專利名稱：含籽晶的晶體材料及其制造方法和制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固鑄造法，例如垂直溫度梯度凝固方法(下文也稱為VGF法)或垂直布里奇曼方法(下文也稱為VB法)或垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS法)制造比較大的預(yù)定晶向的晶體材料，包括多晶和單晶材料，尤其是適用于半導(dǎo)體和光伏應(yīng)用的例如硅或硅鍺材料。
背景技術(shù)：
基于晶硅的光電池(或稱光伏電池、太陽能電池)應(yīng)具有最大可能地將太陽能輻射功率轉(zhuǎn)化為電流的效率、以及盡可能長久的使用壽命和衰減速率。這是由多種因素決定的，例如硅原材料的純度，硅晶體的類型(單晶、多晶)和缺陷、雜質(zhì)分布以及晶向、內(nèi)應(yīng)力。 同時，工業(yè)上制造較大尺寸的硅晶體毛胚(實體)，可以獲得更高的生產(chǎn)效率；而降低硅晶體的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，還有助于提高成品和良品的產(chǎn)出率。已知在硅晶體的類型中，單晶較多晶具有獲得相對最高的光電轉(zhuǎn)化效率的可能。 因此，許多制造硅單晶的裝置和方法被大量使用。典型的就是所謂的單晶提拉方法，也稱之為切克勞斯基(CZ)法，利用籽晶伸入熔化的硅液中，通過提拉引晶和熔硅液面上方的持續(xù)晶體生長，最后獲得單晶硅棒。這種方法通常需要坩堝和生長中的晶棒相對旋轉(zhuǎn)，因而其制造設(shè)備相對復(fù)雜，工藝控制難度較大。使用CZ法制造單晶硅棒的方法和裝置的例子，可以在申請?zhí)枮?00820080642. 7、名稱為軟軸單晶硅爐的中國專利申請中找到，更多的例子，包括中國專利申請 CN200810145905. 2、CN200810162544. 2、CN200710164263. 6 及 CN200810108276.6，等等。為提供對CZ法及其制造裝置的全面說明，本發(fā)明在此全文引用上述各項專利申請文件。CZ法可以獲得性能比較優(yōu)異的單晶硅胚體，但也存在一些明顯的缺點，包括其制造裝置和工藝控制比較復(fù)雜，設(shè)備和生產(chǎn)成本較高，難以獲得較大尺寸的高質(zhì)量單晶胚體(通常只有20cm或25cm的第二大尺寸)，生產(chǎn)效率低，因難以克服其晶體生長中的徑向溫度梯度而存在較大的徑向缺陷包括如漩渦缺陷、氧致堆垛層錯缺陷(或OSF 環(huán)缺陷)和熱應(yīng)力位錯，及摻雜劑密度差異，等等。類似的還有浮區(qū)凝固法，或稱懸浮區(qū)熔法(FZ)，用以生長的多晶硅棒，但具有和CZ法類似的缺陷類型和不足。為此，使用方向凝固法，例如垂直方向凝固法，包括垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBQ制造多晶材料胚體的方法和裝置被大量應(yīng)用于生產(chǎn)硅晶體，用較低的設(shè)備成本和較簡單的工藝控制，獲得大尺寸的多晶硅錠，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。在VGF法晶體生長工藝中，位于靜止的加熱裝置形成的熱場中的結(jié)晶溫度梯度可移動，而晶體保持靜止。在VB法晶體生長工藝中，保持靜止的加熱裝置形成結(jié)晶溫度梯度靜止的熱場，晶體在其中移動。在VBS法晶體生長工藝中， 加熱裝置及其形成的結(jié)晶溫度梯度可移動，而晶體保持靜止。實施這些方法的設(shè)備使用時都包含有坩堝，其至少有底壁和側(cè)壁，構(gòu)成可以容納晶體原料和及其熔體的容器，以及和坩堝外形配套的熱場系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)，至少包括可以加熱坩堝內(nèi)的原料的加熱裝置，和保持坩堝位置和形狀的支撐裝置。
盡管容易獲得大的尺寸、高的生產(chǎn)效率和低的生產(chǎn)成本，多晶硅因其較低的純度、 較小的晶粒尺寸、較多的晶界和晶體缺陷、雜亂的晶向，制成的晶片具有低的載流子壽命和較差的制絨效果，由其制成的電池片效率較低，難以取代單晶硅。為了在較低的設(shè)備和控制成本下，獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，一些基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBS)的可以生產(chǎn)晶粒較大的多晶硅錠、近單晶硅錠的方法和設(shè)備被開發(fā)出來，這里全文引用以詳細說明這些方法和設(shè)備的一些文件:CN200810012354. 2、CN200910152970. 2、CN200920115886. 9、 DE10239104AUCN200780002763. 8、CN200810089545. 9,CN 200780002753. 4。其中，為獲得生長良好的晶體組織，可以誘導(dǎo)晶體生長的籽晶被引入到硅原料內(nèi)，或在坩堝內(nèi)構(gòu)置特定的一些幾何結(jié)構(gòu)。這些方法和設(shè)備的使用，一定程度上增大了多晶硅的晶粒尺寸、減少了晶體缺陷，甚至可以獲得近單晶硅錠，但是，仍然存在著工藝控制難度大、難以確保穩(wěn)定地形成預(yù)期的硅錠晶體結(jié)構(gòu)、缺陷和雜質(zhì)多、雜質(zhì)分布不均、晶錠內(nèi)應(yīng)力偏大加工成晶片損耗較大，和需要消耗大量籽晶等問題。此外，即使在使用大量籽晶平鋪坩堝底部的情況下，由于籽晶的擇優(yōu)生長方向可能與單晶生長方向發(fā)生偏離，以及可能發(fā)生部分熔化、氧化，也難以獲得高完整性單晶體。如眾所知，基于垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBQ的晶體生長方法，可用于生長諸如藍寶石、砷化鎵等單晶體，因此， 早期也曾用來試圖生長硅單晶材料，以用于光伏電池。