專利名稱：用于制造多晶硅錠的工藝和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造多晶硅錠的工藝和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體和太陽能電池領(lǐng)域中，已知可通過在熔融容器或坩堝中熔融高純度硅材料來制造多晶硅錠。例如，文獻(xiàn)DE 199 34 94 032描述了用于此目的的相應(yīng)設(shè)備。該設(shè)備大體由具有加熱元件的隔離箱、坩堝以及隔離箱中的裝載單元組成。以下各者設(shè)置成加熱元件:布置在坩堝下方的底部加熱器、布置在坩堝各側(cè)的側(cè)部加熱器以及布置在坩堝上方的頂部加熱器。在硅錠的制造過程中，當(dāng)隔離箱打開時(shí)，坩堝得到裝載，并且此后，顆粒狀硅在坩堝中通過加熱元件而熔化，其中隔離箱是關(guān)閉的。在通過對(duì)應(yīng)的再裝載單元而再裝載額外的硅材料之后，熔融材料以受控的方式冷卻，以實(shí)現(xiàn)從下部到上部的定向凝固。在這點(diǎn)上，熔融材料與凝固邊界之間的相邊界應(yīng)盡可能平坦，這可通過對(duì)材料的熔融-固體部分的溫度曲線進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。在這點(diǎn)上，底部加熱器與相對(duì)的頂部加熱器之間的相互作用適于提供平坦形式的相邊界，因?yàn)檫@些加熱器的位置能實(shí)現(xiàn)了大體垂直延伸的均勻溫度梯度。坩堝側(cè)面處損失的溫度可通過側(cè)部加熱器或適當(dāng)?shù)慕^隔離而得到補(bǔ)償/最小化。然而對(duì)于某些應(yīng)用，例如非在先公開的DE 10 2010 024 010中所描述，在坩堝上方保留自由空間是有益的。因此，使用頂部加熱器并不總是可行或合理的。因此，坩堝中熔融材料的受控冷卻可通過對(duì)鄰近坩堝而布置的底部加熱器和/或側(cè)部加熱器進(jìn)行對(duì)應(yīng)控制來實(shí)現(xiàn)，而不需要所述頂部加熱器的幫助。在只使用底部加熱器的情況下，可能不會(huì)實(shí)現(xiàn)溫度曲線的所需控制，因?yàn)槿廴诠鑼牡撞磕痰巾敳?，如上文所提及。另一方面，使用?cè)部加熱器會(huì)使得相邊界在定向凝固過程中產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性彎曲。根據(jù)已知設(shè)備，本發(fā)明待解決的問題是，提供一種用于制造多晶硅錠的設(shè)備和工藝，這種設(shè)備和工藝能夠?qū)ο噙吔邕M(jìn)行良好控制。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了根據(jù)權(quán)利要求1的一種用于生成多晶硅錠的工藝，以及根據(jù)權(quán)利要求6的一種用于生成多晶硅錠的設(shè)備。本發(fā)明的其他實(shí)施例可根據(jù)從屬權(quán)利要求來了解。在工藝過程中，坩堝位 于工藝腔室中，其中在所述工藝腔室中，所述坩堝填充有固體硅材料。在這點(diǎn)上，所述坩堝相對(duì)于對(duì)角加熱器定位成:相對(duì)于即將生成的所述硅錠，所述對(duì)角加熱器向側(cè)部偏移并且所述對(duì)角加熱器大體位于即將生成的硅錠的上方。接下來，在工藝腔室保持關(guān)閉時(shí)，坩堝中的硅材料被加熱到其熔融溫度以上，從而在坩堝中生成熔融硅，并且隨后，熔融硅在坩堝中被冷卻到凝固溫度以下，其中在硅的冷卻過程中，硅材料中的溫度分布至少部分地通過至少一個(gè)對(duì)角加熱器來控制。使用對(duì)角加熱器并因此從上方沿對(duì)角線方向?qū)崃恳肴廴诠柚校軌驅(qū)崿F(xiàn)在不使用頂部加熱器的情況下形成平坦的相邊界。這樣，熔融材料上方的空間是開放的，并且因此可以設(shè)置(例如)再裝載單元。此外，從坩堝流向?qū)羌訜崞鞯娜魏沃苯託饬魇怯弥辽僖粡埐粊碜钃醯?，所述箔幕設(shè)置成與所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器面向坩堝的一側(cè)相鄰近，從而保護(hù)對(duì)角加熱器以使其免受來自熔融硅的很可能具有破壞性的煙氣的影響。在本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例中，位于工藝腔室中的板元件降低至坩堝上方，其中所述板元件包括用于引入氣體的至少一個(gè)通道，并且在熔融硅凝固時(shí)間中的至少一個(gè)時(shí)間片段內(nèi)，氣流被引導(dǎo)至熔融硅的表面，其中所述氣流至少部分地通過所述板元件中的所述至少一個(gè)通道而引導(dǎo)至熔融硅的表面。當(dāng)然，在加熱和/或冷卻工藝過程中，氣流也可引導(dǎo)至位于i甘禍中的娃的表面。在形成于熔融娃表面與板兀件之間的空間中，將氣體弓丨導(dǎo)至熔融硅的表面，能夠獲得冷卻參數(shù)的良好可調(diào)性并且還能夠獲得熔融材料表面氣氛的良好可調(diào)性。術(shù)語“熔融硅凝固時(shí)間段”是指硅從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟南嘧儠r(shí)間段。