專利名稱：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、雙晶或幾何學(xué)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。
背景信息 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、雙晶或幾何學(xué)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)楣杩梢院侠淼某杀颈蝗菀椎孬@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)專利申請(qǐng)11/624， 365和11/624,411以及美國(guó)專利申請(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 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)明簡(jiǎn)述 按照某些實(shí)施方案，本發(fā)明涉及用于改進(jìn)太陽(yáng)能電池材料、例如硅的澆鑄的方法 和裝置。理想情況下，本發(fā)明利用蓋子和/或惰性氣體的流動(dòng)來(lái)改進(jìn)澆鑄硅的純度，例如具 有非常低的碳濃度的硅。較少的雜質(zhì)減少了包含在錠料中的外來(lái)顆粒(被稱為夾雜物)的 數(shù)量，增加了晶片和/或太陽(yáng)能電池的產(chǎn)率。具有增加純度的硅的其他優(yōu)點(diǎn)包括同樣的錠 料中更多和/或更大的單晶材料。硅中較少的雜質(zhì)也使晶體生長(zhǎng)更快。此外，低碳含量也 使得可以使用更多種類(lèi)的熱工藝方法將晶片轉(zhuǎn)變成太陽(yáng)能電池。 常規(guī)的硅澆鑄工藝導(dǎo)致碳的過(guò)飽和。相比之下，本發(fā)明的某些實(shí)施方案的碳含量 低于飽和限度，理想情況下遠(yuǎn)低于飽和限度。熔爐的和/或其中的碳部件的運(yùn)行壽命可以 增加，因?yàn)槎栊詺怏w排出了 SiO分子，并且受控的排出路徑可以較少碳部件暴露于SiO氣
6體。 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
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。


整合在本發(fā)明中并構(gòu)成本發(fā)明的一部分的隨附的圖，圖示了本發(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)； 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； 圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于澆鑄單晶或多晶硅的示例性裝置； 圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，示例性的硅澆鑄錠料；以及 圖11、11A和IIB顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于澆鑄單晶或多晶硅的示例性
蓋子o 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10毫米到約100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?，可將熔融硅 直接傾入到坩堝內(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。 第一溫度，例如大約141(TC到大約130(TC之間的溫度范圍，通常包括了跨過(guò)和/ 或通過(guò)固體主體的溫度梯度。第二溫度，例如平均大約125(TC到大約138(TC之間的溫度范 圍，通常包括了跨過(guò)和/或通過(guò)固體主體的降低的溫度梯度和/或均勻的溫度分布情況。或 者，第一溫度包括大約141(TC到大約145(TC之間的溫度范圍，第二溫度包括120(TC到大約 140(TC之間的溫度范圍。降低溫度梯度的步驟，在本發(fā)明的上下文中有時(shí)可以被稱為退火。 退火可以包括例如關(guān)閉隔熱。 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)?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IIO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