具體方法是采用籽晶誘導(dǎo)法，在VGF、 VB或BVS方法中，于硅熔體的底部設(shè)置硅單晶籽晶，以此誘導(dǎo)晶體生長，然而，很多嘗試都失敗了，獲得的晶體無一例外地都是多晶硅。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固法，例如包括VGF 或者VB或者VBS方法便宜地制造高質(zhì)量的硅晶體材料胚體(錠)，包括低缺陷的晶粒較大的多晶硅錠、單晶硅錠或近單晶硅錠的裝置和方法，其中，特別是提供一種使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固法便宜地制造高質(zhì)量的硅單晶體的裝置和方法。本發(fā)明的方法和裝置，也適用于其它各種晶體材料，以下僅以硅晶體為例說明。對于其他材料，只需要按其熔點相應(yīng)調(diào)整控制熔化和凝固的溫度值，即可將本發(fā)明的方法和裝置用于制造該材料的晶體實體。本發(fā)明還提供了使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固法，例如VGF或者VB或者VBS方法便宜地制造具有預(yù)定的晶向取向的高質(zhì)量的硅晶體材料胚體(錠)，包括低缺陷的大晶粒晶向預(yù)定的多晶硅錠、單晶硅錠或近單晶硅錠的裝置和方法。這樣的晶錠，在將硅錠制晶片、電池片的過程中，在切割、制絨等方面都具有優(yōu)點，特別適用于高質(zhì)量的光電池用硅晶片和高光電效率的晶硅電池片的制作。本發(fā)明還提供了一種使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固法，例如VGF或者VB或者VBS 方法便宜地制造大尺寸的單晶硅或近單晶硅胚體的裝置和方法，包括生產(chǎn)更大直徑的晶棒或晶柱、特別是棱柱狀晶體，和更大尺寸的硅錠，包括方錠、多面體形錠。采用本發(fā)明裝置和方法生產(chǎn)的單晶硅胚體，或由其制成的單晶片，較CZ直拉法等獲得的單晶，具有更低的成本，更少的雜質(zhì)，更均勻的電阻率分布，更少的晶體缺陷、例如氧致堆垛層錯缺陷、漩渦缺陷、熱應(yīng)力缺陷，以及更優(yōu)異的制絨性能，更高效的p-n結(jié)制作效率，其制成的光伏電池片具有低的成本和更高更穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率，并且，由于更低的晶界雜質(zhì)和缺陷，而具有更長的使用壽命和更低的效率衰減速度；類似地，采用本發(fā)明方法和裝置生產(chǎn)的多晶體，也特異性地區(qū)別于普通VGF等垂直定向凝固方法生產(chǎn)的多晶體，在上述各方面有著顯著的優(yōu)點。因此，本發(fā)明還提供了一種大尺寸的單晶硅或近單晶硅、多晶硅材料(實體)，以及由這種材料制成的硅晶片和光伏電池，它們因其生產(chǎn)方法而形成的特殊晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)分布模式和良好的光電品質(zhì)，而區(qū)別于普通的多晶硅或單晶硅。本發(fā)明中所采用的術(shù)語“近單晶硅”或“近單晶體”，是指這樣的空間上處處連續(xù)的晶體實體其作為整體或其主要的部分，其超過50%以上體積的實體上具有一致的晶體取向，例如，這種近單晶硅可以包含與多晶區(qū)鄰接的單個晶體硅的實體，或者它可以包含較大的連續(xù)一致的硅晶體，其中較小的晶體不超過總體積的50%。近單晶硅可以優(yōu)選為比例較少的較小的晶體，例如，不超過25%、或10%或5%的較小的晶體。本發(fā)明的裝置和方法所生產(chǎn)的硅晶體材料(胚或錠)，尤其適合于具有較低的材料純度要求(6 8N)、但生產(chǎn)規(guī)模大的光伏用晶體硅材料。本發(fā)明用于生產(chǎn)光伏用硅晶體材料，在獲得高光電效率的同時，其低的成本和高的生產(chǎn)效率，使得光伏發(fā)電在大規(guī)模應(yīng)用下實現(xiàn)平價成為可能。另一方面，作為硅的同族元素，鍺原子具有和硅原子相似的性質(zhì)，可以在硅晶格中替代硅。含鍺50%以下的鍺摻雜硅晶體或硅鍺晶體材料可以替代近乎純的硅晶體制作光伏電池，具有優(yōu)良的機械性能、低的共晶點和高的光電性能。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的方法和裝置，可以直接用于生產(chǎn)高性能的可用于光伏的鍺摻雜硅晶體或硅鍺晶體材料，尤其是單晶硅鍺合金材料或近單晶硅鍺材料。當含鍺10%以下時，偏析導(dǎo)致的鍺在晶硅中的差異分布基本上不會形成鍺在局部占優(yōu)，本發(fā)明定義所述的鍺摻雜硅晶體或摻鍺硅晶體是指鍺含量在約10%以下的硅晶體，硅晶體也可包含約10%以下的鍺；硅鍺晶體材料則具有約10%或更高的鍺含量。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)在使用垂直方向凝固法，例如垂直梯度凝固法(VGF法)、垂直布里奇曼法(VB法)和垂直布里奇曼斯托克巴杰法(VBQ制造晶體材料的裝置中，設(shè)置具有基本上直立的側(cè)壁、連接側(cè)壁的底壁、和頂部的容納硅原料的坩堝，其中，坩堝的底壁上，包含有籽晶容納部位，籽晶容納部位作為坩堝底壁的一部分，設(shè)置為處于坩堝底部的最低部位，坩堝的位于籽晶容納部位的上方的向側(cè)壁底部的連接部分，包含有以籽晶容納部位為中心向四周側(cè)壁和上方傾斜地逐漸擴張、延續(xù)連接到側(cè)壁底部或底壁的其余部位的部位，即漸變的過渡部位，從下到上，該過渡部位的水平截面從籽晶容納部位上口處的尺寸， 逐漸擴大，直到連接到側(cè)壁底部或底壁的其余部位。籽晶容納部位、所述的漸變過渡部位， 與任選的底壁其余部位連同附近的坩堝內(nèi)空間共同構(gòu)成坩堝底部；坩堝由坩堝支撐裝置保持其位置；還設(shè)置有與所述的坩堝配套的含有至少一組加熱器的加熱裝置，其中，加熱裝置在工作時可以在坩堝中形成可調(diào)整的縱向溫度梯度，可使坩堝內(nèi)的原料熔體自坩堝底部的籽晶容納部位開始向頂部順序凝固結(jié)晶，從而得到所需要的晶體材料。