此外，板元件可用作通過對(duì)角加熱器而得到加熱的被動(dòng)式(passive)加熱元件，并且因此能模擬大體可移動(dòng)的頂部加熱器。優(yōu)選地，額外的硅材料被固定到板元件，然后關(guān)閉工藝腔室，使得額外的硅材料的至少一部分在降低板元件時(shí)浸入坩堝中的熔融硅中，從而使額外的硅材料熔融，這樣能夠提高坩堝中熔融硅的填充水平。這樣，板元件既用作空氣引導(dǎo)元件又用作再裝載單元。為了保護(hù)對(duì)角加熱器以使其免受來自坩堝區(qū)域的工藝氣體的影響，頂部-底部氣流在硅材料的加熱和/或冷卻工藝的至少一部分過程中可經(jīng)引導(dǎo)而流過對(duì)角加熱器面向坩堝的至少一側(cè)。為了對(duì)硅材料的溫度曲線進(jìn)行所需調(diào)整，可設(shè)置至少兩個(gè)對(duì)角加熱器，一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上方，其中所述對(duì)角加熱器至少在硅材料的冷卻階段中受到控制，從而使得它們所提供的加熱功率至少相差10%。根據(jù)本 發(fā)明的設(shè)備包括:工藝腔室，其可打開和關(guān)閉以進(jìn)行裝載和卸載；坩堝固持器，其位于工藝腔室中，用于將坩堝固持在預(yù)定位置；以及至少一個(gè)對(duì)角加熱器，其位于工藝腔室中。所述對(duì)角加熱器經(jīng)布置，使對(duì)角加熱器相對(duì)于坩堝固持器橫向地定位且布置成大體垂直于坩堝固持器，并且在垂直方向上與坩堝固持器間隔一段距離，從而使得對(duì)角加熱器在垂直方向上大體位于即將形成于坩堝中的多晶硅塊或錠的上方。此外，至少一張箔幕設(shè)置成與至少一個(gè)對(duì)角加熱器面向坩堝的一側(cè)相鄰近，從而阻擋從坩堝流向?qū)羌訜崞鞯闹苯託饬鳌４送?，?dāng)所述工藝腔室關(guān)閉時(shí)，所述對(duì)角加熱器相對(duì)于所述坩堝固持器是靜止的。這樣的設(shè)備提供了上文針對(duì)該工藝所提及的益處。優(yōu)選地，在垂直方向上對(duì)角加熱器與坩堝固持器所固持的坩堝和/或形成于坩堝中的多晶硅錠的重疊量最大為20%，這樣才能從上方沿對(duì)角線方向提供對(duì)硅材料的加熱(尤其是在冷卻階段中)。可設(shè)置至少兩個(gè)堆疊起來的對(duì)角加熱器以方便調(diào)整工藝腔室的溫度曲線，尤其是硅材料的溫度曲線。在這點(diǎn)上，優(yōu)選方案為，堆疊起來的對(duì)角加熱器中的至少兩者包括至少一個(gè)電阻加熱元件，其中垂直堆疊的加熱元件的單位長(zhǎng)度電阻不同，其中單位長(zhǎng)度電阻較大的電阻加熱元件的單位長(zhǎng)度電阻至少比其他電阻加熱元件的電阻大10%。在這點(diǎn)上，“對(duì)角加熱器的單位長(zhǎng)度”是指電流流動(dòng)方向上的尺寸。優(yōu)選地，較高的電阻加熱元件的單位長(zhǎng)度電阻較小。優(yōu)選地，垂直堆疊的對(duì)角加熱器經(jīng)由共享電極而連接到共享控制器單元。在本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例中，對(duì)角加熱器包括電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有平直區(qū)段和拐角區(qū)段并且環(huán)繞加熱腔室，其中電阻加熱元件的所述平直區(qū)段的單位長(zhǎng)度電阻優(yōu)選為至少比所述拐角區(qū)段的電阻大10%。例如，拐角區(qū)段可至少比平直區(qū)段厚或?qū)?0%。此外，至少一個(gè)對(duì)角加熱器可包括環(huán)繞加熱腔室的電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有平直區(qū)段和拐角區(qū)段，其中拐角區(qū)段呈圓弧形。根據(jù)又一項(xiàng)實(shí)施例，提供以下特征:板元件布置在工藝腔室中且位于坩堝固持器上方，所述板元件包括:至少一個(gè)通道；至少一根氣體饋送管，所述氣體饋送管延伸到板元件中的至少一個(gè)通道中或延伸穿過板元件中的至少一個(gè)通道；以及至少一個(gè)氣體饋送單元，所述氣體饋送單元位于工藝腔室外部，用于將氣流饋送到氣體饋送管中并且使氣流穿過氣體饋送管而到達(dá)板元件下方的區(qū)域。用這種方法，可在該工藝的至少一部分過程中促進(jìn)對(duì)氣體饋送或引導(dǎo)的控制，以將氣體饋送或引導(dǎo)至位于坩堝中的硅材料的表面，從而提供上文中已提及的益處。優(yōu)選地，設(shè)置了用于提升板 元件的提升機(jī)構(gòu)，這樣能夠改變氣流并且在適當(dāng)情況下改變工藝腔室中的溫度曲線。優(yōu)選地，板元件包括用于附接或固持硅材料的裝置，因此板元件還用作裝載單元。特別地，可通過只移動(dòng)板元件而將額外的硅材料引入熔融硅材料中，這樣便不需要額外的導(dǎo)向元件。根據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例，膜或箔紙盒(carton)設(shè)置成與對(duì)角加熱器面向坩堝的至少一側(cè)中的一側(cè)相鄰近，這樣能夠阻擋從坩堝流向?qū)羌訜崞鞯臍饬鳌?duì)加熱單元有害的氣體為可從熔融硅中逃逸出來的(例如)S1、SiO或O。可設(shè)置特定裝置來保護(hù)對(duì)角加熱器，所述特定裝置所提供的氣流經(jīng)引導(dǎo)而沿著所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器從頂部流到底部，所述裝置能放出分隔氣體。優(yōu)選地，至少一個(gè)連接電極的至少一部分沿著坩堝的寬度尺寸延伸。用這種方法，可在坩堝中的熔融材料中引起攪動(dòng)。在這點(diǎn)上，所述至少一部分延伸而與形成于坩堝中的多晶硅錠的上三分之一相鄰近。


