[发明专利]用于获取多晶半导体材料,特别是硅的方法和设备无效
申请号: | 201080057315.X | 申请日: | 2010-10-20 |
公开(公告)号: | CN102741461A | 公开(公告)日: | 2012-10-17 |
发明(设计)人: | 发布里奇奥·杜吉罗;米歇尔·福尔赞;达里奥·齐斯卡托;马里奥力诺·切萨诺;发布里奇奥·克里韦洛;保罗·贝尔纳比尼 | 申请(专利权)人: | 赛亚特股份有限公司 |
主分类号: | C30B11/00 | 分类号: | C30B11/00;B22D27/04;F27B14/14;H05B6/36;H05B6/44;C30B29/06;C30B35/00 |
代理公司: | 北京同立钧成知识产权代理有限公司 11205 | 代理人: | 臧建明 |
地址: | 意大利*** | 国省代码: | 意大利;IT |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 用于 获取 多晶 半导体材料 特别是 方法 设备 | ||
技术领域
本发明涉及一种通过半导体材料的熔化及其随后定向凝固获取多晶半导体材料,特别是硅的方法和设备。
背景技术
对具有称为“太阳能纯度”的高纯度级别的半导体材料,特别是硅的需求越来越大,这是由于所述材料对生产高效光伏电池来说是必需的。
为了获取这种材料,需要先通过传统的冶金方法进行提炼,最后形成铸块,然后从中切割得到生产光伏电池所需的晶圆。所述铸块采用被称为“定向凝固系统”(DSS)的方法而形成,即,通过在坩埚中熔化半导体材料,然后使其定向凝固,以最终获取到多晶硅。
为了获取定向凝固,需要通过在正在形成的铸块中维持垂直热梯度,以获取适当的冷却速率,使得凝固前沿的发展速度1-2cm/h,这样在坩埚中产生所述凝固。这种技术的优势在于原始材料中存在的杂质优先地残留在被熔化的材料中,因此与凝固前沿一起向上升起。一旦铸块被凝固,除去铸块自身的顶端部分便足以获取被提炼的所需纯度级别的多晶硅。
为了获取该结果,需要能够对热流施加非常精确的控制,特别是阻止热量从坩埚中有任何横向泄露,即,阻止横穿凝固前沿的发展方向的热流,所述凝固前沿的发展方向是垂直的。在现有的DSS熔炉中,其通过电阻加热或感应加热,这是采用厚重的绝缘层获取到的,这些厚重的绝缘层增加了成本和熔炉的整个尺寸,因此增大了控制它的能耗水平。另外,待提炼的固态半导体材料的熔化步骤需要长时间以及高能耗水平。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷,通过提供一种用于获取具有“太阳能”纯度级别的多晶半导体材料、典型地为硅的设备和方法,其实施简单且廉价,能够可靠且有效地控制热流,且能够降低必要器件的整体尺寸和能耗水平。
此处以及后续的“太阳能”纯度级别的意思是生产高效光伏电池所需的纯度级别。
因此,本发明涉及一种根据权利要求1的用于半导体材料的熔化和随后定向凝固的设备,以典型地获取具有太阳能纯度级别的多晶硅,以及一种根据权利要求9的获取具有太阳能纯度级别的多晶半导体材料,典型地为硅的方法,采用所述半导体材料的熔化步骤和所述半导体材料的定向凝固的随后步骤。
特别地,根据本发明该装置包括:至少一个下感应线圈,其可垂直移动的,以能够在使用中改变其离设置在坩埚上的杯状石墨容器的下壁的距离,半导体材料在该坩埚中被提炼获取到;至少一个侧感应线圈,包括多个共轴设置的线匝,各线匝沿垂直方向一个在另一个之上地设置;以及用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝、或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与交流供电装置连接或断开的装置;另外,至少侧感应线圈包括用于同时全部或单独一次一个或多个地在至少两个不同值之间改变线匝的供电电源的频率的装置,一旦半导体材料已达到传导温度,通过感应产生对石墨和/或包含在坩埚中的半导体材料的选择性加热。
用于改变线匝的供电电源的频率的装置包括第一电容电池和第二电容电池,其与用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与交流供电装置连接或断开的装置连接。该用于选择性短路线匝或分别与交流供电装置连接或断开的装置因此包括适当连接的一组开关。
根据本发明的方法,定向凝固的步骤通过下述步骤获取得到:
去激活至少一个下感应线圈,然而,保持下感应线圈的线匝中的冷却剂流的循环状态;
将下感应线圈靠近所述坩埚,直到其充分接触设置在坩埚下面的下电磁感受器;
选择性地且彼此单独地依次激活和去激活至少一个侧感应线圈的一个或多个线匝,线匝被制成在垂直方向上彼此共轴的线匝集合,以在使用中至少覆盖由熔融的半导体材料占据坩埚中的整个高度,以这种方式通过感应来实现设置在坩埚侧部的电磁感受器中的热量的区域化生成,以补偿坩埚自身的侧部热量泄露;以及
选择性地每次短路侧感应线圈中的至少一个线匝,以逐渐增高的次序从线匝集合中选择待被短路的一个或多个线匝,以便用它/它们形成基本上跟随所述半导体材料的凝固前沿的电磁场屏蔽。
另外,通过下述步骤来执行熔化步骤:
通过以第一预设频率(具有千赫兹级别)进行供电,激活设置在坩埚下部、上部和侧部的感应线圈,以通过电磁感应产生对电磁感受器的加热;
当半导体材料被电磁感受器加热到变成传导性的温度时,将至少一个侧感应线圈以及可能的下感应线圈中至少一些线匝的供电电源的频率降低到第二预设频率(具有几十赫兹至几百赫兹级别),其中,电磁感应的至少部分开始直接影响半导体材料。
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