11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)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 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的單匝線圈，如圖8所示，或者其可具有形成螺線管的多個(gè)回路，該螺線管 在構(gòu)成螺線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。 如圖9中所示，并根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，單晶硅和/或雙晶硅的體積可以通過(guò)使用側(cè) 面籽晶板和/或厚片進(jìn)一步增加。籽晶900也可以放置在坩堝910的一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁930、940上。籽晶900可以放置在坩堝910的所有四個(gè)壁上，盡管僅僅是為了說(shuō)明的目的，顯示 的籽晶只在壁930、940上。優(yōu)選情況下，放置在坩堝910的4個(gè)壁的任何一個(gè)上的籽晶900 是柱狀和/或單塊的，以便于晶體生長(zhǎng)。優(yōu)選情況下，放置在坩堝910的4個(gè)壁的任何一個(gè) 上的每個(gè)柱狀籽晶，將與放置在坩堝910的底部表面上它的緊下方的籽晶，具有相同的晶 粒取向。在幾何學(xué)多晶硅生長(zhǎng)的情況下，以這種方式放置柱狀籽晶，將促進(jìn)與坩堝910的高 度一樣大的幾何學(xué)多晶硅晶粒的生長(zhǎng)?；蛘?，單晶厚片用在側(cè)面上，產(chǎn)生了增加的單晶材料
仍然參見(jiàn)圖9，籽晶900的這種排列的優(yōu)點(diǎn)，是更快速、更簡(jiǎn)單、自我擴(kuò)展的澆鑄硅 的工藝方法，具有更高的結(jié)晶度和更高的生長(zhǎng)速度。例如，可以將硅熔融在硅"杯"中，硅杯 由許多籽晶構(gòu)成，它們堆積在一起，在坩堝910內(nèi)部形成穴洞，例如底面和四壁?；蛘撸紫?br> 使接受"杯"達(dá)到硅的熔融溫度但維持在固態(tài)，然后倒入熔融的硅并允許達(dá)到熱平衡。然后， 在上述任何一種實(shí)施例中，將坩堝910冷卻，其中通過(guò)例如向周?chē)椛錈岬墓腆w散熱材料 (未顯示)將熱從坩堝910的底部和側(cè)面排出，同時(shí)仍然向坩堝910的開(kāi)放的頂部施加熱。 通過(guò)這種方式，獲得的硅的澆鑄錠料可以是單晶或幾何學(xué)多晶的(取決于使用的籽晶900 的類(lèi)型以及它們的取向)，并且結(jié)晶進(jìn)行得比自身多晶澆鑄工藝更快。為了重復(fù)該過(guò)程，使 用已知技術(shù)取出結(jié)晶硅錠料的一部分側(cè)面和底面，可以將其重復(fù)用于隨后的澆鑄過(guò)程中。 優(yōu)選情況下，將多個(gè)籽晶、例如籽晶900進(jìn)行排列，使得籽晶900中共同的極方向垂直于坩 堝910的每個(gè)底面和側(cè)面，使得在坩堝910的底部和側(cè)面之間不行成晶粒邊界。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，并如圖11、11A和11B所示，用于澆鑄硅的蓋子1111包括多個(gè) 成型的孔1112，相對(duì)于中心注射孔1113放置。理想情況下，但不是必需的，成型孔1112包 括位于中央的通常狹長(zhǎng)的部分，以及位于和/或靠近狹長(zhǎng)部分末端的通常圓形的部分。成 型孔1112的這種構(gòu)造有時(shí)可以被稱為"八字試塊(dog bone)"和/或"啞鈴"。狹縫和/或 圓圈可以具有任何適合的尺寸和/或定位。