利用局部冷却来生长带状晶体的方法和设备的利记博彩app

专利名称：利用局部冷却来生长带状晶体的方法和设备的利记博彩app
技术领域：
本发明总体涉及晶体生长，并且更加具体地，本发明涉及带状晶 体的生长。
背景技术：
硅片是很多种半导体装置，诸如太阳能电池、集成电路和MEMS 装置的构造块。例如，Marlboro, Massachusetts的Evergreen Solar， Inc.
由通过熟知的"带状拉制"技术制造的硅片形成太阳能电池。
带状拉制技术使用已证实的工艺来生产高质量硅晶。然而，这种 工艺可生产具有容易断裂的相对薄的区域的带状晶体。例如，图1示 意性示出现有技术带状晶体10A的一部分的剖视图。该剖视图示出所 谓的"颈部区域12"，该颈部区域相对于带状晶体12的其余部分的厚 度是薄的。
为了避免该问题，常规的带状拉制熔炉可具有弯月成形器，以改 变生长的带状晶体与熔融的硅之间的界面的形状和高度，因此消除颈 部区域12。虽然对于该问题来说是有利的，但必须以规则的间隔清洁 弯月成形器，以保证适当的熔炉操作。因此，必须暂停整个晶体生长 工艺，以清洁弯月成形器，因此减小产率。此外，弯月成形器清洁需 要手动/操作者干预，因此提高了生产成本。

发明内容
根据本发明的一个实施例， 一种生长带状晶体的方法将至少两根 线穿过熔融材料，以产生部分形成的带状晶体。该方法也对流冷却部 分形成的带状晶体的给定部分。部分形成的带状晶体具有大体上由所述线中的一根所限定的边 缘、与该边缘间隔开的向内部分和在该边缘与向内部分之间的给定部 分。当对流冷却时，该方法可使给定部分的厚度大于向内部分的厚度。 在一些实施例中，对流冷却可包括改变对流冷却以改变界面的位置。 给定部分因此具有作为界面的位置的函数的厚度。
在各种实施例中，通过将流体流束导向给定部分而实现对流冷却。 例如，流体输送设备可导向流体流束，以冲击给定部分。实际上，流 体流束也可(在接触给定部分之后)接触部分形成的带状晶体的第二 部分并且也冷却第二部分。
除了对流冷却生长的带状晶体外，流体输送设备可辐射冷却给定 部分。
在生长时，部分形成的带状晶体具有带宽度。给定部分也可具有 不大于大约一半带宽度的宽度。
根据本发明的另一实施例， 一种生长带状晶体的方法提供包含熔 融材料的坩锅，并将至少两根线穿过熔融材料，以生产部分形成的带 状晶体。然后，该方法将流体导向部分形成的带状晶体的给定部分，
以对流冷却给定部分。
根据本发明的其他实施例， 一种用来形成带状晶体的设备具有用 于包含熔融材料的坩锅。坩锅形成线孔，该线孔用来将线穿过熔融材 料，以便生长带状晶体。该设备也具有气体喷嘴，该气体喷嘴的出口 面向内，以便将气体大致向内导向正在生长的带状晶体。
在一些实施例中，气体喷嘴与坩锅水平间隔开。此外，在其他实 施例中，该设备具有第二气体喷嘴。第一气体喷嘴沿第一方向导向气
6体，并且第二气体喷嘴沿第二方向导向气体。第一和第二方向示例性 地为不同的方向并且大致平行。例如，第一气体喷嘴和第二气体喷嘴 可产生大体上共轴的相应的气体流束。
一些实施例也可包括穿过线孔的线和正在生长的带状晶体。


从下面参考紧接概述的附图论述的"具体实施方式
"，本领域技
术人员将更充分地理解本发明的各个实施例的优点。
图1示意性示出现有技术带状晶体的局部剖视图。
图2示意性示出可根据本发明的示例性实施例生产的带状晶体的
顶视图。
图3示意性示出图2的带状晶体跨过线3-3的剖视图。
图4示意性示出本发明的示例性实施例的带状晶体熔炉实施的一部分。
图5示意性示出形成工艺中的带状晶体。
图6示出根据本发明的示例性实施例形成带状晶体的部分工艺。
具体实施例方式
本发明的示例性实施例形成没有如图1中所示的细颈区域的带状 晶体。因此，带状晶体将较小倾向于在那个通常的区域断裂。为此， 各种实施例使用对流冷却技术来局部冷却正在生长的带状晶体的一个 或多个特定区域。下面论述各种实施例的细节。
