TWI798177B - 用於生長矽鑄塊的坩堝以及製備用於生長矽鑄塊的坩堝的方法 - Google Patents

用於生長矽鑄塊的坩堝以及製備用於生長矽鑄塊的坩堝的方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI798177B
TWI798177B TW106116365A TW106116365A TWI798177B TW I798177 B TWI798177 B TW I798177B TW 106116365 A TW106116365 A TW 106116365A TW 106116365 A TW106116365 A TW 106116365A TW I798177 B TWI798177 B TW I798177B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
particles
layer
crucible
silicon
bottom wall
Prior art date
Application number
TW106116365A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201819694A (zh
Inventor
阿布 U. S. 庫瑪倫
吳育豪
唐琦
比諾提 J. J. 里費洛
黃福佳
宋輝光
Original Assignee
新加坡商Rec太陽能私人有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 新加坡商Rec太陽能私人有限公司 filed Critical 新加坡商Rec太陽能私人有限公司
Publication of TW201819694A publication Critical patent/TW201819694A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI798177B publication Critical patent/TWI798177B/zh

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002—Crucibles or containers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/14—Crucibles or vessels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details peculiar to crucible or pot furnaces
    • F27B14/10—Crucibles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details peculiar to crucible or pot furnaces
    • F27B14/10—Crucibles
    • F27B2014/104—Crucible linings

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

Abstract

一用於生長矽鑄塊的坩鍋被提出。該坩堝包括一容器，其具有一底壁以及圍繞該容器的一內部的側壁。一塗佈層被施加至該底壁以及該側壁的內表面，該塗佈層含有一可與自熔融矽生長出鑄塊相容的耐熱材料，如氮化矽。此外，一經圖案化的突出層被施加於該底壁的內表面。該經圖案化的突出層含有一基材，其是由可與由熔融矽生長出鑄塊相容的耐熱材料所組成，如氮化矽。此外，該經圖案化的突出層還含有成核促進材料(如氧化矽)的顆粒，該等顆粒局部地自該基材突出。
因此，該等突出的顆粒可生成一數個在該鑄塊之晶體成長期間的成核點之圖案。由於該等成核點，一朝向一頂端之差排密度缺陷擴張在晶體成長期間可被減少，使得例如利用自所形成的該鑄塊切割而成的晶圓所生產的太陽能電池可具有一經改善的轉換效率。

Description

用於生長矽鑄塊的坩堝以及製備用於生長矽鑄塊的坩堝的方法 發明領域
本發明是關於一種用於生長矽晶體鑄塊的坩堝，該矽晶體鑄塊可被使用於例如供製造用於太陽能電池產製的多結晶體矽晶圓。本發明亦關於一種用於製備一坩堝的方法。
發明背景
太陽能電池(Solar cells)是用於將光能轉變為電能的光伏裝置(photovoltaic device)。太陽能電池一般是以一半導體基板(semiconductor substrate)為基礎。大多數市面上可獲得的太陽能電池是使用一矽基板(silicon substrate，如一矽晶圓)所製造。
矽晶圓一般是藉由自一固態矽塊(silicon block)切割(slicing)或鋸切(sawing)成薄片所製成。該矽塊通常是藉由熔化經純化的矽以及接著固化(solidifying)該熔融物(melt)所製成。依據物理條件，該固化可能會產生一單晶體(mono-crystalline)矽塊或一多晶體 (multi-crystalline,mc-Si)或複晶體(polycrystalline)矽塊。
多晶體矽在多數情況下是藉由將一液態矽熔融物(liquid silicon melt)填充(filling)或澆鑄(casting)至一特定的坩堝(crucible)內，並接著藉由以一特定地經控制的方法予以冷卻而固化該熔融物。一般而言，在該固化過程(solidification process)期間的物理條件可顯著地影響所形成之晶體矽塊的物理特性。該晶體矽塊亦被稱為矽鑄塊(silicon ingot)。