理想情況下，一個(gè)成型孔1112對(duì)應(yīng)于蓋子1111 的每個(gè)側(cè)面以及蓋子1111的每個(gè)角，例如總共8個(gè)成型孔1112。角上的成型孔可以比側(cè)面 成型孔短一些，例如長(zhǎng)度為一半。理想情況下，成型孔1112是錐形的，例如在蓋子1111的 內(nèi)部較窄，在蓋子1111的外部較寬。成型孔可以減少逆向混合和/或碎片和/或污染物夾 帶到硅中。 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iii-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。 在某些實(shí)施方案中，制造澆鑄硅的方法可以包括將晶硅的籽晶層裝載入坩堝中， 例如在坩堝的底部表面上。該方法可以包括將固態(tài)硅原料裝載入坩堝中，例如在籽晶層的 頂部。該方法可以包括在坩堝的開(kāi)口、例如容器的嘴上放置蓋子。方法可以包括通過(guò)蓋子 中的至少一個(gè)孔、例如中心端口通入惰性氣體，其中惰性氣體可以是氬氣和/或氮?dú)??？梢?使用任何其它對(duì)于硅來(lái)說(shuō)是惰性的氣體，例如氦氣、氙氣和/或任何其它適合的蒸氣。
方法還可以包括通過(guò)蓋子中的至少一個(gè)其它孔、例如多個(gè)徑向分布的孔，將惰性 氣體排出坩堝。理想情況下，排氣阻止了回流、夾帶和/或逆向混合到坩堝中。方法可以包 括熔融硅原料，同時(shí)維持一部分籽晶層在固態(tài)，并形成硅的固體主體。方法也可以包括冷卻 該固體主體。理想情況下，方法包括至少通過(guò)坩堝的底部表面排除熱來(lái)形成固體主體。
在某些實(shí)施方案中，惰性氣體的流動(dòng)至少發(fā)生在硅原料熔融和固體主體形成的過(guò) 程中?；蛘撸栊詺怏w的施用在除了起始的干燥和/或脫氣之外所有的時(shí)間中進(jìn)行。理想 情況下，惰性氣體的流動(dòng)使坩堝的壓力增加到超過(guò)周?chē)h(huán)境，例如幾毫米水壓。方法還可以 包括在裝載籽晶層和硅原料之后、惰性氣體開(kāi)始流動(dòng)之前，向坩堝施加真空，以例如除去和 /或減少水蒸氣。 在某些實(shí)施方案中，惰性氣體的流動(dòng)和排出，至少部分降低或阻止了碳摻入到澆 鑄硅中，例如阻止來(lái)自石墨隔緣層碳?jí)m落入硅中。流動(dòng)和排出惰性氣體，可以至少部分地減 少坩堝中例如來(lái)自熔融硅的Si0。 在某些實(shí)施方案中，固體主體包含低碳硅，例如碳濃度為大約lxl0"到大約 4xl0"，和/或大約為溶解極限。正如上面討論的，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于太陽(yáng)能應(yīng)用來(lái)說(shuō)，低碳濃 度是理想的。本發(fā)明的硅的低碳濃度，與其它澆鑄硅方法以及CZ硅的較高的碳濃度形成對(duì) 比。 在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明包括了平均碳濃度低于大約4xl0"個(gè)原子/cm3的溶解 度極限、平均氧濃度低于大約8xl0"個(gè)原子/cn^的澆鑄硅主體。氧含量可以在例如大約 1. 2xl018到大約lxlO"之間。 或者，制造澆鑄硅的方法包括任選地將晶硅的籽晶層裝入坩堝；任選地用蓋子 覆蓋坩堝；將液體硅導(dǎo)入坩堝；如果存在的話，熔融一部分籽晶層；形成硅的固體主體；熱 選地將惰性氣體通入坩堝；任選地從坩堝排出惰性氣體；以及冷卻該固體主體。惰性氣體 可以在和/或通過(guò)蓋子和/或坩堝的一個(gè)或多個(gè)洞和/或孔進(jìn)入或通入。惰性氣體可以在 和/或通過(guò)蓋子和/或坩堝的一個(gè)或多個(gè)洞和/或孔出去或排出。理想情況下，但不是必 需的，進(jìn)氣端口和排氣端口是不同的板孔?；蛘?，單個(gè)貫穿孔可以既用于進(jìn)氣也用于排氣， 例如同心排列和/或構(gòu)型。 除非明確陳述，否則在本文公開(kāi)的本方法和所有方法中提出的步驟的次序，不應(yīng) 該被視作僅限于列出的步驟順序和/或數(shù)量。 液體硅可以包括過(guò)熱的液體硅，例如具有過(guò)多熱的液體硅，在將過(guò)熱液體導(dǎo)入坩
堝后，過(guò)量的熱熔融一薄層籽晶層?；蛘撸^(guò)量的熱包括比熔融硅的溫度高大約rc到大約