接下來，將參照附圖更詳細(xì)地闡釋本發(fā)明；在附圖中:圖1為用于在填充有硅原料的坩堝中生成多晶硅錠的設(shè)備的示意性截面圖。圖2為類似于圖1的示意圖，其中坩堝中的硅原料已熔融。圖3為類似于圖2的示意圖，其中額外的硅原料浸沒在坩堝中。圖4為類似于圖3的示意圖，所示為冷卻階段。圖5為通過使用填充有硅原料的硅坩堝來生成多晶硅錠的替代性設(shè)備的示意圖。圖6為沿著圖4中的線IV-1V截得的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式在以下說明中，頂部、底部、左和右等術(shù)語以及其對(duì)應(yīng)術(shù)語是針對(duì)各圖而言的，并且不應(yīng)當(dāng)作是限制性術(shù)語，這些術(shù)語在以下說明中是針對(duì)優(yōu)選實(shí)施例而言的。一般而言，除非提及其他范圍，用于描述角度和配置的術(shù)語應(yīng)包括上至10°且優(yōu)選為上至5°的偏差。圖1所示為用于生成多晶體娃錠的設(shè)備I的示意性截面圖。設(shè)備I大體包括界定工藝腔室4的隔離箱3。在工藝腔室4中，設(shè)置了用于固持坩堝6的固持單元(未詳細(xì)圖示)、底部加熱單元7、可選側(cè)部加熱單元8以及兩個(gè)堆疊起來的對(duì)角加熱單元9a和％。隔離箱3的側(cè)壁的下端處設(shè)置有至少一個(gè)氣體出口 10。坩堝6的固持器上方設(shè)置有板元件11，并且還設(shè)置有氣體加熱管13，氣體饋送管13從上方延伸通過隔離箱3和板元件11而進(jìn)入工藝腔室4中。膜幕或箔幕(film or foil curtain) 14設(shè)置成與對(duì)角加熱器9a、9b鄰近并且與側(cè)部加熱器8的一部分鄰近，所述箔幕14固定在最高的對(duì)角加熱單元9b上方。至少有部分箔幕位于對(duì)角/側(cè)部加熱單元9a、9b、8與坩堝6之間的空間中。所屬領(lǐng)域中已知，隔離箱3由合適的隔離材料制成，因此，不再詳細(xì)描述隔離箱3。工藝腔室4經(jīng)由未詳細(xì)圖示的裝置而與加熱氣體和出口管連通，這樣能調(diào)整工藝腔室4中的確定的工藝氣氛。除了氣體饋送管13和氣體出口 10，這些裝置均未詳細(xì)圖示。坩堝6由合適的已知材料制成，例如碳化硅嵌塊(quad)、氮化硅或用氮化硅涂覆的嵌塊，其中所述材料不影響制造工藝并且能耐受熔化硅材料時(shí)的高溫。通常，坩堝6在所述工藝過程中已因熱膨脹而毀壞，因此，可輕易地移除坩堝6以取出最終的硅錠或硅塊。坩堝6形成為頂部開放的碗狀物，如圖1所示，可用硅原料20填充坩堝6，直到頂部邊緣。對(duì)于坩堝的填充，例如，可使用硅棒，并且所述硅棒間的空隙中至少有一部分填充有破碎的硅材料，如圖1中左側(cè)所示。用這種方法，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)良好的填充度，然而，一些氣囊或填充有空氣的空隙還存在于裝好料的坩堝中。這會(huì)使得硅材料20在熔融后不能完全地填充坩堝6，如圖2所示，其中陰影線區(qū)域描繪了熔融硅22。底部加熱單元7設(shè)置在坩堝固持器下方或坩堝固持器中，因此當(dāng)坩堝6位于工藝腔室中時(shí)，底部加熱單元7位于坩堝6下方。當(dāng)坩堝6位于工藝腔室4中時(shí)，可選的側(cè)部加熱單元8徑向地環(huán)繞坩 堝6。對(duì)角加熱單元9a和9b以堆疊的方式位于側(cè)部加熱單元8上方，并且對(duì)角加熱單元環(huán)繞工藝腔室中位于坩堝6上方的區(qū)域。盡管較低對(duì)角加熱單元9a在圖中繪示為完全位于坩堝上方，但是應(yīng)了解，較低對(duì)角加熱單元還可與坩堝部分地重疊。接下來，對(duì)角加熱單元9a為這樣的加熱單元，其在徑向上至少部分地環(huán)繞坩堝6上方的空間，并且在垂直方向上分別與坩堝6或形成于坩堝6中的硅塊或硅錠重疊，重疊量最大為對(duì)角加熱單元9a高度的20%，并且優(yōu)選的最大重疊量為對(duì)角加熱單元9a高度的10%。對(duì)角加熱單元9a與坩堝6更大程度地重疊也是有可能的，只要對(duì)角加熱單元9a與形成于坩堝6中的硅錠的重疊程度不再增加，因?yàn)榇僳釄寤蛐纬捎诖僳釄?中的熔融硅均構(gòu)成即將得到對(duì)角式加熱(即，從上方以一定角度進(jìn)行加熱)的材料。當(dāng)然，對(duì)角加熱器也可完全位于坩堝6上方，如圖1所示。