傳統上，被用來供生長矽鑄塊的坩鍋包含一自一諸如氧化矽(silica)[亦被稱為石英坩堝(quartz crucible)]、石墨(graphite)、碳化矽(silicon carbide)或類似者之高度耐熱材料所製成的容器。在多數情況下，此容器的表面是被塗佈以額外層，用以作為例如供防止任何汙染物自該容器擴散進入極熱的矽熔融物內的阻障壁(barriers)。經塗佈層亦被提供來簡化該鑄塊於固化後自該坩堝的一脫模過程(release)。
發明概要
對於一經改良的用於生長矽鑄塊的坩堝，尤其是能夠生成具有較佳的物理特性的鑄塊之坩堝，可能仍存在一需求。特別地，對於一經改良且利用其可使矽鑄塊被溶鑄，並以該鑄塊為基礎而可製成用於高效能太陽能電池的矽晶圓之坩堝，可能仍存在一需求。此外，對於用於 製備該坩堝之較佳的方法，可能仍存在一需求。
該等需求可利用根據獨立項之該坩堝及該方法來達成。較佳的實施例將在該等附屬項及在本說明書中被界定。
依據本發明的一第一個方面，一用於生長矽鑄塊的坩堝被提出。該坩堝包含一容器，其具有一底壁以及圍繞該容器的一內部的側壁。該坩堝還包含一塗佈層(coating layer)，其被施加至該底壁以及該側壁的內表面。該塗佈層含有一可與自熔融矽生長出鑄塊相容的耐熱材料，諸如例如氮化矽(silicon nitride)。該坩堝還包含一經圖案化的突出層(patterned protrusion layer)，其被施加於該底壁的內表面。該經圖案化的突出層含有一由可與自熔融矽(molten silicon)生長出鑄塊相容的耐熱材料(temperature-resistant material)[諸如例如氮化矽]所組成的基材(matrix)。該經圖案化的突出層還含有成核促進材料(nucleation enhancing material)的顆粒，這些顆粒局部地自該經圖案化的突出層的該基材突出。
依據本發明的一第二個方面，一製備一用於生長矽鑄塊的坩堝的方法被提出。該方法包含至少下列步驟，較佳地是以該指定順序：首先，一容器被提供，其具有一底壁以及圍繞該容器的一內部的側壁。接著，一塗佈層被施加至該底壁以及該側壁的內表面。此塗佈層含有一可與自熔融矽生長出鑄塊相容的耐熱材料，諸如例如氮化矽。一耐熱材料應能耐受高達至少1000℃的溫度，較佳的 是至少1400℃或甚至至少1500℃，而不會有顯著地受損(damaged)或變質(deteriorated)。隨後，一經圖案化的突出層被施加至該底壁的內表面上，亦即在先前被施加於此底壁上的該塗佈層之上。該經圖案化的突出層含有一由可與自熔融矽生長出鑄塊相容的耐熱材料(諸如氮化矽)所組成的基材。此外，該經圖案化的突出層含有成核促進材料的顆粒。其中，該經圖案化的突出層是以此方式被施加，以及該等顆粒適用以使得該等顆粒局部地自該基材突出。
相關於本發明實施例的原理可被理解為下列想法與認知的基礎，尤其是並且不對本發明的範疇產生限制。
如同介紹部分所指出的，被發現的是：一含有一耐熱材料的一坩堝的一容器的塗佈壁因多種理由而可能是有益的。特別地，該塗佈層可防止汙染物自該容器擴散至一被澆鑄入該坩堝內的熱矽熔融物中。此外，該塗佈層可做為一脫模層(release layer)來簡化該經固化的矽鑄塊自該坩堝的一脫模過程。為此目的，該塗佈層典型地是諸如在與一液態矽熔融物接觸時形成一非-濕潤劑(non-wetting agent)而被製成。舉例來說，一含有氮化矽(例如以一氮化矽粉末的形式)的塗佈層已經被證實可針對該坩堝的容器提供良好的保護以及脫模特性(releasing characteristics)。因此，該容器的該等壁的所有內表面(亦即指向該容器的該內部並且因而接觸到一被澆鑄至該容器內的熱矽熔融物的表面)是較佳地被塗佈該塗佈層。
然而，已被發現的是：在上述經塗佈的容器內熔鑄而成的矽鑄塊當被用來切割成供用於矽太陽能電池產製的矽晶圓時可能具有一非-最佳的特性(non-optimal characteristics)。
意外地，現在已被發現的是：提供一具有一經圖案化的突出層被施加於其上之該容器的底壁的內表面，可以一種正向的方式影響所形成的矽鑄塊的特性。亦即利用自該矽鑄塊切割成的晶圓所製成的太陽能電池可具有一經提升的效率。特別地，被假定的是：該經圖案化的突出層可改變於該容器的內表面的一表面型態(surface morphology)[例如增加一粗糙度(roughness)]。此外，該經圖案化的突出層可在一垂直溫度梯度(vertical temperature gradient)是高的時候造成局部的溫度不均勻性(temperature non-uniformities)。額外地，該經圖案化的突出層可包括在該基材上隨機地分布的(randomly distributed)成核促進顆粒，其可作為潤濕點(wetting points)，藉此改變或改善潤濕特性以幫助該矽成核(nucleate)。
該塗佈層可直接地被沉積在該坩堝中一個或多個的壁上。該經圖案化的突出層可直接地被沉積在其下方的該塗佈層上，亦即可與該塗佈層呈直接機械接觸(in direct mechanical contact)。或者，具有適當的耐熱性(temperature-resistance)之額外層可以被插入該經圖案化的突出層與該塗佈層之間和/或該塗佈層與該坩堝的一 壁之間。
特定地，該經圖案化的突出層含有一基材，其可以是一相同於或一類似於其下方的該塗佈層之材料的耐熱材料。