本發(fā)明的所述的漸變的過渡部位可以采取例如向外凸的碗形、向內(nèi)凹形、單階或多階的圓臺形或棱臺形的底壁結(jié)構(gòu)。這樣，從坩堝底部水平截面最大處，延續(xù)到籽晶容納部位，至少部分坩堝腔體呈現(xiàn)出漸變性的收縮，這樣的結(jié)構(gòu)可以降低結(jié)晶中出現(xiàn)畸變和積聚較大應(yīng)力的可能，提高其機械性能；同時，所述的漸變性的收縮，還可以降低籽晶容納部位和坩堝其他部位移行附近溫度控制的難度。其中，底壁棱臺形的延續(xù)，可以容易地與相同尺寸的籽晶容納部位上口的例如棱臺結(jié)構(gòu)銜接；而底壁向外凸的碗形延續(xù)方式，坩堝制造比較容易；底壁向內(nèi)凹形的延續(xù)方式，凹面圍成的區(qū)域體積較小，生長成的晶體胚體異形部位較小，利用率較大；圓臺形或棱臺形收縮到籽晶容納部位的坩堝，則調(diào)和了坩堝制造和晶體利用率的優(yōu)劣點。本發(fā)明的上述過渡部位的高度，一般可以在約1 30cm之間，或者，取值相當于坩堝底部處最大橫向(或縱向)尺寸、即水平截面的最大尺寸的約0. 05 2倍之間，以在節(jié)省空間和材料的前提下，形成整體上適當?shù)膬A斜度。作為本發(fā)明的裝置的主體，一個實施方案是采用定向凝固系統(tǒng)爐(DSS)，例如，HEM 爐，即熱交換爐，作為容納坩堝的爐體并控制坩堝內(nèi)的硅料的熔化和凝固結(jié)晶。實施本發(fā)明使用所述的裝置制造硅或硅鍺晶體的方法，是將含有適當?shù)膿诫s劑的硅或硅鍺原料置于坩堝內(nèi)，啟動加熱裝置加熱坩堝內(nèi)的原料使其熔化成熔體，并使籽晶的上部分熔化但保持籽晶的下部分的固態(tài)，任選保持適當時間后，調(diào)整加熱裝置的輸出，使坩堝內(nèi)產(chǎn)生縱向溫度梯度，形成溫度從坩堝底部向上部逐漸增加的熱場，通過冷卻使熔體從位于坩堝底部的籽晶固-液界面開始，以適當?shù)乃俣戎饾u向上順序凝固結(jié)晶，凝固遍及所述的過渡部位腔體，直到坩堝內(nèi)熔體全部凝固，取出該凝固的晶錠，即獲得本發(fā)明方法的硅或硅鍺晶體胚體。凝固速度(凝固界面上移速度)在一些實施方式中控制在約0.05 lOmm/min，優(yōu)選約0. 1 lmm/min。也可以依據(jù)溫度梯度和材料的純度，或凝固的條件，例如，施加磁場作用與否，或生產(chǎn)效率的要求，而選取其它合適的凝固速度。將該晶體胚體做適當?shù)那懈睢⒉⒅瞥珊癖∵m宜的板、片狀，即獲得P型或η型半導(dǎo)體晶片，ρ型或η型由原料中的優(yōu)勢摻雜劑決定；任選對晶片熱處理，可提高晶片的半導(dǎo)體性能；任選對P型晶片做η 型雜質(zhì)不均勻摻雜、或?qū)Ζ切途靓研碗s質(zhì)不均勻摻雜，例如單面淺深度(約達晶片厚度的1/100 1/2)摻雜，獲得含ρ-η結(jié)的晶片，其可用作半導(dǎo)體器件例如光伏電池的硅或硅鍺晶片，可進一步按光伏電池片工藝制成電池片，并進而制成光伏電池。該晶體一般具有整齊的晶格排列，相對少的晶體缺陷和相對高的少子壽命，一般情況下呈現(xiàn)為近單晶或單晶， 具有良好的機械加工性能，和優(yōu)良的表面制絨性能。在凝固過程中，通過調(diào)整加熱裝置的分布和輸出方式，調(diào)整坩堝周圍的其他可以傳熱或絕熱的裝置的結(jié)構(gòu)和分布，使坩堝內(nèi)在任意水平截面內(nèi)保持等溫，可以獲得更好的結(jié)晶效果。本發(fā)明中，所用的硅或硅鍺原料具有滿足光伏電池要求的純度，并包含有或可摻入適當數(shù)量的用以設(shè)定或改變其電學或其他性能的一種或多種摻雜劑，例如選自包括如下所列的那些硼、鋁、鋰、鎵、磷、銻、砷和鉍。這些摻雜劑總量可以為0. Olppma至約 2ppma(原子數(shù)量的百萬分數(shù))，優(yōu)選的量是這樣的量，使得由硅制成的晶片電阻率為約0. 1 至約50ohm. cm，優(yōu)選為約0. 5至約5. Oohm. cm。摻雜劑可以直接與硅或硅鍺原料混合的方式加入，例如用含硼的母合金與高純硅料混合，也可以是原料中原本就含有的，例如，使用含0. Ol Ippma的硼的硅原料作為晶體生長原料。后者是直接使用純度較低(6 8N)的硅制造光伏用晶硅材料。通常籽晶容納部位，其內(nèi)腔的水平截面上的最大尺寸較小，一般在0. 1 IOcm之間，優(yōu)選0. 2 5cm，進一步優(yōu)選0. 4 2. 5cm，例如任選取自0. 3,0. 4,0. 5,0. 6,0. 7,0. 8、0. 9,1. 0,1. 1、1. 2,1. 3,1. 4,1. 5,1. 6,1. 7,1. 8,1. 9,2. 0,2. 2,2. 5cm 的尺寸，又例如 2. 8cm
或33cm。而坩堝側(cè)壁圍成的坩堝主體腔體的水平截面具有較大的尺寸，一般在約25 150cm 之間，例如，約 35cm、約 50cm，約 60cm，約 75cm，約 90cm，約 100cm，約 110cm，等等。本發(fā)明的方法中，所述的坩堝籽晶容納部位的上口處的水平截面積，通常取為坩堝側(cè)壁圍成的最大的水平截面積(即坩堝主體的水平截面積)的約1/40以下，例如1/50以下，優(yōu)選約 1/100以下，進一步優(yōu)選約1/400以下，例如約1/500，約1/1000，約1/2000，約1/8000，約 1/15000，等等。本發(fā)明的方法，由于較大的坩堝主體水平截面尺寸和較大的坩堝主體水平截面積與籽晶容納部位上口水平截面積的比值，可以獲得高的晶體制造效率。例如，對比作為單晶硅另一生長方法的CZ法，通常能夠獲得的晶棒最大水平截面尺寸約25 30cm，其通過晶種誘導(dǎo)的晶體提拉生長，在單位時間所生長的晶體量，顯然遠小于本發(fā)明的方法所能生長的晶體量。