[发明专利]用于生产半导体级硅的装置和方法

说明书

本发明涉及用于生产半导体级硅锭块、包括太阳能级硅锭块的装 置和方法。

背景技术

在接下来的数十年中，预期世界上的石油供应将逐渐耗尽。这意 味着必须在数十年内替换我们在上个世纪的主要能源，既要覆盖目前 的能量消耗又要覆盖将来全球能源需求的增加。

此外，化石能源的使用将地球的温室效应增加至可能变得危险的 程度，引起了许多关注。因此，为了我们的气候和环境，目前化石燃 料的消耗应该优选被可再生的和可持续的能源/载体代替。

这些能源的一种是太阳光，其以比目前日消耗(包括任何可预见 的人类能耗)大许多的能量辐照地球。然而，太阳能电池电力迄今为 止仍过于昂贵而不能与核能、热能等相竞争。如果要实现太阳能电池 电力的巨大潜力，这需要改变。

来自太阳能板的电力的成本是能量转换效率与该太阳能板生产成 本的函数值。因此，用于降低太阳能电池电力成本的一个策略是增加 能量转换效率。

现有技术

在当今的光伏(PV)工业中，从锭块切割用于PV应用的多晶晶 片，该锭块基于布里奇曼(Bridgman)法通过定向凝固(DS)在熔炉 中铸造。这些工艺中主要的挑战是保持硅原料的纯度。两个引起污染 问题的元素是氧和碳。

根据“Handbook of Photovoltaic Science and Engineering(光伏科学 和工程手册)”，John Wiley & Sons，2003，存在的问题是，氧化物或含 氧化物的材料与熔融金属接触(包括通过隔离涂层的迁移)将氧引入 熔融金属中。氧导致从熔体蒸发的SiO气体的形成，并且SiO气体随 后将与热区中的石墨反应形成CO气体。CO气体进入硅熔体并因此将 碳引入固体硅中。也就是说，在热区中使用氧化物或含氧化物的材料会 引起一系列的反应，导致将碳和氧均引入固体硅中。与布里奇曼法相关 的典型数值是2～6×10¹⁷/cm²的间隙氧水平和2～6×10¹⁷/cm²的取代碳。

硅金属中碳的增加会导致形成针状SiC晶体，特别是在锭块的最 高区域中。这些针状SiC晶体已知为半导体电池中的短路pn结，导致 电池效率剧烈降低。间隙氧的增加可能在形成的硅金属退火后导致氧 沉淀和/或再结合活性氧络合物。

发明目的

本发明的主要目的在于提供高纯度半导体级硅锭块的生产方法， 该方法充分减少/消除了硅金属的碳和氧的污染问题。

本发明的另一目的是提供用于实施本发明方法的装置。

本发明的目的可以通过以下本发明说明书中和/或附随的权利要 求中阐明的特征来实现。

发明概述

本发明基于以下实现，即硅的碳和/或氧污染的问题与熔炉中的热 还原环境中氧化物或含氧化物材料的存在有关，且目前在热区中使用 的材料，诸如电绝缘、坩埚、承载构建元件和热绝缘可以用不含氧化 物的材料代替。

因此，本发明的第一方面提供了用于生产半导体级硅锭块的方法， 其中通过以下步骤充分减少或消除了热区中氧的存在：

-在由氮化硅、碳化硅或这些的复合物制成的坩埚中，结晶半 导体级硅锭块，任选还包括进料硅材料的熔融，该坩埚任选用无氧化 物的隔离涂层涂覆，

-在硅锭块结晶期间，将坩埚容纳在具有惰性气氛的密封热区 中，任选还包括进料硅材料的熔融，

-至少在热区中使用包括热绝缘元件的承载构建元件，该构建 元件由碳和/或石墨材料制成，并且

-至少在热区中使用电绝缘元件，该电绝缘元件由氮化硅Si3N4 制成。

根据本发明第一方面的方法可以用于任何已知的工艺，包括用于 半导体级硅锭块、包括太阳能级硅锭块的结晶，诸如布里奇曼法或相 关的定向凝固方法、块浇铸方法和用于硅单晶生长的CZ法。

本发明的第二方面提供了用于制造单晶或多晶的半导体级硅锭块 的装置，其包括具有惰性气氛的密封热区，其中

-至少在热区中包括热绝缘元件的该装置的所有承载构建元件 由碳和/或石墨材料制成，

-至少在热区中的电绝缘由氮化硅Si₃N₄制成，和

-坩埚由氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)或者这些的复合物制 成，任选用无氧化物的隔离涂层涂覆。