特別地，該基材可包含或是由氮化矽所組成。類似地如同於該塗佈層，該基材的材料可作為一鑄塊脫模劑(releasing agent)。在此情況下，一“可與自熔融矽生長出鑄塊相容的耐熱材料”可以被理解為一受溫度影響時不會顯著地永久地改變其物理和/或化學特性之材料，儘管它們典型地發生在自一矽熔融物生長出鑄塊期間，亦即典型地超過1000℃或在多次情況下超過1500℃的溫度。特別地，該耐熱材料不可在前述的溫度下融化或燃燒。該經圖案化的突出層的基材可形成一層或膜。成核促進材料的細小顆粒可以被包括入此基材內。其中，該基材以及該等顆粒的特性被適用以使得該等顆粒局部地自該基材突出。換言之，例如一基材層被施加至該底壁的內表面之厚度可以是相同大小等級(order of magnitude)或可以是小於該等被嵌入該基材內之顆粒中的至少多數個的尺寸，以使得至少這些顆粒不會完全地被包覆在該基材中而朝向該容器的該內部自該基材突出。換言之，該等突出的顆粒形成自該底壁的內表面朝向該容器的內部延伸的細小或甚至是微細的突出(microscopic protrusions)。該等突出可形成一規則的(regular)或是一不規則的(irregular)(例如隨機的)圖案。
這些突出的顆粒是由一成核促進材料所製成。此意為：該等顆粒大致上是以一不同於該基材之材料並且具有其他物理特性的材料所製成。因此，由於該等不同的物理特性，該等突出的顆粒中的每一個可以在固化該坩堝內的該矽熔融物時作為成核點(nucleation point)。換言之，在該坩堝內的該矽熔融物冷卻時，固化過程將會較佳地起始於該等成核點中的一個。
已被觀察到的是，在固化一矽熔融物時提供大量的成核點可在所形成的矽鑄塊中產生細小的晶粒(crystal grains)。該等細小晶粒於該鑄塊中的存在可因而減少一朝向該鑄塊的頂端之差排密度缺陷擴張(dislocation density defects propagation)。因此，自該鑄塊切成之晶圓的物理特性可被增強並且利用該鑄塊所產製的一太陽能電池的轉換效率(conversion efficiency)可被改善。
依據一具體例，該經圖案化的突出層是僅被施加至該底壁的該內表面。
換言之，儘管該經圖案化的突出層是被施加至該底壁的該內表面，其較佳地是不被施加至該容器的該側壁的內表面。
在一方面，被觀察到的是：為了獲得針對所預期之經減少的差排密度缺陷擴張所提供的多數成核點的有益效果，僅將該經圖案化的突出層施加至該底壁即可能是足夠的。亦將該經圖案化的突出層施加至該容器的該側 壁顯示出並未進一步改善在此坩堝內所生長出的一鑄塊的物理特性。在另一方面，其顯示出：僅將該經圖案化的突出層施加至該底壁的該內表面但不施加至該側壁的該內表面可改善該坩堝在生長一矽鑄塊期間的特性。舉例來說，僅被該塗佈層所覆蓋但不被一經圖案化的突出層所覆蓋的側壁的非-濕潤之內表面可簡化一所生長出的鑄塊於固化後的一脫模過程。
依據一具體例，該成核促進材料是被適用供用於在與一液態矽熔融物接觸時形成一濕潤劑。
換言之，被用於被包含在該經圖案化的突出層中的該等顆粒之材料應較佳地被選擇，而使得一與位於該坩堝的底部的該等突出顆粒接觸的液態矽熔融物可至少於這些顆粒突出於該基材外的表面將其潤濕(wet)。由於此潤濕特性，該等顆粒可作為成核點從而改變覆蓋該容器的該底壁的內表面之層的表面型態。
依據一具體例，該等成核促進材料之顆粒是矽砂(Silica sand,SiO2)、碳化矽(SiC)或碳(Carbon,C)顆粒。矽砂(SiO2)可以是較佳的選擇。
換言之，該等顆粒可以是由氧化矽(Silicon oxide)或碳化矽或碳所組成並且可具有像是砂粒(grains of sand)的典型尺寸與形狀。舉例來說，該等顆粒可具有尖銳的尖端，銳利的邊緣或類似者。或者，該等顆粒可以是圓形或甚至是似球狀(sphere-like)。此砂顆粒已被觀察到當其局部地自一實質地由氮化矽所組成之基材突出並與 欲固化之經融化的矽接觸時可作為成核點。
舉例來說，該等成核促進材料之顆粒可具有介於20μm與2mm間的尺寸，較佳地是介於100μm與1mm間。
該等顆粒的尺寸已被觀察到會產生一有益的經圖案化的突出層，尤其是當該等顆粒可自一圍繞的基材稍微地突出達例如幾微米至幾百微米，但不致延伸過長而進入該容器的內部，否則其可能干擾一矽鑄塊的生長或甚至損害該生長鑄塊的一表面層(superficial layer)。
應被理解的是：該等被包含在該經圖案化的突出層內的顆粒可藉由一顆粒尺寸分布(particle size distribution)而被提供。此意為：大致上非所有顆粒皆具有相同的尺寸但顆粒尺寸可變動。較佳地，該顆粒尺寸分布使得至少50%，較佳地至少90%的所有被包含在該經圖案化的突出層的顆粒分別具有一範圍落在20μm至2mm或介於100μm與1mm間的尺寸。
依據一具體例，該經圖案化的突出層具有一介於0.3mm與3mm間，較佳地是介於1mm與2mm間的厚度。
提供具有此厚度的經圖案化的突出層已經被觀察到會產生在此坩堝中所生長出的鑄塊之有益的物理特性。
可被注意的是：該經圖案化的突出層可不具有一均勻的厚度(uniform thickness)。舉例來說，該經圖 案化的突出層在其中只有該基材形成該經圖案化的突出層之區域內可具有一較低的厚度，然而它在其中顆粒自該基材突出之區域內可具有一延伸的厚度。因此，術語“該經圖案化的突出層的厚度”在此處可以被理解為意指該經圖案化的突出層的一平均厚度。此外，由於該經圖案化的突出層的厚度主要地由該基材被施加在該底壁的該內表面之上所使用的厚度所決定，該經圖案化的突出層的厚度粗略地對應於此基材的厚度，並且可超過該基材層的厚度達到例如不超過30%，較佳地是不超過10%。換言之，該等局部地自該基材突出的顆粒可增加該經圖案化的突出層的平均厚度達到僅約該基材層厚度的30%，較佳地是僅約10%。
特別地，在一方面，選擇被包含在該經圖案化的突出層中的顆粒的一有益的尺寸分布，並且在另一方面，選擇該經圖案化的突出層的一有益的厚度，可影響在該經圖案化的突出層中的一顆粒分布和/或該等顆粒自該經圖案化的突出層之該基材突出的一距離。
