專(zhuān)利名稱(chēng)：從籽晶制造澆鑄硅的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括地涉及光致電壓領(lǐng)域和涉及用于制造用于光致電壓(photovoltaics) 應(yīng)用的澆鑄硅的方法和裝置。本發(fā)明還涉及新型澆鑄硅，其可用于制造器件，諸如光伏電池 和其它半導(dǎo)體器件。新型硅可具有單晶、近似單晶、雙晶或幾何多晶結(jié)構(gòu)并且可通過(guò)利用籽 晶的澆鑄過(guò)程來(lái)制造。
背景技術(shù)：
光伏電池將光轉(zhuǎn)化為電流。光伏電池最重要的特征之一是其將光能轉(zhuǎn)化為電能的 效能。盡管光伏電池可以從各種各樣的半導(dǎo)體材料制造，但是一般使用硅，因?yàn)楣杩梢院侠?的成本被容易地獲得，并且因?yàn)楣杈哂泄┲圃旃夥姵厥褂玫碾娦再|(zhì)、物理性質(zhì)和化學(xué)性 質(zhì)之間的適當(dāng)平衡。 在制造光伏電池的已知過(guò)程中，將硅原料摻雜具有正或負(fù)電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜物， 熔融，然后如下進(jìn)行結(jié)晶將結(jié)晶的硅從熔區(qū)拉出形成單晶硅的錠料(經(jīng)由柴氏單晶生長(zhǎng) 法(Czochralski， CZ)或懸浮區(qū)熔(FZ)法)，或澆鑄形成根據(jù)單個(gè)硅晶粒粒徑的不同而異 的多晶硅(multi-crystalline silicon)或多晶體硅(polycrystalline silicon)的塊或 "磚形塊"。本文使用的術(shù)語(yǔ)"單晶硅"是指單晶硅主體，遍及整個(gè)主體具有一個(gè)一致的結(jié)晶 取向。另外，常規(guī)的多晶硅是指具有厘米級(jí)粒度分布的晶硅，有多個(gè)隨機(jī)取向的結(jié)晶位于多 晶硅主體內(nèi)。然而，本文使用的術(shù)語(yǔ)"幾何學(xué)有序的(geometrically ordered)多晶硅"(在 下文中縮寫(xiě)為"幾何學(xué)多晶硅")是指根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的晶硅，其具有幾何學(xué)有序的厘 米級(jí)粒度分布，有多個(gè)有序的結(jié)晶位于多晶硅主體內(nèi)。例如，在幾何學(xué)多晶硅中，晶粒的粒 度一般平均為約0. 5厘米到約5厘米，并且在幾何學(xué)多晶硅主體內(nèi)的晶粒取向根據(jù)預(yù)定方 向受到控制。另外，本文使用的術(shù)語(yǔ)"多晶體硅"是指具有微米級(jí)粒徑的晶硅并有多個(gè)晶粒 取向位于被給出的晶硅主體內(nèi)。例如，晶粒的粒度一般平均為約亞微米到約微米(例如，單 個(gè)晶粒是肉眼不可見(jiàn)的)，并且晶粒取向遍及整個(gè)主體隨機(jī)分布。在上述過(guò)程中，錠料或塊 通過(guò)已知的切或鋸的方法被切割成薄的襯底，也被稱(chēng)作晶片(wafer)。這些晶片然后可被加 工成光伏電池。 供制造光伏電池使用的單晶硅一般通過(guò)CZ或FZ法制造，二種方法都是其中產(chǎn)生 圓柱型晶硅棒(boule)的方法。對(duì)于CZ法，使籽晶接觸熔融硅池并且從該池中緩慢地拉出 晶棒并同時(shí)通過(guò)晶棒的固體部分排除熱。本文使用的術(shù)語(yǔ)"籽晶"是指一塊(a piece of)結(jié)晶材料，其與液體硅接觸從而使得在固化期間液體硅適合于籽晶的結(jié)晶度。對(duì)于FZ法， 使固體物料通過(guò)熔區(qū)，在進(jìn)入熔區(qū)一側(cè)時(shí)熔融，并在熔區(qū)的另一側(cè)再固化， 一般地通過(guò)接觸 籽晶進(jìn)行。 最近，已經(jīng)發(fā)明了在澆鑄站中生產(chǎn)單晶或幾何學(xué)多晶材料的新技術(shù)，如于2007 年1月18日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/624， 365和11/624,411以及美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào) 20070169684A1和20070169685A1 。用于生產(chǎn)多晶硅錠料的澆鑄過(guò)程是光致電壓技術(shù)領(lǐng)域 中已知的。簡(jiǎn)而言之，在這些方法中，將熔融硅包含在坩堝諸如石英坩堝中，并以受控方式 將其冷卻，從而使被包含在其中的硅結(jié)晶。 一般將得到的澆鑄晶硅塊切割成具有的橫截面 與要用于制造光伏電池的晶片的大小相同或接近的磚形塊，以及將該磚形塊鋸成或以其它 方式切割成這種晶片。以這種方式產(chǎn)生的多晶硅是晶粒的聚結(jié)物，其中，在由其制造的晶片 中，晶粒相對(duì)于彼此的取向?qū)嶋H上是隨機(jī)的。單晶硅或幾何學(xué)多晶硅具有經(jīng)過(guò)特別選擇的 晶粒取向和(在后一種情況即幾何學(xué)多晶硅中)具有晶粒邊界，并且可以通過(guò)在上述的專(zhuān) 利申請(qǐng)中所公開(kāi)的新的澆鑄技術(shù)，通過(guò)使液體硅接觸在所述工藝期部分地保持是固體的較 大的籽晶層并在固化期間通過(guò)籽晶層排除熱而被形成。本文使用的術(shù)語(yǔ)"籽晶層"是指形 成連續(xù)層的結(jié)晶或具有所需結(jié)晶取向的結(jié)晶組?？墒顾鼈兣c坩堝的一側(cè)相適形(conform with)，用于澆鑄目的。 為了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的澆鑄錠料，應(yīng)該滿(mǎn)足幾個(gè)條件。首先，盡可能多的錠料具有所需的 結(jié)晶度。如果錠料要是單晶，則錠料的整個(gè)可用部分應(yīng)該是單晶，對(duì)于幾何學(xué)多晶材料同樣 如此。其次，硅將含有盡可能少的缺陷。缺陷可以包括個(gè)別的雜質(zhì)，雜質(zhì)聚結(jié)物，硅晶格內(nèi) 的固有晶格缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷諸如錯(cuò)位和堆垛層錯(cuò)。這些缺陷中有許多缺陷可以在從晶硅制 造的執(zhí)行機(jī)能的光伏電池中引起電荷載流子的快速?gòu)?fù)合。這可以導(dǎo)致電池效能降低。
許多年的開(kāi)發(fā)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在充分生長(zhǎng)的CZ硅和FZ硅中的缺陷的量達(dá)最小。無(wú)位錯(cuò) 單晶可以通過(guò)首先生長(zhǎng)薄頸來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中使在籽晶處被并入的所有的錯(cuò)位向外生長(zhǎng)。通過(guò) 保持籽晶相對(duì)于熔體的反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，避免了內(nèi)含物和二次相(例如，氮化硅，氧化硅或 碳化硅粒子)的并入。就本工業(yè)目前已知的，使用FZ技術(shù)或磁CZ技術(shù)，可以使氧的并入最 小化。金屬雜質(zhì)一般地在棒完成后通過(guò)被保留在鍋底料或柄腳(tang)末端中而被減至最 小。 發(fā)明概述 根據(jù)一些實(shí)施方案，本發(fā)明涉及控制硅澆鑄期間的熱流、特別是經(jīng)過(guò)籽晶的熱流 的方法和裝置。令人希望地，硅熔融時(shí)具有扁平的界面，但是硅生長(zhǎng)時(shí)具有盡可能大的彎曲 度(curvature)，從而使得單晶硅材料的量最大化。本發(fā)明的實(shí)施方案平衡了原料熔融和結(jié) 晶材料生長(zhǎng)之間的平衡。 在熔融步驟中，可以經(jīng)過(guò)籽晶進(jìn)行加熱以確保原料熔融，而保持籽晶的至少一部 分為固體，以引發(fā)在固化步驟期間的結(jié)晶生長(zhǎng)取向。在固化步驟期間，希望減少和/或防 止熱量通過(guò)坩堝壁損失，從而使得產(chǎn)生的多晶材料的量最小化。因?yàn)檑釄宓牡撞颗c吸熱器 熱連通并且坩堝所用材料一般比熔融硅包含更高的熱導(dǎo)率，因此坩堝側(cè)壁也冷卻。令人驚 訝地和意想不到的是，布置在坩堝下方的熱傳導(dǎo)材料和熱絕緣材料的構(gòu)造使得可以控制熱 流，從而通過(guò)增加從籽晶產(chǎn)生的單晶硅的量來(lái)改善固化。 本文使用的術(shù)語(yǔ)"近似單晶硅"是指晶硅主體的大于50體積％中具有一個(gè)一致的
6結(jié)晶取向，其中，例如，這種近似單晶硅可包括緊挨著多晶區(qū)域的單晶硅主體，或者這種近 似單晶硅可包括較大的、連續(xù)一致的硅結(jié)晶，其部分或全部地包含具有其它結(jié)晶取向的較
