[发明专利]用于制造单晶或多晶材料、尤其是多晶硅的装置和方法

说明书

本申请案主张于2006年4月12日申请的题为“Method for the production ofmonocrystalline or multicrystalline materials，in particular multicrystalline silicon”的第102006017621.9-43号德国专利申请案的优先权，出于揭示的目的而将所述德国专利申请案的全部内容以引用的方式包括在本文中。

技术领域

本发明一般涉及使用垂直梯度凝固法(下文也称为VGF方法)制造比较大的单晶或多晶材料毛坯，尤其是用于光伏、单晶氟化物晶体和单晶锗晶体应用的多晶硅。

背景技术

太阳能电池应具有最高可能程度的将太阳能辐射功率转化为电流的效率。这是由多种因素决定的，例如原材料的纯度、结晶期间杂质从晶体与坩埚的接触面渗入晶体内部、氧和碳从周围大气渗入晶体内部以及个别晶粒的生长方向。

凝固大量熔化硅以形成锭块的所有已知制造方法的共同特征是自晶体熔体的基底从晶体熔体撤去热且因此从底部向上生长出晶体。由于通常凝固速率较高且不存在晶种，所以晶体不会生长为单晶而是多晶。形成包含多个晶粒的块状物，其中每一个晶粒都在局部占优的温度梯度的方向上生长。

目前，如果硅熔体中温度场的等温线不平面且不与坩埚的基底平行(意即水平)，那么不会形成平面的相界面且个别晶粒不会彼此平行地且从底部向上垂直地生长。这是通过在单晶区域内形成均匀的直线晶体缺陷而实现。可通过蚀刻经抛光表面(例如在硅晶片上)使得这些不需要的晶体缺陷作为蚀刻坑可见。大量如上所述的直线晶体缺陷因此导致较高的蚀刻密度。

可能受多种因素(尤其是创建平面相界面)影响的腐蚀坑密度的最小化长期以来已经是众所周知的需求。腐蚀坑密度因此是借助于平面相界面获得Si晶粒的柱型生长成功与否的度量。因为创建HEM方法(热交换法)作为适用于大规模生产的最先方法，所以已经尝试避免在坩埚基底上的几乎为点状的热沉的缺点(例如从US 4,256,530获知)并在熔化硅中获得从顶部向下的垂直热流。

因此存在多种解决方案，其旨在首先产生在坩埚基底的整个表面上延伸的热沉(例如参看EP 0631832、EP 0996516、DE 19855061)。本发明是基于提供这类平面热沉的假设。

为制造尽可能便宜的太阳能电池，进一步需要完整硅锭块可用于完全可能的进一步加工。然而，所述制造方法存在限制。一方面，这是由于杂质从坩埚壁向硅熔体中的向内扩散，另一方面，是由于隔离导致杂质在硅锭块的上部累积以致必需定期地除去硅锭块的边缘。另一限制是由太阳能电池一般的长方形基本形状代表。这使得必需将硅锭块切割成所要横截面。在这点上，需要保持损耗量尽可能地低。

从熔体制造多晶硅要消耗许多能量。因此，进一步需要熔炼炉的生产能力被使用到最佳程度且具有有效的热绝缘。出于空间原因，熔化坩埚的基底面积应尽可能多地占据熔炼炉的基底面积。

由于制造作为用于制造半导体和半导体组件的原材料的硅具有很高的经济重要性，所以根据现有技术已知多种用于生长硅单晶或多晶硅的不同方法。举例而言，US4,256,530公开一种用于生长硅单晶的方法，其使用具有双层壁的熔化坩埚以致硅熔体不会与石墨或元素碳直接接触，从而使石墨或元素碳不会快速扩散到硅熔体中。

为在晶体中获得最低可能的位错密度，在晶体生长期间应小心确保固体与液体之间的相界面尽可能地平面并横切结晶方向而延伸。这一目的需要保持径向热辐射尽可能地低。根据WO 01/64975A2，为在熔化容器基底与其上部开口之间形成平面相界面，应用垂直延伸的轴向温度梯度且采取措施以避免通过熔化容器侧壁的热耗散。为此，所有加热元件都封闭在环绕熔化容器的绝缘材料夹套中以作为防止不合需要且不受控制的热流的方式。为此，在夹套加热器与坩埚之间安置绝缘材料夹套以作为防止径向热流的另一方式。这导致由上部加热器和底部加热器产生的轴向温度分布占优。

EP 1147248B1公开一种通过从熔体生长单晶来制造单晶的装置，其中熔炉具有旋转对称的设计且其中在容器的纵向上看，在熔化容器四周提供楔形热绝缘体，其绝缘效应从上部加热器到底部加热器不断降低。结果，靠近底部加热器的热损耗大于靠近上部加热器的热损耗。这支持熔化容器纵向上的温度梯度，其由上部加热器和底部加热器的不同温度确定。热绝缘体也显著限制熔化容器径向上的热流，导致形成平面相界面。