IO(TC。過(guò)熱的其它范圍也是可能的。 在某些實(shí)施方案中，制造澆鑄硅的方法包括將底部晶硅的籽晶層裝載在坩堝的
15底部上；靠近坩堝的至少一個(gè)側(cè)壁裝載至少一個(gè)晶硅的側(cè)板籽晶層；用蓋子覆蓋坩堝；將 液體硅導(dǎo)入坩堝；熔融一部分底部籽晶層或至少一個(gè)側(cè)板籽晶層；形成硅的固體主體；通 過(guò)蓋子中的至少一個(gè)孔將惰性氣體通入坩堝；通過(guò)至少一個(gè)其它孔排出惰性氣體；以及冷 卻該固體主體。側(cè)面籽晶層板和/或晶體，在理想情況下具有對(duì)應(yīng)于坩堝底面上的籽晶層 的取向。側(cè)面籽晶板可以暫時(shí)附著在側(cè)壁上，和/或可以與例如底部籽晶層聯(lián)結(jié)和/或結(jié) 合。 在題為"制造用于光伏應(yīng)用的單晶澆鑄硅和單晶澆鑄硅本體的方法和裝 置，，(Methods and Apparatuses for Ma皿facturingMonocrystalline Cast Silicon and Monocrystalline Cast Silicon Bodies forPhotovoltaics)的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No.: 20070169684A1中，公開(kāi)了籽晶側(cè)板的應(yīng)用。在題為"制造用于光伏應(yīng)用的幾何學(xué)多晶澆鑄 娃禾口幾亍可學(xué)多晶燒禱娃本亍本的方f去禾口裝置，，(Methods and Apparatuses forManufacturing Geometric Multicrystalline Cast Silicon and GeometricMulticrystalline Cast Silicon Bodies for Photovoltaics)的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No. :20070169685A1中，也公 開(kāi)了籽晶側(cè)板的應(yīng)用。共同轉(zhuǎn)讓的專利申請(qǐng)公開(kāi)Nos. :2007/0169684和2007/0169685的 全部?jī)?nèi)容，在此以其全文引為參考。 在某些實(shí)施方案中，固體本體的形成包括了通過(guò)坩堝的底部表面排除熱。或者，固 體主體的形成可以包括通過(guò)坩堝的底部表面和至少一個(gè)側(cè)壁排除熱?；蛘撸梢酝ㄟ^(guò)頂部 表面和/或蓋子排除熱。適合的冷卻可以包括對(duì)流、傳導(dǎo)和/或輻射機(jī)制。
在某些實(shí)施方案中，制造澆鑄硅的方法包括任選地將晶硅的籽晶層與固體硅原 料一起裝載入有蓋子的坩堝；以及熔融硅原料并形成硅的固體主體，同時(shí)如果存在、維持一 部分籽晶層在固態(tài)，并通過(guò)蓋子或覆蓋物中的至少一個(gè)孔通入惰性氣體，同時(shí)通過(guò)蓋子或 覆蓋物中的至少一個(gè)其他孔排出惰性氣體；以及冷卻該固體主體。
在某些實(shí)施方案中，制造澆鑄硅的方法包括將晶硅的籽晶層裝載入坩堝；用蓋
子覆蓋坩堝；將液體硅導(dǎo)入坩堝，允許一部分籽晶層熔融；形成硅的固體主體，同時(shí)通過(guò)蓋 子中的至少一個(gè)孔通入惰性氣體，通過(guò)至少一個(gè)其它孔排出惰性氣體；以及冷卻該固體主體。 在某些實(shí)施方案中，制造澆鑄硅的方法包括將晶硅的籽晶層裝載入坩堝；用蓋 子覆蓋坩堝；將過(guò)熱液體硅導(dǎo)入坩堝；熔融一部分籽晶層；形成硅的固體主體；以及冷卻該 固體主體。方法還可以包括過(guò)熱的量足以在過(guò)熱液體導(dǎo)入坩堝后熔融一薄層籽晶?；蛘撸?在導(dǎo)入籽晶材料之前，坩堝可以加熱到和/或高于硅的熔點(diǎn)，然后快速導(dǎo)入液體和/或熔融 的硅。過(guò)熱可以包括任何適合的量，例如在硅的熔點(diǎn)以上大約rC到大約10(TC之間。
