CN102084037A - 通过定向固化生长单晶硅锭的系统及方法 - Google Patents

Abstract

提供用于产生如硅的单晶材料的系统及方法，该等单晶材料可使用在半导体和光伏打的应用中。于熔炉(10)中容置用于生长单晶锭的坩埚(50)，该坩埚(50)初始装有单一个种晶(20)和原料(90)，其中该种晶(20)至少部分被熔解，而该原料(90)完全熔解于该坩埚(50)中，接下来进行生长和固化程序。通过定向固化达到生长单晶材料(如硅锭)，其中利用可相对于装有原料(90)的坩埚(50)而移动的隔离件(14)来达到生长阶段期间的排热。也设置有热交换器(200)，以控制在该生长和固化程序期间来自该坩埚(50)的排热，以达到单晶生长。

Description

通过定向固化生长单晶硅锭的系统及方法

本专利申请是于2008年6月16日提出申请的美国专利暂时申请案序号61/061,826的同时申请案，于此将其完全并入本专利申请中以作为参考。

技术领域

本发明是关于用于产生单晶材料(monocrystalline material)的系统及方法。更具体而言，本发明是有关于用于产生用于太阳能电池(solar cell)应用的单晶硅的系统及方法。

背景技术

单晶结构能够通过整体结构的晶格(crystal lattice)连续且至该结构的边缘均未损坏的固体材料而显现出来，且大致上少有瑕疵(defect)且没有晶粒边界(grain boundary)。由于在现有晶体结构中的瑕疵典型上发生于该晶粒边界，所以这些瑕疵倾向于降低该材料的电性性质和热性质。因此，大部分晶粒边界的高界面能量(interfacial energy)和相对较弱的键结(bonding)成为最可能发生问题的位置，并且促成该固体发生新的、不想要的相(phase)。多晶结构一般而言以许多小的、随机定向的、晶体(或微晶(crystallite))形式所形成的晶体材料。这些微晶以晶粒边界为界。多晶材料的微晶可为混和且散置的，但是微晶或单晶结构之中的原子却是对称地排列。相对于形成自单晶材料的装置而言，许多位于多晶结构的晶粒边界的瑕疵可能会降低任何装置的效益。

如硅的单晶材料具有重要的工业应用面，例如，在半导体和光伏打工业上。举例而言，在微处理器操作于量子等级(quantum scale)的半导体应用中，晶粒边界的存在能够通过修改局部电性性质而显着地影响场效晶体管的功能性。同样地，当使用如硅的材料用于太阳能电池时，相较于多晶硅太阳能电池而言，单晶硅太阳能电池一般显现出较高的效益。因为晶粒边界一般显现出较多的杂质(impurity)和瑕疵，所以相较于由多晶硅制成的太阳能电池而言，由单晶硅所制成的太阳能电池应该能够增进效能。

商业上生产硅锭的常见技术包括：柴可斯基单晶生长法(Czochralskimethod)、布里奇曼生长技术(Bridgman growth)及定向固化(directionalsolidification)。柴可斯基单晶生长法是商业上生产单晶硅锭最普遍的铸锭技术(ingot pulling technique)。根据柴可斯基单晶生长法，能够于坩埚中熔化高纯度、半导体等级的硅，该坩埚典型上由石英所制成。将接置于棒上的种晶(seed crystal)沉入已熔解的硅中，向上拉提并且同时转动该种晶棒。通过精确地控制温度梯度、拉提速率和转动速度，能够自该熔解物中粹取出大尺寸的、单一个晶体的、圆柱形的锭。虽然柴可斯基单晶生长法能够产生几乎没有瑕疵的硅锭，但是却非常昂贵。另一个缺点是，由该坩埚所引进的杂质内容(如氧)增加。氧由于该坩埚和已熔化的硅之间的反应而引进硅中；在柴可斯基单晶生长法中可通过转动该锭和逆向转动该坩埚来促进此反应。此外，当使用较低质量的硅原料时，可能形成各种二次相(secondaryphase)并且漂浮在该熔解物的表面上。于铸锭期间，这些二次相可能造成结构上的损坏，造成产品质量较差。因为柴可斯基单晶生长法所增加的成本，所以用于光伏打应用的结晶硅晶圆一般而言为多晶硅。