加熱單元7、8、9a和9b中的每一者都是以下類型的加熱單元:其能夠用合適的方式加熱工藝腔室4，尤其是加熱坩堝6以及位于坩堝6中的硅原料20，從而使得原料20熔融并形成熔融材料或熔融物22，如圖2所示。側(cè)部加熱單元8和對(duì)角加熱單元9a、9b由各個(gè)堆疊起來的加熱帶構(gòu)成，這些加熱帶可包括明顯不同的電阻并且因此可包括明顯不同的加熱功率。在這種背景下，較大的單位長(zhǎng)度電阻比較小的單位長(zhǎng)度電阻至少大10%的這種差異被看作是明顯不同。這樣，坩堝或位于其中的硅材料各自的已加熱側(cè)部區(qū)域與硅材料面向氣氛的表面之間的關(guān)系可通過特定的方式來改變，而不必使用昂貴的、單獨(dú)可控的加熱器。特別地，可采用相同的控制來提供不同的加熱功率，因此可在工藝腔室4中調(diào)整或設(shè)定預(yù)定溫度曲線。特別地，較高的對(duì)角加熱單元9b可構(gòu)成為:使得較高的對(duì)角加熱單元9b所提供的加熱功率比較低的對(duì)角加熱單元9a要高，同時(shí)，二者受到控制的方式相同。加熱帶中的每一者都可形成為一個(gè)單片或可由電連接的多個(gè)片段構(gòu)成，每個(gè)加熱帶優(yōu)選在用于控制加熱帶的電極40a、40b和40c的區(qū)域中形成(參看圖1到圖5以及圖6)。如圖所示，為側(cè)部加熱器8以及對(duì)角加熱器9a和9b提供三個(gè)共用電極40a、40b和40c，電極40a、40b和40c連接到用于向反射式加熱單元8、9a、9b施加三相電流的合適控制單元。為對(duì)角加熱器9a、9b以及側(cè)部加熱器8提供共享控制單元和共享電極40可帶來特別的優(yōu)勢(shì)，即，穿過隔離箱3的通道的數(shù)量可減少。用這種方法，通道區(qū)域中的熱量損失可減少。通常情況下(例如)只需要一個(gè)變壓器，這樣可減少成本和出錯(cuò)率。工藝腔室4中所需的溫度曲線的調(diào)整可通過對(duì)加熱元件的電阻值進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整來完成，接下來將對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的描述。兩個(gè)電極40a和40b各自具有:第一區(qū)段42,所述第一區(qū)段在水平方向上延伸并且穿過隔離箱3 ;另一個(gè)鄰近且基本上水平延伸的區(qū)段43，其在隔離箱3中延伸，基本上平行于坩堝6的側(cè)壁區(qū)段；另一個(gè)鄰近且垂直延伸的區(qū)段44 ;以及從垂直區(qū)段44延伸出去的端區(qū)段45、46和47。端區(qū)段45、46和47將電極40a和40b的垂直區(qū)段44分別連接到側(cè)部加熱器8、較低的對(duì)角加熱器9a和較高的對(duì)角加熱器％。電極40具有延伸穿過隔離箱的水平區(qū)段、緊鄰水平區(qū)段的垂直延伸區(qū)段以及從垂直區(qū)段延伸出去的端區(qū)段。

對(duì)于電極40a、40b和40c中的每一者，只需要一個(gè)穿過隔離箱3的通道。電極40a、40b和40c中的每一者都適于將功率提供給側(cè)部加熱器8以及對(duì)角加熱器9a、9b。電極40a和40b(圖6)的區(qū)段43(其大體平行于坩堝6的側(cè)壁區(qū)段而延伸)可能在坩堝中的熔融材料中產(chǎn)生有利的磁導(dǎo)向作用，這是因?yàn)橛懈唠娏髁鬟^熔融材料。為此，區(qū)段43優(yōu)選為延伸到與形成于坩堝6中的硅錠的上三分之一鄰近，并且更優(yōu)選為與其上四分之一鄰近。電極40a,40b和40c的垂直延伸區(qū)段44大體布置成圍繞加熱單元8、9a和9b的圓周成相同角距離(angular distance)，因此電極40a、40b和40c的端區(qū)段45>46和47也圍繞加熱單元
8、9a和9b的圓周成相同角距離。側(cè)部加熱單元8以及對(duì)角加熱單元9a和9b的加熱帶各自具有大體平行于坩堝6側(cè)壁而延伸的平直區(qū)段以及拐角區(qū)段，如圖6所示。在電流方向上，平直區(qū)段和拐角區(qū)段的每個(gè)單位長(zhǎng)度可包括明顯不同的距離(至少相差10% )，并且因此可包括不同的加熱功率。用這種方法，分別輸入給坩堝拐角以及坩堝中硅材料的熱量，可通過定向的方式來改變。針對(duì)減小拐角處的加熱功率，可使用較厚末端或較寬加熱器(例如，石墨或CFC箔)，或者可使用額外的部件(例如，來自ISO的部件或連鑄石墨)，這樣能明顯降低拐角處的總加熱電阻。拐角區(qū)段可呈圓弧形，如圖6中所示，從而防止拐角連接發(fā)生磨損和故障以及變得過熱。如果將低成本石墨箔用作加熱帶，那么這些石墨箔需要通過機(jī)械方式進(jìn)行加固以防偏斜。在這點(diǎn)上，可使用由電絕緣材料(例如，氮化硅)制成的垂直固定脊，因?yàn)檫@樣一來，不同的加熱帶之間不能流過補(bǔ)償電流，并且加熱帶可垂直移動(dòng)，但不可水平移動(dòng)或扭曲。