舉例來說，具有大顆粒被嵌入在一極薄的經圖案化的突出層大致上會導致僅有少數個顆粒突伸進入該容器的內部，但這些顆粒是相對地大並且因而突伸得相當遠而進入此內部。此極端的構型對於所形成的生長出的矽鑄塊的物理特性而言不是最佳條件。
在另一個極端中，極小顆粒被包含在一厚的經圖案化的突出層內可能導致這些顆粒中的多數者完全地被包覆在該基材內而非自其突出。因此，僅有少數個顆粒 可作為成核點。
因此，在一方面，該等被嵌入在該基材中的顆粒的尺寸分布，以及在另一方面，該經圖案化的突出層的厚度應該互為相關地被恰當地適用。
特定地，依據一具體例，被包含在該經圖案化的突出層中的顆粒的一數量、這些顆粒的一尺寸分布和/或該經圖案化的突出層的一厚度可以特定地被選擇而使得該等自該基材突出的成核促進材料的顆粒是以一介於1/cm2至10/cm2間的表面密度(areal density)被包含在該經圖案化的突出層中，較佳地是介於7/cm2至10/cm2間。
提供具有此表面密度的該經圖案化的突出層中的該等顆粒已經被觀察到會產生在此坩堝所生長出的矽鑄塊的有益的物理特性。特別地，突出顆粒的該表面密度可影響在固化該鑄塊期間的一成核點密度，並且因此可以一有益的方式影響在所形成的鑄塊中的一差排缺陷密度。舉例來說，多數個成核點可增加晶粒(grains)的數量並繼而可產生更隨機的每單位體積的晶粒介面(grain boundaries per unit volume)。每單位體積的晶粒介面面積(grain boundary area per unit volume)越高，差排插在晶粒介面的機率大致上就會越高，因為介於兩個相鄰的晶粒間的錯位(misalignment)由於能量障礙(energy barrier)而無法輕易地容許差排越過介面。更高集中度的差排可以被容納在一單位體積的材料中。因此，更多的晶粒介面將大致上減緩一差排擴張。
矽砂或碳化矽或碳顆粒尺寸分布應必要地受控制，俾以製造一不具有任何沉積(sedimentation)的穩定漿料(slurry)，以及避免更高的在晶圓級(wafer level)的間隙氧含量(interstitial oxygen content)。較小的顆粒可造成較高的表面積並且在鑄塊製程期間可釋出更多氧氣進入該熔融物內。其中大部分是典型地如SiO氣體自融化的表面散失，但一剩餘部分可能會滯留在該熔融物內並且可能會溶入矽晶體(crystalline silicon)內。因此，控制顆粒尺寸和/或顆粒尺寸分布可能是有益的。
依據一具體例，該塗佈層具有一介於0.1mm與1mm間的厚度，較佳地是介於0.4mm與0.5mm間。
一具有此厚度的塗佈層在一方面可輕易地被施加至該容器的內表面，同時在另一方面，可提供足夠的保護和/或脫模特性。
依據一具體例，該塗佈層是使用一特定的漿料(在此處被稱為“第一漿料”)而被施加，其包含至少氮化矽粉末。此外，在一較佳的具體例中，該第一漿料還包含一黏合劑(binding agent)、一分散劑(dispersing agent)以及去離子水(deionised water)。較佳地，該第一漿料不含有任何進一步的成分或試劑(agents)。
依據另一個具體例，該經圖案化的突出層是使用一含有至少氮化矽粉末以及成核促進材料的顆粒的第二漿料而被施加。此外，依據一較佳的具體例，該第二漿料還包含一黏合劑、一分散劑以及去離子水。再一次，較 佳地，該第二漿料不含有任何進一步的成分或試劑。
此等第一和/或第二漿料可輕易地被添加至該容器的壁的內表面。此外，此等漿料可透過少量施力和/或以低成本而被施加。舉例來說，該等漿料可以被噴灑(sprayed)在該等內表面上。舉例來說，一特別的分注噴灑系統(dispensing spray system)可以被應用於噴灑該等漿料至欲分別被一塗佈層和/或一經圖案化的突出層所覆蓋的表面上。該等內表面的塗佈可以在經提高的溫度下被完成。或者其他施加該第一和/或第二漿料的技術可以被使用。舉例來說，一經圖案化的遮罩(patterned mask)[如同其是普遍地被使用在例如網版印刷(screen printing)]可以被應用。
該被包含在該等漿料中的氮化細粉末可以是一小的氮化矽顆粒，其具有範圍落在0.1μm至5μm間之典型的尺寸。該氮化矽粉末可具有一較佳地超過98%，更較佳地是超過99.9%的純度(purity)。
該黏合劑可包含聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)或膠態氧化矽(colloidal silica)。較佳地，該黏合劑可包含膠態氧化矽以及具有一為5-100奈米之顆粒尺寸之大約50%重量的固態氧化矽(solid silica)。
該分散劑可包含丙二醇(propylene glycol)。
應當被注意的是：指出“一層是使用一特定的漿料而被施加”的表述可以被解讀在一方面如同定義一用於形成該各別層的生產過程之特定的特性，或者，在另 一方面，可以是定義由該特定生產方法所形成的該各別層之結構的特徵。以更明確的語句來表達，一使用一第一漿料而被施加的塗佈層或一使用一第二漿料而被施加的經圖案化的突出層將大致上具有這些層是使用一漿料而被施加之事實所產生的物理和/或結構性質，藉以異於使用其他技術{諸如CVD[化學蒸氣沉積(Chemical Vapour Deposition)]或PVD[物理蒸氣沉積(Physical Vapour Deposition)]}而被施加的層。舉例來說，使用特定的漿料而被施加的一塗佈層或一經圖案化的突出層具有該漿料包含或多或少的肉眼可見的粉末顆粒(macroscopic powder particles)之事實所產生的一特定的粒狀結構(granular structure)，然而例如使用CVD或PVD而被施加的一層是典型地更均勻(homogeneous)，其是由它是以更小的微細顆粒(microscopic particles)[諸如原子、分子和/或它們的團簇(clusters)]所組合(built-up)而成之事實所產生。此外，儘管某些在其加工期間被包含在該漿料內的成分(諸如該黏合劑、該分散劑和/或該去離子水)可能在該漿料之後續的加工期間已經消失並且可能因而不存在於最終的該塗佈層和/或經圖案化的突出層內，這些成分或試劑是該第一和/或該第二漿料的部分之事實仍典型地產生所形成的層之特定的物理和/或結構特性。舉例來說，所形成的該等層可具有一典型的多孔性(porosity)或形態(morphology)，其是異於使用其他技術(諸如CDV或PVD)而被施加的層，特別是氮化矽層。