布里奇曼生长技术是另一种现有的硅锭生长方法。布里奇曼生长技术必须加热晶体材料超过其熔点，并且接着以经过控制的生长速率和温度梯度来固化该晶体材料。热交换器方法(heat exchanger method)是布里奇曼生长技术的范例。根据此程序，种晶放置于坩埚的底部，而原料(feedstock)被载入作为进料(charge)。当该进料被熔解时，通过使冷却气体流过热交换器(作用如同冷却指(cold finger))来避免该种晶熔解。该进料的固化通过增加流过该热交换器的冷却气体来达到，以此在该固体中产生温度梯度，而促进该进料的生长。也能够在此生长期间降低该熔炉的温度。因此，大致上在生长周期期间不会移动该加热区或该进料。在典型的布里奇曼熔炉中，在该加热区中建立梯度，并且移动装有该进料的熔炉及/或坩埚以达到经过控制的固化。

利用现有的定向固化系统，多晶生长已达到生产规模。举例而言，在定向固化系统中，装有进料的坩埚能够放置于热交换器区块上。熔解该进料并且将热辐射至水冷却腔室，以产生温度梯度并促进该进料的固化。在此案例中，熔解和固化实施于相同的坩埚中。在将硅自熔解坩埚倒入另一独立坩埚之后(或者于大概相同的时间)，也能够在另一独立坩埚中实施定向固化。使用熔解坩埚和固化坩埚的方法通常称作为铸造(casting)。然而，在工业上，经常可交替地使用定向固化和铸造，以产生多晶锭。对于本发明的目的而言，定向固化有关于在相同坩埚中实施熔解和固化的晶硅锭形成方法。利用定向固化，不会转动该锭及/或该坩埚，因此在定向固化的硅锭中氧的浓度一般而言低于柴可斯基单晶生长程序所产生的硅锭。定向固化程序中能够使用感应加热(induction heating)或电阻加热(resistance heating)。不同于柴可斯基单晶生长法，定向固化由该坩埚的底部往顶部达到固化，所以于大部分的生长周期期间，该固体/液体界面在液体中，而二次相/沉淀物漂浮在该熔解物的表面而不会中断生长。

虽然定向固化在工业环境中最为普遍，但是仍可能有某些缺点。如上所提及，典型上瑕疵伴随多晶结构发生，且能够造成该硅锭中非均匀的性质。此外，根据所使用坩埚的类型，与该坩埚接触的材料中的杂质内容可能会很高，且有时该锭的底部部位、侧边部位及顶部表面部位必须去除。因此，目前定向固化技术的主要权衡在于较低的太阳能电池成本效益。举例而言，多晶太阳能电池典型上具有单晶太阳能电池85％至90％的效益。

有鉴于现有方法的缺点，需要可用于产生具单晶结构的硅锭且具成本效益的程序。

发明内容

本发明是关于用于产生具有单晶结构的材料(如硅)的系统及方法。本发明能够达到通过现有的定向固化技术来产生高质量单晶产品的同时也维持成本效益和节省时间的优点。

本发明能够通过整合用于受控制的排热(heat extraction)的两个或更多个机制而自放置在坩埚(crucible)中的单一种晶(single seed crystal)产生单晶结构。较佳使用用于促进定向固化的熔炉(furnace)，且为了促进该种晶于该生长程序(growth process)期间的垂直和水平生长，该熔炉包括能够相对于所形成的锭(ingot)而移动(也即，上升或下降)的隔离件，其中该隔离件造成来自该坩埚底部边缘的热辐射(heat radiation)。

锭较佳生长自放置于该坩埚中的单一种晶，使得该种晶在该坩埚的垂直和水平方向上具有足够的生长空间。该坩埚的形状可选自一些几何形状设计，包括矩形、圆锥形(conical)和锥形(tapered shape)。装于该熔炉内的隔离件包括沿着该熔炉的侧边(side)装设的隔离件、以及装设于热交换器区块(heat exchanger block)下方的隔离件。隔离件的其它位置和构造，无论是固定或可移动的，均为本发明所思及。

相较于形成自配置于共同基板上的多个种晶或其它以矩阵形式设置的种晶，根据本发明的单晶结构较佳形成自放置于坩埚中的单一种晶，此有助于该锭的垂直和水平生长，并且能够避免多个种晶之间的交叉污染(crosscontamination)。