采用本發(fā)明的裝置作晶體熔體的方向凝固，籽晶容納部位作為坩堝最低處，熔體將先在其中與籽晶固態(tài)的界面處發(fā)生凝固結(jié)晶，由于籽晶具有誘導(dǎo)晶體按其形態(tài)生長的作用，因此，坩堝中的熔體將從籽晶容納部位向上以籽晶的晶格排列方式生長，直到坩堝內(nèi)所有熔體完成凝固結(jié)晶。因而采用本發(fā)明的裝置和方法，可以依使用的誘導(dǎo)籽晶的不同而獲得特征性的多晶或單晶胚體。本發(fā)明中，歸對于硅或硅鍺熔體，優(yōu)選晶向<100>或<001>的籽晶，獲得適合于光伏的優(yōu)選晶向的晶體。本發(fā)明的裝置和方法中，籽晶容納部位優(yōu)選居于坩堝底壁中央，可以簡化坩堝的制造，并更容易地獲得單晶胚體和降低晶體的內(nèi)應(yīng)力。本發(fā)明的一種實施方式是將籽晶容納部位設(shè)置在坩堝側(cè)壁和底壁的連接處，即側(cè)壁向底壁的轉(zhuǎn)折處，也可以簡化坩堝的制造。由于通常的效用優(yōu)良的籽晶容納部位其尺寸較小，導(dǎo)致坩堝底部的籽晶容納部位相比于坩堝尺寸較小，特別是在制造大尺寸的晶體胚體時，晶體或坩堝的水平截面的二維尺寸往往要超過籽晶容納部位橫向尺寸數(shù)倍以上，通常達到7倍以上，籽晶容納部位最上部的水平截面，與坩堝側(cè)壁圍成的坩堝主體的水平截面相比，存在一個較大的尺寸突變，這可能導(dǎo)致晶體生長發(fā)生較大的畸變和形成大的應(yīng)力，并可能導(dǎo)致較突兀的轉(zhuǎn)折部位易于因熱能的更快的耗散而生成新的晶核和晶體生長，破壞晶體的整齊度。同時，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，從籽晶誘導(dǎo)法的容納籽晶的橫截面較小的上口部位，直接以接近直角轉(zhuǎn)折延續(xù)成連接側(cè)壁的平坦的底壁主體部分，這也是已往在垂直方向凝固法中使用籽晶誘導(dǎo)法無法獲得大尺寸硅單晶的原因，如CN200920115886. 9。類似的，CN00121779. 8揭示的通過在坩堝底部設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)大的晶體開始生長部的晶體生長方法，也存在著如果預(yù)定生長的晶體橫截面尺寸或者坩堝主體橫截面的尺寸，遠大于晶體開始生長部的橫截面尺寸時，也難以獲得品質(zhì)良好的晶體。發(fā)明人深入地分析上述情形下的晶體生長過程，發(fā)現(xiàn)，這是因為在諸如VGF、VB、VBS 等垂直方向凝固的晶體生長中(其特征是水平面上沒有橫向溫度梯度或徑向溫度梯度)， 晶體生長部固然優(yōu)選固-液界面處(即晶體-熔體交界處)發(fā)生，但是，如果同一等溫面內(nèi)的溫度達到熔體的過冷凝固點，那么，晶體生長也會同時發(fā)生在無固-液界面但形成了晶核的其他熔體部位，例如靠近接近平的坩堝底壁的位置，導(dǎo)致雜亂的晶體生長。而這正是從較小水平截面的晶體生長部(有固-液界面)無過渡地擴大到較大水平截面的整個側(cè)壁圍成的坩堝主體截面(無固-液界面)所發(fā)生的情形。即使使用籽晶誘導(dǎo)，在基本上是接近平底的坩堝中，也無法確保生成單晶往往整個底部的其他區(qū)域，和單晶上部區(qū)域同時結(jié)晶而生成多晶硅。因此，在水平截面較小的晶體生長部和水平截面較大的坩堝主體的底壁之間， 設(shè)置漸變性過渡的連接部位，即過渡區(qū)域，便成為保持坩堝內(nèi)晶體生長沿固-液界面、即已經(jīng)形成的晶體生長部位生長的關(guān)鍵。所述的該過渡區(qū)域的底壁表面的任意切面，與側(cè)壁或水平面，呈傾斜的角度，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這個角度的最佳值，與硅的晶格常數(shù)有關(guān)，隨晶向的不同而有一定差異，也和溫度梯度及晶體生長速度有關(guān)，為適應(yīng)此不同的條件，可優(yōu)選為接近 45度的角度，例如，在約15 75度之間，優(yōu)選約30 60度之間。與上述含有過渡區(qū)域的底壁相對立的是，由籽晶容納部位的基本上直立的上口處，坩堝壁直接橫折并向側(cè)壁橫向延續(xù)，缺乏一個明顯的過渡區(qū)域，這樣的坩堝內(nèi)發(fā)生凝固時，除非非常精確地控制溫度梯度，包括建立水平面內(nèi)的徑向溫度梯度，否則很難獲得品質(zhì)良好的晶體；另一個對立的例子是，雖然坩堝底壁在籽晶容納部位以外以凸面或凹面的形成類似過渡區(qū)域的區(qū)域，但如果該曲面的切面與側(cè)壁夾角大于75度，或小于15度，仍然難以有效地獲得品質(zhì)良好的晶體。本發(fā)明的裝置和方法中，坩堝籽晶容納部位的上口和底壁的其他部位、例如所述的過渡部位(區(qū)域)連接(移行)的部位，可以視不同的前述的從側(cè)壁到籽晶容納部位的收縮方式，而選取圓柱體、圓臺體、棱臺體、立方體、多面體、鼓形體、葫蘆狀體結(jié)構(gòu)，或者，從籽晶容納部位上口，按上口的形狀或底壁從四周在接近籽晶容納部位上口的形狀，直接延續(xù)連接。在籽晶容納部位到底壁的其他部位的連接部位，可以設(shè)置一個收縮的狹窄部，制成的晶體胚體在此狹窄部容易斷裂分離，這樣，容易從坩堝中取出該狹窄部位以上的晶體胚體主體部分，而保留籽晶容納部位的晶體材料，坩堝下次使用時，該保留的晶體材料可以重復(fù)利用或用作籽晶。籽晶容納部位的尺寸，一般取高度在約1 30cm之間，過高浪費材料和空間，延長生長周期，過低難以精確控制溫度梯度和難以獲得預(yù)期的晶體誘導(dǎo)效果。籽晶容納部位腔體的最大橫徑范圍可取約0. 1 10cm，優(yōu)選約0. 2 5cm，進一步優(yōu)選約0. 5 2cm。與本發(fā)明的裝置和方法相對應(yīng)，本發(fā)明所提供的坩堝，可以選取不易于和原料熔體發(fā)生反應(yīng)的任意耐溫材質(zhì)，例如，作為實施方案，坩堝材料可以任選自石墨、碳化硅、碳化硅結(jié)合氮化硅、氮化硅、石英、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈣、氧化鎂等。