依據一如本發明的第二個方面所定義之該方法的一具體例，相較於被使用來沉積該經圖案化的突出層的該第二漿料，用於施加該塗佈層的該第一漿料具有一較低的黏度(viscosity)。
舉例來說，該第一漿料可具有一低於100cP，較佳地是低於10cP之黏度，反之該第二漿料可具有一超過100cP，較佳地是超過500cP的黏度。由於其低黏度，該第一漿料可輕易地以一均勻的厚度而被施加。該具有較高黏度的第二漿料可以被噴灑或澆鑄並接著可選擇地被分散在該容器的該底壁的內表面上。
經圖案化的多數個突出點(protrusion spots)或一層可例如透過一遮罩的輔助而被施加，像是網版印刷，或透過一特別的分注噴灑系統。因此，一表面可具有一丘陵(hill)(濕潤)與山谷(valley)(非-濕潤)的表面結構。
依據一具體例，相較於該第二漿料，該第一漿料具有一較低的密度。
舉例來說，該第一漿料可具有一低於1.6g/cm3，較佳地是低於1.4g/cm3的密度，反之該第二漿料可具有一大於1.6g/cm3，較佳地是大於1.9g/cm3的密度。
該第一漿料可利用較低的固含量(solid content)而被製成，以避免例如在自動噴灑製程(automatic spray process)中的淤塞(clogging)或封阻(blockage)問題。該第二漿料可利用較高的固含量而被製 成，例如俾以製造一不具有任何沉積的穩定的漿料且能印刷出突出點。
應當被注意的是：本發明的具體例之可能的特徵和/或益處在此處是部分地相關於一坩堝並且部份地相關於一用於製備一坩堝的方法而被描述。一熟習本技藝者將會理解：依據本發明，針對該坩堝的具體例而被描述的特徵可以類似地被應用在該方法的一具體例中，且反之亦然。此外，一熟習本技藝者將會理解：不同的具體例的特徵可以被合併以或被替換以其他具體例的特徵和/或被修飾俾以達到本發明更多的具體例。
1:坩堝
3:容器
5:底壁
7:側壁
9:內部
11:塗佈層
13:經圖案化的突出層
15:基材
17:顆粒
於下面內容中，本發明之具體例將會在此相關於附加的圖式而被描述。然而，該圖式或說明皆不應被解讀為對於本發明的限制。
圖1顯示依據本發明的一具體例之坩堝的一剖視圖。
該圖式僅是一概略的表示，非實際比例。
較佳具體例之詳細說明
圖1顯示依據本發明之一具體例之一坩堝1的剖面。該坩堝1呈一方型，亦即具有一盒形或立方形。對於該坩堝而言其他幾何形狀是可能的。
該坩堝1包含一似鍋狀的(pot-like)容器3，其具有一底壁5以及側壁7。該底壁5大致上呈矩形且水 平，而該側壁7為矩形且實質上直立(substantially vertical)。該底壁5以及該側壁7可形成一形成整個該容器3之整體組件。或者，該底壁5以及該側壁7可以是分離的組件，且可被安裝在一起俾以形成整個該容器3。該等壁5、7可利用似片狀(sheet-like)的組件所形成。舉例來說，該等壁5、7可利用熔融矽片(fused silica sheet)而被製成。典型地，該底壁5是數十公分長與數十公分寬。該側壁7是典型地數十公分高與數十公分寬。該底壁5以及該側壁7典型地具有一範圍落在幾毫米至幾公分內的厚度，例如介於3mm以及10cm間。
該底壁5以及該側壁7圍繞該容器3的一內部9。其中，該容器3較佳地於其頂端開放。
該底壁5以及該側壁7的內表面被塗佈一薄塗佈層(coating layer)11。該塗佈層11包含或是由供作為一耐熱材料(temperature-resistant material)的氮化矽(silicon nitride)所組成。該塗佈層11因而可耐受一被澆鑄至該容器3的矽熔融物(silicon melt)之極高的溫度。較佳地，該塗佈層11具有一400μm至500μm的厚度。較佳地，該塗佈層11為實質上均勻(substantially homogeneous)，亦即不含有除了被用來形成該塗佈層11的該氮化矽粉末顆粒以外的肉眼可見的顆粒。特別地，該塗佈層11可具有一肉眼可見地均勻的厚度，且可具有一肉眼可見地光滑的，較佳地是平坦的表面。覆蓋該容器3的該側壁7之該塗佈層11的部分較佳地是不被任何其他層所 覆蓋，亦即朝向該容器3的該內部9而顯露。
在該底壁5上，一附加層被施加在該塗佈層11之上。此附加層是一經圖案化的突出層(patterned protrusion layer)13，其較佳地覆蓋該底壁5的整個內表面。因此，在該底壁5上，該塗佈層11並未顯露，而是由疊加的該經圖案化的突出層13所覆蓋。
如圖1之放大視圖中可見，該經圖案化的突出層13含有一其中多數個顆粒17被嵌入的基材(matrix)15。其中，該基材15含有供作為一耐熱材料的氮化矽。該等顆粒17是由一成核促進材料(nucleation enhancing material)所組成，諸如氧化矽(silica)。該等顆粒17突出於該基材15之上部顯露的表面外。因此，該等突出的顆粒17形成一種朝向該容器3的該內部9突出之具有成核促進尖端(nucleation enhancing tips)的圖案。