本发明可通过并入气体冷却的热交换器(gas-cooled heat exchanger)来提供额外的排热，该气体冷却的热交换器用于在生长和固化程序期间控制该种晶的回熔并且排放热能，以达到该锭的单晶生长。或者，该热交换器可为水冷却或液体冷却(liquid cooled)，而不是气体冷却。能够在固化期间通过降低直接配置于该坩埚下方的隔离件来达到额外的排热，使得该隔离件移动远离该坩埚，以求促进该坩埚底部的冷却和热散失(heat loss)。

在特定实施例中，为了促进该种晶的稳定摆放，该坩埚可设置有种晶井(seed well)。

本发明所提供的进一步排热和热控制方法使用摆放于该坩埚和该热交换器之间的多个支撑结构。该等支撑结构也提供该系统额外的结构完整性。

本发明因此具有将假晶粒的成核作用(nucleation of spurious grain)最小化以达到单晶结构，以及之后控制定向固化以促进该锭的生长的优点。

用以产生太阳能电池的单晶晶圆的另一优势是大致上整个表面具有相同的定向(orientaion)，并且能够经过处理以达到整个表面的均匀结果。举例而言，如果该等晶圆经过形貌结构蚀刻(texture etched)的，则能够在该整个表面的上方形成多个小角锥体(pyramid)，使得入射在该表面上的光经历多重反射(reflection)并且以此使得更多光被捕捉(trapped)在该太阳能电池中。此现象也能够使得单晶晶圆相较于多晶晶圆(multicrystalline wafer)而言更加有效率。

对于太阳能电池应用而言，因为单晶晶圆一般在整个表面上方具有大致上相同的定向，所以当蚀刻此类晶圆时，能够在该整个表面上方形成均匀的形貌结构。举例而言，具有(100)定向的晶圆将形成角锥体，而具有(111)定向的晶圆将形成三角形，该等定向(100)和(111)对于本领域的普通技术人员而言均为现有技术。对于平顺表面而言，反射至少部分的入射光，反之对于具有形貌结构的表面(textured surface)而言，能够重新定向至少某些反射光，并且因而最终由该表面所收复。因此，一般而言，具有形貌结构的表面能够捕捉较多的光。一般而言，角锥体结构的反射收复程度较高于三角形结构，而因此角锥体结构一般而言有较佳的定向。相较之下，在多晶晶圆中，该等晶圆的不同区域形成不同的定向，且因此形貌结构一般而言无效且无法重新产生的。然而，如上所述，在单晶晶圆中，较宜在此类晶圆的整个表面上方形成均匀形貌结构。

本发明提供了用于产生单晶锭的系统，其中包括用于促进配置在坩埚中的种晶的单晶生长的熔炉，使得通过定向固化来促进该种晶于垂直和水平方向上的生长。该坩埚构造成容置单一个种晶和原料；用于加热和至少部分地熔解装在该坩埚中的种晶的至少一个加热组件；用于控制该种晶和该原料的熔解的热交换器(例如：气体冷却热交换器)；以及，例如，沿着该熔炉的侧边装在该熔炉中的隔离件，且该隔离件为了形成单晶锭而构造成相对于用于冷却并固化该种晶的腔室(chamber)移动。该坩埚宜放置在该熔炉的腔室中。根据本发明的内容，为了控制辐射热的散失，能够相对于该坩埚而上升或下降该隔离件。视需要地，能够在热交换器区块下方设置隔离件，此隔离件也构造成用以上、下移动。

本发明的热交换器可操作地用于多个阶段中，以控制该坩埚中该种晶的熔解速率。在一个阶段中，将气体通入该热交换器以避免大致上完成该种晶的熔解。在另一阶段中，增加流入该热交换器的气体以促进该单一个种晶的定向固化。

本发明的系统还可包括探针(probe)或热电偶(thermocouple)，以监测该原料的熔解和该种晶的回熔。该原料典型上是多晶硅原料。本发明的系统可形成单晶锭，使得该上侧表面具有轻微凸面(convex)或平面的形状。此外，根据本发明，如果在单晶锭生长期间发生扰动，如果形成晶粒边界(grain boundary)，则晶粒尺寸将大于现有制程所产生的多晶锭。

