TWI465616B - 定向凝固裝置、矽鑄錠製造方法、及模板式引晶結構 - Google Patents

Description

定向凝固裝置、矽鑄錠製造方法、及模板式引晶結構

本發明是有關一種凝固裝置、引晶結構、及矽鑄錠製造方法，且特別是有關於一種定向凝固裝置、模板式引晶結構、及使用引晶結構的矽鑄錠製造方法。

由於電子時代之來臨，電子性產品大量受到重視，故晶圓材料即成為半導體產業與光電產業大量需求之產品。而晶圓之生長方式有很多種，例如浮融帶長晶法(Floating Zone Method)、雷射加熱提拉長晶法(Laser Heated Pedestal Growth)、及柴式長晶法(Czochralski Method)等，而更因每種長晶方式不同而所使用之設備亦不盡相同。

太陽能電池屬半導體之一種，故又稱為太陽能晶片，矽(silicon)為目前通用的太陽能電池之原料代表，其發電原理為利用太陽光能轉換成電能。太陽能光電基板(Solar PV Cell)的晶片材質有很多種，大致上可分為單晶矽、多晶矽、非晶矽，以及其它非矽材料，其中以單晶矽及多晶矽兩類最為常見。

然而，於形成太陽能晶片前，須先以坩鍋凝固其內的矽熔湯，以長晶形成矽鑄錠，進而供切割形成晶片。但於凝固矽熔湯時，位於坩鍋底部的矽熔湯之晶粒往往較大，此將使最後形成的矽鑄錠內部具有較多的缺陷，進而影響到切割後之晶片轉換效率。

於是，本發明人有感上述缺失之可改善，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善 上述缺失之本發明。

本發明實施例在於提供一種定向凝固裝置、矽鑄錠製造方法、及模板式引晶結構，其用以使形成的矽鑄錠內部具有較少的缺陷。

本發明實施例提供一種定向凝固裝置，用以凝固一矽熔湯，該定向凝固裝置包括：一坩鍋，其包含一內底面及連接於該內底面的一環側面；以及一引晶結構，其設置於該坩鍋內底面上，且該環側面頂緣離該內底面的距離為該引晶結構頂緣離該內底面的距離之至少五倍，該引晶結構包含數個層狀地排列於該坩鍋內底面的引晶顆粒，且該些引晶顆粒與該內底面包圍界定出一成核空間，用以於凝固該矽熔湯時，能抑制位於該成核空間內的矽熔湯之晶粒生長的尺寸。

較佳地，該些引晶顆粒為碳化物顆粒、石墨顆粒以及氮化物顆粒的至少其中之一。

較佳地，該些引晶顆粒分別為圓球狀，且該些引晶顆粒彼此緊鄰地排列。

較佳地，該些引晶顆粒的直徑實質相同，且每一引晶顆粒的直徑大致為0.5公釐至40公釐。

較佳地，該些引晶顆粒排列成至少兩層。

較佳地，該些引晶顆粒分別為柱狀，且該些引晶顆粒彼此間隔地呈矩陣式排列。

較佳地，該些引晶顆粒為外型實質相同的方柱，且每一引晶顆粒的橫截面邊長大致為0.5公釐至40公釐。

本發明實施例另提供一種使用上述引晶顆粒的矽鑄錠製造方法，其步驟包括：提供一坩鍋，且依該坩鍋內底面的面積取用一特定數量的引晶顆粒；將該些引晶顆粒層狀地排列設置於該坩鍋內底面上，並使該些引晶顆粒與該坩鍋內底面包圍界定出一成核空間；將一矽熔料置入該坩鍋內，並加熱使該矽熔料熔融形成一矽熔湯；自該坩鍋內底面朝上凝固該矽熔湯，而位於該成核空間內的矽熔湯透過該成核空間的限制，使其於凝固時，晶粒成長的尺寸受抑制；將該矽熔湯凝固形成一半成品，其中，該半成品界定有一大致平行於該坩鍋內底面的切割面，且該半成品位於該切割面與該坩鍋內底面之間的部位被定義為一模板式引晶結構，該模板式引晶結構包含該些引晶顆粒及連結該些引晶顆粒的一固態矽，而該半成品的其他部位被定義為一矽鑄錠；以及取出該半成品並沿其切割面切割以形成該矽鑄錠以及該模板式引晶結構。