小的硅結(jié)晶，但是該較小的硅結(jié)晶占總體積的不到50% 。優(yōu)選地，近似單晶硅可包含占總體 積不到25%的較小結(jié)晶。更優(yōu)選地，近似單晶硅可包含占總體積不到10%的較小結(jié)晶。仍 更優(yōu)選地，近似單晶硅可包含占總體積不到5%的較小結(jié)晶。 本文使用的術(shù)語(yǔ)"雙晶硅"是指硅主體的大于或等于50體積％中具有一個(gè)一致的 結(jié)晶取向，而該主體體積的其余部分具有另一個(gè)一致的結(jié)晶取向。例如，這種雙晶硅可包括 具有一個(gè)結(jié)晶取向的單晶硅主體，該單晶硅主體緊挨著另一個(gè)具有不同結(jié)晶取向并構(gòu)成晶 硅體積的其余體積的單晶硅主體。優(yōu)選地，雙晶硅可在相同的硅主體內(nèi)包含兩個(gè)離散的區(qū) 域，所述區(qū)域僅在它們的結(jié)晶取向上是不同的。 根據(jù)本發(fā)明，正如具體和概括描述的，提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將 填充硅的坩堝布置在層上，所述層包括接觸吸熱器的熱傳導(dǎo)材料，和熱絕緣區(qū)域，其中所 述層的熱傳導(dǎo)部分接觸坩堝底表面的約5%到約99% ;和通過(guò)排除經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)層熱使硅固 化。熱排除可發(fā)生在部分或所有的硅熔融之后，以便通過(guò)使?jié)茶T硅達(dá)到第一溫度、然后將其 冷卻到第二溫度來(lái)指導(dǎo)用籽晶進(jìn)行的生長(zhǎng)。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將硅布置在具有朝著坩堝 中心向內(nèi)呈錐形(tapered)的壁的坩堝中，將硅熔融，通過(guò)坩堝底部排除熱使硅固化，使?jié)?鑄硅達(dá)到第一溫度，將硅冷卻到與第一溫度不同的第二溫度，從坩堝抽出澆鑄硅并然后將 澆鑄硅切成片。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將硅布置在具有遠(yuǎn)離坩堝 中心向外呈錐形的壁的坩堝中，將硅熔融，通過(guò)坩堝底部排除熱使硅固化，使?jié)茶T硅達(dá)到第 一溫度，將硅冷卻到與第一溫度不同的第二溫度，從坩堝抽出澆鑄硅并然后將澆鑄硅切割。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了用于硅的澆鑄的坩堝，所述坩堝具有底表面和多個(gè)側(cè)壁，其 中多個(gè)側(cè)壁中的至少一個(gè)，以相對(duì)于與坩堝底表面垂直的平面成約1°到約25°的角度并 在從底表面向上延伸的方向上看，朝著坩堝的中心向內(nèi)呈錐形。呈錐形的一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁 可減少在遠(yuǎn)離底表面的方向上所取的容器的橫截面。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了用于硅的澆鑄的坩堝，其具有底表面和多個(gè)側(cè)壁，其中多個(gè) 側(cè)壁中的至少一個(gè)，以相對(duì)于與坩堝底表面垂直的平面成大于約2°的角度并在從底表面 向上延伸的方向上看，從坩堝的中心向外呈錐形。呈錐形的一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁可增加在遠(yuǎn)離 底表面的方向上所取的容器的橫截面。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括用脫模涂層涂覆坩堝的內(nèi) 側(cè)壁，留下無(wú)涂層的底壁；布置硅籽晶使其接觸無(wú)涂層的底壁，將硅原料布置在坩堝中，將 原料熔融同時(shí)保持籽晶處于至少部分固態(tài)，通過(guò)籽晶排除熱使硅固化，使硅達(dá)到第一溫度 并將硅冷卻到第二溫度。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將先前的澆鑄錠料切成厚 片(slabs)，對(duì)厚片進(jìn)行化學(xué)處理以除去雜質(zhì)，將厚片布置在坩堝中用作籽晶層，然后用用 于澆鑄的原料填充坩堝。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將單晶硅籽晶層布置在坩 堝的至少一個(gè)表面上，以便在該層的中心區(qū)域中的籽晶具有一個(gè)與該表面垂直的結(jié)晶極方向并且覆蓋該層面積的約50%到約99%，同時(shí)該層的邊緣上的剩余的籽晶具有至少一個(gè) 不同的、與該表面垂直的結(jié)晶極(crystal pole)方向并覆蓋剩余的層面積；加入原料硅并 使該原料和籽晶層的一部分達(dá)到熔融狀態(tài)；通過(guò)籽晶層排除熱使硅固化；使硅達(dá)到預(yù)定的 例如均勻的第一溫度，然后優(yōu)選將硅均勻地冷卻到均勻的第二溫度。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將至少一個(gè)具有至少約 10cmX約lOcm面積的單晶籽晶放置在被擱在部分絕緣底板上的坩堝的底表面上；引入固 體或液體硅原料并使籽晶部分地熔融，以凸起的固體邊界增加單晶生長(zhǎng)的橫截面的方式通 過(guò)籽晶排除熱；使硅達(dá)到第一溫度并將其冷卻，優(yōu)選均勻地將其冷卻到第二溫度；從澆鑄 硅的與籽晶相對(duì)的一側(cè)切割厚片；使用化學(xué)方法清潔厚片；并使用該大厚片作為新的籽晶 層用于隨后的澆鑄過(guò)程。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將晶硅的籽晶層與固體硅 原料一起裝載到具有蓋或覆蓋物的坩堝中，使硅熔融和固化，同時(shí)保持籽晶層的一部分為 固體并同時(shí)使氬氣和氮?dú)庵械闹辽僖环N氣體流過(guò)蓋或覆蓋物中的至少一個(gè)孔而至少另一 個(gè)孔排放所述氣體；優(yōu)選均勻地使硅冷卻。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括將晶硅的籽晶層裝載到坩 堝中，用蓋覆蓋坩堝；將液體硅引入到坩堝中，液體硅優(yōu)選經(jīng)過(guò)過(guò)度加熱；使籽晶層的一部 分熔融；使硅固化，同時(shí)使氬氣和氮?dú)庵械闹辽僖环N氣體流過(guò)蓋中的至少一個(gè)孔而至少一 個(gè)另外的孔排放所述氣體；和使所述硅冷卻。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括一起裝載晶硅的籽晶層與 固體原料；使原料和籽晶層的一部分熔融，同時(shí)保持固體/液體界面在籽晶層的中心部分 上是實(shí)質(zhì)上扁平的，和在籽晶層的邊緣處是凸起的；通過(guò)籽晶層排除熱并同時(shí)至少最初保 持相同的固體/液體界面形狀使硅固化；使硅達(dá)到第一溫度并將硅冷卻到第二溫度，加熱 和冷卻優(yōu)選均勻地進(jìn)行。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造澆鑄硅的方法，該方法包括一起裝載晶硅的籽晶層與 固體原料；使原料和籽晶層的一部分熔融，同時(shí)保持固體/液體界面在整個(gè)籽晶層上是實(shí) 質(zhì)上扁平的；通過(guò)籽晶層排除熱并同時(shí)至少最初在包括籽晶層邊緣的區(qū)域內(nèi)提供額外的熱 使硅固化；使硅達(dá)到第一溫度并優(yōu)選將硅均勻地冷卻到第二溫度，加熱和冷卻優(yōu)選均衡地 進(jìn)行。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了用于硅的澆鑄的裝置，該裝置包括用于包圍被擱在吸熱 器上的坩堝的加熱器，該加熱器被提供用于硅的熔融；用于通過(guò)吸熱器進(jìn)行熱的受控排 除的機(jī)構(gòu)；用于引入氣體的端口 ；和至少一個(gè)隔熱的水冷管回路，其與主加熱器一起存在 (residing with)并用于環(huán)繞坩堝，其中該回路可被通電以在坩堝內(nèi)的不同區(qū)域處提供感 應(yīng)加熱。


并入本文并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分的

了本發(fā)明的實(shí)施方案，并與說(shuō)明書(shū) 一起用于解釋本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)和原理。在附圖中 圖1A-1B圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，其中在澆鑄站中在坩堝下方熱絕緣層與 熱傳導(dǎo)層組合的示例性系統(tǒng)；
圖2A-2D圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，錐形坩堝的兩個(gè)實(shí)施例以及對(duì)其中硅的 澆鑄的所需影響的圖解； 圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，被裝載到被部分涂覆的坩堝中的硅原料的實(shí) 施例； 圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于再循環(huán)籽晶層材料的方法的實(shí)施例；
圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于形成籽晶層的單晶硅的示例性設(shè)置；
圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于產(chǎn)生大的單晶籽晶層的示例性方法；