其中，石墨或碳化硅結(jié)合氮化硅材質(zhì)的坩堝，能夠反復(fù)使用；石英坩堝成本較低；而采用石英陶瓷坩堝，可采取低溫成型技術(shù)，易于制造坩堝的籽晶容納部位。也可由石英和石英陶瓷制成坩堝的不同部分，燒結(jié)或焊接在一起形成坩堝整體。例如，石英陶瓷質(zhì)的坩堝主體和石英質(zhì)的籽晶容納部位，或者相反。其中石英坩堝多以電熔石英制造，通常在鑄硅使用時制成圓筒形，石英陶瓷坩堝可以模壓成型燒結(jié)法制造，可制成方形、圓筒形或其他形狀。坩堝或石英坩堝、石英陶瓷坩堝內(nèi)壁通?？赏坑忻撃?，具有諸如由二氧化硅、氮化硅、碳酸鋇或氧化鋇、或液體密封材料制成的致密的脫離涂層，以減少坩堝帶來的污染和容易使結(jié)晶錠與坩堝分離。本發(fā)明的坩堝側(cè)壁底部以上的主體部分，其水平截面為任選自以下一組形狀之一或近似的形狀圓形、橢圓形、三角形、方形、五邊形、六邊形、八邊形、其他多邊形，由此獲得相應(yīng)形狀的晶體實體。本發(fā)明中，含有適當摻雜劑的硅原料被加入到所述的坩堝中，并放置在諸如VGF、 VB或VBS鑄錠裝置中，其設(shè)置有與所述的坩堝配套的加熱裝置和支撐裝置，啟動加熱裝置，在坩堝內(nèi)建立從頂部到底部溫度逐漸降低的熱分布(梯度溫度場)，加熱并熔化坩堝內(nèi)的硅原料，和保持籽晶下部分的固態(tài)和上部分熔化，通過主動或被動地冷卻底部籽晶容納部位，使熔硅自籽晶和熔體界面處開始單向和垂直向上地凝固，直到完成結(jié)晶。在本發(fā)明的另一種方式中，實現(xiàn)梯度溫度熱場的方式之一，例如主要從頂部和側(cè)上部加熱坩堝，在坩堝建立起垂直溫度梯度的熱分布，使得原料受熱從頂部開始熔融，同時主動或被動地冷卻底部，從而維持坩堝底部的籽晶的固相。在熔融期間，監(jiān)測原料的熔融階段(例如通過設(shè)置在坩堝周圍，包括起始段部位附近的熱電偶)，用以追蹤和控制固-液界面的位置。使熔融階段進行到部分籽晶被熔融。一旦所需部分的籽晶熔融，熔融階段結(jié)束， 通過在所述的梯度溫度熱場中冷卻所述的熔體而開始晶體生長階段。使晶體生長在坩堝內(nèi)從籽晶的固-液界面向上單向和垂直地持續(xù)進行，直到完成結(jié)晶。本發(fā)明的再一種實施方式是，至少部分熔硅，被從另外設(shè)置的熔硅提供裝置提供到所述的包含籽晶容納部位的坩堝(或稱為硅凝固坩堝)中，并進而在其中按前述的方式凝固結(jié)晶。其中，一種方式是通過熔硅提供裝置向硅凝固坩堝補充硅料，以彌補初始硅料的不足從而在一個硅凝固坩堝中獲得更多的晶硅產(chǎn)量；另一種方式是，硅凝固坩堝中的熔硅主要從熔硅提供裝置得到。熔硅提供裝置的例子，包括可以被加熱以熔化其中的硅料的容器，例如坩堝，或可以將硅料懸空加熱熔化并流向硅凝固坩堝的加熱裝置，或熔硅提供導(dǎo)管，熔硅直接從外部經(jīng)熔硅提供導(dǎo)管注入到硅凝固坩堝中。這種實施方式是熔融和凝固結(jié)晶系統(tǒng)分離，便于更好地優(yōu)化熔融和結(jié)晶步驟。通過這種方式，硅料可被預(yù)先熔化，其容器頂部的成渣，以及可能的底部流失，可提高凝固起始的硅材料的純度，并且，熔融和凝固的過程至少可以部分地并行發(fā)生，能提高生產(chǎn)效率。由于本發(fā)明的裝置和方法中使用的坩堝，其底部具有比較復(fù)雜的形狀，包括呈外凸或內(nèi)凹的曲面的表面，或斜面的表面，以及縱向設(shè)置的籽晶容納部位，采用通常的具有近平面表面的支撐裝置，難以可靠地支撐坩堝，支撐面小，高溫下坩堝壁可能發(fā)生形變；同時， 坩堝的支撐裝置作為與坩堝接觸的物體，其將起到導(dǎo)熱或隔熱作用，影響坩堝內(nèi)的溫度分布。為此，本發(fā)明中，將支撐裝置設(shè)計成帶有至少一個可與坩堝底壁的至少部分或大部分曲面外表面相貼合的呈曲面表面的支撐部位，以此與所述的(硅凝固)坩堝配套。這樣的支撐裝置可獲得較穩(wěn)定可靠的支撐效果，防止坩堝底壁變形，并且，可以在坩堝底部形成容易預(yù)期和控制的導(dǎo)熱或隔熱效果的部位，使得凝固時所需要的溫度控制更加容易實現(xiàn)。借助這樣的支撐部位，在保持坩堝位置的同時，坩堝下部的熱場，可以通過與底壁貼合的支撐部位對散熱和絕熱的有效控制獲得更好的控制，從而使靠近曲面的坩堝底部的原料獲得更好的結(jié)晶效果。上述支撐裝置或至少其與坩堝底壁貼合的支撐部位，最好采用耐高溫和有良好導(dǎo)熱性能的材料，例如石墨材質(zhì)，或浸漬了硅的石墨材質(zhì)，或碳化硅結(jié)合氮化硅材質(zhì)。由于石墨或碳化硅具有良好導(dǎo)熱性，通過該貼合的支撐面，熱量容易從坩堝底部通過石墨質(zhì)支撐部位進行內(nèi)外交換。因此，通過調(diào)整石墨質(zhì)支撐部位的溫度，就可以比較高效地控制坩堝底部的溫度變化。本發(fā)明的裝置中，其坩堝的支撐裝置，最好還包括直接對籽晶容納部位進行支撐的部位或結(jié)構(gòu)，這樣，可以減少坩堝的相對比較薄弱的籽晶容納部位發(fā)生變形和破損的可能。這樣的支撐的部位或結(jié)構(gòu)可以設(shè)置為直接支撐在籽晶容納部位的底部，和/或圍繞籽晶容納部位的四周提供支撐，并優(yōu)選將支撐籽晶容納部位的支撐部位設(shè)置成可控的加熱器，在提供支撐的同時，還提供額外的對籽晶容納部位局部區(qū)域的溫度控制功能。硅或硅鍺在凝固結(jié)晶時，發(fā)生較大的體積變化，此時，形變較小的坩堝壁、特別是其籽晶容納部位，易被脹破而導(dǎo)致未凝固的高溫硅液從坩堝泄露，損壞本發(fā)明的晶體生長裝置。為此，本發(fā)明中，所述的支撐裝置還可以包含有容納籽晶容納部位的空腔，和可容納可能泄露的硅液的腔體；當支撐裝置具有可以容納籽晶容納部位的腔體時，籽晶容納部位即使發(fā)生泄露，泄露的硅液可迅速凝固堆積于腔體內(nèi)，阻止更多的泄露。同時，帶有腔體的支撐裝置的腔體空間內(nèi)容許設(shè)置漏液檢測裝置，及時發(fā)現(xiàn)漏液而報警。