較佳地，該矽鑄錠製造方法步驟進一步包括：提供與該坩鍋實質相同的另一坩鍋；將該模板式引晶結構置於該另一坩鍋內底面上；以及將與該矽熔料實質相同的另一矽熔料置入該另一坩鍋內，並加熱使該另一矽熔料及該模板式引晶結構的固態矽熔融形成另一矽熔湯。

本發明實施例又提供一種於上述矽鑄錠製造方法中所形成的模板式引晶結構。

綜上所述，本發明實施例所提供的定向凝固裝置、矽鑄錠製造方法、及模板式引晶結構，其利於使位於坩鍋底部的矽熔湯所凝固之晶粒具有較小的粒徑，進而降低矽熔湯所凝固形成的矽鑄錠內部缺陷。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

〔第一實施例〕

請參閱圖1至圖6，其為本發明的第一實施例，其中，圖1、圖4、及圖5為本實施例的剖視示意圖，圖2、圖3、及圖6為本實施例的俯視示意圖。

復參照圖1和圖2所示，本實施例為一種定向凝固裝置100，其包括一坩鍋110以及一引晶結構120。

其中，上述坩鍋110呈中空方柱狀且包含一內底面111以及連接於上述內底面111的一環側面112。藉此，透過坩鍋110的內底面111與環側面112包圍形成的空間，以盛裝一矽熔湯200(如圖9)。

所述引晶結構120包含數個引晶顆粒121，該些引晶顆粒121就材質上來說，可以為碳化物顆粒、石墨顆粒與氮化物顆粒的至少其中之一。

其中，碳化物顆粒的較佳選擇為碳化矽顆粒，而氮化物顆粒的較佳選擇為氮化矽顆粒，但於實際應用時，只要引晶顆粒121的材質可在高溫環境(如：矽熔料熔融成矽熔湯時的溫度)下不與矽反應且不分解即可，並不受限於上述的較佳實施材質。

再者，所述引晶顆粒121係層狀地排列於坩鍋110內底面111，且該些引晶顆粒121與內底面111包圍界定出一 成核空間122。

須說明的是，於本實施例中，該些引晶顆粒121可分別為圓球狀，且彼此緊鄰地排列。而引晶顆粒121的排列方式可如同圖2所示的錯位排列，或者如同圖3所示的矩陣式排列。

其中，該些引晶顆粒121的直徑實質相同，且每一引晶顆粒121的直徑大致為0.5公釐至40公釐。而上述引晶顆粒121與坩鍋110內底面111所界定之成核空間122，其密度在此不加以限制，較佳為30%至90%。

再者，所述引晶結構120(即上述引晶顆粒121)設置於坩鍋110內底面111上時，坩鍋110環側面112頂緣離內底面111的距離D1為引晶結構120頂緣離內底面111的距離D2之至少五倍。更詳細地說，引晶結構120的高度D2較佳為坩鍋110環側面112高度D1的15%以下。

換言之，在達到上述條件的情況下，該些引晶顆粒121可不局限於排列為一層，該些引晶顆粒121亦可排列成兩層以上(如圖4)。舉例來說，若引晶顆粒121排列為一層，則引晶顆粒121的直徑較佳為坩鍋110環側面112高度D1的15%以下。

此外，該些引晶顆粒121’亦可分別為柱狀(如圖5和圖6)，且彼此間隔地呈矩陣式排列，以形成使用者所需之成核空間122’。於實際應用時，較佳的排列方式為矩陣狀，但不受限於此。

