分為該熔化物111之頂部表面。

將一此實施例之蓋子112定位於該坩堝102之上，用於容納及引導一惰性氣體流。如圖2所繪示，該惰性氣體流經由一進氣管114被引入該蓋子112，且在沿著該熔化物111之頂部表面流動後，經由該坩堝102之頂部下方及該等壁104及該等垂直板118之間之諸間隙(於下文圖3A及圖3B中進行描述)流出。如下文所進一步描述及如圖2所繪示，該間隙可界定一廢氣流動穿過之迷宮或彎曲路徑。此廢氣路徑降低該熔化物111之該頂端表面附近之含碳氣體含量。

圖2係一該蓋子112及該等周圍結構之橫截面。該蓋子112包含四塊垂直板118及一水平板120。該等垂直板118之每者及該水平板120均具有一內表面及一外表面。該四塊垂直板118及該水平板120可藉由任何恰當之連接或諸連接接合在一起，包括但不限於扣件、插銷、舌與槽或搭接。該等垂直板118之內表面朝向藉由該蓋子112所封閉之區域之內部，而該等外表面則面向該蓋子之外部。該蓋子112之長度及寬度與該坩堝102之長度及寬度大體上相似，但稍大。

在一實施例中，將該等垂直板118之頂部安裝於該水平板120之該內表面所形成之凹口124中。隨後，該水平板120在方便該蓋子之簡單裝配及拆卸的同時，其重量可將使蓋子112結合在一起。在一些實施例中，可用複數個插銷進一步將該等垂直板118固定於該水平板120。將該等插銷插入穿過該垂直板118之諸孔及該水平板120之諸相應孔。該等垂直板118及該等水平板120之間之諸接縫抑制該惰性氣體流穿過該等接縫。在此實施例中，穿過該接縫之任何惰性氣體流均為最小值，且不影響惰性氣體在該封閉區域內的整體流動。

該水平板120可以為單塊材料或可由數塊材料構成，或連鎖塊(例如，為了方便製造及操作)。該等垂直板118及該水平板120還可為一整體單塊式設計，該蓋子112因此係由一單塊材料所形成。該水平板120具有一在此形成之孔126，用於接收該進氣管114。一些實施例包含一設置於該孔126上方，用於管對齊及/或密封之密封環128。該環128及該進氣管114可以由互相相同或相似之材料及與該蓋子112之該垂直板118及該水平板120相同或相似之材料製作。該密封環128具有一與該進氣管114相接觸之內表面。該環128之內直徑與該進氣管114之外直徑大體上相似。在一些實施例中，該環128之該內表面沿著其縱軸呈錐狀，以對齊。該內表面之直徑朝著位於該水平板120上之該環128之表面而遞減。

該進氣管114係用於導入惰性氣體穿過該蓋子112之該水平板120而至該封閉區域130內。該進氣管114具有一大致上為圓形之橫截面，然而其他實施例可以包含不同形狀之橫截面。該進氣管114係由與該蓋子112之其他零件之構造中所使用之材料相似之材料構成。

將該進氣管114之一第一端口132與一惰性氣體源134相連，如圖1所描繪。在一些實施例中，該惰性氣體為氬氣。如圖2所繪示，該進氣管114之一第二端口136經由上述之該開口穿透該蓋子112之該水平板120。該進氣管114之該第二端口136可與該水平板120之該內表面平齊，或可在該水平板120之該內表面下方延伸至該封閉區域130。可調整該進氣管114之該第二端口136穿入至該封閉區域130之深度，以改變該封閉區域130中該惰性氣體流之特性。此調整並不改變在該封閉區域內之該氣體的純度。

在此實施例中，將該水平板120之該孔126及該進氣管114定位於該水平板120之中心。但是，在其他實施例中，可將該孔126及該進氣管114定位於偏離中心之位置。亦可調整該孔126及該進氣管114之位置，以改變該封閉區域130內之該惰性氣體流。此外，一些實施例包含數個孔及諸對應之進氣管，以改變該封閉區域130中該惰性氣體流之特性及分佈。此外，依據一些實施例，可使用不同尺寸之孔及諸對應之進氣管，以及變動之流速，以操控該惰性氣體流。

