[发明专利]用于制造硅或其他晶体材料的带的装置及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过受控结晶化(controlled crystallization)来制造晶体材料的带的装置。

背景技术

通常通过受控结晶化，即，从初始固化部分迁移固化前沿(液态/固态界面)来获得从液态硅浴的硅固化，其中该初始固化部分具体为种子或通过局部冷却结晶的首层。这样，固态硅块从液态硅浴中汲取原料逐渐生长增大。传统上采用的两种方法为柴可拉斯基(Czochralski)方法和布里吉曼(Bridgman)方法或它们的变体。依照柴可拉斯基方法，将通常相对于固态硅晶轴取向的种子与熔融物接触并缓慢提拉。液态硅浴和热梯度随后保持不变，而依照布里吉曼方法，硅浴相对于热梯度移动，或热梯度相对于硅浴移动。

在硅晶片制造方面的技术进步，例如线锯，与内径(ID)锯相比，由于在执行切割时由于生产率更高和材料损耗减小的不可否认的益处，因而在半导体工业和光伏工业中实现了巨大的经济上的进步。尽管如此损耗仍然很大，而且线锯设备成本很高。此外，锯切需要昂贵的附加表面化学清洗和恢复步骤。

为了克服切割半导体材料的困难，人们提出了各种晶片制造方法，例如从熔融物中提拉带或在基板上连续生长带。然而，在基板上生长带需要分离带和基板的附加步骤，并且会出现带被基板污染的危险。另一项技术为利用碳带，硅结晶在该碳带上，然后燃烧碳带而余下两条硅带。然而，获得的晶片的晶向或多或少难以控制，因此电性能平庸。具体地说，对于光伏方面的应用，需要少数电荷载流子扩散长度大的设备。例如对于多晶硅的情况，只有多晶材料晶界与表面垂直，更确切地说，与光伏电池的P/N结垂直，才能做到这一点。

为了得到结晶化材料质量使得随后可以制造光伏电池，必须去除来自原料(例如硅给料)的残留杂质。一种众所周知的方法是偏析(segregation)出具有低偏析系数的成分。然而，对于将残留在液相内的杂质，必须建立热梯度，以使固态/液态界面在给定的该界面的推进速度上保持充分稳定，以避免硅晶粒的不受控的、等轴的或树枝状的生长。

此外，依照现有技术的方法无法将自液态硅生产硅晶片集成到光伏电池生产线中。

Hide等人的文章″Cast Ribbon For Low Cost SolarCells″(0160-8371/88/0000-1400，1988IEEE)描述了铸造厚0.5mm、宽100mm的光伏硅带的方法。该方法使用具有对组合模具的开口的坩埚，该组合模具置于坩埚的中心开口之下。该组合模具逐渐收缩以形成狭窄而细长的导向通道，该导向通道构成水平地移动远离坩埚轴线的细长模具。初始材料为在坩埚中熔融的电子级质量(electronic quality)的硅。在初始材料完全熔融之后，硅注入到该组合模具中，由此大气压力应用到坩埚。固化发生在狭窄通道中。晶体在狭窄通道中向上生长，并且固化前沿大幅地倾斜。

发明内容

本发明的目的是克服已知装置的不足之处，且具体为提供一种通过受控结晶化来制造晶体材料带的装置和方法，使得可以直接从液态原料获得晶片，而不需要晶锭切料、将切料过的晶锭切割成晶砖以及用线锯将晶砖切片成晶片的附加步骤。本发明进一步的目的是将晶片生产直接集成到光伏电池生产线中。

依据本发明，通过所附的权利要求，更具体地通过下述事实达到这一目的：该装置包括具有底部和侧壁的坩埚，该坩埚包括水平置于该侧壁的底部的至少一个横向狭缝，该横向狭缝的宽度大于50mm、高度介于50至1000微米之间。

这样的装置还可以通过偏析实施净化，且由此可以从例如冶金级硅的较低纯净度的硅获得硅带，该较低纯净度的硅因此没有非常纯的电子级硅那么昂贵。

本发明进一步的目的是提供一种使用依照本发明的装置、通过沿着结晶轴的受控结晶化来制造晶体材料带的方法，该结晶轴与该装置的提拉轴大致上垂直。

附图说明

从对仅出于非限制性的示例目的而给出并在附图中示出的本发明具体实施例的下述描述中，本发明的其他优点与特征将更显而易见，附图中：

图1、2和4示出了依据本发明的装置的三个具体实施例的截面图。

图3、5和8示出了依据图2的坩埚的三个备选实施例沿着图2的线A-A截取的截面图。

图6示出了依据本发明的装置直接集成到光伏电池生产线中。

图7示出了依据本发明的装置的一个具体实施例中，坩埚和带的倾斜。

具体实施方式