本发明也提供用于产生单晶锭的方法。本发明的方法包括下列步骤：设置构造成通过定向固化促进单晶成长的熔炉；在该熔炉的加热区(heat zone)中放置具有所期望几何形状且装有单一个种晶和原料的单一个坩埚；加热和至少部分地熔解该种晶，并且完全地熔解装在该坩埚中的原料；操作热交换器以控制该种晶和该原料的熔解；以及为了促进该种晶的定向固化并形成该单晶锭，而在该熔炉中和该坩埚下方设置可移动隔离件，使得该隔离件构造成相对于该腔室而上升或下降，用以冷却和固化被熔解的硅。本发明的方法还可包括监测该原料的熔解的步骤。

在操作过程中，能够将气体引入该热交换器以避免大致上完成该种晶的熔解。此外，能够增加流入该热交换器的气体以促进该种晶的定向固化。该热交换器可操作于单晶生长和固化的多个阶段中。

本发明也提供了用于产生可用在光伏打应用的单晶硅锭的方法。该方法包括下列步骤：设置构造成通过定向固化来促进单晶生长的熔炉；在该熔炉的加热区中放置装有种晶和硅原料的坩埚；加热和至少部分地熔解该种晶，并且完全地熔解装在该坩埚中的原料；操作热交换器，从而通过以经过控制的速率将气体引入该热交换器来控制该种晶和该原料的熔解；以及为了形成该单晶锭，而在该熔炉中设置可移动隔离件，使得该隔离件构造成可上升或下降，用以冷却和固化该种晶。类似本发明的系统，该隔离件能够相对于该腔室上升或下降，以促进该种晶的定向固化。

在操作过程中，能够以通过监测该原料的熔解所得到或者从摆放于该热交换器内部接近该坩埚的底部的热电偶所得到的反馈来控制引入该热交换器的气体。响应于该反馈，增加流入该热交换器的气体，因此通过该热交换器增加排热，以促进该种晶的定向固化。

本发明的这些和其它态样和优点将通过以下说明书内容的较佳实施例并配合附图而变得更加明显易懂。

附图说明

为了使得本领域的普通技术人员无须过度实验即能够清楚了解如何制作和使用本发明的方法和装置，本发明的较佳实施例将于下文中参考特定附图加以详述。

图1是根据本发明第一较佳实施例的具有用于制备单晶锭的矩形坩埚的定向固化熔炉的剖面示意图，其中侧边隔离件以封闭构造设置；

图2是图1的熔炉的剖面示意图，其中该侧边隔离件以一般的开放构造设置；

图3A是图1的熔炉的加热区在载入种晶和进料之后的剖面示意图；

图3B是图3A的加热区在该进料熔解且该经过回熔的种晶为固态之后的剖面示意图；

图3C是图3B的加热区在该单晶锭的初始生长阶段的剖面示意图；

图3D是图3C的加热区在该单晶锭的第二生长阶段的剖面示意图；

图3E是图3B的加热区在该单晶锭的最终生长和固化阶段的剖面示意图；

图4A至图4E是根据本发明第二较佳实施例的具有圆锥形坩埚的定向固化熔炉的加热区于载入、熔解及生长的各种阶段期间的剖面示意图，其中描绘于图4A至图4E的各种阶段分别对应于图3A至图3E所描绘的情形；

图5A至图5E是根据本发明第三较佳实施例的具有圆锥形坩埚的定向固化熔炉的加热区的剖面示意图，其中相对应的支撑结构设置于该坩埚的底部，用于在载入、熔解及生长的各种阶段期间增加结构完整性和控制该热流，其中描绘于图5A至图5E的各种阶段分别对应于图3A至图3E所描绘的情形；

图6A至图6E是根据本发明第四较佳实施例的具有锥形坩埚的定向固化熔炉的加热区在载入、熔解及生长的各种阶段期间的剖面示意图，该锥形坩埚具有用于牢牢固定该种晶的种晶井部位，其中描绘于图6A至图6E的各种阶段分别对应于图3A至图3E所描绘的情形；以及

图7A至图7E是根据本发明第六较佳实施例的具有锥形坩埚的定向固化熔炉的加热区在载入、熔解及生长的各种阶段期间的剖面示意图，该锥形坩埚具有用于牢牢固定该种晶的种晶井部位，其中相对应的支撑结构设置于该坩埚的底部，用于在载入、熔解及生长的各种阶段期间增加结构完整性和控制该热流，且其中描绘于图7A至图7E的各种阶段分别对应于图3A至图3E所描绘的情形。