圖7A-7B圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于澆鑄低碳單晶硅或多晶硅的示例性 裝置； 圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于澆鑄單晶硅或多晶硅的示例性裝置；禾口
圖9A-D圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，熱絕緣層與熱傳導(dǎo)層以交替的幾何圖形 組合的示例性系統(tǒng)。
實(shí)施方案的描述 現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其實(shí)施例在附圖中進(jìn)行圖示，只要可能，相同 或相似的附圖標(biāo)記將用在整個(gè)附圖中，用來(lái)指相同或相似的部件。 在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案中，熔融硅的結(jié)晶化通過(guò)使用籽晶的澆鑄過(guò)程來(lái)進(jìn)行。 本文公開(kāi)的這種澆鑄過(guò)程可被實(shí)施，以便使結(jié)晶的硅的澆鑄體內(nèi)的晶粒的尺寸、形狀和晶 粒取向受到控制。本文使用的術(shù)語(yǔ)"澆鑄"是指通過(guò)在用于容納熔融硅的模具或容器中冷 卻熔融硅而形成的硅。例如，硅可通過(guò)在坩堝中固化而形成，其中固化由坩堝的至少一個(gè)壁 引發(fā)，而不是通過(guò)將硅拉出坩堝以外的冷卻的外來(lái)物體引發(fā)。因此，熔融硅的結(jié)晶化不受通 過(guò)移動(dòng)籽晶或移動(dòng)模具、容器或坩堝而"拉出"棒的控制。另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，模 具、容器或坩堝包含至少一個(gè)熱的側(cè)壁表面，用于固化熔融硅。本文使用的術(shù)語(yǔ)"熱的壁"是 指其與熔融硅等溫或比熔融硅更熱的表面。優(yōu)選地，熱的壁表面在硅的加工期間保持固定。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，結(jié)晶的硅可以是連續(xù)的單晶硅，或是連續(xù)的具有受控的 晶粒取向的多晶硅。本文使用的術(shù)語(yǔ)"連續(xù)的單晶硅"是指單晶硅，其中硅主體是單晶硅的 一個(gè)均勻主體，而不是連接在一起形成更大硅塊的較小硅塊。另外，本文使用的術(shù)語(yǔ)"連續(xù) 的多晶硅"是指多晶硅，其中硅主體是多晶硅的一個(gè)均勻主體，而不是連接在一起形成更大 硅塊的較小硅塊。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，硅的澆鑄可以通過(guò)將所需的晶硅"籽晶"的集合布置在例 如可以容納熔融硅的容器諸如石英坩堝的底部來(lái)完成。籽晶可覆蓋坩堝底部的全部、或大 部分、或基本上全部。本文使用的術(shù)語(yǔ)"籽晶"是指具有所需晶體結(jié)構(gòu)并具有幾何學(xué)形狀的 硅塊，其具有與其中可放置該硅塊的容器的表面相適形的側(cè)。該籽晶可以是單晶硅塊或幾 何學(xué)有序的多晶硅塊。根據(jù)本發(fā)明，籽晶可具有與其底表面平行的上表面，盡管并不必需如 此。例如，籽晶可以是尺寸為約2毫米-約IO毫米到約lOO毫米-約1000毫米變化的硅 塊。硅塊可具有約1毫米到約1000毫米、優(yōu)選約10毫米到約50毫米的厚度。籽晶的合適 的尺寸和形狀可為了方便和鋪貼(tiling)起見(jiàn)來(lái)進(jìn)行選擇。鋪貼，其在下文更詳細(xì)地被描 述，是其中硅籽晶橫跨坩堝的底部或坩堝的側(cè)面和底表面以預(yù)定的幾何學(xué)取向或圖案被設(shè) 置。 然后可將硅原料引入到坩堝內(nèi)位于籽晶上方，然后使原料熔融?；蛘撸蓪⑷廴诠柚苯觾A入到坩堝內(nèi)并位于籽晶上方。當(dāng)熔融硅被傾入時(shí)，坩堝優(yōu)選首先達(dá)到非常接近于硅 的熔融溫度或高達(dá)硅的熔融溫度的溫度，然后將熔融硅傾入到其中。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方 案，可以在固化開(kāi)始之前使籽晶薄層熔融。 然后使熔融硅冷卻并在籽晶存在下結(jié)晶，優(yōu)選進(jìn)行的方式使得進(jìn)行熔融硅的冷卻 以便熔融硅的結(jié)晶化在固體籽晶的最初頂部的水平處或低于該水平處開(kāi)始結(jié)晶化并繼續(xù) 遠(yuǎn)離、優(yōu)選向上遠(yuǎn)離該籽晶。這可通過(guò)籽晶將熔融熱排除到吸熱器來(lái)完成。本文使用的術(shù) 語(yǔ)"吸熱器"是指用于從另一個(gè)材料主體排除熱的材料主體。吸熱器可借助于從更高溫度 區(qū)域向更低溫度區(qū)域傳導(dǎo)熱、通過(guò)與更低溫度的流體進(jìn)行對(duì)流或通過(guò)直接對(duì)更低溫度的物 體照射能量來(lái)進(jìn)行熱排除。熱梯度一般被保持橫跨吸熱器以便一側(cè)與待冷卻的物體平衡而 另一側(cè)與更冷的區(qū)域交換能量。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在熔融硅和結(jié)晶的硅之間的液體_固體界面，在熔融或 固化期間，不必被保持為在澆鑄過(guò)程中自始至終都是實(shí)質(zhì)上扁平的。也就是說(shuō)，在冷卻期間 在熔融硅的邊緣處的固體_液體界面受到控制，以便在增加在熔融硅和硅籽晶之間的距離 的方向上移動(dòng)。當(dāng)熔融硅的固化開(kāi)始時(shí)，固化前沿最初是實(shí)質(zhì)上扁平的，優(yōu)選在正生長(zhǎng)的硅 固體物質(zhì)的水平邊緣處具有強(qiáng)曲率。固體-液體界面的形狀從而可在澆鑄過(guò)程自始至終都 具有受控的輪廓。 通過(guò)與本發(fā)明的實(shí)施方案相符合的方式進(jìn)行熔融硅的結(jié)晶化，可以產(chǎn)生具有特定
的、而非隨機(jī)的晶粒邊界和特定的晶粒粒徑的澆鑄硅。另外，通過(guò)使得所有的籽晶被取向?yàn)?br> 相同的彼此相對(duì)的方向的方法來(lái)排列籽晶，例如，與坩堝底部垂直的(100)極方向和與矩
形或正方形橫截面坩堝的一側(cè)成45。的(110)極方向，可以獲得較大的澆鑄硅主體，其是、
或基本上是、其中該澆鑄硅的極方向與籽晶的極方向相同的單晶硅。類(lèi)似地，其它的極方向
可與坩堝的底部垂直。另外，一個(gè)或多個(gè)籽晶可設(shè)置為使得任何共用極方向與坩堝底部垂
直。另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，可以一起使用具有兩個(gè)或更多個(gè)不同的極方向的籽晶以
使得結(jié)晶生長(zhǎng)的有效性最大化，獲得具有所需結(jié)晶取向的盡可能大的硅體積。 用于澆鑄過(guò)程的籽晶，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，可以具有任何所需的尺寸與形狀，
但是，是具有適當(dāng)?shù)膸缀螌W(xué)形狀的單晶硅塊或幾何學(xué)有序的多晶硅塊，諸如正方形、矩形、
六角形、菱形或八角形的硅塊。它們可以具有有助于鋪貼的形狀，從而它們可進(jìn)行邊對(duì)邊的
布置或"鋪貼"并以所需圖案與坩堝的底部適形。還根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，籽晶可被布置
到坩堝的一側(cè)或多側(cè)上。這種籽晶可通過(guò)例如將晶硅來(lái)源諸如單晶硅的棒鋸切成具有所需
形狀的塊而被獲得。籽晶還可通過(guò)將其從根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法制得的硅樣品上切割
下來(lái)而被形成，以便用于隨后的澆鑄過(guò)程的籽晶可從最初的澆鑄過(guò)程被制得。例如，可使用