該等氧化矽顆粒17可具有範圍落在100μm至1mm內之典型的尺寸。一圖案尺寸，亦即介於相鄰之突出顆粒17間的側向平均距離(lateral average distance)，可落在1mm至2mm之典型的範圍內。該等顆粒17的一突出高度(protruding height)可落在1mm至2mm之範圍內。
最後，一用於製備或建造一坩堝1之方法的步驟是以一例示性的具體例而被說明。
為了製備或建造該坩堝1，首先，一具有一底壁5以及側壁7的容器3被提供。
接著，一第一氮化矽塗佈漿料可藉由混合高 純度的氮化矽粉末、去離子水、黏合劑以及分散劑而被製備。該第一漿料可繼而例如被噴灑或以其他方法[諸如網版印刷]被沉積(deposited)於該方型熔融矽坩堝1之該底壁5和該側壁7的內表面上。其中，該第一漿料可被施加以一例如介於400μm與500μm間之預期的特定塗佈厚度。該塗佈是典型地在介於40℃與50℃間之經提高的塗佈溫度下被進行。
在該塗佈層11已透過該方法被施加後，一第二漿料是以氮化矽粉末、去離子水、一黏合劑以及一濕潤劑(wetting agent)而被製備。其中，該濕潤劑可藉由一成核促進材料(諸如矽砂顆粒)所製成之顆粒17而被形成。較佳地，此第二漿料是僅被施加至該底壁5或先前被施加於其上之該塗佈層11的內表面上。
當該第一漿料具有一例如為1.37g/cm3之相對地低的密度以及一例如為2.96cP之低黏度時，該第二漿料具有一例如為1.96g/cm3之較高的密度以及一約為700cP之較高的黏度。
在已施加該塗佈層11以及該經圖案化的突出層13至該容器3之該等壁5、7的內表面上後，將該經塗佈的坩堝1以高溫及開放大氣(open atmosphere)的條件予以烘烤。在該等條件下，該第一以及第二漿料被固化並分別形成一緻密的塗佈層11以及經圖案化的突出層13。
利用該坩堝1所生長出的矽鑄塊可顯示出減少的差排密度缺陷。有鑒於此，利用自該鑄塊切成的矽晶圓所製成的太陽能電池可具有一經改善的轉換效率。
最後，應當被注意的是：術語諸如“包含(comprising)”不排除其他元件或步驟，以及“一(a)”或“一(an)”不排除一複數。結合不同的具體例而被描述的元件亦可以被合併。
1:坩堝
3:容器
5:底壁
7:側壁
9:內部
11:塗佈層
13:經圖案化的突出層
15:基材
17:顆粒

Claims (15)

  1. 一種用於生長矽鑄塊的坩堝，該坩堝包含：一容器，其具有一底壁以及圍繞該容器的一內部的側壁；一塗佈層，其被施加至該底壁以及該側壁的內表面，該塗佈層含有一可與自熔融矽所生長出之鑄塊相容的耐熱材料；一經圖案化的突出層，其被施加於該底壁的內表面，該經圖案化的突出層含有一由氮化矽所組成且適用於在與液態矽熔融物接觸時形成非-濕潤劑的基材，並且還含有為氧化矽(SiO2)砂、碳化矽(SiC)以及碳(C)其中一者之成核促進材料的顆粒，該成核促進材料適用於在與一液態矽熔融物接觸時形成一濕潤劑，使得與該等顆粒接觸的液態矽熔融物可將該等顆粒潤濕，該經圖案化的突出層是以如此方式被施加，以及該等顆粒適用於使得該等顆粒局部地自該基材突出。
  2. 如請求項1之坩堝，其中該經圖案化的突出層僅被施加至該底壁的內表面。
  3. 如請求項1或2之坩堝，其中該成核促進材料的顆粒具有介於20μm與2mm間的尺寸。
  4. 如請求項1或2之坩堝，其中該經圖案化的突出層具有介於0.3mm與3mm間的厚度。
  5. 如請求項1或2之坩堝，其中自該基材突出 的該成核促進材料的顆粒是以一介於1cm-2至10cm-2的表面密度被包含在該經圖案化的突出層中。
  6. 如請求項1或2之坩堝，其中該塗佈層具有一介於0.1mm與1mm間的厚度。
  7. 如請求項1或2之坩堝，其中被包含在該塗佈層之耐熱材料是氮化矽。
  8. 如請求項1或2之坩堝，其中該塗佈層是使用一含有氮化矽粉末的第一漿料而被施加。
  9. 如請求項8之坩堝，還含有一黏合劑、一分散劑以及去離子水。
  10. 如請求項1或2之坩堝，其中該經圖案化的突出層是使用一含有氮化矽粉末以及該成核促進材料的顆粒的第二漿料而被施加。
  11. 如請求項10之坩堝，還含有一黏合劑、一分散劑以及去離子水。
  12. 一種製備一用於生長矽鑄塊的坩堝的方法，該方法包含：提供一容器，其具有一底壁以及圍繞該容器的一內部的側壁；施加一塗佈層至該底壁以及該側壁的內表面，該塗佈層含有一可與自熔融矽所生長出之鑄塊相容的耐熱材料；施加一經圖案化的突出層至該底壁的內表面上，該經圖案化的突出層含有一由氮化矽所組成且適用於在與液態 矽熔融物接觸時形成非-濕潤劑的基材，並且還含有為氧化矽(SiO2)砂、碳化矽(SiC)以及碳(C)其中一者之成核促進材料的顆粒，該成核促進材料適用於在與一液態矽熔融物接觸時形成一濕潤劑，使得與該等顆粒接觸的液態矽熔融物可將該等顆粒潤濕；其中該經圖案化的突出層是以此方式被施加，以及該等顆粒適用於使該等顆粒局部地自該基材突出。
  13. 如請求項12所述的方法，其中該塗佈層是使用一含有氮化矽粉末的第一漿料而被施加，且該經圖案化的突出層是使用一含有氮化矽粉末以及該成核促進材料的顆粒的第二漿料而被施加。
  14. 如請求項13之方法，其中相較於該第二漿料，該第一漿料具有一較低的黏度。
  15. 如請求項13之方法，其中相較於該第二漿料，該第一漿料具有一較低的密度。
TW106116365A 2016-05-18 2017-05-17 用於生長矽鑄塊的坩堝以及製備用於生長矽鑄塊的坩堝的方法 TWI798177B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