图2示意性示出根据本发明示例性实施例配置的带状晶体IOB。 以类似于其他带状晶体的方式，该带状晶体10B具有大致矩形形状和 其前部上的相对大的表面区域和背面。例如，带状晶体10B可具有大 约3英寸的宽度和6英寸的长度。如本领域技术人员已知的，根据带 状晶体生长时操作者选择切割带状晶体10B的部位，长度可以显著变 化。此外，根据其两根线14 (见图3)的分离，宽度可变化。因此，特定长度和宽度的论述是示例性的且不意图限制本发明的各种实施 例。此外，带状晶体10B的厚度变化且相对于其长度和宽度尺寸很薄。
更具体地，图3示意性示出图2的带状晶体10B跨过线3-3的剖 视图。作为初步方案，应当注意，图3没有按比例绘制。而是应当看 作仅用于描述目的的示意图。特别地，带状晶体10B由硅(例如多晶 硅)封装的一对线14形成。虽然线14由硅包围，线14和线14外部 的硅大体形成带状晶体10B的边缘。
带状晶体10B也可被认为具有三个邻接部分；即，第一线14穿过 的第一端部段16、中间段18、和第二线14穿过的第二端部段20。在 示例性实施例中，中间段18组成带状晶体10B的总长度的大约75%。 因此，第一和第二端部段16和20 —起组成带状晶体10B的总长度的 大约25%。
如所示那样，当从第一端部段16的边缘横穿到第一端部段16和 中间段18的边界时，带状晶体10B的厚度大体上增加。该厚度随后开 始减小，直到中间段18的大约通常的中心，并且随后从中间段18的 通常的中心增加到中间段18和第二端部段20的边界。以类似于第一 端部段16的方式，当从第二端部段20的边缘横穿到第二端部段20和 中间段18的边界时，带状晶体10B的厚度大体上增加。因此，端部段 16和20均不具有诸如图1中所示的易碎颈部12。
作为示例，带状晶体10B可被认为具有在图3中箭头A-A之间(即 第一段内)大体上标识的第一部分，和在图3中在箭头B-B之间(即 中间段18内)类似地标识的内部部分。在边缘与内部部分B-B之间的 第一部分A-A的厚度大于内部部分B-B的厚度。例如，第一部分A-A 可具有大约250微米的厚度，而内部部分B-B可具有大约200微米的 厚度。当然，带状晶体10B的不同部分可具有类似于部分A-A与B-B 之间关系的类似关系。例如，带状晶体边缘附件的另一部分可具有比一些更向内的部分大的厚度。
应当注意，相对厚度、尺寸、和大小的论述是示例性的并且不意 图限制本发明的所有实施例。例如，端部段16和20的厚度可以大体
上恒定，而中间段18的厚度增加。作为另一示例，由于制造公差，厚 度可能跨过整个带状晶体10B大体上一致，或者厚度可替代地在段16、 18或20中的一个或段16、 18和20中超过一个内更大或更小。作为又 一实施例，两个端部段一起可组成带状晶体10B的总长度的超过一半， 而中间段18组成带状晶体10B的总长度的小于一半。
示例性实施例可使用图4中所示的熔炉22来生产图2和3中所示 的带状晶体IOB。图4示意性示出使用中的这种熔炉22，并且因此示 出熔融的硅和正从熔融的硅拉出的带状晶体IOB。具体地，图4中所示 的熔炉22具有支撑包含所述熔融硅的坩锅26的支撑结构24。此外， 熔炉22也可具有多个冷却条28，该冷却条提供一些辐射冷却效果。冷 却条28是可任选的并且因此可从烙炉22省略。
坩锅26形成一对线孔30 (仅示出其中一个)，以便容纳两根高温 线14，所述高温线最终形成正在生长的硅带状晶体10B的边缘区域。 在一些实施例中，坩锅26具有多对线孔30 (例如四对线孔30)，以 同时生长多根带状晶体IOB。
坩锅26可由石墨形成，并且优选由电阻加热到能将熔融硅维持在 其熔点之上的温度。此外，图4中所示的坩锅26的长度大于其宽度。 例如，柑锅26的长度可以是其宽度的三倍或更多倍。当然，在一些实 施例中，坩锅26不以这种方式延长。例如，坩锅26可具有稍微正方 形形状或非矩形形状。