為實現(xiàn)本發(fā)明方法中預(yù)期的方向凝固，籽晶部位的溫度需要仔細的控制，以避免其局部溫度過高而致籽晶全部熔化，或溫度過低而致籽晶上部不能部分熔化?？赏ㄟ^在籽晶附近設(shè)置加熱裝置或冷卻裝置來實現(xiàn)籽晶部位局部的溫度調(diào)整。一般可視側(cè)壁和/或上部的加熱器的布局及其功率大小，而選擇加熱裝置或冷卻裝置，以形成對籽晶容納部位局部的溫度調(diào)整功能當側(cè)壁加熱器功率較大或底部位置較低而使籽晶容納部位溫度偏高時，選擇籽晶容納部位附近設(shè)置可獨立調(diào)整散熱的冷卻裝置；當側(cè)壁加熱器功率較小或底部位置較高而使籽晶容納部位溫度偏低時，選擇籽晶容納部位附近設(shè)置可獨立調(diào)整功率的加熱裝置。其中，冷卻裝置例如可以由位于籽晶容納部位附近的可調(diào)整的導(dǎo)熱體構(gòu)成。本發(fā)明的裝置中，其加熱裝置需可對包含籽晶容納部位的坩堝形成垂直溫度梯度的熱場。這至少可借以下三種方式之一實現(xiàn)加熱裝置包含有從坩堝側(cè)壁外向下延續(xù)到與籽晶容納部位的至少一部分所在位置同一水平面的加熱器；加熱裝置包含有可控制輸出的加熱器，其形成在籽晶容納部位所在位置的垂直梯度溫度分布的熱場；含有設(shè)置在籽晶容納部位附近的可控制輸出的加熱器，其通過輸出的控制以在籽晶容納部位形成垂直溫度梯度。本發(fā)明中，坩堝的籽晶容納部位可以和其他部位有相當大的尺寸差異和空間位置差異，特別是相對于坩堝主體部分，籽晶容納部位向下突出于坩堝主體，具有遠小于坩堝主體的熱輻射表面和熱容量，及大的輻射表面積與熱容量比值，在同樣的熱流量密度(指某個截面單位面積通過的熱流量)下，其升溫和降溫表現(xiàn)與坩堝主體部位迥異。因此，本發(fā)明的垂直方向凝固裝置的加熱裝置，必須特別設(shè)計成在籽晶容納部位形成不同于坩堝主體部位的熱能供應(yīng)，并須與坩堝支撐裝置和任選的隔熱/絕熱系統(tǒng)相適應(yīng)。為此，一種可選的方式是，降低作為加熱裝置的面加熱器對應(yīng)于籽晶容納部位的功率輸出。為提高加熱裝置的加熱效率，提高凝固時坩堝各部位的溫度梯度的控制精度，優(yōu)選在籽晶容納部位設(shè)置加熱器，構(gòu)成加熱裝置的一部分，該部位的加熱器，可以圍繞籽晶容納部位構(gòu)成籠套狀，或套筒狀，或根據(jù)加熱裝置整體熱場效果要求所需要的其他形狀。該籽晶容納部位的加熱器的功率輸出可以和加熱裝置的其他加熱器同步控制，但優(yōu)選獨立控制。本發(fā)明中，籽晶容納部位的加熱裝置，可以和坩堝底壁的支撐裝置合為一體，并和冷卻裝置合為一體。例如，采用石墨的支撐裝置置于坩堝底壁下起支撐坩堝的作用，同時， 將該石墨支撐裝置通以加熱電流或施加感應(yīng)加熱電場，則構(gòu)成了具加熱器作用的支撐裝置。當通電加熱時，該加熱器對坩堝內(nèi)的原料加熱使其熔化，而撤出或減弱加熱電流或電場后，由于石墨材料很高的熱導(dǎo)系數(shù)，石墨的加熱器可以起到均熱器、散熱器的作用，使熔化的材料凝固結(jié)晶和使凝固潛熱導(dǎo)出和使晶體冷卻。
采用本發(fā)明的裝置制造晶體材料時，為確保生成單晶體，可以使籽晶容納部位已凝固結(jié)晶的材料部分重新熔化，再次結(jié)晶，方法是，先啟動加熱裝置使坩堝內(nèi)包括籽晶上部分在內(nèi)的材料熔化，注意保持下部分籽晶的固態(tài)，在坩堝內(nèi)形成使坩堝內(nèi)的已熔化的材料自籽晶部位固-液界面上開始凝固的縱向溫度梯度，使籽晶固態(tài)部分以上的熔體凝固結(jié)晶，然后，調(diào)整加熱器的輸出使籽晶容納部位上部包含部分已凝固的材料重新熔化，下部保持固態(tài)，在籽晶容納部位內(nèi)形成再熔化的熔體和結(jié)晶的固體間的凝固界面，然后調(diào)整加熱器輸出，使凝固界面從該位置逐漸上移，直到籽晶容納部位的材料全部凝固結(jié)晶，凝固界面上移至籽晶容納部位和坩堝底壁的其他部位的移行處，此后，再按常規(guī)繼續(xù)使凝固界面逐漸上移，至坩堝內(nèi)的剩余材料全部凝固，完成晶體生長過程。通過這樣的處理，即使籽晶容納部位的尺寸較大，也可以有效地獲得單晶體或近單晶體。這種方法的一種實施方案包括連續(xù)弛豫過冷(Successive relaxation of supercooling, SRS)方法，它還有良好的降低初生晶體雜質(zhì)、提高晶體質(zhì)量的效果，特別適合于純度稍低的原料。根據(jù)本發(fā)明的晶體材料制造裝置，其容納原料以及熔化的原料在其中凝固的坩堝，與現(xiàn)有背景技術(shù)中使用的坩堝，結(jié)構(gòu)上有顯著的差異。如背景技術(shù)介紹中引用的文件的描述，現(xiàn)有的制造單晶硅材料的裝置(直拉單晶爐)，使用的坩堝通常是圓筒形，并以石英材質(zhì)居多；采用定向凝固法制造多晶硅時，通?？捎檬釄?、氮化硅坩堝、石英坩堝等，也有冷坩堝，基本上制成圓筒形或方形，其底壁基本上是平的，或以較大的曲率半徑略呈弧面外凸。而本發(fā)明中，使用了其底壁含有籽晶容納部位和所述的過渡部位這樣較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且籽晶容納部位設(shè)置成處于坩堝底部的最低位置。正是籽晶容納部位和過渡部位的特定的空間構(gòu)造，和位置選擇，及其相互連接關(guān)系，才使得本發(fā)明的裝置在相應(yīng)的加熱裝置和支撐裝置的配合下，能夠借助縱向的凝固過程，獲得與籽晶一致的大尺寸低缺陷高性能的單晶或近單晶材料，或大晶粒的多晶材料。本發(fā)明提出的將過渡部位與普通坩堝的上述特定結(jié)合方式，即包括使兩者平滑結(jié)合起來的過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)，由此得到的新型坩堝，成為本發(fā)明的裝置和方法的關(guān)鍵。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，石英材料、特別是石英陶瓷材料，由于其良好的成型、燒結(jié)和焊接性，最適合制作本發(fā)明的坩堝。