[发明专利]制造半导体级硅晶锭的方法、可再使用的坩埚及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造半导体级硅晶锭的方法、用于所述方法中的可再使用的坩埚以及制造所述可再使用的坩埚的方法，所述半导体级硅包含太阳能级硅。

背景技术

在未来几十年，石油的全球供应将逐渐耗尽。这意味着，在几十年内，必须代替上个世纪我们的主要能源，以既满足目前的能量消耗又满足全球能量需求的日益增加。

另外，更多关注的是，化石能源的使用将地球的温室效应提高至会带来危害的程度。由此，应优选通过对于我们的气候和环境是可更新且可持续的能源/载体来置换目前消耗的化石燃料。

一种这种能源是太阳光，其以比目前日耗的能量多得多地照射到地球上，所述日耗包括所有可预见的人类能量消耗方面的增长。收集这种源的一种方式是使用光伏太阳能电池。然而，截至目前，太阳能电池的电力太昂贵而不具有竞争性。如果要实现太阳能电池电力的巨大潜力，需要对此作出改变。

源自太阳能电池板的电力的成本是能量转换效率和太阳能电池板的制造成本的函数。太阳能电池的制造成本和能量效率两者都应提高。

目前，多晶晶片的硅基太阳能电池板的主要工艺路线是将多晶晶锭切割成块并然后进一步切割成晶片。通过使用布里奇曼（Bridgman）法或相关技术进行定向凝固来形成多晶晶锭。在晶锭制造中的主要困难是保持硅原材料的纯度并在晶锭定向凝固期间实现对温度梯度的充分控制，从而得到令人满意的晶体品质。

关于污染的问题，主要与坩埚材料相关，因为坩埚与熔融硅直接接触（或通过防粘涂层间接接触）。碳在硅中的累积会导致形成SiC晶体，尤其是在晶锭的最上层区域中。已知这些SiC晶体会使半导体电池的pn-结短路，导致电池效率明显下降。间隙氧的累积会导致氧沉淀物和/或在对形成的硅进行退火之后对活性氧络合物进行重组。因此，坩埚材料应对熔融硅呈惰性并承受高达约1500℃的高温且持续相对长的时间。

坩埚材料对于实现温度的最佳控制也是重要的，因为通过在坩埚垫下面的区域中保持更低的温度，产生用于结晶热的热沉并将热从炉子的上部通过硅熔体、硅晶体、坩埚底和垫板传输，实现在这些制造方法中在晶锭凝固期间的热的除去。炉子的上部由垫板上方的空间构成，包括坩埚或具有内容物的坩埚。通过根据热传导的傅里叶定律进行的热传导，控制通过坩埚底并进一步通过垫板的热传递。

在目前基于布里奇曼方法的工业生产中，通常将坩埚放置在尺寸足以承载装料坩埚的载荷的石墨平台上。关于机械稳定性所需要的厚度为3～10cm。各向同性的石墨的热导率为50～100W/mK。

源自硅的结晶热的热通量、从顶部加热器到底部加热器通过晶锭和坩埚传递的热以及储存在热区域中的材料中的热理想地应垂直取向，即不存在横向分量。然而，在目前的实践中，各种已知的炉子设计都具有热的横向传递的特征。这造成热应力并在结晶硅中产生位错。

二氧化硅（熔融二氧化硅），SiO₂，目前是用于坩埚和模具应用的优选材料，因为其可以以高纯形式获得。当用于定向凝固法时，二氧化硅被熔融硅润湿，导致在晶锭与坩埚之间产生强的粘合。在晶锭冷却期间，所述强的粘合因硅的热膨胀系数比二氧化硅的高造成的机械张力的累积而导致晶锭破裂。在炉法工艺中，坩埚中的二氧化硅材料从玻璃体转变为部分结晶的相。在冷却期间，结晶的SiO₂发生相变，造成破裂。鉴于此，二氧化硅坩埚仅可使用一次。这明显提高了晶锭的制造成本。

此外，用于制备坩埚的熔融二氧化硅材料的热导率为约1～2W/mK。坩埚壁和底通常具有1～3cm的厚度。由此，在目前工业所采用的构造中，坩埚底是主要的热阻。在典型坩埚底的厚度为约2cm且垫板的厚度为5cm的条件下，在越过坩埚底上存在总温差的90～98%。由此，热去除的可实现速率受到二氧化硅坩埚的大热阻的限制。此外，对例如存在于横向上的热通量的改变的所有尝试，受到对控制热通量的可能性非常有限的阻碍。

使用二氧化硅坩埚也会引发硅晶锭污染的问题，因为Si和SiO₂的反应产物是气态SiO，其随后会从熔融相中逸出并与热区域中的石墨反应而形成CO气体。所述CO气体易于进入硅熔体中并由此将碳和氧引入硅中。即，使用含氧化物的材料的坩埚，会引发一系列反应，导致在固体硅中引入碳和氧两者。关于布里奇曼法的典型值是1×10¹⁷～6×10¹⁷/cm³的间隙氧含量和1×10¹⁷～6×10¹⁷/cm³的取代的碳。通常，碳作为SiC沉淀物以超过饱和量的含量存在。