如果使用CFC加熱帶，那么可使用尤其適合所需幾何形狀的預(yù)制式元件，例如，拐角處的圓弧形加熱帶。這樣的加熱帶可制成一片或可劃分為多個(gè)片段(例如，三個(gè)片段)，有利地，所述片段可在電極處夾緊并接觸。這樣，安裝和維護(hù)工作可明顯減少。以上針對(duì)側(cè)部加熱單元8和對(duì)角加熱單元9a和9b所論述的特性和特征的存在是有利的，不管是否使用對(duì)角加熱器，因此這些特性和特征適用于不具備對(duì)角加熱器的系統(tǒng)。位于坩堝6上方的板元件11由合適的材料制成，該材料不會(huì)在用于熔融硅原料的溫度下熔融并且不會(huì)將污染物引入工藝中。此外，板元件是容易通過對(duì)角加熱單元9a、9b以被動(dòng)方式進(jìn)行加熱的材料制成。板元件11可通過工藝腔室內(nèi)部的機(jī)構(gòu)(未詳細(xì)圖示)來抬升和降低，下文將參考圖3和圖4對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的描述。在板元件11的底側(cè)，設(shè)置有固持單元24，所述固持單元能夠固持板元件11下方的額外的硅原料，例如硅棒26。在根據(jù)圖1的布置中，示出了 4根硅棒26，這些硅棒排成一行位于板元件11下方。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員容易了解，這些額外的固持元件沿深度進(jìn)行設(shè)置(即，垂直于圖紙層)，其中設(shè)置了額外的固持元件來固持額外的硅棒26。此外，固持元件24還可承載長(zhǎng)度不同的盤或棒區(qū)段形式的硅原料。所示固持元件為普通棒，例如，通過螺紋連接到硅棒的普通棒。此外，固持元件還可為適于承載硅棒26的夾鉗或其他元件。同樣地，固持元件應(yīng)該由不對(duì)熔融娃造成污染的耐熱材料制成。

板元件11的圓周形狀大致對(duì)應(yīng)于坩堝6的內(nèi)圓周。此外，板元件具有中間通道30，并且氣體加熱管13延伸通過該通道。氣體饋送管13由石墨等合適的材料制成。氣體饋送管從工藝腔室4開始延伸，穿過隔離箱3延伸到外部，并且連接到合適的氣體供應(yīng)源，例如氬氣供應(yīng)源。氣體可通過氣體饋送管13而饋送到工藝腔室4中，這將在下文中詳細(xì)說明。氣體饋送管13可用于在板元件11的抬高和降低過程中引導(dǎo)板元件11。圖中所示的箔幕14的固定元件位于較高的對(duì)角加熱單元9b上方(圖1)。連接到所述固定元件的箔幕14延伸到坩堝上方的空間與對(duì)角加熱單元9a、9b之間的區(qū)域，以及側(cè)部加熱單元8與坩堝6之間的區(qū)域，如圖1到圖4所示。可選地，箔幕也可至少覆蓋工藝腔室4的部分頂部區(qū)域(圖6)。箔幕14由耐熱的氣密材料制成，該材料能阻止不需要的污染物進(jìn)入工藝腔室中，例如石墨箔。箔幕14還可直接從隔離箱3的頂板開始延伸并且可封接到所述頂板。箔幕的下末端還可封接到隔離箱3的側(cè)壁，從而形成用于固持側(cè)/對(duì)角加熱器的密封空間。下文中將參考圖1和圖4對(duì)設(shè)備I的操作進(jìn)行更詳細(xì)的說明，其中各圖示出了不同的工藝步驟中的同一設(shè)備。圖1所示為生產(chǎn)工藝本身開始之前的設(shè)備I。坩堝6填充有硅原料20，該填充達(dá)到了坩堝6的上邊緣。在圖中，已使用硅棒和顆粒狀硅來填充坩堝6。硅棒26通過固持元件24固定到板元件11。在用這種方式準(zhǔn)備好設(shè)備I之后，硅原料20通過底部加熱單元7、側(cè)部加熱單元8以及對(duì)角加熱單元9a、9b的熱量輸入而熔融于坩堝6中。加熱單元7、8、9a和9b在該工藝過程中受到控制，以使熱量輸入首先從下方開始，這樣，通過板元件11而固持在坩堝6上方的硅棒26將變得溫?zé)岬蝗刍?。在硅原?0完全熔融之后，熔融硅或硅熔融物22在坩堝6中形成，如圖2所示。固定到板元件11的硅棒26在此時(shí)間點(diǎn)還未熔融。此后，板元件11通過提升機(jī)構(gòu)(未詳細(xì)示出)而降低，從而將硅棒26浸沒在熔融硅22中，如圖3所示。這樣，坩堝中熔融硅22的填充水平大幅提高，如圖3所示。由于浸沒的硅棒26與熔融硅22接觸，因此浸沒的硅棒26完全熔融并且與熔融材料22混合，根據(jù)具體情況，還可通過底部加熱器7和側(cè)部加熱器8所提供的額外的熱量輸入來熔融硅棒26。接下來，只要固持元件24未接觸熔融硅22，板元件就可維持在圖3中的位置。如果固持元件接觸熔融硅，那么板元件11將被略微抬高，以便從熔融材料22中提升固持元件24，如圖4所示。在此時(shí)間點(diǎn)，由加熱單元輸入的熱量可大幅減少或可切斷，從而實(shí)現(xiàn)坩堝6中熔融硅22的冷卻。在此過程中，所述冷卻尤其通過對(duì)角加熱單元9a、9b來控制，以使熔融材料22以定向的方式從底部凝固至頂部。在熔融硅22與凝固部分32之間，可通過控制對(duì)角加熱器9a、9b來獲得淺薄或平坦的相邊界，如圖4所示。在圖4所示的工藝過程時(shí)間點(diǎn)，坩堝中硅材料的較低部分32已凝固，而頂部仍然存在熔融硅22。平坦相邊界是通過對(duì)角加熱器9a、9b與板元件11的組合來獲得的，這樣能模擬頂部加熱器并因此而促使位于坩堝6中的硅材料的溫度在水平方向上基本相同。當(dāng)然，這種情況也可在沒有板元件11的情況下實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閷?duì)角加熱器能從上方沿對(duì)角線方向或以一定角度對(duì)坩堝6中的硅材料進(jìn)行加熱。