根据示例性实施例，熔炉22能够冷却正在生长的带状晶体IOB， 以便大体上消除上面参考图1论述的易碎颈部12问题。具体地，熔炉22具有冷却正在生长的带状晶体10B的特定部分(例如第一和/或第二
端部段16和20)的冷却设备，因此有效地在那些区域中增加其厚度。
为此目的，本发明人意外发现，可以使用对流冷却技术来实现这 个目标。更具体地，熔融的硅典型地维持在很高的温度，诸如维持在 超过大约1420摄氏度的温度。例如，熔融的硅可维持在1420摄氏度 与1440摄氏度之间的温度。如本发明人理解的，本领域技术人员通常 不使用对流冷却来冷却接近那些温度的物体。
然而，本发明人意外发现，对流冷却在这种情况下满足要求，尤 其因为每个冷却设备仅冷却正在生长的带状晶体10B的很小部分。这 种小的区域的总质量相应地很小，并且与其厚度相比具有相对大的表 面面积。因此，给定这些条件，本发明人发现对流冷却可以满足期望 的应用。
因此，为此目的，图4中所示的实施例具有多个气体喷嘴32，其 出口大体上将气体导向正在生长的带状晶体0B的不同部分。如所示 那样，每个正在生长的带状晶体10B具有两个相关联的成对气体喷嘴 32。 一对气体喷嘴32冷却带状晶体10B的第一端部段16，而第二对气 体喷嘴32冷却带状晶体10B的第二端部段20。成对的每个喷嘴32示 例性地冷却带状晶体10B的大体上相同部分的相对侧。因此，图4中 示出的每个喷嘴对中的喷嘴32使气体流沿大体上平行但相反的方向导 向。例如，喷嘴对中的一个喷嘴32的气体流束可以与这对喷嘴中的另 一喷嘴32产生的气体流束大体上同轴(虽然两个流束由于正在生长的 带状晶体IOB提供的分离而不混合)。
为改善冷却功能的控制，气体喷嘴32优选向带状晶体10B提供大 体上柱状气体流。为此目的，示例性实施例使用相对于其内孔的内径 相对长的管。例如，管的长度对其内径的比率可以为大约IO或更大。 因此，该管可具有大体上恒定的大约l毫米的内径和大约12毫米的长度。
气流流束中每一个示例性地直接冲击带状晶体10B的相对小的部 分。实际上，这个相对小的部分可以小于意图冷却的整个段/部分、诸 如第一端部段16。例如，柱状气体流束的通常的中心可以旨在接触带 状晶体IOB，竖直地离开晶体边缘大约1毫米，并且水平地位于熔融的 硅和正在生长的带状晶体10B的界面(在下面论述并且由附图标记34 标识)的上方大约1毫米处。然而，与该相对小的部分的接触可将气 体的温度增加到一定程度，但不一定消除其后续的冷却效果。因此， 在冲击带状晶体10B的这个小的部分之后，气体移动到接触带状晶体 IOB的另一部分，因此通过设计也冷却那个另一部分。最后，气体耗散 且/或剩余气体变热到不再具有冷却带状晶体10B的能力的温度。因此， 可认为该气体在其接触带状晶体10B时形成冷却梯度。因此，通过示 例的方式，气体喷嘴32可通过这种主和次冷却效果大体上冷却带状晶 体10B的整个第一端部段16。
冷却的区域的总尺寸取决于许多不同因素。特别地，这种因素可 包括气体流率、气体类型、喷嘴32尺寸、正在生长的晶体10B的速度、 熔融的硅的温度和气体喷嘴32的位置。
示例性实施例可使用许多类型气体和流率中的任何气体和流率来 控制正在生长的带状晶体10B的局部厚度。例如， 一些实施例使用以 等于每分钟40升的速率流动的氩气。流率应当基于许多因素来确定， 这些因素包括从喷嘴32的出口到正在生长的带状晶体10B的距离、带 状晶体10B的期望冷却面积、正在生长的带状晶体10B的质量和气体 的温度。然而，应当注意，保证流率不大到它能损坏正在生长的带状 晶体10B的程度。因此，虽然较大的流率可改善冷却，但它可能损坏 带状晶体IOB。
此外，在上面的示例中，可以从喷嘴32在100摄氏度与400摄氏度之间的温度(例如200摄氏度)发射出氩气。当然，可以使用具有 其他特性的其他气体。因此，氩气和特定温度的论述不应当限制本发 明的各个方面。