在其他實施例中，未使用該四塊垂直板118(見圖12)。在此等實施例中，該水平板120直接位於該等坩堝支撐壁104上，且於該坩堝102之頂部下方之該等壁104中形成一間隙。例如，該間隙可以藉由鑽孔、開槽形成或為其他在該等壁104中形成之諸開口。

現在回到圖1至圖4之實施例，該等垂直板118及該水平板120由一能維持其結構完整且一持久時間段內能在高溫下產生最小反應之材料所構成。諸恰當之材料包含一碳形式(例如石墨)，且可與該等壁104之成份類似。在一些實施例中，該垂直板118及該水平板120由具有塗覆高純度碳化矽之石墨所構成。

該坩堝102、該進氣管114及其他相關之諸組件不應向該熔化物111加入大量之碳。然而，由於石墨組件與SiO之高溫反應或有液體矽潑濺其上，使得其表面化學物轉化為SiC，可能使其變得易碎及破裂。該等石墨組件可加以塗覆，以防止由於破裂之石墨表面可能釋放之碳顆粒向該熔化物加入碳。

圖3A係一該蓋子112之該等垂直板118之一者之橫截面圖，而圖3B係一位於一支撐架138上之該蓋子112之該等垂直板118之一者之橫截面圖。如上文所述，該坩堝102係為諸對應之壁104所圍繞。圖3A及圖3B繪示一第一間隙116及一第二間隙117。該第二間隙117界定與該坩堝102與該等垂直板118之間。該第二間隙117具有一寬度B。該坩堝102之一部分向上垂直延伸超出該等壁104達一高度A。在一實施例中，該高度A為38mm且該寬度B為9.5mm，得到一AB比率約為4：1。在其他實施例中，該AB比率可在約2：1與約11：1之間(或在約2與約11之間)，而在其餘諸實施例中，該比率可在約3：1與約10：1之間(或在約3與約10之間)，再在其他實施例中，該比率可能大於或等於約4：1(或約4)。

該第一間隙116界定於該等壁104及該垂直板118之間。該第一間隙116具有一與該垂直板118之寬度相等之寬度C，且具有一與該垂直板及該壁104之諸邊間距離相等之高度D。在一實施例中，該寬度C為9.5mm且該高度D為1.6mm，得到一CD比率為5.94(或約6)。在其他實施例中，該CD比可在約4：1與約13：1之間(或在約4與約13之間)，而在其餘諸實施例中，該比率可在約5：1與約12：1之間(或在約5與約12之間)，再在其他實施例中，該比率可能大於或等於約6：1(或約6)。

在一些實施例中，選擇第一間隙116之該寬度C及該高度D，使其達成與該氬進氣口面積(如圖2所繪示，為垂直定向)相同之垂直橫截面積。在其他實施例中，依據鑄錠之碳含量選擇或調整該間隙。在經繪示之實施例中，該等壁104在該坩堝102下方終止，在該蓋子112未到位時暴露該坩堝之一部分。在其他實施例中，該等壁104未在該坩堝102下方終止，因此在該蓋子未到位時，不會暴露該坩堝之部分。

在另一實施例中，第一間隙116係小於約5毫米，且界定於該等壁104與該坩堝102之間。在此實施例中，選擇該第一間隙，使其達成與該氬進氣口面積(即該進氣管114)相同之垂直橫截面積。該間隙橫截面積與該進氣口橫截面積之比率可以在約0.5至約10之間，或在另一實施例中在約0.8至約12之間，或在其餘實施例中為約1。在此實施例中，依據鑄錠碳含量(即鑄錠碳測量回饋)選擇或調整該間隙，且/或達成足夠之廢氣流速度，以抑制回流。