具体实施方式

本发明的较佳实施例参考附图详述于下文中，其中相同的附图标记代表相同或类似的组件。

本发明是关于生长单晶材料的系统及方法。虽然本说明书中讨论了单晶硅的产生，但是本文中所描述的技术和方法并不限定于产生单晶硅或仅产生硅。一些单晶硅材料能够利用本发明的方法产生，如半导体晶体(例如：锗、砷化镓等)、氧化物(例如：蓝宝石(sapphire)、镱铝石榴石(YAG)、氧氮化铝(ALON))以及氟化物(例如：氟化镁、氟化钙)等。

目前商业上一般利用辐射排热来产生单晶材料(如硅)。本发明的系统及方法能够用以通过修改该定向固化程序来产生单晶锭，以产生大致上没有晶粒边界的产品，同时维持低成本、大的锭尺寸、高的合格率、以及使用较低质量和较便宜原料的能力。此外，根据本发明，如果在单晶锭生长期间发生扰动的情形，如果形成晶粒边界，则晶粒尺寸将大于现有制程所产生的多晶锭。为了达到这些结果，本发明较佳宜使用至少两个经过控制的排热源(source of controlled heat extration)：气体冷却热交换器和构造成用以相对于坩埚进行移动的隔离件，且该坩埚大致上装在定向固化熔炉内，以免干扰固体-液体界面(solid-liquid interface)。该定向固化程序的这些和其它修改均能够用以达到单晶材料(如硅)的生长。较佳的是，经过修改的定向固化程序能够用以产生大尺寸硅锭，程度大约在10cm至大于100cm(直径或边长)具有大于12cm²的剖面可用于太阳能电池应用的较佳尺寸。此外，该固体-液体接口能够达到几乎平面的表面(nearly planar surface)，使得能够生长更大、更重的锭且大致上没有残留的应力(residual stress)。

根据本发明的内容，气体冷却热交换器能够用以达到种晶(seeding)并且在定向固化程序中促进晶体生长，如下文中所详述的。较佳的是，控制定向固化以便在生长锭的同时维持单晶结构并且将可能造成该固体-液体接口经历假晶粒的成核作用的情况最小化。

参照图1，用以产生单晶锭的系统较佳宜包括定义腔室的熔炉10，且该熔炉10构造成用以促进该腔室中的定向固化。单一种晶20较佳宜放置于摆放在该熔炉10的加热区(heat zone)(于本文中也称作为“热区(hot zone)”)中的坩埚50中。气体冷却热交换器200(例如：氦冷却热交换器)装设于大约该坩埚50的底部，以此将冷却指(cold finger)作用于该种晶20上。或者是，能够使用水冷却或者液体冷却的热交换器，而不是气体冷却热交换器。

容置于该熔炉10内的坩埚50和种晶20装在由该熔炉10的内部所定义的腔室中，其中该腔室较佳能够于其中维持经过控制的气压的水冷却腔室。矩形坩埚50a能够负载有原料90或者进料，例如多晶硅原料(如图3所示)。该原料90设成通过至少一个固定于该熔炉10内的加热组件80而被加热。该原料90的熔解较佳通过调节送至该至少一个加热组件80的功率(power)来控制，而该种晶20的回熔(meltback)通过控制流过该热交换器200的气体来决定。较佳的是，调节送至该加热组件80的功率，以便完全熔解该原料90，并且仅部分地熔解该种晶20，同时大致上避免完全熔解该种晶20。

在熔解该原料90并且至少部分地熔解该种晶20之后，增加流过该热交换器200的气流，以开始并维持生长。在足够的生长之后，通过逐渐增加辐射热散失来冷却该坩埚50以达到进一步的固化。此进一步的固化通过相对于该坩埚50移动隔离件14而实现，以避免干扰生长锭的固体至液体接口。该系统也可提供用于监测该原料90的回熔的机构，如探针或热电偶(未显示)或者其它现有的设备(means)。一旦形成该单晶锭，该锭可继续留在该熔炉10中，并且能够在该坩埚50本身中退火(anneal)和冷却该锭。

