[发明专利]通过定向固化生长单晶硅锭的系统及方法

说明书

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。