因此，板元件11是有利但可選的特征且可省略，并且，可根據(jù)情況用另一個(gè)再裝載單元來替換。在該工藝過程中的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)處，并且尤其是在熔融階段的開始階段和整個(gè)過程中，氬氣等對(duì)硅呈惰性的氣體通過氣體饋送管13引導(dǎo)至熔融硅22的表面。氣體流過熔融硅22的表面而到達(dá)外部，隨后，氣體流到坩堝6與箔幕14之間，然后到達(dá)氣體出口 10，如圖4所示。箔幕14用于保護(hù)對(duì)角加熱單元9a、9b以及側(cè)部加熱單元8，以防止這些加熱單元接觸到經(jīng)引導(dǎo)而流過熔融硅表面的氣體(包括氣態(tài)硅、SiO或氧氣)。對(duì)角加熱單元9a、9b和側(cè)部加熱單元8可以可選地由額外的氣體環(huán)繞，所述額外的氣體(例如)單獨(dú)地引入箔幕14與隔離箱3之間，其中所述額外的氣體不與加熱單元9a、9b、8的材料或經(jīng)引導(dǎo)而經(jīng)過熔融硅表面的氣流(例如，氬氣或另一種惰性氣體)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這樣能防止經(jīng)引導(dǎo)而流過熔融硅22并且包括氣態(tài)硅的氣體到達(dá)加熱單元9a、9b、8。經(jīng)引導(dǎo)而流過加熱單元9a、9b、8的額外氣體以及經(jīng)引導(dǎo)而流過熔融硅22的氣體可經(jīng)由氣體出口 10而排出。一旦溶融娃22完全凝固，娃徒即在樹禍6中形成,該娃徒為最終廣物。該徒可在工藝腔室4中進(jìn)一步冷卻到處理溫度，然后該錠從工藝腔室4中移除。如上所述，在硅材料的熔融過程中以及隨后的冷卻工藝過程中，加熱單元8、9a和9b可受到控制，例如，使這些加熱單元對(duì)從側(cè)向/沿對(duì)角線而提供的加熱功率分別貢獻(xiàn)約10%、30%和60%。這可通過這些單元的各別控制或這些單元的內(nèi)在構(gòu)造(具有不同電阻)來實(shí)現(xiàn)，其中共享控制可用在第二種情況中。圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的用于生成多晶硅錠的設(shè)備I的替代性實(shí)施例。圖5中使用相同參考符號(hào)來表示描述的是相同或相似的元件。同樣地，設(shè)備I基本上由隔離箱3組成，并且工藝腔室4形成于所述隔離箱內(nèi)部。坩堝6的固持器設(shè)置在工藝腔室4中。 此外，底部加熱單元7以及對(duì)角加熱單元9a和9b設(shè)置在工藝腔室中。然而，此實(shí)施例中未設(shè)置側(cè)部加熱單元。氣體出口導(dǎo)向器10設(shè)置在隔離箱的較低區(qū)域中。此外，箔幕14設(shè)置在工藝腔室4中。氣體供應(yīng)器(gas supply)40設(shè)置在隔離箱3的上表面。第一實(shí)施例中設(shè)置的板元件在該實(shí)施例中設(shè)置，但可以可選地設(shè)置所述板元件。同樣地，坩堝填充有硅原料20，其中硅原料20堆疊至坩堝6的上邊緣上方，其形式主要是棒材料，這樣才能在熔融工藝之后實(shí)現(xiàn)坩堝6中熔融硅的所需填充水平。這樣一來，可省略再裝載單元。如果不按照?qǐng)D中所示將棒材料堆疊起來，也可將棒材料大體垂直地布置在坩堝中。如上文所提及，可用破碎的硅來填充空隙，直到坩堝高度。為了避免硅材料掉到坩堝6的邊緣上，可為坩堝設(shè)置輔助壁，其中所述輔助壁可使用若干次。底部加熱單元7可具有上文所述的構(gòu)造，對(duì)角加熱單元9a、9b也如此。在所示的實(shí)施例中，較低的對(duì)角加熱單元9a制成比坩堝長(zhǎng)并且與坩堝以及可能位于坩堝中的硅錠部分地重疊。在這點(diǎn)上，與坩堝或硅錠的重疊長(zhǎng)度的最大值應(yīng)分別為對(duì)角加熱器長(zhǎng)度的20%。箔幕14的構(gòu)成材料可與上文所述相同，并且還可至少部分地沿著隔離箱3的較高區(qū)域延伸。箔幕14如同天幕或傘蓋般覆蓋坩堝，其中對(duì)角加熱單元9a、9b不位于覆蓋區(qū)域中。氣流可通過氣體供應(yīng)器40饋送到工藝腔室4中，其中所述氣流由箔幕14引導(dǎo)而流過對(duì)角加熱單元9a、9b，從而保護(hù)對(duì)角加熱單元9a、9b以使其免受來自坩堝6區(qū)域的工藝氣體的影響。該工藝大體類似于上文所述的工藝，其中沒有設(shè)置用于再裝載的板元件，并且其中硅材料的加熱是專門通過底部加熱單元7以及對(duì)角加熱單元9a和9b來完成的。上文中，已借助于本 發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于特定實(shí)施例。應(yīng)注意，不同實(shí)施例中的元件可彼此組合，或者各元件可在不同實(shí)施例中交換?？蛇x擇用氣幕來代替箔幕，所述氣幕由經(jīng)引導(dǎo)而從頂部流至底部的氣流構(gòu)成，并且因此而保護(hù)對(duì)角加熱器以使其免受有害工藝氣體的影響。
權(quán)利要求