如圖3B所示，將複數個支撐架138插入該等壁104內。該等支撐架138由一能夠耐高溫，且不發生重大結構性降解或不與該環境發生反應之恰當材料構成。在一實施例中，該等支撐架138由鉬所構成。在另一實施例中，該等支撐架由轉化為SiC之石墨構成。

該等支撐架138之每一者包括一網狀物144及一從其中延伸出之插銷。該插銷140安裝入該壁104之一水平部分(如頂部)中之一對應孔。該支撐架138大致為U形，具有兩個形成一從該支撐架之該網狀物144向上延伸之C型槽之壁。該等壁142之間之距離大體上與該蓋子112之該等垂直板118之厚度相同。隨後該蓋子112之該等垂直板118安裝於該等兩壁142之間，且位於該支撐架138之該網狀物144上。將該等垂直板118安放於與該兩壁142時，可在該等垂直板118上開出一對齊加間隙設置凹口(即一嚙接配置)(未繪示)。此可在仍維持該支撐架138之該網狀物144厚度相同之同時，降低該第一間隙116之該高度。調整該凹口之深度，以操控該第一間隙116之該高度。亦可使用其他影響該第一間隙116之諸方法。例如，將一具有該第一間隙116之所要高度D之間隔墊圈加工至或放置於該插銷上，將該插銷插入該壁104及該垂直蓋子板118，從而產生該第一間隙116。另一示例將從該等蓋子板之該等底邊處切出該第一間隙116，且包含設置該第一間隙116之諸唇緣(未繪示)。

該第一間隙116及該第二間隙117允許該惰性氣體流從該封閉區域130向外之排出或排氣。該第一間隙116之總體表面積大體上與該進氣管114之橫截表面積相同，用以在整個封閉區域130中提供一均勻氣流及壓力。

圖2描繪該封閉區域130內之該惰性氣體流之總路徑。該惰性氣體沿著一大致迷宮似之路徑流動。該等指示該流動路徑122之箭頭僅作說明用，且該惰性氣體之實際流動路徑大體上依據任何數量之因素而變化。大致上，經由該進氣管114將惰性氣體引入該由該蓋子112之該水平板120及該等垂直板118、該等壁104、該坩堝102及該熔化物111之頂部表面所界定之該封閉區域130。該惰性氣體在經由該等間隙116、117流出之前，流動穿過該封閉區域130。

該惰性氣體流出該封閉區域130時之流動路徑係似迷宮，以將諸污染物向該熔化物111之表面之回流最小化。如圖3A及3B更清楚之繪示，該惰性氣體沿著一非線性路線或路徑運動，穿過該第二間隙117及隨後之該第一間隙116。此非線性路線至少具有分別與一穿過該第一間隙116及該第二間隙117之路徑相對應之一第一部分及一第二部分。該第一部分及該第二部分之每一者均具有一側向及一縱向組件。該非線性路線確保一旦該惰性氣體進入第二間隙117，其中包含之該等污染物無法逆轉線路及接觸該熔化物111之表面。該非線性惰性氣體流路徑因此確保該惰性氣體流所攜帶之諸污染物無法回流或另外往回流動及接觸或污染該熔化物111之表面。

在一些實施例中，該惰性氣體流能夠更有效地保護蓋熔化物111不被污染，因為該熔化物111之該表面周圍之區域(即該封閉區域130)之封閉無或大體上無洩漏。於是藉由該惰性氣體流，從該封閉區域130吹洗出出現在該熔化物111之表面附近之諸污染物。

