[发明专利]晶体及其铸造方法和装置

说明书

技术领域

本发明一般涉及使用籽晶的晶体铸造法，例如方向凝固铸造法，包括温度梯度凝固方法，例如垂直温度梯度凝固方法(下文也称为VGF法)或垂直布里奇曼方法(下文也称为VB法)或垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS法)制造比较大的预定晶向的晶体材料，包括多晶和单晶材料，尤其是适用于半导体和光伏应用的例如硅或硅锗材料。

背景技术

晶体材料具有基于其特定的微观结构的适用于工业应用的优良性能，此优良性能倾向于在制造晶体中被尽可能地追求。以晶硅材料为例，基于晶硅的光电池(或称光伏电池、太阳能电池)应具有最大可能地将太阳能辐射功率转化为电流的效率、以及尽可能长久的使用寿命和衰减速率。这是由多种因素决定的，例如硅原材料的纯度，硅晶体的类型(单晶、多晶)和缺陷、杂质分布以及晶向、内应力。同时，工业上制造较大尺寸的硅晶体毛胚(实体)，可以获得更高的生产效率；而降低硅晶体的缺陷和内应力，还有助于提高成品和良品的产出率。

已知在硅晶体的类型中，单晶较多晶具有获得相对最高的光电转化效率的可能。因此，许多制造硅单晶的装置和方法被大量使用。典型的就是所谓的单晶提拉方法，也称之为切克劳斯基(CZ)法，利用籽晶伸入熔化的硅液中，通过提拉引晶和熔硅液面上方的持续晶体生长，最后获得单晶硅棒。这种方法通常需要坩埚和生长中的晶棒相对旋转，因而其制造设备相对复杂，工艺控制难度较大。CZ法可以获得性能比较优异的单晶硅胚体，但也存在一些明显的缺点，包括其制造装置和工艺控制比较复杂，设备和生产成本较高，难以获得较大尺寸的高质量单晶胚体(通常只有20cm或25cm的第二大尺寸)，生产效率低，因难以克服其晶体生长中的径向温度梯度而存在较大的径向缺陷包括如漩涡缺陷、氧致堆垛层错缺陷(或OSF环缺陷)和热应力位错，及掺杂剂密度差异，等等。类似的还有浮区凝固法，或称悬浮区熔法(FZ)，用以生长的多晶硅棒，但具有和CZ法类似的缺陷类型和不足。

为此，使用方向凝固法，包括温度梯度凝固方法，例如垂直方向凝固法，包括例如垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)制造多晶材料胚体的方法和装置被大量应用于生产硅晶体，用较低的设备成本和较简单的工艺控制，获得大尺寸的多晶硅锭，提高了生产效率，降低了生产成本。在VGF法晶体生长工艺中，位于静止的加热装置形成的热场中的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。在VB法晶体生长工艺中，保持静止的加热装置形成结晶温度梯度静止的热场，晶体在其中移动。在VBS法晶体生长工艺中，加热装置及其形成的结晶温度梯度可移动，而晶体保持静止。实施这些方法的设备使用时都包含有坩埚，其至少有底壁和侧壁，构成可以容纳晶体原料和及其熔体的容器，以及和坩埚外形配套的热场系统和支撑系统，至少包括可以加热坩埚内的原料的加热装置，和保持坩埚位置和形状的支撑装置。

尽管容易获得大的尺寸、高的生产效率和低的生产成本，多晶硅因其较低的纯度、较小的晶粒尺寸、较多的晶界和晶体缺陷、杂乱的晶向，制成的晶片具有低的载流子寿命和较差的制绒效果，由其制成的电池片效率较低，难以取代单晶硅。

为了在较低的设备和控制成本下，获得更高的转换效率，一些基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)的可以生产晶粒较大的多晶硅锭、近单晶硅锭的方法和设备被开发出来，这里全文引用以详细说明这些方法和设备的一些文件：CN200810012354.2、CN200910152970.2、CN200920115886.9、DE10239104A1、CN200780002763.8、CN200810089545.9、CN 200780002753.4、CN200880025411.9、CN200880106116.6、CN201010232453.9。其中，为获得生长良好的晶体组织，可以诱导或引导晶体生长的籽晶被引入到硅原料内，或在坩埚内用籽晶构置特定的一些几何结构。这些方法和设备的使用，一定程度上增大了多晶硅的晶粒尺寸、减少了晶体缺陷，甚至可以获得近单晶硅锭，但是，仍然存在着工艺控制难度大、难以确保稳定地形成预期的硅锭晶体结构、缺陷和杂质多、杂质分布不均、晶锭内应力偏大加工成晶片损耗较大，和需要消耗大量籽晶等问题。特别是，需要在熔化晶体原料的同时，保持籽晶的部分为固态而部分熔化，这通常导致加热的控制难度增加、籽晶的厚度提高和热量经由籽晶大量耗散损失，尤其是籽晶通常具有远高于晶体原料的平均热导率，使经籽晶的热量耗散成为能耗增加的重要原因。