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技术

本发明专利技术涉及制造半导体级硅的晶锭的方法，所述半导体级硅包含太阳能级硅，还涉及用于所述方法中的可再使用的坩埚和制造所述可再使用的坩埚的方法，其中所述方法的特征在于，在由碳纤维增强的碳化硅复合材料制成的可再使用坩埚中制造所述硅晶锭，其中所述复合材料在高于400℃的温度下具有小于4×10-6K-1且在低于400℃的温度下具有小于3×10-6K-1的热膨胀系数，并在25℃至1500℃的温度下具有至少5W/mK的热导率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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増加。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/载体来置換目前 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。收集这种源的ー种方式是使用光伏太阳能电池。然而，截至目前，太阳能电池的电カ太昂贵而不具有竞争性。如果要实现太阳能电池电カ的巨大潜力，需要对此作出改变。源自太阳能电池板的电カ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エ艺路线是将多晶晶锭切割成块并然后进ー步切割成晶片。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°C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歩通过垫板的热传递。在目前基于布里奇曼方法的エ业生产中，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。这造成热应カ并在结晶硅中产生位错。ニ氧化硅(熔融ニ氧化硅)，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，ニ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ニ氧化硅的高造成的机械张カ的累积而导致晶锭破裂。在炉法エ艺中，坩埚中的ニ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，ニ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ニ氧化硅材料的热导率为约I 2W/mK。坩埚壁和底通常具有I 3cm的厚度。由此，在目前エ业所采用的构造中，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ニ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。使用ニ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I X IO17 6X IO17/cm3的间隙氧含量和IX IO17 6X IO1Vcm3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。因此，尝试发现用于坩埚的其他材料，所述坩埚可重新用作半导体级硅的定向凝固用坩埚或模具。这种坩埚需要由足够纯且对熔融硅呈化学惰性的材料制成，以使得形成高纯晶锭，且所述材料的热膨胀不会导致在冷却期间在晶锭与坩埚之间造成强的机械张力。针对ニ氧化硅坩埚的这些问题，ー种提出的方案是使用由石墨制成的坩埚。然而，这种材料与液体硅反应并因碳而污染熔体，并粘合到晶锭上。为了避免这种情況，已经提出利用各种保护层对坩埚的内表面进行涂覆，但目前未证明涂覆在エ业装置中有效。另ー种候选是主要由碳化硅制成的坩埚。关于该情况的问题是，线性热膨胀高于硅的线性热膨胀，由此导致晶锭在冷却之后粘附在坩埚中或坩埚破裂，阻碍了重新使用。此外，根据WO 2007/148986，建议由RBSN (反应结合的氮化硅)和NBSN (氮化物结合的氮化硅)制成的板状元件来制备可再使用的坩埚。通过使用含有硅颗粒的浆体将壁元件和底元件密封在一起，安装坩埚，所述浆体通过在氮气气氛中加热发生氮化以形成固体氮化硅。或者，可以以一件的形式形成RBSN-或NBSN-坩埚。但目前为止这两种均未发现エ业应用，主要可能是因为在炉法エ艺期间的机械稳定性的问题。根据可知，碳化硅是重要的结构陶瓷，因为其具有许多优异的性质如抗氧化性、高温下的強度保持性、耐磨性和抗热震性。然而，与所有陶瓷材料一祥，其通常对缺ロ敏感且韧性差，导致作为结构组件的可靠性相对较低并由此限制了应用。因此，大量研究集中于提高可靠性，且连续纤维增强的SiC复合材料已经证明是提高韧性的最有效方法。已知对热震和机械磨损具有极高抵抗性的材料是包含碳纤维增强的碳化硅陶瓷的陶瓷复合材料(C-C/SiC或C/SiC复合材料)。目前发现，这些材料在汽车应用和航空应用的制动系统中用作摩擦内衬，在涡轮叶片、在喷气发动机喷嘴中用作燃烧室内衬等。根据US 7238308已知，通过形成碳纤维增强的聚合物(CRFP)的中间体，对CRFP进行加热直至聚合物热解以形成碳纤维增强的碳(C/C-体)的多孔未加工体，将所述未加工的C/C-体与熔融娃接触并以至少一部分娃与C/C-体的碳相反应并形成碳化娃的方式将娃渗入未加工的C/C-体中(在文献中通常称作液体硅渗透，LSI )，可制造C-C/SiC或C/SiC复合材料，由此提供具有包含SiC、Si和C的基体的碳纤维增强的复合陶瓷。从US 6 030 913和EP 0 915 070中可已知类似的技术和材料。EP I 547 992公开了ー种由树脂和碳纤维的混合物制造C-C/SiC复合材料的方法，所述混合物在不首先对树脂进行硬化的条件下直接热解成未加工体。然后，将硅渗入未加工体中以形成C-C/SiC复合材料。通过改变成分的相对量，可制造具有调整量的C/C和C/SiC的复合材料，由此制备具有不同热导率的复合材料
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供ー种使用可再使用坩埚制造半导体/太阳能级硅的高纯晶锭的方法。另外的目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯·约翰森，施泰因·朱尔斯鲁德，蒂克·劳伦斯·纳斯，杰罗·沃尔夫冈·纳鲁特，
申请(专利权)人：REC沃佛普特有限公司，
类型：
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