[发明专利]用于生产多晶硅锭的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产多晶硅锭的方法和装置。

背景技术

在半导体和太阳能电池领域中，已知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，DE19934940C2描述了用于此目的的相应装置。该装置大体由隔离箱组成，隔离箱具有位于该隔离箱中的内部加热元件、坩埚，以及再装料单元。

在制造硅锭的过程中，当隔离箱打开时，用粒状硅装填坩埚，直至达到最大填充高度。随后隔离箱关闭，粒状硅通过加热元件而在坩埚中熔融。用粒状材料装填坩埚之后，会形成气窝，使得坩埚中熔融硅的填充高度基本上低于粒状硅的填充高度。由于坩埚通常只可使用一次，所以在上述装置中设有再装料单元，该再装料单元适用于将干燥的自由流动硅材料装填到坩埚中的熔融硅中，从而增加填充高度。

当在坩埚中的熔融硅达到期望的填充高度之后，采取可控的方式对熔融硅进行冷却，以进行定向凝固。在这种定向凝固过程中，冷却类型和大气条件对定向凝固过程中生成的微晶的大小和定向有重要影响。上述装置仅为影响冷却和大气提供了几种可能性。此外，上述装置中的再装料单元比较复杂。生产干燥的自由流动硅材料非常困难并且成本较高。就生产而言，通常以机械方式来破坏采用西门子法(Siemens method)等生产的硅棒。已知，用锤子、凿子或研磨机等来破坏硅棒，以获得碎硅。碎硅片通常要在HF/HNO₃混合液中进行蚀刻，从而移除硅片表面的一部分(通常为20微米)。自由流动的硅材料越小，损失的材料就越多。蚀刻的目的是清洗碎硅片，具体而言，是移除表面上由用于打碎硅的工具造成的污染物。蚀刻还从硅表面中移除了氧化硅。具体而言，由所使用的工具造成的金属污染物，例如，铁、铬、镍以及铜必须要从破碎的硅片中移除。此外，由周围大气(空气、氧气、灰尘，以及空气中的微粒)造成的其他污染物也可移除。此类污染物尤其可指自然氧化物。每片破碎硅片被移除的表面通常为至少7.5微米。随后，破碎的硅片通常用去离子水进行漂洗，然后在净化气流(N₂流)中进行干燥。

发明内容

从已知的装置开始，本发明需要解决的问题是，提供一种用于制造多晶硅锭的装置和方法，从而允许更加灵活地控制方法。本发明的进一步目标是采用简单低廉的方式，在生产多晶硅锭的过程中使坩埚的熔融硅达到期望的填充高度。

根据本发明，提供了根据权利要求1的一种用于生产多晶硅锭的方法，以及根据权利要求4的一种用于生产多晶硅锭的装置。本发明的其他实施例可由从属权利要求推导出。

在所述方法过程中，将坩埚放置在工艺室中，其中所述坩埚中预先装有固态硅材料，或者在所述工艺室中将固态硅材料装填到所述坩埚中。随后，将坩埚中的硅材料加热到熔融温度以上，同时工艺室保持关闭，随后坩埚中产生熔融硅。之后，将坩埚中的熔融硅冷却到凝固温度以下。板元件位于工艺室中并且包括用于引入气体的至少一个通道，将所述板元件降低到坩埚的上方。在熔融硅凝固期间的至少一个时间段内，将气流引导到熔融硅的表面上，其中气流至少部分经由板元件中的至少一个通道引导到熔融硅的表面上。实际上，也可另外在加热和/或冷却过程中将气流引导到位于坩埚中的硅的表面上。在形成于熔融硅表面与板元件之间的空间中将气体引导到所述表面上，这样允许对冷却参数进行良好调节，并且还允许对熔融材料表面处的大气进行良好调节。术语“熔融硅的凝固时间段”是指硅从液相转变为固相的相变时间段。在关闭工艺室之前，将额外的硅材料固定到板元件上，使得在降低板元件的过程中，额外硅材料中的至少一部分可浸到坩埚中的熔融硅中并且熔融，从而增加坩埚中熔融硅的水平。因此，板元件同时充当气体馈送元件以及再装料单元。

额外硅材料的形状优选采用硅棒或硅盘中的至少一者，这样有助于进行处理。此外，此类材料的大小容易固定到板元件上。

为了能良好地调节坩埚中硅材料的填充高度，坩埚中的固态硅材料量以及额外的硅材料量要相互匹配。这可通过对材料称重来实现。

根据本发明的装置包括：工艺室，其具有用于收纳坩埚的坩埚架；板元件，其布置在工艺室中的坩埚架上方，所述板元件包括：用于气体馈送的至少一个通道；可选的提升机构；至少一根气体馈送管，其在板元件的至少一个通道中延伸或延伸穿过所述至少一个通道；以及至少一个气体馈送单元，其位于工艺室的外部，用于将气流馈送入并穿过气体馈送管，从而进入板元件下方的区域。板元件包括用于固定或固持硅材料的构件，从而能够用作装料单元。具体而言，只通过移动板元件，额外的硅材料便可引入到熔融硅中，从而不需要额外的引导元件。此装置具有上文就所述方法已经讨论过的优点。