??1608873.4 2016-05-18
GB1608873.4 2016-05-18
GB1608873.4A GB2550415A (en) 2016-05-18 2016-05-18 Silicon ingot growth crucible with patterned protrusion structured layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201819694A TW201819694A (zh) 2018-06-01
TWI798177B true TWI798177B (zh) 2023-04-11

Family

ID=56369670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106116365A TWI798177B (zh) 2016-05-18 2017-05-17 用於生長矽鑄塊的坩堝以及製備用於生長矽鑄塊的坩堝的方法

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20200010978A1 (zh)
EP (1) EP3458629B1 (zh)
JP (1) JP7145763B2 (zh)
CN (1) CN109642341A (zh)
ES (1) ES2968668T3 (zh)
GB (1) GB2550415A (zh)
TW (1) TWI798177B (zh)
WO (1) WO2017199132A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018206982A1 (de) * 2018-05-04 2019-11-07 Alzchem Trostberg Gmbh Tiegel zur Herstellung von multikristallinem Silicium mittels gerichteter Erstarrung, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung, sowie Verfahren zur Herstellung von multikristallinem Silicium mittels gerichteter Erstarrung
CN111394784B (zh) * 2020-03-10 2021-10-22 徐州鑫晶半导体科技有限公司 单晶硅生长装置及单晶硅生长方法
FR3146697A1 (fr) * 2023-03-15 2024-09-20 Novacium Procede utilsant un four de solidification directionnelle pour produire du silicium de purete 3n ou superieure adapte a la fabrication d’anode de batterie li-ion
CN116514579A (zh) * 2023-03-31 2023-08-01 徐州协鑫太阳能材料有限公司 一种多晶铸锭用黑砂全熔高效坩埚及制备方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3250149B2 (ja) * 1998-02-27 2002-01-28 三菱マテリアル株式会社 シリコンインゴット鋳造用鋳型およびその製造方法
DE69912668T2 (de) * 1998-02-26 2004-09-30 Mitsubishi Materials Corp. Kokille und Verfahren zur Herstellung von Siliziumstäben
PL1745164T3 (pl) * 2004-04-29 2008-11-28 Vesuvius Crucible Co Tygiel do krystalizacji krzemu
EP1739209A1 (en) * 2005-07-01 2007-01-03 Vesuvius Crucible Company Crucible for the crystallization of silicon
DE102010000687B4 (de) * 2010-01-05 2012-10-18 Solarworld Innovations Gmbh Tiegel und Verfahren zur Herstellung von Silizium-Blöcken
JP5676900B2 (ja) * 2010-03-26 2015-02-25 三菱マテリアル株式会社 多結晶シリコンインゴットの製造方法
JP5605902B2 (ja) * 2010-12-01 2014-10-15 株式会社Ｓｕｍｃｏ シリカガラスルツボの製造方法、シリカガラスルツボ
US20120167817A1 (en) * 2010-12-30 2012-07-05 Bernhard Freudenberg Method and device for producing silicon blocks
DE102011082628B4 (de) * 2011-09-13 2018-10-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Silizium-Blöcken