1.一種用于生成多晶硅錠的工藝，其中所述工藝包括以下步驟: 將坩堝放置在工藝腔室中，其中，所述坩堝填充有固體硅材料，或所述坩堝在所述工藝腔室中填充硅材料，其中所述坩堝相對(duì)于至少一個(gè)對(duì)角加熱器布置成:相對(duì)于即將生成的所述硅錠，所述對(duì)角加熱器向側(cè)部偏移并且所述對(duì)角加熱器大體位于即將生成的所述硅錠的上方； 將所述坩堝中的所述固體硅材料加熱到所述硅材料的熔融溫度以上，從而在所述坩堝中形成熔融硅； 將所述坩堝中的所述硅材料冷卻到所述熔融硅的凝固溫度以下，其中，在冷卻步驟中，所述硅材料中的溫度分布至少部分地通過所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器來進(jìn)行控制；以及 用至少一張箔幕(14)來阻擋從所述坩堝(6)流向所述對(duì)角加熱器(9a、9b)的任何直接氣流，所述至少一張箔幕設(shè)置成與所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器(9a、9b)面向所述坩堝的一側(cè)相鄰近。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于生成多晶硅錠的工藝，其進(jìn)一步包括: 降低板元件，所述板元件位于所述工藝腔室中且通過所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器而得到被動(dòng)式加熱，并且所述板元件包括氣體供應(yīng)器所用的至少一個(gè)通道；以及 在所述熔融硅的凝固時(shí)間段的至少一個(gè)時(shí)間片段中，將氣流引導(dǎo)至所述坩堝中的所述熔融硅的表面，其中所述氣流至少部分地通過所述板元件中的所述至少一個(gè)通道而引導(dǎo)至所述熔融硅的所述表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于生成多晶硅錠的工藝，其進(jìn)一步包括: 將額外的固體硅材料固定到所述板元件，然后對(duì)所述坩堝中的所述硅材料進(jìn)行加熱，以使所述額外的硅材料 的至少一部分在所述板元件的降低過程中浸沒到所述坩堝中的所述熔融硅中，從而熔融，藉此提高了所述坩堝中的所述熔融硅的填充水平。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的用于生成多晶硅錠的工藝，其進(jìn)一步包括: 在所述硅材料的加熱和/或冷卻步驟的至少一部分中，引導(dǎo)頂部-底部氣流流過所述對(duì)角加熱器面向所述坩堝的至少一側(cè)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的用于生成多晶硅錠的工藝，其中設(shè)置了至少兩個(gè)堆疊起來的對(duì)角加熱器，所述對(duì)角加熱器至少在所述硅材料的冷卻步驟中受到控制，從而使所述對(duì)角加熱器所放出的加熱功率至少相差10%。
6.一種用于生成多晶硅錠的設(shè)備(I)，所述設(shè)備包括: 工藝腔室(4)，其可打開和關(guān)閉，從而進(jìn)行裝載和卸載； 坩堝固持器，其位于所述工藝腔室(4)內(nèi)部，用于將坩堝(6)固持在預(yù)定位置； 至少一個(gè)對(duì)角加熱器(9a、9b)，其相對(duì)于所述坩堝固持器橫向地定位在所述工藝腔室(4)中，所述對(duì)角加熱器大體垂直于所述坩堝固持器并且在垂直方向上與所述坩堝固持器間隔一段距離，從而使得所述對(duì)角加熱器(9a、9b)在垂直方向的定位大體位于即將形成于所述坩堝中的多晶硅錠的上方，并且其中當(dāng)所述工藝腔室關(guān)閉時(shí)所述對(duì)角加熱器(9a、9b)相對(duì)于所述坩堝固持器是靜止的；以及 至少一張箔幕(14)，其設(shè)置成與所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器(9a、9b)面向所述坩堝的一側(cè)相鄰近，從而阻擋從所述坩堝(6)流向所述對(duì)角加熱器(9a、9b)的直接氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中所述對(duì)角加熱器(9a)在垂直方向上與所述坩堝固持器所固持的坩堝和/或形成于所述坩堝中的多晶硅錠的重疊量最大為20%。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中設(shè)置了至少兩個(gè)堆疊起來的對(duì)角加熱器(9a、9b)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中所述至少兩個(gè)堆疊起來的對(duì)角加熱器(9a、9b)包括至少一個(gè)電阻加熱元件，其中堆疊起來的所述電阻加熱元件包括不同的單位長(zhǎng)度電阻，其中具有較大單位長(zhǎng)度電阻的所述電阻加熱元件包括的單位長(zhǎng)度電阻至少比其他電阻加熱元件的單位長(zhǎng)度電阻大10%。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中較高的電阻加熱元件具有較小的單位長(zhǎng)度電阻。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中所述堆疊起來的對(duì)角加熱器(9a、9b)經(jīng)由共享電極連接到共享控制單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求6到11中任一權(quán)利要求所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中所述對(duì)角加熱器(9a、9b)包括電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有平直區(qū)段和拐角區(qū)段并且環(huán)繞加熱空間，其中所述平直區(qū)段的單位長(zhǎng)度電阻至少比所述拐角區(qū)段的單位長(zhǎng)度電阻大10%。
