[發明專利]晶體及其鑄造方法和裝置

無效

• 申請號: 201010270943.8
• 申請日: 2010-09-01
• 公開（公告）號: CN102383184A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 趙鈞永
• 申請（專利權）人: 趙鈞永
• 主分類號: C30B11/14
• 分類號: C30B11/14;C30B11/00;C30B29/06;H01L31/18
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技術領域

本發明一般涉及使用籽晶的晶體鑄造法，例如方向凝固鑄造法，包括溫度梯度凝固方法，例如垂直溫度梯度凝固方法(下文也稱為VGF法)或垂直布里奇曼方法(下文也稱為VB法)或垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS法)制造比較大的預定晶向的晶體材料，包括多晶和單晶材料，尤其是適用于半導體和光伏應用的例如硅或硅鍺材料。

背景技術

晶體材料具有基于其特定的微觀結構的適用于工業應用的優良性能，此優良性能傾向于在制造晶體中被盡可能地追求。以晶硅材料為例，基于晶硅的光電池(或稱光伏電池、太陽能電池)應具有最大可能地將太陽能輻射功率轉化為電流的效率、以及盡可能長久的使用壽命和衰減速率。這是由多種因素決定的，例如硅原材料的純度，硅晶體的類型(單晶、多晶)和缺陷、雜質分布以及晶向、內應力。同時，工業上制造較大尺寸的硅晶體毛胚(實體)，可以獲得更高的生產效率；而降低硅晶體的缺陷和內應力，還有助于提高成品和良品的產出率。

已知在硅晶體的類型中，單晶較多晶具有獲得相對最高的光電轉化效率的可能。因此，許多制造硅單晶的裝置和方法被大量使用。典型的就是所謂的單晶提拉方法，也稱之為切克勞斯基(CZ)法，利用籽晶伸入熔化的硅液中，通過提拉引晶和熔硅液面上方的持續晶體生長，最后獲得單晶硅棒。這種方法通常需要坩堝和生長中的晶棒相對旋轉，因而其制造設備相對復雜，工藝控制難度較大。CZ法可以獲得性能比較優異的單晶硅胚體，但也存在一些明顯的缺點，包括其制造裝置和工藝控制比較復雜，設備和生產成本較高，難以獲得較大尺寸的高質量單晶胚體(通常只有20cm或25cm的第二大尺寸)，生產效率低，因難以克服其晶體生長中的徑向溫度梯度而存在較大的徑向缺陷包括如漩渦缺陷、氧致堆垛層錯缺陷(或OSF環缺陷)和熱應力位錯，及摻雜劑密度差異，等等。類似的還有浮區凝固法，或稱懸浮區熔法(FZ)，用以生長的多晶硅棒，但具有和CZ法類似的缺陷類型和不足。

為此，使用方向凝固法，包括溫度梯度凝固方法，例如垂直方向凝固法，包括例如垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)制造多晶材料胚體的方法和裝置被大量應用于生產硅晶體，用較低的設備成本和較簡單的工藝控制，獲得大尺寸的多晶硅錠，提高了生產效率，降低了生產成本。在VGF法晶體生長工藝中，位于靜止的加熱裝置形成的熱場中的結晶溫度梯度可移動，而晶體保持靜止。在VB法晶體生長工藝中，保持靜止的加熱裝置形成結晶溫度梯度靜止的熱場，晶體在其中移動。在VBS法晶體生長工藝中，加熱裝置及其形成的結晶溫度梯度可移動，而晶體保持靜止。實施這些方法的設備使用時都包含有坩堝，其至少有底壁和側壁，構成可以容納晶體原料和及其熔體的容器，以及和坩堝外形配套的熱場系統和支撐系統，至少包括可以加熱坩堝內的原料的加熱裝置，和保持坩堝位置和形狀的支撐裝置。

盡管容易獲得大的尺寸、高的生產效率和低的生產成本，多晶硅因其較低的純度、較小的晶粒尺寸、較多的晶界和晶體缺陷、雜亂的晶向，制成的晶片具有低的載流子壽命和較差的制絨效果，由其制成的電池片效率較低，難以取代單晶硅。

為了在較低的設備和控制成本下，獲得更高的轉換效率，一些基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)的可以生產晶粒較大的多晶硅錠、近單晶硅錠的方法和設備被開發出來，這里全文引用以詳細說明這些方法和設備的一些文件：CN200810012354.2、CN200910152970.2、CN200920115886.9、DE10239104A1、CN200780002763.8、CN200810089545.9、CN?200780002753.4、CN200880025411.9、CN200880106116.6、CN201010232453.9。其中，為獲得生長良好的晶體組織，可以誘導或引導晶體生長的籽晶被引入到硅原料內，或在坩堝內用籽晶構置特定的一些幾何結構。這些方法和設備的使用，一定程度上增大了多晶硅的晶粒尺寸、減少了晶體缺陷，甚至可以獲得近單晶硅錠，但是，仍然存在著工藝控制難度大、難以確保穩定地形成預期的硅錠晶體結構、缺陷和雜質多、雜質分布不均、晶錠內應力偏大加工成晶片損耗較大，和需要消耗大量籽晶等問題。特別是，需要在熔化晶體原料的同時，保持籽晶的部分為固態而部分熔化，這通常導致加熱的控制難度增加、籽晶的厚度提高和熱量經由籽晶大量耗散損失，尤其是籽晶通常具有遠高于晶體原料的平均熱導率，使經籽晶的熱量耗散成為能耗增加的重要原因。