小塊的無(wú)位錯(cuò)籽晶材料來(lái)生長(zhǎng)較大的無(wú)位錯(cuò)單晶，足以覆蓋坩堝的整個(gè)底部，用作新的籽晶層。 現(xiàn)在將描述用于制造本發(fā)明實(shí)施方案的硅的方法和裝置。然而，可理解，這些不是 形成本發(fā)明實(shí)施方案的硅的唯一方式。 參見(jiàn)圖1A和1B，澆鑄站熱區(qū)的橫截面如圖1A所示，顯示了在用籽晶進(jìn)行的澆鑄過(guò) 程的熔融階段的結(jié)尾時(shí)的液體硅100和固體硅101。硅被布置在有底和壁的坩堝110中，所 述坩堝可以是例如熔融石英坩堝或硅質(zhì)坩堝。此時(shí)，坩堝110內(nèi)的固體硅101完全由之前 被裝載在坩堝底部的硅的籽晶層組成。原料硅(未示出)被引入到籽晶層的上方。原料硅可以作為固體被裝載在坩堝內(nèi)并然后熔融，或者在單獨(dú)的容器中被熔融并作為液體被引入 到籽晶的上方。在任一種情況中，原始的硅籽晶層被部分地熔融并且固體硅101完全由剩 余的硅籽晶層組成。優(yōu)選地，坩堝110具有脫模涂層諸如由二氧化硅、氮化硅或液體密封劑 制成的一個(gè)涂層，以幫助從坩堝110中取出結(jié)晶的硅。 仍然參見(jiàn)圖1A，在該熔爐熱區(qū)的繪圖中，電阻加熱器120提供能量以保持熔融硅 所需的溫度，而絕緣體130防止熱散逸到外部室(未示出)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，坩堝 IIO受到許多層的支撐，這許多層還用來(lái)以受控方式傳導(dǎo)熱遠(yuǎn)離硅。例如，熱傳導(dǎo)塊140將 熱放射到水冷室(未示出)，從而冷卻其上方的熱區(qū)組件。石墨支撐板142，如圖1A中的橫 截面和圖1B中的三維圖所示，從熱傳導(dǎo)層141傳導(dǎo)熱，熱傳導(dǎo)層141又傳導(dǎo)熱遠(yuǎn)離坩堝110 和硅100及101。熱絕緣層150可以示例性的構(gòu)造包圍熱傳導(dǎo)層141，以便改變除熱路徑并 因此改變固化前沿的形狀。固體石墨側(cè)板143包圍坩堝110并為坩堝提供結(jié)構(gòu)支撐。根據(jù) 本發(fā)明的實(shí)施方案，澆鑄站可具有石墨支撐板142，盡管不要求通過(guò)熱傳導(dǎo)層141和熱絕緣 層150來(lái)控制定制的熱傳導(dǎo)路徑。 仍參見(jiàn)圖1A和1B，石墨側(cè)板143可被擱在石墨支撐板142上，并且將熱直接傳導(dǎo) 到板142，這可在坩堝的底部邊緣處產(chǎn)生冷部位。然而，定制的熱傳導(dǎo)面對(duì)面的層141和150 的效果，可以改變冷卻參數(shù)，并因此，通過(guò)例如保持坩堝110的角更熱來(lái)改變液體/固體界 面的形狀，導(dǎo)致只發(fā)生少量的側(cè)向熔融。例如，如圖1A所示，固體硅101在其左邊緣和右邊 緣由于在坩堝IIO下方的材料中發(fā)生的熱交換而具有高曲率。這種曲率可以導(dǎo)致固體的側(cè) 向膨脹和籽晶結(jié)構(gòu)的向外生長(zhǎng)。在圖1A中，固體硅101的結(jié)晶生長(zhǎng)方向由黑色箭頭表示。
參見(jiàn)圖2A-2D，硅的結(jié)晶生長(zhǎng)可通過(guò)改變坩堝的形狀而改變。例如，結(jié)晶生長(zhǎng)可以 在如圖2A和2B中所示的向外呈錐形的坩堝200中實(shí)現(xiàn)，其中液體硅220對(duì)固體硅221的 曲率促進(jìn)了籽晶的側(cè)向膨脹(未示出)，其生長(zhǎng)方向在圖2B中用箭頭表示。在另一個(gè)實(shí)施 例中，結(jié)晶生長(zhǎng)可以在如圖2C和2D中所示的向內(nèi)呈錐形的坩堝210中完成，其與圖2A中 的坩堝200類(lèi)似，也具有以下的優(yōu)點(diǎn)，S卩，在將澆鑄硅錠料(222+223)切割成磚形塊(由虛 線(xiàn)所示)期間，使得可用的澆鑄硅222的量最大化，且使得要被除去的不可用的或不希望的 硅223的量最小化。在澆鑄硅側(cè)壁上的不希望的硅223的錐形形狀(在圖2D的橫截面中 可看見(jiàn))是由于在坩堝底部的硅在固化和結(jié)晶生長(zhǎng)期間在高溫狀態(tài)下與在錠料頂部的硅 相比所花費(fèi)的額外時(shí)間所致，其更迅速地被冷卻。 圖3圖示了被裝載進(jìn)坩堝310內(nèi)用于澆鑄的硅(原料300和結(jié)晶籽晶301)的橫 截面。脫模涂層320，諸如氮化硅或碳化硅，可被施用于坩堝310的其中原料300接觸坩堝 310的區(qū)域，這對(duì)應(yīng)于硅300的在澆鑄期間將變得完全熔融的區(qū)域。在結(jié)晶籽晶301下方未 施用涂層。籽晶301不會(huì)完全熔融，因此不會(huì)粘附于坩堝110。 圖4圖示了用于晶硅籽晶層的再利用的方法。如圖4所示，從籽晶層401生長(zhǎng)的 澆鑄錠料400首先沿著虛線(xiàn)被切成片以除去含有籽晶層401的厚片材料。該厚片材料然后 在虛線(xiàn)邊緣處進(jìn)行修剪以除去可能妨礙其在另一個(gè)坩堝中放置的過(guò)剩材料。經(jīng)過(guò)修剪的厚 片402，其已被修剪成具有最初籽晶層401的尺寸和形狀，然后，可能與其它類(lèi)似的硅片一 起，在容器410中進(jìn)行處理，所述容器410為諸如含有合適的液體或其它材料的槽或管，以 從層401 (和可能的其它的硅片)上除去污染物和碎片，然后將其置于新的坩堝420中用作 隨后澆鑄過(guò)程中的籽晶層。
圖5圖示了被設(shè)置以形成籽晶層的單晶硅塊的示例性布置。(001)結(jié)晶取向已經(jīng) 顯示出具有用于制造硅太陽(yáng)電池的有利性質(zhì)。(001)硅可經(jīng)過(guò)化學(xué)蝕刻，蝕刻方式為使得產(chǎn) 生覆蓋其整個(gè)表面的圖案棱錐，其可通過(guò)既降低反射又增加光在材料內(nèi)的通路長(zhǎng)度而改善 硅的光陷能力?；瘜W(xué)浸蝕可通過(guò)已知方法完成。然而，(001)硅的澆鑄由于其在緊挨著硅 的多晶區(qū)域時(shí)傾向于在與其(001)極方向成銳角處生長(zhǎng)晶粒邊界而變得困難。為了抵抗多 晶硅的生長(zhǎng)，可將幾何學(xué)排列的多個(gè)單晶硅籽晶布置在坩堝內(nèi)的至少一個(gè)表面(未示出) 上，例如，布置在坩堝的底表面上，其中所述幾何學(xué)排列包括密堆積的多邊形。如圖5所示， 一塊(001)硅500被(111)硅501的矩形周邊包圍。周邊硅501的極取向顯示為(111)，但 是其可以是當(dāng)緊挨著多晶區(qū)域生長(zhǎng)時(shí)被競(jìng)爭(zhēng)性地促進(jìn)的任何結(jié)晶取向。以這種方式，大多 數(shù)的得到的澆鑄錠料(未示出)將由(001)硅組成，并且從硅501生長(zhǎng)的被競(jìng)爭(zhēng)性地促進(jìn) 的(111)晶粒將限制多晶硅在硅500內(nèi)被(001)硅所占據(jù)的區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)。類(lèi)似地，通過(guò)澆 鑄多晶硅主體產(chǎn)生的硅晶粒，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，可以柱狀方式生長(zhǎng)。另外，這些晶粒 的橫截面可以是、或接近于、籽晶(從該籽晶形成所述晶粒)形狀，而不是具有當(dāng)固化進(jìn)行 時(shí)收縮的(001)橫截面積。當(dāng)制造具有經(jīng)過(guò)特別選擇的晶粒邊界的硅時(shí)，優(yōu)選晶粒邊界接 合點(diǎn)只具有三個(gè)在角處相遇的晶粒邊界，如圖5中所示配置中滿(mǎn)足的條件。
圖6圖示了制造用作籽晶層的大面積的、無(wú)位錯(cuò)單晶的方法。在該方法中，在橫截 面中進(jìn)行描述，將多晶原料600與單晶籽晶601 —起裝載，所述單晶籽晶601可具有面積為 約25cm2到約10， OOOcm2的側(cè)向尺寸和約3mm到約1000mm的厚度。原料600被布置在坩堝 610中，然后將坩堝610布置在站(未示出)上，該站位于層620、621和630上面，由熱傳導(dǎo) (620)和熱絕緣(630)部件組成。熱傳導(dǎo)部件620的面積優(yōu)選與坩堝610的底部具有大約 相同的形狀，具有的側(cè)向面積是籽晶601的側(cè)向面積的約50%到150%。在熔融期間，通過(guò) 熱傳導(dǎo)區(qū)域620將熱排除到支撐板621上，同時(shí)防止熱穿透熱絕緣層630。甚至在澆鑄的熔 融階段過(guò)程中也通過(guò)熱傳導(dǎo)區(qū)域620帶走熱，以免籽晶601完全熔融。當(dāng)所有的原料600和 小部分的籽晶601熔融成液體硅602時(shí)，剩余的固體硅603則用作固化過(guò)程的成核層。絕 緣層630的存在幫助控制在成核和生長(zhǎng)期間固體硅603的形狀，以及固化方向(在圖6中 用箭頭表示)。在固化表面中的強(qiáng)曲率引起固體硅603的向外生長(zhǎng)，同時(shí)使多晶區(qū)域605最 小化。當(dāng)澆鑄成錠料604后，可從該錠料的上部切割(虛線(xiàn))多個(gè)水平層，以用作新的籽晶 厚片606。再次使用剛剛描述的方法，可對(duì)厚片606進(jìn)行清潔、修剪并在新的坩堝610中用 作完整的籽晶層用于新的錠料，或作為甚至更大的單晶的起始點(diǎn)。 圖7A和7B是用于在用籽晶形成的錠料中進(jìn)行低碳單晶硅或多晶硅的澆鑄的裝置 的橫截面的繪圖。如圖7A所示，將籽晶700與原料701 —起裝載在坩堝710中，坩堝710 位于熔爐熱區(qū)(未作標(biāo)記的)中。坩堝710，盡管圖解為被陶瓷蓋711(也如圖7B所示)覆 蓋，也可未被覆蓋或?qū)χ車(chē)拇髿馔耆_(kāi)放。在澆鑄中，可以從石墨絕緣層720的分開(kāi)的部 分而向錠料中引入碳(該碎片可能落入坩堝710內(nèi))，或者通過(guò)氣相反應(yīng)(在該氣相反應(yīng) 中，得自坩堝710的氧溶解在硅熔體中并然后作為SiO分子蒸發(fā)(未示出))而向錠料中引 入碳。這些分子可粘附于熔爐的石墨部件720、750、760并通過(guò)以下反應(yīng)SiO+2C — SiC+CO 發(fā)生反應(yīng)。 CO氣體分子進(jìn)入液體，在其中形成SiC并再次將0釋放以重復(fù)循環(huán)。通過(guò)向坩堝 710引入陶瓷蓋711 (如圖7B所示)，并小心地控制生產(chǎn)氣體730 (其可為例如氬氣)，可有