SG190514A1 (en) * 2011-11-28 2013-06-28 Sino American Silicon Prod Inc Crystalline silicon ingot and method of fabricating the same
US9493357B2 (en) * 2011-11-28 2016-11-15 Sino-American Silicon Products Inc. Method of fabricating crystalline silicon ingot including nucleation promotion layer
CN102776561B (zh) * 2012-04-01 2017-12-15 江西赛维Ldk太阳能高科技有限公司 多晶硅锭及其制备方法、多晶硅片和多晶硅铸锭用坩埚
CN102877129B (zh) * 2012-09-11 2015-08-05 江西赛维Ldk太阳能高科技有限公司 一种晶体硅及其制备方法
CN103088417B (zh) * 2013-01-22 2016-08-03 晶海洋半导体材料（东海）有限公司 一种多晶铸锭用高效坩埚及其制备方法
CN103320854B (zh) * 2013-06-07 2016-03-02 英利集团有限公司 坩埚用涂层结构、其制备方法及包括其的坩埚
CN104711671B (zh) * 2013-12-11 2017-08-25 徐州协鑫太阳能材料有限公司 坩埚涂层结构、制备方法及坩埚
CN104060324A (zh) * 2014-06-17 2014-09-24 江西赛维Ldk太阳能高科技有限公司 一种用于多晶硅铸锭的脱模层、多晶硅铸锭方法及铸锭用坩埚
CN104047048A (zh) * 2014-06-17 2014-09-17 徐州工业职业技术学院 一种新型铸锭坩埚及其制备方法
CN204825130U (zh) * 2015-08-14 2015-12-02 烟台核晶陶瓷新材料有限公司 一种多晶铸锭用高效坩埚
CN105063748B (zh) * 2015-08-14 2017-11-10 烟台核晶陶瓷新材料有限公司 一种多晶铸锭用高效坩埚及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20200010978A1 (en) 2020-01-09
EP3458629B1 (en) 2023-10-18
TW201819694A (zh) 2018-06-01
JP2019520292A (ja) 2019-07-18
WO2017199132A1 (en) 2017-11-23
GB201608873D0 (en) 2016-07-06
CN109642341A (zh) 2019-04-16
ES2968668T3 (es) 2024-05-13
JP7145763B2 (ja) 2022-10-03
GB2550415A (en) 2017-11-22
EP3458629A1 (en) 2019-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI798177B (zh) 用於生長矽鑄塊的坩堝以及製備用於生長矽鑄塊的坩堝的方法
US9388507B2 (en) Method for manufacturing polycrystalline silicon ingot, and polycrystalline silicon ingot
EP0949358B1 (en) Mold for producing silicon ingot and method for fabricating the same
TWI441962B (zh) 矽晶鑄錠及其製造方法（一）
KR101779267B1 (ko) 다결정 실리콘 잉곳, 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법, 및 도가니
TWI545234B (zh) 坩堝及（類）單晶半導體晶錠之製造方法
US20130192302A1 (en) Crucibles for holding molten material and methods for producing them and for their use
EP3198061B1 (fr) Creuset pour la solidification directionnelle de silicium multi-cristallin ou quasi-monocristallin par reprise sur germe.
JP3206540B2 (ja) シリコンインゴット製造用積層ルツボおよびその製造方法
TWI595124B (zh) 多晶矽鑄錠的製造方法
TWI555887B (zh) 用於生產結晶半導體晶錠之坩堝及其製造方法
KR20140006940A (ko) 거대 입자 다결정 실리콘막을 형성하기 위한 방법 및 제품
TWM545789U (zh) 多晶矽鑄錠元件以及多晶矽鑄錠
JP2005211937A (ja) シリコン鋳造用鋳型とそれを用いたシリコン鋳造装置
JP5276060B2 (ja) 多結晶シリコンインゴット製造用角形シリカ容器及びその製造方法
KR101431457B1 (ko) 도가니 보호막 제조 방법
JP4741221B2 (ja) 多結晶シリコンの鋳造方法とこれを用いた多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコン基板並びに太陽電池素子
JP3208216U (ja) 多結晶シリコンインゴット
JP2005125381A (ja) シリコン鋳造用装置