CN101089233A - 多晶硅锭制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种利用冷却板使坩埚中的熔融硅凝固，从而制造形成均匀晶粒的太阳能电池用多晶硅锭的装置。本发明所提供的多晶硅锭制造装置包含用于使硅熔融的坩埚、用于调节所述坩埚高度的移送轴、用于加热所述坩埚的加热器以及位于所述坩埚下部而用于冷却所述坩埚的冷却板。

Description

多晶硅锭制造装置
技术领域
本发明涉及一种硅锭(silicon ingot)制造装置，尤其涉及用于制造太阳能电池用多晶硅锭的装置。
背景技术
最近，随着对太阳能电池的需求以每年百分之几十左右的速度增加，太阳能电池用多晶硅锭的需求也是年年大幅增加。一般而言，太阳能电池用多晶硅锭是在石英或石墨坩埚中填充硅原料之后通过熔融及定向凝固过程进行制造的。
图1为现有的硅锭制造装置的剖面图。
由美国专利第6,136,091号所公知的现有硅锭制造装置包含由在其内部形成热区(Hot zone)的工艺室构成的主体140、盛放硅原料的石英或石墨坩埚170、用于支撑石英或石墨坩埚170的支撑单元(未图示)、为了提供使硅原料熔融的辐射热能而布置在坩埚170周围的组装型四角加热器110、为了隔断释放到坩埚170周围的热量而布置在坩埚170及组装型四角加热器110周围的隔热部件190以及具有冷却水流入管路150及冷却水流出管路180的用于控制装置温度的冷却罩160等。由此，在石英或石墨坩埚内部涂敷坩埚保护层并填充硅原料之后，将坩埚和已完成的组装型四角加热器组装到铸造装置上。
如此将坩埚和组装型四角加热器设置于铸造装置内部之后，清除装置内的空气而制造真空环境，接着再向真空状态的装置内供应氩气使内部压力恢复常压。将这一过程反复进行三次以上。为了冷却装置壁面而供应冷却水，接着向组装型四角加热器供应电源将坩埚内部温度加热到1,450℃以上，然后将这种状态维持2小时以上。当填充到坩埚内部的硅完全熔融时，对供应到组装型四角加热器的电源进行控制，使坩埚从下部开始向上部发生冷却。
但是，只是通过控制供应到加热器的电源来进行冷却时，从坩埚下部开始的冷却情况并不均衡，因此难以使晶体均匀地成长，并导致硅锭物理性质的不均匀性。
日本专利第11092284号、第11116386号为了改进温度控制而在坩埚支撑台中心部分设置移送轴使坩埚170能够上下移动。但是，这种方案存在供应到坩埚170上的热量通过移送轴向外部扩散而发生热量损失的问题。
发明内容
本发明是为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于提供一种利用冷却板使坩埚中的熔融硅凝固，从而制造形成均匀晶粒的太阳能电池用多晶硅锭的装置。
本发明所提供的多晶硅锭制造装置包含用于使硅熔融的坩埚、用于调节所述坩埚高度的移送轴、用于加热所述坩埚的加热器以及位于所述坩埚下部而用于冷却所述坩埚的冷却板。
附图说明
图1为现有的多晶硅锭制造装置的剖视图；
图2为依据本发明所提供的多晶硅锭制造装置的剖视图；
图3至图7为依据本发明所提供的硅锭制造装置的工序图。
主要符号说明：210为工艺室，211为第一隔热板，212为第二隔热板，213为第三隔热板，221为第一加热器，222为第二加热器，230为坩埚，240为支撑台，251为第一移送轴，252为第二移送轴，260为冷却板，270为熔融硅，280为移送夹具(jig)。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的优选实施例。在此之前需要说明的是，本说明书及权利要求书中所使用的术语或词语不能限定解释为通常的含义或辞典中的含义，而应当立足于为了以最佳方式说明其发明发明人可以对术语的概念进行适当定义的原则解释为符合本发明技术思想的含义和概念。
随之，本说明书所记载的实施例和附图中表示的结构只是本发明最佳实施例之一，并不能完全代表本发明的技术思想，因此应该理解到对于本发明而言可能会存在能够进行替换的各种等同物和变形例。
图2为依据本发明所提供的多晶硅锭制造装置的剖视图。
在O环(O-ring)型工艺室210内设有用于熔解硅的坩埚230。工艺室210壁面内部设有管，由冷却水管路(未图示)供应的冷却水在其中流动。而且，由于设有温度传感器，因此可以测定工艺室温度。
根据本发明，用于形成工艺室210内真空环境的泵可以使用增压泵(booster Pump)及旋转式泵(rotary pump)。而且，为了维持适当的真空度，使用初级阀(roughing valve)和节流阀(throttle valve)。
坩埚230下部设有碳材料支撑台240，为了加热坩埚230在坩埚230周围设有第一及第二加热器(221、222)。加热器与从工艺室外部连接过来的电源供应装置(未图示)相连，由此根据所供应的电源产生热量。该热量通过设在加热器附近的多个温度传感器表示在控制部。支撑台240下部设有用于上下移动坩埚230的第一移送轴251。第一移送轴251设在支撑台240的四个角落。通常，当移送轴设在支撑台中心部分时，供应到坩埚230的热量通过移送轴扩散到外部而发生热量损失，但是当移送轴251设在支撑台角落部分时，可以将这种热量损失最小化。设在坩埚230下部的第二加热器222由可以进行开闭的两个加热器构成，该两个加热器在加热坩埚230时被关闭，但是加热结束之后在为了冷却而根据第一移送轴251的动作将坩埚230向下移动之前通过水平运动的移送夹具280向相邻的工艺室壁面移动而被打开。