12效地終止或嚴(yán)格地限定上述的兩種碳引入機(jī)制。陶瓷蓋711可由許多材料制成，包括例如 熔凝硅石，石英，碳化硅，氮化硅等等。希望這樣一種設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使得惰性氣體諸如氬氣的 新鮮供應(yīng)氣體經(jīng)由通道740進(jìn)入并經(jīng)由另一個(gè)通道(未示出)離開(kāi)，以防止上述的碳?xì)怏w 反應(yīng)。 仍參見(jiàn)圖7A和7B，澆鑄過(guò)程可以如下進(jìn)行操作將一個(gè)或多個(gè)籽晶700和原料 701在將坩堝710安裝在熔爐內(nèi)之前裝載，或者只裝載一個(gè)或多個(gè)籽晶700并稍后將液體硅 770從單獨(dú)的熔體室引入到坩堝中。 圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案用于改變澆鑄期間的固體-液體界面的形狀的裝 置。如圖8所示，主加熱器820和附加加熱器840被置于澆鑄站的熱區(qū)(顯示為被絕緣材 料831所包圍)中以向材料800、801引入目標(biāo)加熱。固體籽晶材料801上的液體材料800 具有界面，該界面在靠近坩堝810側(cè)壁的邊緣處是彎曲的。主加熱器820通常與主吸熱器 860 —起工作以產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上扁平的固體-液體界面(未示出)。然而，附加加熱器840將電 流直接連接到材料800、801，對(duì)材料800、801的靠近坩堝810的壁的邊緣導(dǎo)入感應(yīng)加熱，并 從而使得在該邊緣的附近區(qū)域中的固體物料801熔融。 附加加熱器840，如圖8所示，是導(dǎo)電金屬的線(xiàn)圈，所述金屬可為例如銅，其用循環(huán) 液體850冷卻并通過(guò)包圍層830與主加熱器820熱絕緣。附加加熱器840可以是以回路方 式包圍坩堝810的單匝線(xiàn)圈，如圖8所示，或者其可具有形成螺線(xiàn)管的多個(gè)回路，該螺線(xiàn)管 在構(gòu)成螺線(xiàn)管的回路之間具有任何所需的距離。附加加熱器840還可被構(gòu)造為其相對(duì)于坩 堝810的壁可以移動(dòng)，以便影響固體-液體界面(未示出)。附加加熱器840通過(guò)流過(guò)銅管 的電流工作，而水將其冷卻從而通過(guò)銅管的電流形成強(qiáng)磁場(chǎng)，該強(qiáng)磁場(chǎng)與液體硅連接，在硅 內(nèi)誘導(dǎo)相應(yīng)的電流。在硅內(nèi)的和/或經(jīng)過(guò)硅的得自電流的電阻熱以局部方法和/或方式提 供加熱作用。 或者，電阻加熱器可被用作附加加熱器840，但是電阻加熱器在對(duì)準(zhǔn)特定體積的材 料諸如材料800、801供應(yīng)熱方面不是那么有效。在用圖8所示的裝置進(jìn)行澆鑄期間，附加 加熱器840只在接近熔融期的末期被激活，以便不過(guò)度熔融籽晶材料801 。附加加熱器840 在固化過(guò)程的至少大約前20%過(guò)程期間繼續(xù)施加熱到坩堝810。附加加熱器840還可在整 個(gè)固化過(guò)程期間繼續(xù)施加熱到坩堝810直到實(shí)施冷卻階段為止。 正如本文所公開(kāi)的，本發(fā)明的實(shí)施方案可通過(guò)簡(jiǎn)單的和成本有效的澆鑄過(guò)程來(lái)生 產(chǎn)單晶硅、近似單晶硅、雙晶硅、或幾何學(xué)多晶硅的大型本體。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法 使用的硅原料以及由此生產(chǎn)的硅，可以包含一種或多種選自下列的摻雜物硼，鋁，鋰，鎵， 磷，銻，砷和鉍。這些一種或多種摻雜物的總量為以原子％計(jì)約0.01百萬(wàn)分之一 (卯m) (ppma)到約2ppma。優(yōu)選地，在硅中的一種或多種摻雜物的量為使得由所述硅制造的晶片 具有約0. 1到約50歐姆-厘米電阻率、優(yōu)選約0. 5到約5. 0歐姆-厘米電阻率的量?；?者，可以使用本文所公開(kāi)的方法和裝置來(lái)澆鑄其它的具有合適的液相的材料。例如，鍺，砷 化鎵，硅鍺，藍(lán)寶石和許多的其它的III-V或II-VI材料，以及金屬和合金，可根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施方案澆鑄。 另外，盡管本文已經(jīng)描述了硅的澆鑄，但是可進(jìn)行其它的半導(dǎo)體材料和非金屬結(jié) 晶材料的澆鑄而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。例如，本發(fā)明人已經(jīng)考慮到了根據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施方案進(jìn)行其它材料的澆鑄，所述材料為諸如鍺，砷化鎵，硅鍺，氧化鋁(包括其單晶形式的藍(lán)寶石)，氮化鎵，氧化鋅，硫化鋅，砷化鎵銦，銻化銦，鍺，氧化釔鋇，鑭系元素氧化物， 氧化鎂，氧化鈣，和其它的液相的半導(dǎo)體、氧化物和金屬間化物。另外，許多的其它的ni-v 族或II-VI族材料，以及金屬和合金，可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案澆鑄。 根據(jù)一些實(shí)施方案，用于熱絕緣區(qū)域的合適的隔熱材料可包括碳纖維絕熱板，碳 結(jié)合型碳纖維(CBCF)，氧化鋁纖維，石英纖維，熔凝硅石，熔融石英，輻射反射體，碳纖維復(fù) 合物，和/或任何其它的具有相對(duì)較高的熱導(dǎo)率并且在澆鑄過(guò)程的操作溫度下具有穩(wěn)定性 的物質(zhì)。 根據(jù)一些實(shí)施方案，用于熱傳導(dǎo)材料的合適的傳熱材料可包括石墨，高溫金屬，高 溫合金，鴇，鉬，鉭，碳化硅，具有足夠的熱導(dǎo)率的陶瓷和/或任何其它的比熱絕緣材料具有 更低的熱導(dǎo)率并且在澆鑄過(guò)程的操作溫度下具有穩(wěn)定性的物質(zhì)。 根據(jù)一些實(shí)施方案，在所述層中的材料包括的熱導(dǎo)率的比率為至少約20 : l(熱
傳導(dǎo)體/熱絕緣體)，希望為至少約50 : i，更希望為至少約ioo : i。例如，在約i40(rc
的工作溫度范圍內(nèi)，石墨具有48W/m/K的熱導(dǎo)率，而CBCF具有0. 7W/m/K的熱導(dǎo)率，得到的 比率為約68 : 1。當(dāng)在室溫測(cè)量時(shí)，上述材料具有的比率為約260 : 1。
根據(jù)一些實(shí)施方案，熱傳導(dǎo)材料被熱絕緣區(qū)域框住，以便形成正方形和/或矩形 的形狀。令人希望地，導(dǎo)熱窗至少一般地適合和/或相應(yīng)于籽晶配置的形狀。或者并且如 圖9A-D所示，在角內(nèi)施加額外的冷卻區(qū)域因?yàn)樗鼈儚膬蓚?cè)被加熱。圖9A顯示了熱傳導(dǎo)層 141和與其輪廓相符的(contoured)熱絕緣層和/或區(qū)域150，諸如熱絕緣層150在一側(cè)的 中部的寬度是熱絕緣層150在角內(nèi)的寬度的約兩倍。圖9B顯示了相對(duì)于熱傳導(dǎo)層141和 熱絕緣層150的坩堝110。圖9C顯示了置于熱絕緣層150上的支撐壁142 ( —般是石墨) 的以虛線(xiàn)表示的輪廓。圖9D顯示了被置于坩堝110中并相對(duì)于熱傳導(dǎo)層141和熱絕緣層 150的固體硅101的以虛線(xiàn)表示的輪廓。 根據(jù)一些實(shí)施方案，熱傳導(dǎo)材料和/或熱絕緣材料的成形方法包括使用鋸、刳刨 工具和/或任何其它合適的器械。熱傳導(dǎo)材料和/或熱絕緣材料的任何合適的構(gòu)造是可能 的，諸如包括凸緣、架狀突出物、聯(lián)鎖件、倒角、圓角等等。 令人希望地，部分熔融的籽晶的固體周邊保持是粗糙的正方形。導(dǎo)熱窗的面積與 籽晶區(qū)域面積的任何合適的比率可能是諸如約O. 5到約2. O，優(yōu)選約1. O，甚至更優(yōu)選約O. 9 到約l. 1。 根據(jù)一些實(shí)施方案，附加加熱器和/或水管加熱器相對(duì)于坩堝的高度是可移動(dòng) 的，以便在固化期間向硅施加定位熱并相對(duì)于固體-液體界面向上和/或向下調(diào)整。這一 動(dòng)態(tài)能力使得在熔融期間形成扁平的熔體/固體界面形狀，控制固化期間的熱輸入，以便 保持壁是溫?zé)岬牟⑹苟嗑Р牧系纳L(zhǎng)最小化，同時(shí)使所需的單晶硅、近似單晶硅和/或幾 何學(xué)多晶硅的生長(zhǎng)最大化。 根據(jù)本發(fā)明的其它的實(shí)施方案，動(dòng)態(tài)能力使得所述裝置可以改變熱流，諸如改變 在熔融區(qū)段內(nèi)和在生長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)的熱流。熱絕緣區(qū)域可例如通過(guò)從坩堝和/或支撐壁下方插 入和/或除去熱絕緣區(qū)而被增加和/或減小。所述層可包括標(biāo)記、切口 、栓和/或任何其它 合適的器械以幫助布置多種組件。在其它的實(shí)施方案中，靜態(tài)絕緣在熔融中和在生長(zhǎng)中的 需要和/或特征之間進(jìn)行平衡。 根據(jù)一些實(shí)施方案，本發(fā)明包括制造澆鑄硅的方法，包括將坩堝布置到層上。所述