本發(fā)明的方法中，硅或硅鍺的結(jié)晶速度和進程控制，可以按照通常的VGF、VB、VBS 方法中通用的結(jié)晶速度和進程控制方式。例如，凝固結(jié)晶速度取在約0. 02 30mm/分鐘范圍的某個數(shù)值，優(yōu)選約0. 1 8mm/分鐘，進一步優(yōu)選約0. 2 2mm/分鐘；凝固進程控制中，初始凝固可以較慢一些，進入單晶段可以快一些，在橫截面變動較大的部位的凝固可以較慢一些，在凝固接近終了時可以較慢一些，或者，選取基本上一致的凝固速度。由于本發(fā)明方法中晶體始終沿既存的固有晶面生長，因而能獲得高于普通垂直方向凝固鑄錠方法的生長速度，提高了生產(chǎn)效率。本發(fā)明的裝置中，為了更好地獲得均勻一致的晶體結(jié)構(gòu)，特別是雜質(zhì)分布更加均勻的單晶結(jié)構(gòu)，和降低晶體的雜質(zhì)和缺陷含量，還可設(shè)置有熔體攪拌裝置，在凝固的過程中，攪拌熔體，使熔體在坩堝內(nèi)不斷地做旋轉(zhuǎn)或往復(fù)等運動，熔體的這種運動，是在坩堝內(nèi)三維空間的運動，即，至少包括以下的運動的一種或其任意組合具有水平方向旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動分量、具有垂直方向的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動分量、具有沿某中心的旋轉(zhuǎn)運動分量。該熔體攪拌裝置在凝固時作用于原料的熔體部分，使熔體運動，強化熔體的傳熱和傳質(zhì)，可使熔體較好地均勻化和熱流傳遞均勻快速，提高熔體的均一性，減少夾雜顆粒，同時，調(diào)整凝固界面處的過冷區(qū)，使凝固更加傾向于平衡凝固，獲得最佳的結(jié)晶效果和降低晶體中雜質(zhì)的濃度和分布差異，從而得到織構(gòu)良好與電性能均一的硅晶體。本發(fā)明的這種熔體攪拌裝置所引起的熔體運動，其速度或往復(fù)/循環(huán)周期應(yīng)該較低，以避免對凝固結(jié)晶的不利影響(如破壞晶格、增加晶核、晶界和缺陷等)，具體而言，一般控制熔液在某一方向上的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動分量的運動周期在約0. 1 100周/分鐘，優(yōu)選約1 50周/分鐘，進一步優(yōu)選約5 30周/分鐘。當運動速度較高時，例如以高頻震動，晶粒變小，不利于單晶生長。可以使用機械攪拌裝置充當本發(fā)明的攪拌裝置并通過啟動該機械攪拌裝置來實現(xiàn)對熔液的攪拌作用。例如，一種實施方式是，在坩堝的上部設(shè)置有機械攪拌裝置，它含有可以伸入熔化了的硅液中的至少一個攪拌部位，在啟動該攪拌裝置后，該攪拌部位可以插入熔液中，以一定頻率的往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運動攪動硅液。該攪拌部位可用適當?shù)牟灰讕砦廴镜哪透邷夭牧现瞥?，例如，碳化硅、石墨、碳化硅結(jié)合氮化硅、氮化硅、石英、氧化鋁。另一種實施方案是，使用低頻時變磁場攪拌裝置充當本發(fā)明的攪拌裝置并通過啟動該磁場攪拌裝置來實現(xiàn)對熔液的攪拌作用。變化的磁場將在導(dǎo)電的熔體中產(chǎn)生洛倫茲力，從而引起熔體的運動。時變磁場攪拌裝置的磁場時變頻率一般可以設(shè)置在約0.1 100 周/分鐘的范圍內(nèi)，優(yōu)選約1 50周/分鐘，進一步優(yōu)選約5 30周/分鐘，磁通密度以能使熔液充分運動為準。對于不同的坩堝直徑、不同的運動方式、不同的原料成分(導(dǎo)電率、 密度)、不同的磁極位置和空間布置，以及磁極數(shù)量不同，所需要的磁通密度不同，可以根據(jù)不同的情況，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)提供的相應(yīng)計算方法確定，例如，專利文件CN200380109279. 7、 CN200580048843. 8(在此全文引用)給出了磁場中的導(dǎo)電熔體受力和運動參數(shù)的一些相應(yīng)的計算公式；也可以通過試驗確定。本發(fā)明中使用的磁場攪拌裝置的優(yōu)點是不需要具有直接和熔液接觸的攪拌部位，不會帶來額外的熱量流，設(shè)置和控制相對簡單?？梢詫⒋艌鰯嚢柩b置設(shè)置在坩堝上方；或者坩堝四周，或者靠近坩堝的其他部位，或者設(shè)置在絕熱材料外側(cè)，甚至設(shè)置在整個凝固裝置外周?？梢圆捎秒姶艌霭l(fā)生裝置作為本發(fā)明的磁場攪拌裝置， 例如，使用通電的線圈，或者可以視作線圈的閉合導(dǎo)電回路，如石墨回路，具有成本低、控制簡單的優(yōu)點。根據(jù)常規(guī)的CZ法，通過從熔融的硅池中拉出圓柱形狀的晶棒，由于拉晶的旋轉(zhuǎn)對稱性、徑向熱梯度以及過程中的固有旋轉(zhuǎn)，漩渦缺陷和OSF環(huán)缺陷均出現(xiàn)在單晶硅的晶棒中。FZ法獲得的多晶硅或單晶硅棒，具有相似的缺陷。相反，可以通過根據(jù)本發(fā)明實施方案的方法制備晶體，其不會表現(xiàn)出這種漩渦缺陷和OSF環(huán)缺陷和其他旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋缺陷。 在整個凝固和冷卻過程中穿過硅錠的等溫線基本上是平坦的過程中，凝固過程期間所引入的缺陷基本上隨機地分布到不受旋轉(zhuǎn)影響的生長界面上。由此可獲得不含或基本上不含漩渦缺陷以及不含或基本上不含OFS缺陷的低位錯密度晶硅，尤其是單晶硅和近單晶硅。其較FZ或CZ法生長單晶硅，可以容易地獲得具有更大截面的晶錠，并省去大面積的板狀籽晶，提高生產(chǎn)率，降低能耗。具體地，根據(jù)本發(fā)明，坩堝的熔硅從一個橫截面較小的籽晶容納部位開始凝固，從籽晶的上部固-液界面開始凝固，其即使采用多晶硅的籽晶，其生長成硅多晶，也將具有極顯著少的晶粒和晶界、較大的其高度最高可以與硅錠的垂直尺寸一樣長的晶粒尺寸，以及預(yù)定的晶向，并提高了生長速度。