除了对流冷却正在生长的带状晶体10B夕卜，气体喷嘴32也可充当 辐射冷却的源。具体地，在示例性实施例中，气体喷嘴32由有效充当 散热器的材料形成。例如，气体喷嘴32可由石墨形成。因此，当布置 成相对紧密靠近正在生长的带状晶体10B时，气体喷嘴材料局部吸收 热，因此增进对正在生长的带状晶体10B的期望部分的冷却效果。因 此，可认为每个气体喷嘴32提供两个冷却源；即对流冷却和辐射冷却 的源。
然而，在替代实施例中，气体喷嘴32不是由能够辐射冷却正在生 长的带状晶体10B的材料形成。替代的，喷嘴32可由一种材料形成， 对正在生长的带状晶体IOB，该材料没有提供比可忽略的冷却效果更多 的效果。
应当注意，特定的气体喷嘴32能够放置在任何数量的不同部位。 例如，胜于(或除了)将它们布置成冷却第一和第二端部段16和20 的部分或全部，气体喷嘴32也可布置成冷却中间段18的部分或全部。 作为另一示例，熔炉22可在带状晶体10B的一侧上比带状晶体10B的 另一侧上具有更多气体喷嘴32。因此，应用的性质决定气体喷嘴32的 数量和位置。
坩锅26可以从熔炉22拆卸。为了这么做，当关闭熔炉22时，操 作者可仅从熔炉22竖直地提起坩锅26。为了简化拆卸，气体喷嘴32 优选从柑锅26的竖直平面水平间隔开，以方便拆卸。例如，如果坩锅 26具有大约4厘米的宽度，则给定对的气体喷嘴32间隔开大于大约4 厘米，因此提供足够的空隙，以便易于拆卸坩锅。此外，每个气体喷嘴32的竖直位置影响带状晶体10B的厚度。具
体地，如背景技术那样，正在生长的带状晶体10B会合熔融的硅的点 通常称为"界面"。如图5中所示，界面34有效地形成从熔融的硅的 顶表面竖直向上延伸的弯月的顶部。弯月的高度影响带状晶体厚度。 特别地，当与较短的弯月的顶部处的厚度相比时，高的弯月在其顶部 具有很薄的厚度。
如本领域技术人员已知那样，这个区域处和附近的厚度决定正在 生长的带状晶体10B的厚度。换句话说，正在生长的带状晶体10B的 厚度是界面34的位置或高度的函数。如本领域技术人员也已知那样， 弯月周围区域的温度控制弯月/界面34高度。具体地，如果那个区域的 温度较低，则弯月/界面34将比温度较高的情况低。
因此，气体喷嘴32的冷却效果直接控制弯月的高度，弯月的高度 因而控制正在生长的带状晶体10B的厚度。因此，熔炉22构造成控制 系统参数，诸如气体流率、气体流的温度、气体喷嘴32的间隔等，从 而控制界面34的高度。这可以在生长期间或在开始生长工艺之前改变， 从而改变界面34的位置。
在一些实施例中，气体喷嘴32是可拆卸的。例如，气体喷嘴32 可固定地布置，但可枢转。作为另一示例，气体喷嘴32可以以可滑动 的方式连接，以沿熔炉22水平移动。
图6示出形成带状晶体10B的部分的简化的工艺。在第一步骤之 前，柑锅26填充有熔融的硅。因此，该工艺在步骤600开始，步骤600 将线14穿过坩锅26中的线孔30。在线从熔融的硅露出时，这些线14 有效地形成正在生长的带状晶体IOB。
该工艺继续到步骤602，步骤602冷却正在生长的带状晶体10B 的一个或多个部分。如上所述，该工艺可以仅对流冷却，或者对流冷却和辐射冷却。
因此，通过对流冷却正在生长的带状晶体IOB，示例性实施例显 著减轻由上述颈部引起的断裂问题。这将增加产率，而不需要对为类 似目的而添加的部件进行劳动密集的清洁操作。
虽然上面论述公开了本发明的各种示例性实施例，但显而易见的 是，本领域技术人员可以作出实现本发明的一些优点的各种修改，而 不偏离本发明的真实范围。
权利要求
1.一种生长带状晶体的方法，所述方法包括将至少两根线穿过熔融材料，以产生部分形成的带状晶体；以及对流冷却所述部分形成的带状晶体的给定部分。
2. 如权利要求l所限定的方法，其中所述部分形成的带状晶体具有大体上由所述线中的一根限定的边缘，所述部分形成的带状晶体也 具有与所述边缘间隔开的向内部分，所述给定部分处于所述边缘与所 述向内部分之间，对流冷却步骤包括使所述给定部分的厚度大于所述 向内部分的厚度。