14層包括熱傳導(dǎo)材料、吸熱器和熱絕緣區(qū)域，其中所述層的熱傳導(dǎo)部分接觸坩堝底表面的一 部分。該方法還包括將至少一個(gè)籽晶放置到坩堝的底部上，布置熔融硅使其接觸至少一個(gè) 籽晶，并通過(guò)熱傳導(dǎo)材料排除熱而形成硅的固體主體。優(yōu)選該方法還包括形成固體主體的 一部分以包含至少一個(gè)籽晶。 根據(jù)一些實(shí)施方案，本發(fā)明包括制造太陽(yáng)能電池的方法，該方法包括提供澆鑄硅 的固體主體，切割澆鑄硅的固體主體以形成至少一個(gè)晶片，通過(guò)摻雜至少一個(gè)晶片的表面 而形成p-n結(jié)，并在晶片的至少一個(gè)表面上形成表面中和層和/或背面電場(chǎng)并形成導(dǎo)電觸 點(diǎn)。 根據(jù)一些實(shí)施方案，經(jīng)過(guò)所述層的熱通量從熔融硅的步驟到形成固體主體的步驟 是不同的，從而提供了不對(duì)稱(chēng)的熔融并使?jié)茶T過(guò)程最佳化。優(yōu)選在熔融期間發(fā)生向吸熱器 的最小傳熱，從而僅僅足以在坩堝底部上保持固體硅籽晶材料。然而，在熔融期間，熱傳遞 區(qū)域盡可能寬以助長(zhǎng)扁平的熔體/固體界面。在冷卻或固化期間，吸熱器經(jīng)歷更高的熱通 量以引起錠料的固化，但是熱絕緣區(qū)域被升高以至少部分地使石墨支撐壁和坩堝的側(cè)壁與 熱傳導(dǎo)材料和/或吸熱器隔離。這種配置的效果是保持側(cè)面是溫?zé)岬牟⑶冶３謭A頂形的熔 體/固體界面，使得從側(cè)壁發(fā)生的多晶硅生長(zhǎng)最小化。 任選地，排除熱的步驟在固化期間擴(kuò)大籽晶的側(cè)向區(qū)域。所述實(shí)施方案還可包括 將固體硅原料布置在坩堝內(nèi)位于至少一個(gè)籽晶的上面并將固體硅原料熔融并同時(shí)冷卻坩 堝的底部以保持至少一個(gè)籽晶至少部分地為固態(tài)。 或者，布置熔融硅的步驟還包括在與坩堝分離的熔體容器內(nèi)熔融硅原料，將坩堝 加熱到硅的熔融溫度，控制加熱以便坩堝中的至少一個(gè)籽晶不完全熔融，和將熔融硅從熔 體容器轉(zhuǎn)移到坩堝中。 根據(jù)一些實(shí)施方案，熱傳導(dǎo)材料接觸坩堝的底表面面積的約5%到約99%，優(yōu)選 接觸至少約90 % ?；蛘撸瑹醾鲗?dǎo)材料與坩堝中的至少一個(gè)籽晶的尺寸和形狀對(duì)應(yīng)，諸如熱傳 導(dǎo)材料的面積與籽晶的面積的比率為約0. 5到約2. O，并優(yōu)選為約0. 9到約1。
所述制造方法還包括通過(guò)例如加入和/或除去熱絕緣區(qū)域的至少一部分來(lái)減少 和/或擴(kuò)大接觸坩堝底部的熱傳導(dǎo)材料和/或熱傳導(dǎo)區(qū)域。 優(yōu)選但不一定，吸熱器包括輻射吸熱器，其將熱輻射到水冷式容器的壁。根據(jù)一些 實(shí)施方案，熱絕緣區(qū)域形成包圍熱傳導(dǎo)材料的周邊或邊界?；蛘?，所述周邊包括與輪廓相符 的(contoured)形狀，該形狀在所述層的一側(cè)的中部的寬度比在所述層的角內(nèi)的寬度寬。 周邊可使坩堝的石墨側(cè)支撐壁與吸熱器熱隔離，以便減少冷卻和減緩從壁的多晶生長(zhǎng)。所 述周邊有時(shí)可被稱(chēng)為熱環(huán)。 根據(jù)一些實(shí)施方案，本發(fā)明包括用于硅的澆鑄的裝置，該裝置包括任選的坩堝，任 選的位于坩堝底部上的至少一個(gè)籽晶，與坩堝熱連通的電阻加熱器，和層。所述層包括熱傳 導(dǎo)材料、吸熱器和熱絕緣區(qū)域，其中所述層的熱傳導(dǎo)部分在一側(cè)上用于接觸坩堝的底表面 的一部分并且在相對(duì)一側(cè)上接觸吸熱器。優(yōu)選熱絕緣區(qū)域形成包圍熱傳導(dǎo)材料的周邊。任 選地，熱絕緣區(qū)域是可移動(dòng)的，諸如包括四個(gè)或更個(gè)離散的墊或滑塊，以便熱絕緣區(qū)域通過(guò) 相對(duì)于熱傳導(dǎo)材料移動(dòng)而升高、降低和/或改變通過(guò)層被傳導(dǎo)的熱。 根據(jù)一些實(shí)施方案，熱傳導(dǎo)材料與熱絕緣區(qū)域的熱導(dǎo)率的比為至少約20 : 1。在 其它實(shí)施方案中，熱傳導(dǎo)材料的面積與籽晶的面積的比率為約0. 5到約2. 0。
本發(fā)明還包括制造澆鑄硅的方法，該方法包括以下步驟一起裝晶硅的籽晶層與
固體原料；使固體原料和籽晶層的一部分熔融，保持固體/液體界面在籽晶層的中心上方
實(shí)質(zhì)上扁平，但是在籽晶層的邊緣處的固體部分中凸起，通過(guò)籽晶層排除熱形成硅的固體
主體，同時(shí)保持固體/液體界面在籽晶層的中心上方實(shí)質(zhì)上扁平，但是在籽晶層的邊緣處
的固體部分內(nèi)凸起，使固體主體達(dá)到第一溫度和將固體主體冷卻到第二溫度。 第一溫度諸如約141(TC到約130(TC通常包括跨越和/或穿過(guò)固體主體的溫度梯
度。第二溫度諸如平均約135(TC通常包括跨越和/或穿過(guò)固體主體的降低溫度梯度和/或
均勻溫度模式。減小溫度梯度在本公開(kāi)的背景下有時(shí)被稱(chēng)作退火。退火可包括例如關(guān)閉絕緣。 本發(fā)明還包括制造澆鑄硅的方法，該方法包括一起裝載晶硅的籽晶層與固體原 料，通過(guò)保持固體/液體界面在整個(gè)籽晶層上方是實(shí)質(zhì)上扁平的而使固體原料和籽晶層的 一部分熔融，通過(guò)排除經(jīng)過(guò)籽晶的熱而形成硅的固體主體，同時(shí)至少最初在籽晶層的至少 一個(gè)邊緣附近的局部區(qū)域內(nèi)提供額外的熱，使固體主體達(dá)到第一溫度，并將固體主體冷卻 到第二溫度。 根據(jù)一些實(shí)施方案，本發(fā)明包括用于澆鑄硅的裝置，該裝置包括至少一個(gè)用于熔 融硅的主電阻加熱器，用于包圍被擱在吸熱器上的坩堝，用于通過(guò)吸熱器進(jìn)行熱的受控排 除的機(jī)構(gòu)，用于引入氣體的端口 ；和用于環(huán)繞坩堝以在坩堝內(nèi)的不同區(qū)域處提供感應(yīng)加熱 的附加加熱器。優(yōu)選附加加熱器包括與至少一個(gè)主電阻加熱器存在的一個(gè)隔熱的、水冷式 的導(dǎo)電管的回路。還優(yōu)選附加加熱器相對(duì)于坩堝的壁移動(dòng)。所述裝置還可包括在坩堝底部 上的至少一個(gè)籽晶。 以下實(shí)施例是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。提供這些實(shí)施例只是為了列舉
和說(shuō)明本發(fā)明，而不以任何方式對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。 實(shí)施例1 坩堝準(zhǔn)備將坩堝布置在由兩層組成的支撐結(jié)構(gòu)上。支撐結(jié)構(gòu)的底層是 80cmX80cmX2. 5cm的固體isomolded石墨板，其支撐復(fù)合層。上面的復(fù)合層具有內(nèi)區(qū)域， 該內(nèi)區(qū)域是60cmX60cmX1. 2cm的熱傳導(dǎo)isomolded石墨板并且在所有側(cè)被1. 2cm厚的熱 絕緣石墨纖維板的10cm周邊包圍。以這種方式，復(fù)合層完全覆蓋底層。
籽晶準(zhǔn)備使用涂覆金剛石的帶鋸將得自MEMC， Inc.并具有0. 3卯ma硼的純的 Czochralski (CZ)硅(單晶)的棒沿其長(zhǎng)度進(jìn)行裁減，從而使其具有每側(cè)為140mm的正方 形截面。使用相同的鋸經(jīng)過(guò)其橫截面切割單晶硅塊，將其切成厚度為約2cm到約3cm的厚 片。這些厚片用作單晶硅籽晶或"籽晶"。保持硅棒的(100)晶體學(xué)極取向。然后將得到的 單晶硅厚片設(shè)置在石英坩堝的底部?jī)?nèi)以便厚片的(100)方向面向上，并且(110)方向被保 持平行于的坩堝另一側(cè)。石英坩堝具有正方形截面，在一側(cè)上為68cm并且深度為約40cm。 將厚片設(shè)置在坩堝的底部，使得厚片的長(zhǎng)尺寸平行于坩堝的底部并且它們的側(cè)邊接觸以在 坩堝的底部上形成這些厚片的單一 的完整層。 澆鑄將坩堝裝載籽晶板，然后在室溫下填充總質(zhì)量最多為265kg的固體硅原料。 加入幾個(gè)高度摻雜硼的硅的晶片以提供足夠的硼用于 0. 3ppma的總的錠料摻雜。首先將 被填充的坩堝用石墨支撐板包圍，該石墨支撐板被擱在支撐結(jié)構(gòu)的熱絕緣部分上，然后將 其裝載在用于澆鑄多晶硅的原地熔融/定向固化澆鑄站內(nèi)。通過(guò)將電阻加熱器加熱到約155(TC進(jìn)行熔融方法，并且加熱器被構(gòu)造為使得加熱來(lái)自頂部并同時(shí)通過(guò)打開(kāi)總共6cm的 絕緣材料使熱輻射到底部以外。這一構(gòu)造導(dǎo)致熔融在從上向下的方向上朝著坩堝的底部進(jìn) 行。通過(guò)底部的被動(dòng)冷卻引起籽晶在熔融溫度下保持為固態(tài)，這通過(guò)熱電偶進(jìn)行監(jiān)控。熔 融程度通過(guò)被降入到熔體內(nèi)的石英浸量尺每隔十分鐘進(jìn)行測(cè)量。比較浸量尺的高度與從 站內(nèi)變空的坩堝測(cè)得的量度相比，以確定剩余的固體材料的高度。通過(guò)浸量尺測(cè)量，首先 使原料熔融，然后使熔融相繼續(xù)進(jìn)行直到只剩余約1. 5厘米高度的籽晶。此時(shí)，將熱能降 低到150(TC的溫度設(shè)置，同時(shí)通過(guò)開(kāi)放絕緣材料到12cm來(lái)增加從底部的輻射。