圖4描繪一沿圖3B之4-4線之橫截面。圖5A描繪一與圖3B類似之橫截面，然而其未描繪該支撐架138，且更清楚地繪示該第一間隙116。

圖3A及圖3B描繪一具有均勻高度之第一間隙116，而其他實施例則如圖5B及圖8所繪示具有一不均勻之間隙高度。一穿過該熔化物111表面之均勻氣流協助提供一均勻之污染物減少曲線。然而，由於此實施例之坩堝102之橫截面大體上為矩形(例如，正方形)，因此很難達成一均勻之惰性氣體流，因為該進氣管114距離該蓋子112之周邊之距離與相應之第一間隙116不均勻。可藉由沿著該蓋子112之周邊改變該間隙高度，操控該惰性氣體之流動(如流速及壓力場)。當該第一間隙116沿著該蓋子112之周邊之高度均勻時，一不均勻氣流於該坩堝102之諸角落處尤為明顯。

例如，可在該蓋子112之諸角落處增加該第一間隙116之該高度，以增加該等角落之惰性氣體流。在一些實施例中，可對稱地增加該高度，而在其他實施例中，則可非對稱地增加該高度。可藉由增加該壁104之高度或減少該蓋子112之該等垂直板118所開出之該凹口之深度，或該二者之任意組合，以達成增加該第一間隙116之該高度之目的。為了如圖5B及圖8所繪示不對稱地改變該間隙高度，該蓋子112之該垂直板118或該壁104之頂部標高可具有一不均勻之高度輪廓，例如可增加該垂直板118之底部之高度，或朝著該角落方向減少該壁104之高度。在此實施例中，可設計一不對稱之間隙尺寸，以提供一穿過該第一間隙116之更均勻之輻射狀氣流速度，及在該矽熔化物111上方之該封閉區域130提供一更均勻之壓力。在此實施例中，在該第一間隙116中，因為該間隙影響該氣流及該等氣態碳化合物之移除效率，因此將設計中之變動降至最低。

圖8描繪一經裝配之蓋子及坩堝支架103，其內部為該坩堝102。注意，為了明瞭，圖8略去該等坩堝壁104之一者、該等蓋子垂直板118之一者及該進氣管114。

在諸替代實施例(例如圖12所繪示之諸實施例)中，該等垂直板118及該等壁104之間不存在一間隙(亦即，第一間隙116)。此外，此實施例中未使用諸垂直板118。該等壁104取而代之向上朝著該蓋子112之該水平板120延伸。因此，在該等壁104上提供複數個排氣孔131，供該惰性氣體經由其流出。在其他包含如圖1至圖5之諸實施例所繪示之諸垂直板118之諸實施例中，該等排氣孔131定位於該等垂直板及/或該等壁104中。在圖12之實施例中，確定該等排氣孔131之尺寸，並將其定位於該等壁104中，以在該熔化物111上方達成一均勻惰性氣體流。在一些實施例中，該等排氣孔131之橫截面大體上可為圓形或卵形。再者，在該等垂直板118或該壁104中之諸排氣孔131可與該等垂直板118及該壁104之間之該第一間隙116聯合使用。

在一實施例中，該坩堝總成或內部總成105除有意在其中形成之諸通風孔或諸間隙外，大體上無洩漏。同樣地，該爐100在其中亦可無或大體上無洩漏。

該坩堝、該等進氣口及其他相關之諸組件不應向該熔化物111加入大量之碳。然而，由於石墨組件與SiO之高溫反應或有液體矽潑濺其上，使得其表面化學物轉化為SiC，可能使其變得易碎及破裂。該等碳組件可加以塗覆，以防止由於破裂之石墨表面可能釋放之碳顆粒向該熔化物加入碳。

圖6係一說明一引入及控制一惰性氣體流過一熔化物表面之方法之流程圖。該方法從步驟146開始，其係將固態矽放入該坩堝開始。該矽可為固體矽塊、回收再利用材料、顆粒多晶矽或矽粉末形式或其任意組合。還可向該矽或給料中添加參雜物。若需要一低碳結果，則該矽應具有低碳含量，因為實際上並無碳從該液態熔化物表面蒸發。

