[发明专利]用于制造多晶硅锭的工艺和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造多晶硅锭的工艺和设备。

背景技术

在半导体和太阳能电池领域中，已知可通过在熔融容器或坩埚中熔融高纯度硅材料来制造多晶硅锭。例如，文献DE 199 34 94 032描述了用于此目的的相应设备。该设备大体由具有加热元件的隔离箱、坩埚以及隔离箱中的装载单元组成。以下各者设置成加热元件：布置在坩埚下方的底部加热器、布置在坩埚各侧的侧部加热器以及布置在坩埚上方的顶部加热器。

在硅锭的制造过程中，当隔离箱打开时，坩埚得到装载，并且此后，颗粒状硅在坩埚中通过加热元件而熔化，其中隔离箱是关闭的。在通过对应的再装载单元而再装载额外的硅材料之后，熔融材料以受控的方式冷却，以实现从下部到上部的定向凝固。

在这点上，熔融材料与凝固边界之间的相边界应尽可能平坦，这可通过对材料的熔融-固体部分的温度曲线进行对应调整来实现。在这点上，底部加热器与相对的顶部加热器之间的相互作用适于提供平坦形式的相边界，因为这些加热器的位置能实现了大体垂直延伸的均匀温度梯度。坩埚侧面处损失的温度可通过侧部加热器或适当的绝隔离而得到补偿/最小化。

然而对于某些应用，例如非在先公开的DE 10 2010 024 010中所描述，在坩埚上方保留自由空间是有益的。因此，使用顶部加热器并不总是可行或合理的。

因此，坩埚中熔融材料的受控冷却可通过对邻近坩埚而布置的底部加热器和/或侧部加热器进行对应控制来实现，而不需要所述顶部加热器的帮助。在只使用底部加热器的情况下，可能不会实现温度曲线的所需控制，因为熔融硅将从底部凝固到顶部，如上文所提及。另一方面，使用侧部加热器会使得相边界在定向凝固过程中产生实质性弯曲。

根据已知设备，本发明待解决的问题是，提供一种用于制造多晶硅锭的设备和工艺，这种设备和工艺能够对相边界进行良好控制。

发明内容

根据本发明，提供了根据权利要求1的一种用于生成多晶硅锭的工艺，以及根据权利要求6的一种用于生成多晶硅锭的设备。本发明的其他实施例可根据从属权利要求来了解。

在工艺过程中，坩埚位于工艺腔室中，其中在所述工艺腔室中，所述坩埚填充有固体硅材料。在这点上，所述坩埚相对于对角加热器定位成：相对于即将生成的所述硅锭，所述对角加热器向侧部偏移并且所述对角加热器大体位于即将生成的硅锭的上方。接下来，在工艺腔室保持关闭时，坩埚中的硅材料被加热到其熔融温度以上，从而在坩埚中生成熔融硅，并且随后，熔融硅在坩埚中被冷却到凝固温度以下，其中在硅的冷却过程中，硅材料中的温度分布至少部分地通过至少一个对角加热器来控制。使用对角加热器并因此从上方沿对角线方向将热量引入熔融硅中，能够实现在不使用顶部加热器的情况下形成平坦的相边界。这样，熔融材料上方的空间是开放的，并且因此可以设置(例如)再装载单元。此外，从坩埚流向对角加热器的任何直接气流是用至少一张箔幕来阻挡的，所述箔幕设置成与所述至少一个对角加热器面向坩埚的一侧相邻近，从而保护对角加热器以使其免受来自熔融硅的很可能具有破坏性的烟气的影响。

在本发明的一项实施例中，位于工艺腔室中的板元件降低至坩埚上方，其中所述板元件包括用于引入气体的至少一个通道，并且在熔融硅凝固时间中的至少一个时间片段内，气流被引导至熔融硅的表面，其中所述气流至少部分地通过所述板元件中的所述至少一个通道而引导至熔融硅的表面。当然，在加热和/或冷却工艺过程中，气流也可引导至位于坩埚中的硅的表面。在形成于熔融硅表面与板元件之间的空间中，将气体引导至熔融硅的表面，能够获得冷却参数的良好可调性并且还能够获得熔融材料表面气氛的良好可调性。术语“熔融硅凝固时间段”是指硅从液相转变为固相的相变时间段。此外，板元件可用作通过对角加热器而得到加热的被动式(passive)加热元件，并且因此能模拟大体可移动的顶部加热器。

优选地，额外的硅材料被固定到板元件，然后关闭工艺腔室，使得额外的硅材料的至少一部分在降低板元件时浸入坩埚中的熔融硅中，从而使额外的硅材料熔融，这样能够提高坩埚中熔融硅的填充水平。这样，板元件既用作空气引导元件又用作再装载单元。

为了保护对角加热器以使其免受来自坩埚区域的工艺气体的影响，顶部-底部气流在硅材料的加热和/或冷却工艺的至少一部分过程中可经引导而流过对角加热器面向坩埚的至少一侧。

为了对硅材料的温度曲线进行所需调整，可设置至少两个对角加热器，一个设置在另一个上方，其中所述对角加热器至少在硅材料的冷却阶段中受到控制，从而使得它们所提供的加热功率至少相差10％。