在固化開(kāi) 始之前，通過(guò)浸量尺測(cè)量觀察到另外有一個(gè)或兩個(gè)毫米的籽晶發(fā)生熔融。然后進(jìn)行用籽晶 進(jìn)行的單晶生長(zhǎng)直到固化步驟結(jié)束。使用其中從頂部到底部的熱梯度是平坦的正常參數(shù) 進(jìn)行澆鑄循環(huán)的生長(zhǎng)階段和其余階段，然后將整個(gè)錠料緩慢地冷卻到室溫。澆鑄硅產(chǎn)品是 66cmX66cmX 24cm的錠料。結(jié)晶度與籽晶一致的區(qū)域在底部開(kāi)始并與未熔融的材料的邊緣 適形，并且當(dāng)生長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)從該邊緣側(cè)向向外朝著坩堝壁生長(zhǎng)，并且朝著結(jié)晶化結(jié)束的方向 穩(wěn)定化達(dá)到恒定的尺寸。單晶硅結(jié)構(gòu)通過(guò)目視檢查從所述錠料切取的磚形塊的面而是顯而 易見(jiàn)的。 實(shí)施例2 根據(jù)實(shí)施例1實(shí)現(xiàn)籽晶生長(zhǎng)，并得到含有較大的單晶體積的澆鑄錠料。冷卻后，使 錠料在其一側(cè)站立并被裝載進(jìn)具有固定金剛石研磨劑的帶鋸中用于切割。切掉錠料的底部 作為厚度為2cm的單層。然后將該層水平地固定在切割臺(tái)上。在相同的帶鋸中，對(duì)該層的 邊緣進(jìn)行修剪，以便從每一側(cè)除去約1. 5cm。然后將厚片進(jìn)行噴砂處理以除去膠和外來(lái)物 質(zhì)，然后將其在熱的氫氧化鈉浴中蝕刻，漂洗，并浸在HC1浴中以除去金屬。然后將所述厚 片置于與先前錠料具有相同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)坩堝的底部上。將硅原料裝載達(dá)到265kg的總質(zhì)量 并重復(fù)進(jìn)行澆鑄過(guò)程，得到第二個(gè)添加籽晶的錠料。
實(shí)施例3 籽晶準(zhǔn)備從18kg的正方形(100)板入手制備了籽晶層，所述板用于襯在坩堝的 底部，提供58cmX58cm的覆蓋區(qū)域和2-3cm的厚度。將這些板布置在一起形成更大的正方 形，其位于坩堝內(nèi)的中心。然后，將該正方形用2cm厚的(111)取向籽晶層包圍，從而得到 63cmX63cm正方形的總籽晶層。 澆鑄將包含籽晶的坩堝填充硅達(dá)到265kg的總質(zhì)量并將其置于澆鑄站中。根 據(jù)實(shí)施例1所述進(jìn)行澆鑄，監(jiān)控所述過(guò)程以確保籽晶層在熔融的結(jié)尾到固化開(kāi)始時(shí)完整無(wú) 損。得到的錠料被切成12. 5cm磚形塊的5X5方格。對(duì)磚形塊的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的光學(xué)檢驗(yàn) 表明(111)結(jié)晶用作緩沖層，防止隨機(jī)成核的晶粒進(jìn)入(100)體積內(nèi)。
實(shí)施例4 坩堝準(zhǔn)備將標(biāo)準(zhǔn)的69cm2坩堝置于由兩層組成的支撐結(jié)構(gòu)上。所述層的組 成如實(shí)施例l所述，不同之處是復(fù)合層的尺寸不相同。底部固體石墨層具有如前所述的 80X80X2. 5cm3的尺寸，但是復(fù)合層的熱傳導(dǎo)部分的尺寸僅為20X20X 1. 2cm 位于底層 頂部的中心處。其余的底層被熱絕緣石墨纖維板所覆蓋。 籽晶準(zhǔn)備在坩堝底部的中心處放置一塊尺寸為21cmX21cmX2cm的(100)-取向 單晶硅。然后向坩堝填充剩余的硅原料以達(dá)到265kg的總質(zhì)量。 澆鑄將坩堝和支撐板置于澆鑄站內(nèi)并根據(jù)實(shí)施例1所述進(jìn)行循環(huán)，不同之處使用額外的時(shí)間允許硅固化，這是因?yàn)榭紤]到熱排除區(qū)域更小。冷卻后，將錠料切成片。被切
片的錠料的外觀檢查證實(shí)了結(jié)晶從受控?zé)崤懦膹?qiáng)烈的向外生長(zhǎng)。 實(shí)施例5 坩堝準(zhǔn)備將標(biāo)準(zhǔn)的69cm2坩堝置于石墨支撐板上并如實(shí)施例1所述向其裝載籽 晶層、原料和摻雜物，不同之處是所述原料不含從先前的錠料再循環(huán)得到的硅。然后將尺寸 為69X69X12cm3的熔凝二氧化硅蓋放在坩堝上。對(duì)澆鑄站進(jìn)行修改，以便使望遠(yuǎn)鏡筒附 著于頂部絕緣材料的孔，在所述孔中生產(chǎn)氣體被引入。然后將裝料裝載到站內(nèi)并抬高以接 合望遠(yuǎn)鏡。運(yùn)行澆鑄站，使用經(jīng)過(guò)修改的方法以便可進(jìn)行更好的氣體控制以及使用改變的 固化設(shè)置以彌補(bǔ)坩堝蓋的影響。得到的錠料經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其碳濃度是典型錠料的碳濃度的 1/10，另外具有類(lèi)似鏡子的上表面，并且比典型的錠料包含更少的外來(lái)粒子。
因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案和上述的實(shí)施例，從根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的硅制 造的晶片適當(dāng)?shù)乇〔⒖捎糜诠夥姵?。例如，晶片可為約10微米厚到約300微米厚。另外， 用于光伏電池的晶片優(yōu)選具有大于晶片厚度(t)的擴(kuò)散長(zhǎng)度(Lp)。例如，Lp與t的比率適當(dāng) 地為至少0.5。 Lp與t的比率可以為例如至少約l. 1，或至少約2。擴(kuò)散長(zhǎng)度是少數(shù)載流子 (諸如在P型材料中的電子)在與大多數(shù)載流子(在P型材料內(nèi)的空穴)復(fù)合之前可以擴(kuò)散 的平均距離。Lp與少數(shù)載流子壽命t相關(guān)，所述關(guān)系為L(zhǎng)p二 (DO"2，其中D是擴(kuò)散常數(shù)。
擴(kuò)散長(zhǎng)度可以通過(guò)許多技術(shù)測(cè)量，諸如光子-光束_感應(yīng)電流技術(shù)或表面光伏電壓技術(shù)。 例如，參見(jiàn)，"Fundamentals of Solar Cells，，， A. Fahrenbruch禾口 R. Bube， AcademicPress， 1983， pp. 90-102，其作為參考被并入本文，用于說(shuō)明如何測(cè)量擴(kuò)散長(zhǎng)度。
晶片可具有約100毫米到約600毫米的寬度。優(yōu)選晶片在至少一個(gè)維度上為至少 約50mm。從本發(fā)明的硅制造的晶片，并因此通過(guò)本發(fā)明制備的光伏電池，可以具有例如約 100平方厘米到約3600平方厘米的表面積。晶片的正面優(yōu)選經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)化處理(textured)。 例如，晶片可使用化學(xué)蝕刻、等離子蝕刻、或激光或機(jī)械劃刻進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)化處理。如果 使用單晶晶片，則該晶片可經(jīng)過(guò)蝕刻，通過(guò)將晶片在含水的堿溶液中諸如在氫氧化鈉中、在 高溫下例如約7(TC到約9(TC下、處理約10到約120分鐘，而形成經(jīng)過(guò)各向異性結(jié)構(gòu)化處理 的表面。所述含水溶液可包含醇諸如異丙醇。 因此，可使用由根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的澆鑄硅錠料制造的晶片來(lái)制造太陽(yáng)能電 池，如下進(jìn)行切割澆鑄硅的固體主體以形成至少一個(gè)晶片；任選地在晶片的表面上進(jìn)行 清潔過(guò)程；任選地在所述表面上進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理步驟；通過(guò)摻雜表面而形成p-n結(jié)；任選地 在所述表面上沉積防反射膜；任選地使用例如鋁燒結(jié)步驟形成背面電場(chǎng)；和在晶片的至少 一個(gè)表面上形成導(dǎo)電觸點(diǎn)。 在典型的和一般的使用例如p型硅片制造光伏電池的方法中，將晶片一側(cè)暴露于 合適的n-型摻雜物下以形成發(fā)射極層并在該晶片的正面或吸光面上形成p-n結(jié)。通常， n-型層或發(fā)射極層如下形成首先，使用本領(lǐng)域常用的技術(shù)諸如化學(xué)沉積或物理沉積技術(shù) 在P型晶片的正面上沉積n型摻雜物，經(jīng)過(guò)這種沉積后，將n型摻雜物例如磷驅(qū)動(dòng)進(jìn)入硅片 的正面以進(jìn)一步將n型摻雜物擴(kuò)散進(jìn)入晶片表面。這一"驅(qū)動(dòng)進(jìn)入"步驟通常通過(guò)將晶片 暴露于高溫下來(lái)完成。從而在n型層和p型硅片基底之間的邊界區(qū)域處形成p-n結(jié)。在進(jìn) 行磷摻雜或其它摻雜以形成發(fā)射極層之前，在晶片表面可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。為了進(jìn)一步 改善光吸收，通常向晶片的正面施用防反射膜諸如氮化硅，有時(shí)同時(shí)提供表面鈍化和/或