為了製造太陽能電池，可將低碳界定為低於該鑄錠之可使用部分之沉澱限值。當90%固化時，固體中之碳應低於6-8ppma，或溶液中之碳應低於75-100ppma。由於隔離，此碳含量將確保在該鑄錠之主要部分固化時，絕無碳沉澱出現。如圖11所繪示，此係在使用碳濃度<1.0ppma之原始給料之測試中達成。此含量亦夠低，從而不會增加正常回收再利用率(例如30%)下之回收再利用流中之碳，其中遵循傳統之頂部廢棄原則(鑄錠頂部3-4%不予回收再利用)。

在步驟148中，隨後將該蓋子放在該坩堝總成或該支架頂部。該蓋子位於定位於該等坩堝支撐壁頂部之該等支撐架上，並因此定位於該坩堝之上方，以形成一在該蓋子、該坩堝及該坩堝支架之間具有一迷宮間隙之封閉空間。

在步驟150中，將惰性氣體引入由該蓋子、該熔化物表面、該坩堝及該等坩堝支撐壁所封閉之區域內。在此實施例中，該氣體流純度夠高，足以維持低碳含量。依據一些實施例，可大體上在步驟152中使用熱之同時，或稍早時，引入該惰性氣體。經由該蓋子中之該進氣管將該惰性氣體引入。該惰性氣體用作至少兩種用途。首先，將其作為該熔化物表面與出現於該坩堝或該坩堝總成外部之任何污染物間之阻隔物。此等污染物通常為一氧化碳氣體，其係由在該等坩堝支撐壁被加熱或在高溫下與該坩堝發生反應時釋放碳而產生。該惰性氣體流亦阻隔其他高溫下之氣相污染物，例如鐵。注意，該蓋子亦可用於阻隔其他氣相污染物。

在步驟152中，隨後向該坩堝施加熱，以熔化其他氣相污染物。該熱係藉由定位在該坩堝周圍附近之一或多個加熱器所供應。此外，可在關閉之後將氧氣移除(例如，抽出氧氣，且回填氬氣)。

在步驟154中，此氣體流入該熔化物表面之附近並向上流動至該等壁104與該蓋子112之間的間隙。藉由將惰性氣體從該進氣管向下引導至該熔化物表面，並經由該蓋子之該等垂直板與該坩堝支撐壁之間的間隙導出，可有效降低流至該熔化物表面之一氧化碳氣體及其他污染物。該惰性氣體在經由該坩堝頂部唇緣下方之該等壁與該等垂直板之間之間隙流出前，流動穿過該封閉區域，以形成一氣流迷宮，從而將諸污染物之回流降至最低。藉由封閉該熔化物表面周圍之該區域，該惰性氣體流能夠有效保護該熔化物表面不受污染。另外，藉由該惰性氣體流從該封閉區域吹洗出該熔化物表面附近出現之諸污染物(該封閉區域內可能產生該等污染物)。

如圖7之實施例所繪示，該蓋子112之該垂直板118之內表面形成一唇緣162。該唇緣162用於進一步抑制一氧化碳或來自該坩堝總成周圍之爐內空間或來自該坩堝與該坩堝支架之間之反應之一氧化碳或其他污染物回流至該熔化物111。該唇緣進一步用於防護該等間隙116、117免受矽微粒或熔體潑濺之傷害，該二者中之任一者均可能抑制隨後之分解或能夠給該等零件造成破壞。該唇緣162從該垂直板118之內表面向外延伸，且剛好定位於該坩堝102一末端164上方。該坩堝102之末端164與該唇緣162之間之間隙與垂直板118及壁104之間之間隙116類似。該唇緣162縱向沿著該等垂直板118之長度方向之至少一部分延伸，並且在該坩堝102之該壁之該末端164上方沿水平方向延伸出去。隨後該惰性氣體在經由該垂直板118與該壁104之間之該第一間隙116流出之前，必須在該唇緣162與該坩堝之該壁之該末端164之間流動。此提供一能夠為含碳化合物之回流擴散提供一更佳障礙之延長迷宮或彎曲路徑。