13.根據(jù)權(quán)利要求6到12中任一權(quán)利要求所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中所述對(duì)角加熱器(9a、9b)包括電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有平直區(qū)段和拐角區(qū)段并且環(huán)繞加熱空間，其中所述拐角區(qū)段呈圓弧形。
14.根據(jù)權(quán)利要求6到13中 任一權(quán)利要求所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)板元件(11)，所述至少一個(gè)板元件布置在所述工藝腔室中且位于所述坩堝固持器的上方，所述板元件包括至少一個(gè)通道(30)； 至少一根氣體饋送管(13)，所述氣體饋送管延伸到所述至少一個(gè)通道(30)和所述板元件(11)中，或延伸穿過所述至少一個(gè)通道(30)和所述板元件(11);以及 至少一個(gè)氣體饋送單元，所述氣體饋送單元位于所述工藝腔室(4)外部，用于將氣流饋送到所述氣體饋送管中并且使氣流穿過所述氣體饋送管而到達(dá)所述板元件(11)下方的區(qū)域中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備，其中針對(duì)所述板元件(11)設(shè)置了提升機(jī)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備(I)，其中所述板元件(11)包括用于固定硅材料(26)的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求6到16中任一權(quán)利要求所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備(1)，其中設(shè)置用于沿所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器(9a、9b)產(chǎn)生頂部-底部氣流的裝置(14、40)。
18.根據(jù)權(quán)利要求6到17中任一權(quán)利要求所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備(1)，其中至少一個(gè)端電極(40a、40b)具有沿著坩堝寬度的寬度尺寸延伸的區(qū)段(43)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于生成多晶硅錠的設(shè)備(1)，其中所述端電極(40a、40b)的所述至少一個(gè)區(qū)段(43)延伸而與形成于所述坩堝(6)中的多晶硅錠的上三分之一鄰近。
全文摘要
本申請(qǐng)案描述了一種用于制造多晶硅錠的工藝和設(shè)備。在所述工藝過程中，坩堝布置在工藝腔室中，其中，所述坩堝填充有固體硅材料或所述坩堝在所述工藝腔室中填充硅材料。所述坩堝相對(duì)于至少一個(gè)對(duì)角加熱器定位成相對(duì)于即將生成的所述硅錠，所述對(duì)角加熱器向側(cè)部偏移并且所述對(duì)角加熱器大體位于即將生成的所述硅錠的上方。此后，所述坩堝中的固體硅材料被加熱到所述硅材料的熔融溫度以上，從而在所述坩堝中形成熔融硅，并且此后，所述坩堝中的所述硅材料被冷卻到所述熔融硅的凝固溫度以下，其中冷卻階段中所述硅材料的溫度曲線至少部分地通過所述至少一個(gè)對(duì)角加熱器來控制。所述設(shè)備包括工藝腔室、位于所述工藝腔室內(nèi)部的坩堝固持器以及位于所述工藝腔室中的至少一個(gè)對(duì)角加熱器。所述對(duì)角加熱器相對(duì)于所述坩堝固持器橫向地定位且大體垂直于所述坩堝固持器而延伸，并且在垂直方向上與所述坩堝固持器間隔一段距離，從而使得所述對(duì)角加熱器在垂直方向上定位成大體位于即將形成于所述坩堝中的多晶硅錠的上方。當(dāng)所述工藝腔室關(guān)閉時(shí)，所述對(duì)角加熱器相對(duì)于所述坩堝固持器是靜止的。
文檔編號(hào)F27D99/00GK103080387SQ201180039246
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月16日
發(fā)明者史蒂芬·胡希, 歐雷三達(dá)·普若可盆科, 拉佛·克魯斯, 克利斯天·后俄斯 申請(qǐng)人:山特森西特股份有限公司