根據(jù)某些實(shí)施方案，制造澆鑄硅的方法包括將液體硅導(dǎo)入坩堝，和/或?qū)⒐腆w硅 原料置于坩堝中并熔融硅原料；形成硅的固體主體；將惰性氣體通入坩堝；從坩堝排出惰 性氣體；以及冷卻該固體主體。方法還可以包括用蓋子覆蓋坩堝和/或坩堝的至少一部分 或坩堝的開(kāi)口。通入惰性氣體可以包括通過(guò)蓋子或坩堝中的一個(gè)或多個(gè)孔通入惰性氣體。 惰性氣體的排出可以包括通過(guò)蓋子或坩堝中的一個(gè)或多個(gè)孔排出惰性氣體。用于通入和/ 或排出惰性氣體的孔，可以包括任何適合的形狀，例如圓形、正方形、長(zhǎng)方形、三角形、狹長(zhǎng)、 成型的孔，和/或其它形狀。惰性氣體的通入和排出可以通過(guò)同樣的和/或不同的孔進(jìn)行。
下面的實(shí)施例是部分的實(shí)施方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)施例的提出只是為了示例和說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案，不應(yīng)該被解釋為以任何方式限制了本發(fā)明的范圍。
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 66cmX 66cmX 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69cn^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。
實(shí)施例6 坩堝準(zhǔn)備準(zhǔn)備了不含脫模涂層的標(biāo)準(zhǔn)的69cm2坩堝。 籽晶制備將單片(100)取向的單晶硅放置在坩堝底部的中心。然后將附加的籽 晶厚片加入到坩堝的四側(cè)壁上。然后在坩堝中裝載其余的硅原料。 澆鑄將坩堝和籽晶材料放置在澆鑄站中，通過(guò)熔體和固化過(guò)程的循環(huán)，其中包括 通過(guò)側(cè)壁排除熱。目測(cè)檢測(cè)切片的錠料1025，證實(shí)了如圖10中所示側(cè)壁籽晶厚片沿著側(cè)面 產(chǎn)生單晶材料1022的所需效應(yīng)。在熔融過(guò)程中底部籽晶層1100氧化，在錠料的中心部分 中產(chǎn)生了多晶材料1023。 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)?shù)貫橹辽?.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 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
19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，包括將晶硅的籽晶層裝載到坩堝中；將固態(tài)硅原料裝載到坩堝中；在坩堝的開(kāi)口上放置蓋子；通過(guò)蓋子中的至少一個(gè)孔將惰性氣體通入坩堝；通過(guò)蓋子中的至少一個(gè)其他的孔排出惰性氣體；將硅原料熔融，同時(shí)維持一部分籽晶層在固態(tài)；形成硅的固體主體；以及冷卻該固體主體。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中籽晶層的裝載是將籽晶層放置在坩堝的底部表面上。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中惰性氣體包括氬氣或氮?dú)狻?br> 4. 權(quán)利要求l的方法，其中排出惰性氣體阻止回流到坩堝中。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中通入惰性氣體至少在熔融硅原料和形成固體主體的過(guò)程中進(jìn)行。
6. 權(quán)利要求l的方法，其中通入惰性氣體使坩堝的壓力高于周?chē)h(huán)境的壓力。
7. 權(quán)利要求1的方法，還包括在裝載籽晶層和硅原料之后，在開(kāi)始通入惰性氣體之前，對(duì)坩堝施加真空。
8. 權(quán)利要求l的方法，其中形成固體主體包括至少通過(guò)坩堝的底部表面排除熱。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中通入和排出惰性氣體至少部分減少或阻止碳摻入到澆鑄硅中。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中通入和排出惰性氣體至少部分減少坩堝中的Si0。