現在回到圖6，其次，該惰性氣體流從該熔化物表面吹洗掉諸污染物。若諸污染物(例如一氧化碳及其他含碳化合物，包括碳)出現在該熔化物表面附近，則該惰性氣體流用於將其從該熔化物表面吹洗掉。該惰性氣體流經由該蓋子之該等垂直板與該等坩堝支撐壁之間之該間隙有效地從該熔化物表面輸送出該等污染物。

在一實例中，該爐產生約6.6升/小時之一氧化碳。在矽熔化溫度(1400攝氏度)及一600mBar之壓力下，將該惰性氣體以一50SLPM之標稱速率或以一大約472公升/分鐘之擴大(諸作業條件)速率引入。假定無其他一氧化碳之來源存在，則該間隙內之該氣態碳濃度按容積計算為約0.023%。在另一實施例中，該爐生成之氣態含碳化合物按容積計算濃度低於0.03%，及在另一實施例中該濃度低於_- 5%，在再另一實施例中，該濃度低於5%。

在該氣體經由該等間隙流出該封閉區域後，可將其收集及回收再利用，於之後重新使用。作為選擇，該氣體可藉由安全排氣處理，排入外部環境中。

一旦該矽經已熔化，該固化過程即可開始(步驟156)。如上文所述，在諸方向性固化爐中，該鑄錠之一較低區域首先固化，且該固化以一普遍朝向一固化前端之方向繼續進行。由於從該坩堝之該底部移除(例如，藉由上述一熱交換器或其他手段)熱能(或熱)，因而該熔化物隨後開始在該坩堝之該底部固化，且固化以一朝向該熔化物表面之該頂部之方向繼續進行。在該矽已固化為一鑄錠(例如一多晶鑄錠)後，在步驟157中將該固化之鑄錠冷卻。在步驟158中將該蓋子移除，且在步驟160中從該坩堝中移除該鑄錠。隨後，按行業慣例，將該鑄錠切成諸多晶體晶圓，例如圖9中繪示之晶圓W。

該等所描述之實施例提供一種用於將一惰性氣體流引導一熔化物表面之上方以減少或抑制一熔化物或鑄錠之碳污染的裝置及方法。

如圖10所繪示，藉由該新方法及該等系統所生產之諸鑄錠所含之碳大體上低於藉由諸先前技術方法所生產之諸鑄錠所含之碳。一使用30%回收再利用多晶矽給料之先前技術工藝之一最初熔化物之碳濃度為48ppma，係一相對較高之碳含量，可能如繪示導致該鑄錠中之碳沉澱(該鑄錠中間)。在該先前技術工藝中使用碳濃度低於1.0ppma之原始多晶矽，如繪示導致一最初熔化物之碳濃度為19ppma。最後，在無空氣滲入之情況下，使用原始多晶矽及圖1至圖5之該實施例，可生成最低之碳含量。該碳濃度測量僅指示該矽中非沉澱之碳。因此，一旦沉澱開始，該FTIR碳測量仍接近沉澱限值。

如圖10及圖11所繪示，此工藝所生產之該晶圓或該等晶圓與先前技術所生產之諸晶圓相比，具有更低之碳。因此，較不可能有可在用該等晶圓所生產之諸產品(例如太陽能電池)中引起諸電分流之諸SiC沉澱合併入該等晶圓中。如圖11所繪製之該隔離模型，即使使用一例如32%之典型回收再利用率，主要鑄錠碳含量之最大預期也不會超過該沉澱含量6.0ppma。

雖然各種具體實施例中經已描述本發明，但應明瞭本發明之實踐可在該等請求項之精神及範圍內進行修改。

在介紹本發明或其中之該(等)實施例之元件時，冠詞「一」、「該」及「該等」旨在意指擁有一或多個該等元件。該等術語「包括」、「包含」及「具有」旨在表示包含性的，且意指除了該等所列之元件外，可以有諸額外元件。表示一特定定向(例如，「頂部」、「底部」、「側面」，等)之諸術語僅為了描述之方便，且不要求所描述之項目之任何特定定向。