第二加热器222下部设有由两个隔热板构成的第二隔热板212，该第二隔热板212与第二加热器222一样可以通过水平运动的移送夹具280进行开闭。在坩埚230通过第一移送轴251向下移动之前，第二隔热板212与第二加热器222一样水平移动而被打开。
第二隔热板212下部设有冷却板260，用来对被加热的坩埚230进行冷却。使用冷却板260可以加快冷却速度而将冷却效率最大化。最终可以通过适当地调节冷却速度来使熔融硅凝固工艺最优化。
本发明所提供的工艺室可以通过控制板自动控制工艺室内部真空度、加热器温度、工艺室温度、加热时间以及各构成要素。
图3至图7表示对熔融硅进行冷却的工艺。
首先，在工艺室210内的坩埚230中装入高纯度硅原料，并对工艺室210进行密闭。
根据本发明的实施例，除了硅原料之外可以添加n型或p型杂质而控制多晶硅的电学特性。
利用泵和阀在密闭的工艺室210内部维持10-2至10-4torr范围的真空度。接着起动第一及第二加热器(221、222)加热坩埚230。当坩埚230被加热时，装入的硅逐渐开始熔融。当完成熔融时，需要重新冷却坩埚230使熔融硅270凝固。
如图3所示，为了利用冷却板260凝固熔融硅270，首先降低第一加热器221温度并切断第二加热器222电源。其次，起动第二移送轴252将第三隔热板213向下移动，从而露出第二加热器222和第二隔热板212。随着坩埚230热量释放到露出的部分，熔融硅270开始部分凝固。
此时，如图4所示，起动移送夹具280使第二加热器222和第二隔热板212在第一隔热板211和第三隔热板213之间所形成的空间中水平移动而被打开。
依据本发明所提供的隔热板211、212、213可以形成为多个层，由此调节坩埚冷却速度。
接着，如图5所示，在贴附于坩埚230下部的支撑台240上接触冷却板260之后，移动第一移送轴251。
本发明所提供的冷却板260可以采用在内部流动流体制冷剂，例如冷却水的水冷方式。利用冷却板260促进坩埚230下部冷却时，熔融硅270从接触冷却板的坩埚下部开始凝固，并由下部向上部方向发生凝固。此时，通过调节移送轴(251、252)的上下移送速度、冷却板260内流动的制冷剂温度、加热器温度等因素控制冷却速度。坩埚230在通过冷却板260进行冷却的同时下降而使冷却效果最大化，并与第三隔热板213接触。如果通过冷却板260使熔融硅270完成凝固，则将坩埚230重新移送到上部并加热第一及第二加热器(221、222)而在900℃至1200℃范围内追加进行退火工艺。
本发明所提供的退火工艺有助于使多晶硅内的各种缺陷最小化，这些缺陷是熔融硅270在通过凝固而进行晶体成长的过程中因热应力等因素而发生的。
完成退火工艺之后，如图7所示，在工艺室210内注入吹扫气体(PurgeGas)，当工艺室210内压力达到常压时打开工艺室210取出凝固的试料。
根据本发明实施例，如果为了形成多晶硅锭而利用硅晶种(seed)，则可以制造在晶体成长面方位上以111面为中心的多晶硅，从而可以制造以与111面法线夹角在30°以内的面为中心的晶体占40％以上的多晶硅。
上述过程根据输入到控制部的设定值自动进行。
以上，以优选实施例图示并说明了本发明，但本发明并不限定于上述实施例，在不脱离本发明技术思想的范围内，本发明所属技术领域的具有通常知识的人员可以进行各种变形和修改。
本发明的多晶硅锭制造装置利用冷却板来凝固在坩埚中熔融的硅，从而可以制造缺陷少且形成均匀晶粒的太阳能电池用多晶硅锭，因此具有显著而有益的效果。

Claims (9)

1、一种多晶硅锭制造装置，其特征在于包含：
用于使硅熔融的坩埚；
用于调节所述坩埚高度的移送轴；
用于加热所述坩埚的加热器；
位于所述坩埚下部而用于冷却所述坩埚的冷却板。
2、根据权利要求1所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于所述移送轴设在贴附于所述坩埚下部的支撑台的角落。
3、根据权利要求2所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于所述加热器设在所述坩埚周围。
4、根据权利要求3所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于位于所述坩埚下部的加热器形成为多个，并可以水平移动。
5、根据权利要求4所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于在所述冷却板内部利用流体制冷剂。
6、根据权利要求5所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于所述硅锭制造装置设在可以通过泵形成真空环境的工艺室内部。
7、根据权利要求6所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于在所述工艺室壁面内部形成用于流动冷却水的管路。
8、根据权利要求7所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于所述加热器周围包含用来防止热量损失的多个隔热板。
9、根据权利要求8所述的多晶硅锭制造装置，其特征在于位于所述坩埚下部的所述隔热板形成为多个，并可以水平移动。
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