18本體鈍化。 為了利用由于將p-n結(jié)暴露于光能下所產(chǎn)生的電勢(shì)，光伏電池一般配有在晶片正
面上的正面導(dǎo)電觸點(diǎn)和在該晶片的背面上的背面導(dǎo)電觸點(diǎn)，盡管這兩個(gè)觸點(diǎn)都可以位于晶
片的背面。這些觸點(diǎn)一般由一種或多種高導(dǎo)電金屬制成并且從而一般是不透明的。 因此，根據(jù)上述的實(shí)施方案的太陽(yáng)能電池可包括從連續(xù)的單晶硅的主體切取的晶
片，其實(shí)質(zhì)上不含放射狀分布的缺陷，所述主體具有各自至少為約35cm的至少兩個(gè)維度，
在晶片中的p-n結(jié)，在晶片表面上的防反射膜；和在晶片的至少一個(gè)表面上的多個(gè)導(dǎo)電觸
點(diǎn)，其中所述主體實(shí)質(zhì)上不含渦旋形缺陷并且實(shí)質(zhì)上不含由氧誘導(dǎo)的堆垛層錯(cuò)缺陷。 另外，根據(jù)上述的實(shí)施方案的太陽(yáng)能電池可包括從連續(xù)的多晶硅的主體切取的晶
片，其實(shí)質(zhì)上不含放射狀分布的缺陷，所述主體具有預(yù)定的晶粒取向排列，具有與該主體的
表面垂直的共用極方向，還具有各自至少為約10cm的至少兩個(gè)維度，在晶片中的p-n結(jié)，在
晶片表面上的防反射膜；和在晶片的至少一個(gè)表面上的多個(gè)導(dǎo)電觸點(diǎn)，其中所述的多晶硅
含有平均晶粒邊界長(zhǎng)度為約0. 5cm到約30cm的硅晶粒，并且其中該主體實(shí)質(zhì)上不含渦旋形
缺陷并且實(shí)質(zhì)上不含由氧誘導(dǎo)的堆垛層錯(cuò)缺陷。 本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可在所公開(kāi)的結(jié)構(gòu)和方法內(nèi)進(jìn)行各種修改和改變而不背離 本發(fā)明的范圍和精神。本發(fā)明的其它實(shí)施方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言鑒于本文所公開(kāi)的 本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐而變得顯而易見(jiàn)。本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例被認(rèn)為只是示例性的，本 發(fā)明的真實(shí)的范圍和精神通過(guò)以下的權(quán)利要求得以闡述。
權(quán)利要求
制造澆鑄硅的方法，該方法包括將坩堝布置在包括以下的層上熱傳導(dǎo)材料；吸熱器；和熱絕緣區(qū)域，其中所述層的熱傳導(dǎo)部分接觸坩堝的底表面的一部分；將至少一個(gè)籽晶放置在坩堝的底部上；放置熔融硅使其接觸至少一個(gè)籽晶；和通過(guò)熱傳導(dǎo)材料排除熱來(lái)形成硅的固體主體。
2. 制造太陽(yáng)能電池的方法，該方法包括 提供根據(jù)權(quán)利要求1制造的澆鑄硅的固體主體； 切割澆鑄硅的固體主體以形成至少一個(gè)晶片； 通過(guò)摻雜至少一個(gè)晶片的表面形成p-n結(jié)；禾口 在晶片的至少一個(gè)表面上形成表面中和層和形成導(dǎo)電觸點(diǎn)。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中排除熱在固化期間擴(kuò)大籽晶的側(cè)向區(qū)域。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中布置熔融硅還包括將固體硅原料布置在坩堝內(nèi)位于至少一 個(gè)籽晶上并將固體硅原料熔融并同時(shí)冷卻坩堝的底部以保持至少一個(gè)籽晶至少部分地為 固態(tài)。
5. 權(quán)利要求4的方法，其中經(jīng)過(guò)所述層的熱通量從熔融硅的步驟到形成固體主體的步 驟是改變的。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中布置熔融硅還包括 將硅原料在與坩堝分離的熔體容器中熔融； 將坩堝加熱到硅的熔融溫度；控制加熱以便坩堝內(nèi)的至少一個(gè)籽晶不完全熔融；禾口 將熔融硅從熔體容器轉(zhuǎn)移進(jìn)坩堝中。
7. 權(quán)利要求l的方法，還包括形成固體主體的一部分以包含至少一個(gè)籽晶。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中熱傳導(dǎo)材料接觸坩堝的底表面積的約5%到約99%。
9. 權(quán)利要求l的方法，其中熱傳導(dǎo)材料與坩堝內(nèi)的至少一個(gè)籽晶的尺寸和形狀對(duì)應(yīng)。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中吸熱器包括輻射吸熱器，該輻射吸熱器將熱輻射到水冷式 容器的壁。
11. 權(quán)利要求l的方法，其中熱絕緣區(qū)域形成包圍熱傳導(dǎo)材料的周邊。
12. 權(quán)利要求ll的方法，其中周邊包括與輪廓相符的形狀，該形狀在所述層的一側(cè)的 中部的寬度比在所述層的角內(nèi)的寬度寬。
13. 權(quán)利要求11的方法，其中周邊使坩堝的側(cè)支撐壁與吸熱器熱隔離。
14. 權(quán)利要求l的方法，還包括通過(guò)增加或除去熱絕緣區(qū)域的至少一部分而減小或擴(kuò) 大與坩堝底部接觸的熱傳導(dǎo)區(qū)域。
15. 用于硅的澆鑄的裝置，所述裝置包括 與坩堝熱連通的電阻加熱器；禾口 包括以下的層熱傳導(dǎo)材料； 吸熱器；和 熱絕緣區(qū)域；其中所述層的熱傳導(dǎo)部分用于在一側(cè)接觸坩堝的底表面的一部分并在相對(duì)側(cè)接觸吸 熱器。
16. 權(quán)利要求15的裝置，其中熱絕緣區(qū)域形成包圍熱傳導(dǎo)材料的周邊。
17. 權(quán)利要求15的裝置，其中熱絕緣區(qū)域通過(guò)相對(duì)于熱傳導(dǎo)材料移動(dòng)而增加或降低通 過(guò)所述層被傳遞的熱。
18. 權(quán)利要求15的裝置，其中熱傳導(dǎo)材料與熱絕緣區(qū)域的熱導(dǎo)率的比為至少約20 : i。
19. 權(quán)利要求15的裝置，其中熱傳導(dǎo)材料的面積與籽晶的面積的比為約0. 5到約2. 0。
20. 制造澆鑄硅的方法，該方法包括 一起裝載晶硅的籽晶層與固體原料；通過(guò)保持固體/液體界面在籽晶層的中心上方是實(shí)質(zhì)上扁平的但是在籽晶層的邊緣 處的固體部分是凸起的而使固體原料和籽晶層的一部分熔融；通過(guò)籽晶層排除熱并同時(shí)保持固體/液體界面在籽晶層的中心的上方是實(shí)質(zhì)上扁平 的但是在籽晶層的邊緣處的固體部分是凸起的而形成硅的固體主體；使固體主體達(dá)到第一溫度；禾口將固體主體冷卻到第二溫度。
21. 制造澆鑄硅的方法，該方法包括 一起裝載晶硅的籽晶層與固體原料；通過(guò)保持固體/液體界面在整個(gè)籽晶層上是實(shí)質(zhì)上扁平的而使固體原料和籽晶層的 一部分熔融；通過(guò)籽晶層排除熱并同時(shí)至少最初在籽晶層的至少一個(gè)邊緣附近的局部區(qū)域內(nèi)提供 額外的熱來(lái)形成硅的固體主體； 使固體主體達(dá)到第一溫度；禾口 將固體主體冷卻到第二溫度。
22. 用于硅的澆鑄的裝置，該裝置包括至少一個(gè)用于硅熔融的主電阻加熱器，用于包圍被擱在吸熱器上的坩堝； 用于通過(guò)吸熱器受控排除熱的機(jī)構(gòu)； 用于引入氣體的端口 ；禾口用于環(huán)繞坩堝以在坩堝內(nèi)的不同區(qū)域處提供感應(yīng)加熱的附加加熱器。
23. 權(quán)利要求22的裝置，其中附加加熱器包括與至少一個(gè)主電阻加熱器一起存在的一 個(gè)隔熱的、水冷式的導(dǎo)電管的回路。
24. 權(quán)利要求22的裝置，其中附加加熱器相對(duì)于坩堝的壁移動(dòng)。
25. 權(quán)利要求22的裝置，還包括在坩堝底部上的至少一個(gè)籽晶。
26. 制造澆鑄硅的方法，該方法包括將至少一個(gè)約10cmX約lOcm面積的單晶籽晶放置在坩堝的底部上，該坩堝被擱在部 分絕緣底板上；放置液體硅使其接觸至少一個(gè)籽晶；通過(guò)籽晶排除熱形成硅的固體主體，形成方式為凸起的固體邊界增加單晶生長(zhǎng)的橫截使固體主體達(dá)到第一溫度，并將該固體主體冷卻到第二溫度； 從固體主體的與籽晶相對(duì)的一側(cè)切取厚片； 使用化學(xué)方法清潔厚片；禾口 使用該厚片作為用于隨后澆鑄過(guò)程的籽晶層。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于澆鑄硅的方法和裝置，所述澆鑄硅用于光伏電池和其它應(yīng)用。在這些方法中，錠料可以低碳方式生長(zhǎng)并且其結(jié)晶生長(zhǎng)受到控制以增加在澆鑄期間的用籽晶進(jìn)行生長(zhǎng)的材料的橫截面。
文檔編號(hào)C30B11/00GK101755075SQ200880025411
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者內(nèi)森·G·斯托達(dá)德, 吳蓓, 羅杰·F·克拉克, 詹姆斯·A·克利伯爾 申請(qǐng)人:Bp北美公司