更詳細地說，該些引晶顆粒121’為外型實質相同的方柱，且每一引晶顆粒121’的橫截面(大致平行於內底面111)邊長L大致為0.5公釐至40公釐。並且，上述引晶顆粒121’ 與內底面111’所界定之成核空間122’，其密度較佳亦為30%至90%。

綜上所述，定向凝固裝置100可用以凝固矽熔湯200(如圖9)，且引晶結構120、120’用以於凝固矽熔湯200時，能抑制位於成核空間122、122’內的矽熔湯200之晶粒生長尺寸。藉此，使得利用本實施例定向凝固裝置100所形成的矽鑄錠213，可降低其內部之缺陷。

〔第二實施例〕

請參閱圖7至14所示，其為本發明的第二實施例，本實施例與第一實施例不同之處主要在於，本實施例主要是使用第一實施例之引晶顆粒121的矽鑄錠製造方法。

由於本實施例所述及之構造大致成對稱狀，且經由第一實施例即可輕易推知其構造。因此，為便於說明，下述將以剖視圖進行描述。本實施例的矽鑄錠製造方法之步驟，大致如下所述。

步驟S101：如圖7所示，提供一坩鍋110，且依坩鍋110內底面111的面積取用一特定數量的引晶顆粒121。其中，上述引晶顆粒121的特定數量較佳為，足夠使引晶顆粒121排列為層狀之數量，但不以此為限。

步驟S102：如圖8所示，將該些引晶顆粒121層狀地排列設置於坩鍋110內底面111上，並使該些引晶顆粒121與坩鍋110內底面111包圍界定出一成核空間122。

其中，圖8所示之引晶顆粒121的排列方式，可參酌圖2和圖3所示，但不以此為限。

步驟S103：如圖9所示，將一矽熔料(圖未示)置入上 述坩鍋110內，並進行加熱以使所述矽熔料熔融形成一矽熔湯200。

步驟S104：如圖10所示，自坩鍋110內底面111朝上凝固上述矽熔湯200。其中，位於上述成核空間122內的矽熔湯200，因成核空間122的限制，使其於凝固時，晶粒成長的尺寸受抑制(即抑制初期大晶粒之生長)。

步驟S105：如圖11所示，將矽熔湯200凝固形成一半成品210。其中，所述半成品210成柱狀並界定有一大致平行於坩鍋110內底面111的切割面211，且半成品210位於切割面211與坩鍋110內底面111之間的部位被定義為一模板式引晶結構212，而半成品210的其他部位被定義為一矽鑄錠213。

更詳細地說，上述模板式引晶結構212包含該些引晶顆粒121及連結該些引晶顆粒121的一固態矽214。

步驟S106：如圖12所示，取出所述半成品210並沿其切割面211切割以形成矽鑄錠213以及模板式引晶結構212。藉此，即可取得所需之矽鑄錠213，而模板式引晶結構212則可用以取代步驟S101中的引晶顆粒121，進而續行後續步驟以取得另一矽鑄錠(圖未示)。

步驟S107：如圖13所示，提供與上述坩鍋110實質相同的另一坩鍋110’，並將模板式引晶結構212置於另一坩鍋110’內底面111’上。

步驟S108：如圖14所示，將與上述矽熔料實質相同的另一矽熔料(圖未示)置入另一坩鍋110’內，並進行加熱以使另一矽熔料及模板式引晶結構212的固態矽214熔融形成另一矽熔湯200’。

其後，重複步驟S104至步驟S106，即可取得另一矽鑄錠及另一模板式引晶結構。而此另一模板式引晶結構則可續而被使用以重複上述步驟S106至步驟S108，再接續步驟S104至步驟S106。