3. 如权利要求1所限定的方法，其中所述部分形成的带状晶体与所述熔融材料形成界面，其中对流冷却步骤包括改变所述对流冷却以 改变所述界面的位置，所述给定部分具有作为所述界面的位置的函数 的厚度。
4. 如权利要求1所限定的方法，其中对流冷却步骤包括导向流体 流束朝向所述给定部分。
5. 如权利要求4所限定的方法，其中流体输送设备导向所述流体 流束以冲击所述给定部分，所述流体流束在接触所述给定部分之后接 触所述部分形成的带状晶体的第二部分，所述流体流束冷却所述第二 部分。
6. 如权利要求4所限定的方法，其中流体输送设备导向所述流体 流束朝向所述给定部分，所述流体输送设备辐射地冷却所述给定部分。
7. 如权利要求l所限定的方法，其中所述部分形成的带状晶体与 所述熔融材料形成界面，此外，对流冷却步骤包括导向气体的流束以接触所述给定部分的特定位置，所述特定位置与所述界面间隔开。
8. 如权利要求l所限定的方法，其中所述部分形成的带状晶体具 有带宽度，所述给定部分具有不大于大约所述带宽度一半的宽度。
9. 一种生长带状晶体的方法，所述方法包括 提供容纳熔融材料的坩锅；将至少两根线穿过所述熔融材料，以产生部分形成的带状晶体；以及将流体导向所述部分形成的带状晶体的给定部分，所述流体对流 冷却所述给定部分。
10. 如权利要求9所限定的方法，其中所述部分形成的带状晶体具有大体上由所述线中的一根限定的边缘，所述部分形成的带状晶体 也具有从所述边缘间隔开的向内部分，所述给定部分处于所述边缘与所述向内部分之间，导向步骤包括使所述给定部分的厚度大于所述向 内部分的厚度。
11. 如权利要求9所限定的方法，其中导向步骤包括提供将所述 流体导向所述给定部分的喷嘴，所述喷嘴辐射地冷却所述给定部分。
12. 如权利要求11所限定的方法，其中所述喷嘴导向所述流体流束以冲击所述给定部分，所述流体流束在接触所述给定部分之后接触 所述部分形成的带状晶体的第二部分，所述流体流束冷却所述第二部 分。
13. 如权利要求9所限定的方法，其中所述流体包括从喷嘴向所 述给定部分吹出的气体，所述气体处于大约100-400摄氏度之间的温 度。
14. 如权利要求9所限定的方法，其中所述部分形成的带状晶体 与所述熔融材料形成界面，此外，所述流体接触所述给定部分的特定 位置，所述特定位置与所述界面间隔开。
15. —种用于形成带状晶体的设备，所述设备包括坩锅，所述坩埚用于容纳熔融材料，所述坩锅形成线孔，所述线 孔用于将线穿过所述熔融材料，以便生长带状晶体；和气体喷嘴，所述气体喷嘴具有面向内的出口，以便将气体大致向 内地导向所述正在生长的带状晶体。
16. 如权利要求15所限定的设备，其中所述气体喷嘴包括辐射冷却材料。
17. 如权利要求16所限定的设备，其中所述辐射冷却材料包括石墨。
18. 如权利要求15所限定的设备，其中所述气体喷嘴与所述坩锅 水平间隔开。
19. 如权利要求15所限定的设备，还包括第二气体喷嘴，第一气 体喷嘴在第一方向上导向气体，第二气体喷嘴在第二方向上导向气体， 所述第一和第二方向为不同的方向且大体平行。
20. 如权利要求19所限定的设备，其中所述第一气体喷嘴和第二 气体喷嘴产生大体上共轴的相应的气体流束。
21. 如权利要求15所限定的设备，还包括穿过所述线孔的线和正 在生长的带状晶体。
全文摘要
一种生长带状晶体的方法，该方法提供容纳熔融材料的坩锅，并将至少两根线穿过熔融材料，以生产部分形成的带状晶体。然后，该方法将流体导向部分形成的带状晶体的给定部分，以对流冷却给定部分。
文档编号C30B15/14GK101688324SQ200880017732
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月27日 优先权日2007年6月8日
发明者大卫·哈维, 斯科特·赖特斯玛, 理查德·华莱士, 黄卫东 申请人:长青太阳能股份有限公司