本发明也提供形成单晶锭的方法。虽然本发明将以单晶硅的形成和生长的观点描述于下文中，但是本发明并非限定于产生硅，也不限定于本文中所描述的示范操作参数。

参照图1和图2，根据本发明的内容产生单晶锭，该熔炉10应该能够实施定向固化程序。在较佳实施例中，该熔炉10具有圆柱形或方形的加热区12，且该加热区12由位于设置在该熔炉10中的隔离件14的内部的区域所定义。该加热区12也包括该坩埚50以及视需要的保持器(retainer)70，其中该保持器70放置在热交换器区块25上并且构造成保持该加热区12中的坩埚50。举例而言，该坩埚50能够以石英(quartz)或二氧化硅(silica)制成，并且能够为圆柱形或方形，并且可视需要地涂覆，以避免该锭在固化之后破裂。该保持器70和该热交换器区块25典型上由石墨(graphite)所制成。

该气体冷却热交换器200较佳接置在该熔炉10中，使得该气体冷却热交换器200大约位于该加热区12中的至少一个加热组件80相对中央的位置。该热交换器区块25较佳接附至该热交换器200，使得该热交换器200的至少一部分容置于该热交换器区块25的凹处(recess)。

隔离件14沿着该熔炉10的侧边设置并且可视需要地放置于该坩埚50的上方及/或下方，使得该隔离件14构造成相对于该坩埚50进行上升或下降。举例而言，该隔离件14能够包括侧边隔离件16和底部隔离件18，且该侧边和底部隔离件构造成可一起移动，或者是能依需要而分别地移动。该热交换器区块25较佳宜包括设置为直接邻接并且位于该热交换器区块25下方的隔离件35，其中该隔离件35构造成上、下移动，如图1至图3所示。本发明的所有实施例均不需要该隔离件35。

图1显示该加热区12和该坩埚50以及一般而言为封闭构造(closedconfiguration)的隔离件14，而图2描绘一般而言为开放构造(openconfiguration)的隔离件14。此外，如图2中所示，装设在该热交换器区块25的下方的隔离件35已经移动远离该热交换器区块25。

在加热和熔解该原料90的期间，使用图1中所示的构造(封闭隔离件)，使得此阶段期间的热散失能够最小化。在该生长阶段期间，逐渐开放该隔离件以增加散失至该水冷却腔室(water-cooled chamber)的辐射热散失，最终造成图2中所示的隔离件构造。

现在将更详细描述可使用于本申请中的熔炉10中的坩埚50。根据本发明的内容，该坩埚50可具有一些不同的几何形状构造。在一个实施例中，该坩埚50a具有如图3A中所示的矩形。在其它实施例中，坩埚50b具有如图4A和图5A所示的圆锥形。在又一其它实施例中，坩埚50c具有如图6A和图7A所示的锥形。为了避免该种晶完全熔解，该坩埚50的形状基于所期望的热分布(heat distribution profile)而选定，借以维持该坩埚50的底部的温度相对低于该坩埚50顶部部分的表面的温度。该坩埚的各种构造的每一者均可与图1所示的例如平坦种晶放置(flat seed placement)一起使用。或者是，该坩埚可在底部部位包括种晶井(seed well)55，用于在该晶体生长程序期间将该种晶牢牢固定于位置上(例如：显示于图6A和图7A)。

该坩埚50较佳涂覆有氮化硅并予以烧结，使得所形成的原料90和硅锭不会直接与石英、二氧化硅或者该坩埚50的其它材料接触。该涂覆程序也能够用以大致上避免该硅锭在固化之后破裂。该经过涂覆的坩埚50接着较佳地在其大约底部中央载入单晶硅种晶20，且该种晶20覆盖以硅原料90。在将该坩埚50载入该熔炉10之后，可排空(evacuate)该熔炉10并且能够通过该加热组件80加热。

根据本发明的示范实施例，能够于该熔炉10中形成单晶硅锭。该熔炉10在真空中被加热至大约1200℃，并且以氩气(argon gas)回填该腔室以及将温度控制在大约300mbar和1000mbar之间的固定值。或者是，可使用如氮气或氦气的其它气体。该熔炉10的腔室内的压力通过调节供应至该腔室的氩气来控制。接着持续加热直到该熔炉10到达约1500℃为止，并且保持在该温度以达到硅原料90的熔解。由于硅在1412℃熔解，所以该熔炉的温度维持在大约1415℃和1550℃之间。当开始熔解时，该熔炉的温度逐渐往1415℃下降。于熔解相(melting phase)期间，氦气开始流过该热交换器200，如同图3B-图3E中向上箭头所示者；分别地控制压力和氦气流。由于氦气的高度热传导性(thermal conductivity)和热容量(heat capacity)，所以较佳使用氦气；也可使用其它气体，如氩气、氮气等。于该熔解阶段期间，在大约5和20psi之间的压力下，氦气流可为大约50至100SCFH。此氦气流用以避免该种晶20完全熔解。在该熔解已经稳定且达到种晶20的回熔后，能够逐渐地增加流过该热交换器的氦气，以促进该经过回熔的种晶20的硅的生长。