藉此，利用本實施例矽鑄錠製造方法所形成的矽鑄錠213，可降低其內部之缺陷。

再者，如圖15所示，其為本實施例於引晶顆粒121直徑為1mm時所形成的矽鑄錠213相較於習知未使用引晶結構時所形成之矽鑄錠的兩者缺陷面積密度比較示意圖。

其中，A1代表本實施例的矽鑄錠213經切割後位於中央區域的晶碇，A2代表本實施例的矽鑄錠213經切割後位於側邊與角落區域的晶碇。而B1代表習知的矽鑄錠經切割後位於中央區域的晶碇，B2代表習知的矽鑄錠經切割後位於側邊與角落區域的晶碇。

由圖15即可清楚得知，本實施例所形成的矽鑄錠213相較於習知而言，其缺陷面積密度顯然得到大幅地改善，具有習知技術無法預期之效果。

此外，本實施例的矽鑄錠213經切割後的晶碇，於其底部的晶粒經測試後得知直徑約為0.7cm。然而，習知的矽鑄錠經切割後的晶碇之底部晶粒直徑約為1.3至1.8cm。也就是說，本實施例所述定向凝固裝置100的碳化物結構120用以於凝固矽熔湯200時，確實能抑制位於成核空間122內的矽熔湯200之晶粒生長的尺寸。

再者，於本實施例中所形成的模板式引晶結構212，其可使引晶顆粒121被有效地重複利用，進而簡化上述步驟S101與步驟S102之過程，達到提升矽鑄錠213之生產效率 的功效。

此外，須說明的是，本實施例中係以圓球狀的引晶顆粒121進行說明，但於實際使用時，引晶顆粒121並不受限於圓球狀。換言之，引晶顆粒121亦可為柱狀或不規則狀之顆粒。

再者，本發明所述之矽鑄錠213所使用的矽熔料可為多晶矽或單晶矽，亦即，矽鑄錠213可為多晶矽長晶所形成或單晶矽長晶所形成。換個角度來說，矽鑄錠213可以為太陽能晶棒單元、半導體晶棒單元、或藍寶石晶棒單元，在此不加以限制。

〔實施例的可能功效〕

根據本發明實施例，具有上述引晶顆粒的定向凝固裝置及使用上述引晶顆粒的矽鑄錠製造方法，其皆可透過成核空間，以促進位於成核空間內的矽熔湯形成較小之晶粒，藉以降低矽鑄錠內的缺陷。

再者，使用者可透過選用引晶顆粒之型態或以不同排列方式設置引晶顆粒，以使成核空間形成使用者所需之空間型態。

另，引晶顆粒於第一次使用後，可與固態矽連結形成模板狀引晶結構，藉以使引晶顆粒被有效地重複利用，並簡化使用引晶顆粒的前置步驟，進而達到提升矽鑄錠之生產效率的功效。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

100‧‧‧定向凝固裝置

110、110’‧‧‧坩鍋

111、111’‧‧‧內底面

112‧‧‧環側面

120、120’‧‧‧引晶結構

121、121’‧‧‧引晶顆粒

122、122’‧‧‧成核空間

200、200’‧‧‧矽熔湯

210‧‧‧半成品

211‧‧‧切割面

212‧‧‧模板式引晶結構

213‧‧‧矽鑄錠

214‧‧‧固態矽

L‧‧‧引晶顆粒的橫截面邊長

D1‧‧‧坩鍋環側面頂緣離內底面的距離

D2‧‧‧引晶結構頂緣離內底面的距離

圖1為本發明第一實施例所述定向凝固裝置的剖視示意圖；圖2為圖1的俯視示意圖；圖3為圖1另一排列形式的俯視示意圖；圖4為本發明第一實施例所述定向凝固裝置之引晶顆粒排列為兩層的剖視示意圖；圖5為本發明第一實施例所述定向凝固裝置之引晶顆粒為另一態樣的剖視示意圖；圖6為圖5的俯視示意圖；圖7為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S101的流程示意圖；圖8為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S102的流程示意圖；圖9為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S103的流程示意圖；圖10為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S104的流程示意圖；圖11為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S105的流程示意圖；圖12為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S106的流程示意圖；圖13為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S107的流程示意圖；圖14為本發明第二實施例矽鑄錠製造方法之步驟S108的 流程示意圖；及圖15為本發明所形成之矽鑄錠相較於習知矽鑄錠兩者的缺陷面積密度示意圖。