由於在不脫離本發明之範圍之情況下，可對上述諸構建及方法作各種更改，因此希望將上文描述所包含及(諸)隨附圖式所繪示之所有事項解釋為說明性非限制性。

100‧‧‧方向性固化爐

102‧‧‧石英坩堝

103‧‧‧坩堝支架

104‧‧‧坩堝支撐壁

105‧‧‧內部總成

106‧‧‧坩堝底座

107‧‧‧熱交換器

108‧‧‧加熱器

109‧‧‧隔離區

110‧‧‧封閉容器

111‧‧‧熔化物

112‧‧‧蓋子

114‧‧‧進氣管

116‧‧‧第一間隙

117‧‧‧第二間隙

118‧‧‧垂直板

120‧‧‧水平板

122‧‧‧流動路徑

124‧‧‧凹口

126‧‧‧孔

128‧‧‧密封環

130‧‧‧封閉區域

131‧‧‧排氣孔

132‧‧‧第一端口

134‧‧‧惰性氣體源

136‧‧‧第二端口

138‧‧‧支撐架

142‧‧‧壁

144‧‧‧網狀物

162‧‧‧唇緣

164‧‧‧末端

A‧‧‧高度

B‧‧‧寬度

C‧‧‧寬度

D‧‧‧高度

W‧‧‧晶圓

圖1係一依據一實施例之方向性固化爐之一部分示意橫截面；

圖2係一圖1中之蓋子、坩堝及坩堝支架之一橫截面，且示意繪示穿過該矽熔化物上方之封閉空間之惰性氣體的流動；

圖3A係一該坩堝支架之一部分及該蓋子之一部分之橫截面；

圖3B係一定位於一支撐架上之該坩堝支架之一部分及該蓋子之一部分之橫截面；

圖4係一圖3B中沿4-4線之橫截面；

圖5A係一定位於該坩堝支架上方之該蓋子之一部分之橫截面；

圖5B係一定位於該坩堝支架上方之該蓋子之側視圖；

圖6係一描繪一依據一實施例對一熔化物表面提供一惰性氣體流之方法之流程圖；

圖7係一依據另一實施例在該蓋子中形成之唇緣之橫截面；

圖8係一經裝配之坩堝支架及該等壁之一者及該蓋子之一部分被移除之蓋子之一示意透視圖；

圖9係一矽晶圓之一俯視平面圖；圖10係一繪示FTIR碳對各種樣品鑄錠之部分固化之曲線圖；圖11係一繪示在一給定裝入條件下，一鑄錠主要部分之最大碳濃度之曲線圖；及圖12係一經裝配之坩堝支架及該等壁之一者及該蓋子之一部分被移除之蓋子之一示意透視圖。