所期望的是将由于该坩埚50和该加热组件80的移动而在生长期间所造成的假成核作用(spurious nucleation)最小化。因此，根据本发明的系统及方法，该隔离件14构造成相对于该坩埚50和该加热组件80而进行移动，而不是移动该坩埚50本身。举例而言，如图2的指向离开该热交换器区块25的箭头所示的辐射热散失用以在该热交换器200已用于在该坩埚50的整个底部来种晶和生长之后促进定向固化。在较佳实施例中，该熔炉10的腔室是水冷却腔室。

参照图3A，于载入阶段期间，该单晶种晶20载入该矩形坩埚50a并且被覆盖有该硅原料90。在此阶段中，如图1中所示，该隔离件14一般而言为封闭构造。如图3B中所示，该加热组件80加热并且熔解该原料90，同时，气体开始流过该热交换器200。

参照图3B至图3D，当该硅原料90开始熔解时，氦气通过该热交换器200以避免该种晶20完全地熔解。在一个实施例中，能够监测该原料90和该种晶20的熔解。举例而言，石英棒探棒(quartz rod probe)或热电偶能够周期性地浸入该熔解物中。当该原料90和该种晶20的熔解在进行时，逐渐地降低该熔炉10内部的温度。当达到所期望的结果使得所有硅原料90均被熔解且回熔至少一些种晶20时，能够逐渐地增加流过该热交换器200的氦气，以停止该回熔并促进锭的生长。根据本发明的内容，为了促进对于所有原料90的经控制的定向固化(controlled directional solidification)，该熔炉10的温度较佳维持在刚好高于待产生的材料的熔点(melting point)。在另一实施例中，除了移动上文中所讨论的隔离件14以外，也能够以经过控制的速率下降该热交换器200和装有原料90的坩埚50a。再者，在特定实施例中，能够将该隔离件35放置在该热交换器区块25下方，并且降低该隔离件35以促进辐射热散失及加强生长。

如图3E中所示，通过降低该熔炉10的内部温度至正好低于待产生的材料的熔点来达到大致上完全固化该原料90。在本文中所述的示范实施例中，由于正在产生硅，所以降低温度至大约1412℃。此种作法用以在生长期间得到所期望的固体-液体接口形状。通过该热交换器200于该单晶硅锭110的生长期间达到凸面的固体-液体接口，并且达到单一晶体生长以覆盖几乎该锭110的整个底部表面。在完成固化之后，所产生的锭110可在该加热区内冷却。

图4A至图4E具有圆锥形坩埚50b的定向固化熔炉及单晶生长程序的剖面示意图。

图5A至图5E是具有圆锥形坩埚50b的定向固化熔炉及单晶生长程序的剖面示意图。图5A至图5E描绘了可设置于该坩埚50b底部的支撑结构60a。该支撑结构60a摆放在该热交换器区块25之上，并且具有设计成与该坩埚50b相配的形状，以便与该坩埚50b和保持器70紧密配合。该支撑结构60a作用为以提供系统的结构完整性，同时提供可借以控制热流(heat flow)的额外设备(means)。

图6A至图6E是具有锥形坩埚50c的定向固化熔炉和单晶生长程序的剖面示意图，该锥形坩埚50c具有用于牢牢固定该种晶20的种晶井部位55。

图7A至图7E是根据本发明的实施例描绘的具有锥形坩埚50c的定向固化熔炉和单晶生长程序，该锥形坩埚50c具有用于牢牢固定该种晶20的种晶井部位55，其中类似的对应支撑结构60b设置于该坩埚50c的底部，用于在载入该种晶20和进料之后增加结构完整性。类似于该支撑结构60a，该支撑结构60b摆放在该热交换器区块25之上，并且具有设计成与该圆锥形坩埚50b相配的形状，以便与该坩埚50b和保持器70紧密配合。

虽然本发明已经针对较佳实施例进行描述，但是本领域的普通技术人员将会了解上述一系列实施例可做各种改变或修改而不会背离如本发明所附加的申请专利范围所定义的精神与范畴。