100‧‧‧定向凝固裝置

110‧‧‧坩鍋

111‧‧‧內底面

112‧‧‧環側面

120‧‧‧引晶結構

121‧‧‧引晶顆粒

122‧‧‧成核空間

D1‧‧‧坩鍋環側面頂緣離內底面的距離

D2‧‧‧引晶結構頂緣離內底面的距離

Claims (9)

1. 一種定向凝固裝置，用以凝固一矽熔湯，該定向凝固裝置包括：一坩鍋，其包含一內底面及連接於該內底面的一環側面；以及一引晶結構，其設置於該坩鍋內底面上，且該環側面頂緣離該內底面的距離為該引晶結構頂緣離該內底面的距離之至少五倍，該引晶結構包含數個層狀地排列於該坩鍋內底面的引晶顆粒，該些引晶顆粒為碳化物顆粒、石墨顆粒以及氮化物顆粒的至少其中之一，且該些引晶顆粒與該內底面包圍界定出一成核空間，用以於凝固該矽熔湯時，能抑制位於該成核空間內的矽熔湯之晶粒生長的尺寸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之定向凝固裝置，其中該些引晶顆粒分別為圓球狀，且該些引晶顆粒彼此緊鄰地排列。
3. 如申請專利範圍第2項所述之定向凝固裝置，其中該些引晶顆粒的直徑實質相同，且每一引晶顆粒的直徑大致為0.5公釐至40公釐。
4. 如申請專利範圍第2項所述之定向凝固裝置，其中該些引晶顆粒排列成至少兩層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之定向凝固裝置，其中該些引晶顆粒分別為柱狀，且該些引晶顆粒彼此間隔地呈矩陣式排列。
6. 如申請專利範圍第5項所述之定向凝固裝置，其中該些引晶顆粒為外型實質相同的方柱，且每一引晶顆粒的橫 截面邊長大致為0.5公釐至40公釐。
7. 一種使用如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之引晶顆粒的矽鑄錠製造方法，其步驟包括：提供一坩鍋，且依該坩鍋內底面的面積取用一特定數量的引晶顆粒；將該些引晶顆粒層狀地排列設置於該坩鍋內底面上，並使該些引晶顆粒與該坩鍋內底面包圍界定出一成核空間；將一矽熔料置入該坩鍋內，並加熱使該矽熔料熔融形成一矽熔湯；自該坩鍋內底面朝上凝固該矽熔湯，而位於該成核空間內的矽熔湯透過該成核空間的限制，使其於凝固時，晶粒成長的尺寸受抑制；將該矽熔湯凝固形成一半成品，其中，該半成品界定有一大致平行於該坩鍋內底面的切割面，且該半成品位於該切割面與該坩鍋內底面之間的部位被定義為一模板式引晶結構，該模板式引晶結構包含該些引晶顆粒及連結該些引晶顆粒的一固態矽，而該半成品的其他部位被定義為一矽鑄錠；以及取出該半成品並沿其切割面切割以形成該矽鑄錠以及該模板式引晶結構。
8. 如申請專利範圍第7項所述之矽鑄錠製造方法，其步驟包括：提供與該坩鍋實質相同的另一坩鍋；將該模板式引晶結構置於該另一坩鍋內底面上；以及將與該矽熔料實質相同的另一矽熔料置入該另一坩鍋內 ，並加熱使該另一矽熔料及該模板式引晶結構的固態矽熔融形成另一矽熔湯。
9. 一種模板式引晶結構，係以如申請專利範圍第7項之矽鑄錠製造方法所形成。