11. 權(quán)利要求l的方法，其中固體主體包含低碳硅。
12. 通過(guò)權(quán)利要求l的方法形成的硅的主體，所包含的平均碳濃度低于大約4xl0"個(gè)原子/cm3的溶解度極限，平均氧濃度低于大約8xl017個(gè)原子/cm3。
13. 制造澆鑄硅的方法，包括將晶硅的籽晶層裝載到坩堝中；用蓋子覆蓋坩堝；將液體硅導(dǎo)入坩堝中；熔融一部分籽晶層；形成硅的固體主體；將惰性氣體通入坩堝；從坩堝排出惰性氣體；以及冷卻該固體主體。
14. 權(quán)利要求13的方法，其中液體硅包含過(guò)熱的液體硅。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中在將過(guò)熱液體導(dǎo)入坩堝后，過(guò)量的熱熔融了一薄層籽晶。
16. 權(quán)利要求14的方法，其中過(guò)量的熱包括大約rC到大約IO(TC之間。
17. 權(quán)利要求13的方法，其中惰性氣體包含氬氣或氮?dú)狻?br> 18. 權(quán)利要求13的方法，其中排出惰性氣體阻止回流到坩堝中。
19. 制造澆鑄硅的方法，包括將底部晶硅的籽晶層裝載在坩堝的底部；將晶硅的籽晶層裝載在緊鄰坩堝的至少一個(gè)側(cè)壁的至少一個(gè)側(cè)板上；用蓋子覆蓋坩堝；將液體硅導(dǎo)入坩堝中；熔融一部分底部籽晶層和/或至少一個(gè)側(cè)板籽晶層；形成硅的固體主體；通過(guò)蓋子中的至少一個(gè)孔將惰性氣體通入；通過(guò)至少一個(gè)其他孔排出惰性氣體；以及冷卻該固體主體。
20. 權(quán)利要求19的方法，其中形成固體主體包括通過(guò)坩堝的底部表面排除熱。
21. 權(quán)利要求19的方法，其中形成固體主體包括通過(guò)坩堝的底部表面和至少一個(gè)側(cè)壁排除熱。
22. 制造澆鑄硅的方法，包括將晶硅的籽晶層與固態(tài)硅原料一起裝載到具有蓋子的坩堝中；熔融硅原料以及形成硅的固體主體，同時(shí)維持籽晶層的一部分為固態(tài)，并在同時(shí)通過(guò)蓋子或覆蓋物中的至少一個(gè)孔通入惰性氣體，并將惰性氣體通過(guò)蓋子或覆蓋物中的至少一個(gè)其他孔排出；以及冷卻該固體主體。
23. 制造澆鑄硅的方法，包括將晶硅的籽晶層裝載到坩堝中；用蓋子覆蓋坩堝；在坩堝中導(dǎo)入液體硅；使一部分籽晶層熔融；形成硅的固體主體，同時(shí)通過(guò)蓋子中的至少一個(gè)孔通入惰性氣體，并通過(guò)至少一個(gè)其他孔排出惰性氣體；以及冷卻該固體主體。
24. 制造澆鑄硅的方法，包括將晶硅的籽晶層裝載到坩堝中；用蓋子覆蓋坩堝；在坩堝中導(dǎo)入過(guò)熱的液體硅；使一部分籽晶層熔融；形成硅的固體主體；以及冷卻該固體主體。
25. 權(quán)利要求24的方法，其中在將過(guò)熱液體導(dǎo)入坩堝后，過(guò)量的熱熔融了一薄層籽晶。
26. 權(quán)利要求24的方法，其中過(guò)量的熱包括大約rC到大約IO(TC之間。
27. 制造澆鑄硅的方法，包括將液體硅導(dǎo)入坩堝中；形成硅的固體主體；將惰性氣體通入坩堝中；從坩堝排出惰性氣體；以及冷卻該固體主體。
28. 權(quán)利要求27的方法，還包括用蓋子覆蓋坩堝。
29. 權(quán)利要求28的方法，其中通入惰性氣體包括通過(guò)蓋子或坩堝中的一個(gè)或多個(gè)孔通入惰性氣體。
30. 權(quán)利要求28的方法，其中排出惰性氣體包括通過(guò)蓋子或坩堝中的一個(gè)或多個(gè)孔排出惰性氣體。
31. 權(quán)利要求30的方法，其中用于排出惰性氣體的孔包括成型的孔。
32. 權(quán)利要求28的方法，其中通入和排出通過(guò)不同的孔進(jìn)行。
全文摘要
提供了可用于光伏電池和其它應(yīng)用的硅的澆鑄方法和裝置。使用這些方法，可以生長(zhǎng)出低碳含量的錠料，其晶體生長(zhǎng)受到控制，從而增加了澆鑄過(guò)程中作為籽晶的材料的橫截面積。
文檔編號(hào)C30B11/14GK101755077SQ200880025474
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
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