100．．．方向性固化爐

102．．．石英坩堝

103．．．坩堝支架

104．．．坩堝支撐壁

105．．．內部總成

106．．．坩堝底座

107．．．熱交換器

108．．．加熱器

109．．．隔離區

110．．．封閉容器

111．．．熔化物

112．．．蓋子

114．．．進氣管

116．．．底座

118．．．垂直板

120．．．水平板

122．．．流動路徑

132．．．第一端口

134．．．惰性氣體源

136．．．第二端口

Claims

一種方向性固化爐，其包括：一坩堝，用於盛裝熔化之矽；一蓋子，覆蓋該坩堝且在該熔化之矽上形成一封閉空間；若干支架，該等支架係設置於該坩堝與該蓋子之間，以支撐該蓋子，並在該坩堝之一周邊與該蓋子之一周邊之間形成複數個間隙，該等間隙用於從該熔化之矽上方排出惰性氣體；一進氣口，位於該蓋子中，用於將惰性氣體引入至該熔化之矽的上方以抑制該熔化之矽的污染；及一間隙，其位於該坩堝之外且在該坩堝之一上緣之下，以排出惰性氣體。
如請求項1之爐，其進一步包括一坩堝支架，該坩堝支架包含複數個孔，該等孔係用於從該熔化之矽上方排出該惰性氣體並促進在該熔化之矽上方之該惰性氣體的均勻流動。
如請求項1之爐，其中該蓋子包括一或多個耐熱材料板，該材料包含塗覆碳化矽之石墨。
如請求項1之爐，其中該進氣口包括一進氣管及一密封環。
如請求項4之爐，其中該進氣管及該密封環係由塗覆碳化矽之石墨製成。
如請求項1之爐，其中該蓋子係由至少四塊耐熱材料製成。
如請求項6之爐，其中該蓋子包含一水平板及四個垂直側壁。
如請求項1之爐，其中該蓋子包含一內部水平唇緣，該唇緣係用於抑制污染回流及防止該複數個間隙免於受到熔化之矽的損壞。
如請求項1之爐，其中該坩堝之橫截面為正方形。
一種方向性固化爐，其包括：一坩堝，用於盛裝熔化之矽；一坩堝支架，用於支撐該坩堝；一蓋子，覆蓋該坩堝及坩堝支架且在該熔化之矽上方形成一封閉空間；一進氣口，位於該蓋子中，用於將惰性氣體引入至該熔化之矽上方；及一第一間隙及一第二間隙，鄰近該蓋子，該第一間隙及該第二間隙界定一非線性流動路徑，用於促進從該封閉空間移除污染物，且允許該惰性氣體離開該封閉空間。
如請求項10之爐，其中該第一間隙及該第二間隙係設置於該蓋子之一外周邊與該坩堝支架之間。
如請求項11之爐，其中該第一間隙及該進氣口各具有一橫截面積，且該第一間隙橫截面積與該進氣口橫截面積間之一比率係在0.5至10之間。
如請求項11之爐，其中該第一間隙與該進氣口各具有一橫截面積，且該第一間隙橫截面積與該進氣口橫截面積之一比率係在0.8至1.2之間。
如請求項11之爐，其中該第一間隙與該進氣口各具有一橫截面積，且該第一間隙橫截面積與該進氣口橫截面積之比率為1。
如請求項13之爐，其中將該第一間隙設置於該蓋子與該坩堝支架之間，且其中該第二間隙係設置於該蓋子、該坩堝及該坩堝支架之間。
如請求項15之爐，其中該第一間隙具有一高度及一長度，且其中該高度沿著該長度係不均勻。
如請求項11之爐，其中該第一間隙具有在約4與約13之間的一寬度對高度之比率。
如請求項11之爐，其中該第一間隙具有為約6之一寬度對高度比率。
如請求項11之爐，其中該第二間隙具有在約2與約11之間的一高度對寬度比率。
如請求項11之爐，其中該第二間隙具有為約4之一高度對寬度比率。
一種製造一多晶鑄錠之方法，其包括：將固態多晶矽放入一坩堝中；將一蓋子置於該坩堝上以形成一在該蓋子與該坩堝間具有一迷宮間隙之封閉空間，該蓋子係由設置在該坩堝與該蓋子之間的支架所支撐；施加熱以熔化該多晶矽；將惰性氣體導入該封閉空間內，使得該氣體從該封閉空間吹洗出污染物，並且僅經由該間隙離開該封閉空間；將該熔化之多晶矽固化以形成該鑄錠。
如請求項21之方法，其中經由一位於該蓋子中之進氣管將該惰性氣體引入。
如請求項22之方法，其進一步包括在導入惰性氣體前，從該封閉空間吹洗出氧氣。
如請求項23之方法，其進一步包括在氣體離開該封閉空間時收集該氣體。
如請求項24之方法，其進一步包括回收再利用該收集到之氣體。
如請求項21之方法，其中固化該多晶矽包含從該坩堝中移除熱能。
如請求項22之方法，其進一步包括將該鑄錠切成若干晶圓。