并入参考

特此将所有专利和已公开的专利申请的内容和本文中所引用的其它参考的所有内容并入本文中作为参考。

Claims (25)

1.一种用于产生单晶锭的系统，包括：

坩埚，其设置于熔炉中，且构造成容置单一个种晶和原料；

至少一个加热组件，其用于加热和至少部分地熔解该种晶，并且将装于该坩埚中的该原料完全地熔解；

热交换器，其用于控制来自该坩埚的排热，以促进来自该至少部分地熔解的种晶和该原料的该单晶锭的生长；以及

隔离件，其装于该熔炉中，并构造成相对于该坩埚而移动，以促进该单晶锭的冷却和定向固化。

2.如权利要求1所述的系统，其中，该隔离件相对于该坩埚而上升或下降。

3.如权利要求1所述的系统，其中，该坩埚包括用于在该熔炉中保持该坩埚的保持器。

4.如权利要求1所述的系统，其中，该热交换器可操作地用于多个阶段中，以控制该坩埚中的该种晶的熔解率。

5.如权利要求4所述的系统，其中，在一个阶段中，气体流入该热交换器，以避免大致上完成该种晶的熔解。

6.如权利要求5所述的系统，其中，在另一阶段中，增加流入该热交换器的该气体，以促进该种晶的定向固化。

7.如权利要求1所述的系统，还包括探针或热电偶，以监测该原料的熔解和该种晶的回熔。

8.如权利要求1所述的系统，其中，该原料是多晶硅原料。

9.如权利要求1所述的系统，其中，该热交换器是气体冷却热交换器。

10.如权利要求1所述的系统，还包括用于支撑该坩埚的热交换器区块。

11.如权利要求10所述的系统，其中，该隔离件至少包括侧边隔离件和配置在该热交换器区块下方的隔离件。

12.如权利要求11所述的系统，其中，该侧边隔离件构造成在相对于该热交换器区块的垂直方向上移动。

13.如权利要求11所述的系统，其中，该配置在该热交换器区块下方的该隔离件构造成相对于该热交换器区块而移动。

14.如权利要求1所述的系统，其中，该坩埚的形状是矩形、圆锥形或锥形的其中之一。

15.如权利要求1所述的系统，其中，该坩埚具有用于在单晶生长期间牢牢固定该种晶的种晶井部位。

16.如权利要求1所述的系统，还包括设置有该坩埚的支撑结构，以用于控制热流。

17.一种通过定向固化生长产生单晶锭的方法，该方法包括下列步骤：

将种晶和原料放置于熔炉中的坩埚中；

加热和至少部分地熔解该种晶，并且将装于该坩埚中的原料完全地熔解；

操作热交换器以控制来自该坩埚的排热，以促进来自该至少部分地熔解的种晶和该原料的该单晶锭的生长；以及

于该熔炉中设置可移动的隔离件，该隔离件构造成相对于该坩埚而移动，以促进该单晶锭的定向固化。

18.如权利要求17所述的方法，其中，该隔离件相对于该坩埚而上升或下降，以促进该种晶的定向固化。

19.如权利要求17所述的方法，其中，操作该热交换器的步骤还包括将气体流入该热交换器，以避免大致上完成该种晶的熔解。

20.如权利要求19所述的方法，还包括增加流入该热交换器的该气体，以促进该种晶的定向固化。

21.如权利要求17所述的方法，其中，该可移动的隔离件至少包括侧边隔离件和配置在热交换器区块下方的隔离件。

22.如权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：

上升或下降配置在该热交换器区块下方的该隔离件，以促进定向固化。

23.一种用于产生可使用在光伏打应用的单晶硅锭的方法，该方法包括下列步骤：

将种晶和硅原料放置在熔炉的坩埚中；

加热和至少部分地熔解该种晶，并且将装于该坩埚中的该原料完全地熔解；

操作热交换器，以通过将气体以经过控制的速率引入该坩埚中而控制该种晶和该原料的该熔解；以及

在该熔炉中设置可移动的隔离件，该隔离件构造成相对于该坩埚而移动，以促进该单晶锭的定向固化。

24.如权利要求23所述的方法，其中，将该气体引入该热交换器的该速率以通过监测该原料的熔解所得到的反馈而控制。

25.如权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：增加流入该热交换器的该气体，以促进该种晶的定向固化。

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