由此獲得的多晶硅錠，具有特定的而不是隨機的晶界和特定(大的)晶粒尺寸，及較高的機械強度，具有比普通的垂直方向凝固法獲得的多晶硅錠更優(yōu)良的適宜制作光電池的品質(zhì)。采用本發(fā)明的裝置和方法，由于可以獲得較完美的晶體生長，尤其是減少了晶界和雜質(zhì)，可以使用純度約5N的原料而獲得良好的太陽能級硅晶體，甚至一些情況下，例如硼、磷、鋁較低的情況下，可以使用純度約4N的原料進行晶體生長而獲得實體的大部分滿足太陽能級硅晶體要求的晶體胚體或晶錠。根據(jù)本發(fā)明制成的硅錠在水平截面(即與晶體生長方向垂直的方向)的尺寸上限僅由方向凝固裝置及坩堝的制造技術(shù)所確定，不是由發(fā)明方法本身或籽晶的尺寸所確定。 根據(jù)本發(fā)明可以制造出水平尺寸上至少有1個約Im以上的尺寸，以及截面面積至少lm2及至多4 8m2的晶錠，包括單晶硅錠和近單晶硅錠。由于決定生產(chǎn)周期的是晶體沿垂直方向的生長時間，制造大的水平截面尺寸的晶錠，能獲得較高的生產(chǎn)效率。類似地，晶錠高度的上限可能與較長的周期時間有關(guān)，而不是與制造過程的基礎(chǔ)有關(guān)。至多約50cm至約80cm、 甚至IOOcm的錠高度是可能的。沿合適的方向切割所獲得的晶錠，從中制取晶片，其中，該晶片適合用于制作半導(dǎo)體例如光電池，而較大的晶片可以獲得更高的光電池制造效率和轉(zhuǎn)換效率。由此，本發(fā)明還提供了具有確定晶向的單晶硅片或近單晶硅片，及較大的晶粒尺寸和確定的晶向的多晶硅片，其具有較少的缺陷，包括摻雜的不含或基本上不含漩渦缺陷以及不含或基本上不含OFS 缺陷、具有較高的機械強度和易加工性、以及較長的少數(shù)載流子壽命和使用壽命、并適合制作光電池。本發(fā)明的單晶錠，比較常規(guī)CZ或FZ法獲得的單晶錠，因凝固行程較短，頭尾之間電阻率變化較小，用于制作半導(dǎo)體或光電晶片，不僅材料利用率提高，并且降低了后續(xù)處理的工藝控制難度，適合大批量生產(chǎn)電阻率均勻的晶片和光電池。根據(jù)本發(fā)明的晶片，其尺寸的上限僅由本發(fā)明提供的晶錠的尺寸和晶片的制造技術(shù)所確定。根據(jù)本發(fā)明可以制造出至少有2個約51mnK2英寸)以上的尺寸，例如約25cm 或約35cm或約45cm，以及表面面積至少IOOcm2及至多約0. 3 Im2的晶片。將獲得的晶片進一步按半導(dǎo)體元、器件工藝加工，獲得半導(dǎo)體元、器件。例如按光電池的工藝加工，即獲得光電池，它較普通的單晶硅錠制成的電池，具有高的光能轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。由此本發(fā)明提供了一種光電池，包括由連續(xù)的本發(fā)明的晶硅實體形成的晶片，該實體具有預(yù)定排列的晶粒取向，優(yōu)選共極方向垂直于該實體的表面，該實體進一步具有各自任選為至少約Ilcm的至少2個尺寸和至少約5. lcnK2英寸)的第三尺寸。該晶片進一步具有各自為至少約50mm的至少2個尺寸；晶片中的p-η結(jié)；晶片表面上任選的抗反射涂層；任選自背面電場和鈍化層的至少一層以及晶片上的導(dǎo)電觸點；任選的封裝晶片的透光玻璃和背板，和任選的從晶片上的導(dǎo)電觸點引出的導(dǎo)電線。通常，由附加金屬構(gòu)成的光電池片或光電池上的相同極性的導(dǎo)電觸點彼此鄰接成連續(xù)的線帶狀。申請人:發(fā)現(xiàn)，包括本發(fā)明的各具體實施方式
和實施例中，凡是使用硅材料制造晶體的，也適用于摻鍺的硅材料和硅鍺材料制造晶體。其中，籽晶的成份優(yōu)選與原料的成分相同或相近，也可不同，例如采用硅單晶作為籽晶而原料使用摻鍺的硅或硅鍺材料，或者相反。采用本發(fā)明可以制造適合光伏的摻鍺的硅晶體和硅鍺晶體材料，例如，制造含鍺約0. 5 5ppm的摻鍺的硅晶體，含鍺約5 IOOOOppm的硅晶體，含鍺約1 10%的硅晶體， 含鍺約10 49%的硅鍺晶體，等等。其中，采用含鍺的普通金屬硅原料，經(jīng)純化處理，再使用本發(fā)明的裝置和方法制造晶體，可不需添加鍺，可直接獲得含鍺約0. 5 5ppm的硅晶體。以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。


圖1所示為舉例說明根據(jù)本發(fā)明的制造硅或硅鍺晶體的裝置的示意圖。圖2所示為舉例說明根據(jù)本發(fā)明的制造硅或硅鍺晶體的裝置的優(yōu)選的以籽晶容納部位為中心向四周以傾斜的曲面連接到側(cè)壁的幾種坩堝底壁過渡部位結(jié)構(gòu)示意圖。圖3所示為舉例說明根據(jù)本發(fā)明的制造硅或硅鍺晶體的裝置的熔液攪拌裝置的示意圖。圖4所示為舉例說明根據(jù)本發(fā)明的制造晶體的裝置的熔液磁場攪拌裝置的示意圖。本發(fā)明的裝置的示意圖均為剖面示意圖，圖中各部位所顯示的相對大小，依清楚地展示和方便繪圖的需要做了調(diào)整，并不代表實際的比例或尺寸。附圖標記說明1、坩堝；11、坩堝籽晶容納部位；12、坩堝過渡部位；2、坩堝支撐裝置；21、籽晶容納部位附近的支撐裝置；3、加熱裝置；4、籽晶；5、原料或熔體；6、機械攪拌裝置；61、攪拌部位；71、72、73 攪拌磁極；8、垂直方向凝固裝置的爐殼
具體實施例方式圖1展示采用VGF法的硅晶體生長工藝的硅晶體制造裝置，為清晰顯示本發(fā)明的特征，圖中僅給出包含有籽晶容納部位的坩堝1、坩堝支撐裝置2和加熱裝置3的示意圖，且各部位之間僅顯示相對位置，不代表真實比例。根據(jù)圖1，坩堝由石英坩堝1形成，它的底壁中間部位設(shè)置有籽晶容納部位11，內(nèi)安置有單晶或多晶的籽晶4，籽晶容納部位的上口處， 以向坩堝內(nèi)凹進的傾斜弧形向側(cè)壁擴展連接到側(cè)壁底部，構(gòu)成漸變的過渡部位12。坩堝的側(cè)壁直立，坩堝腔體容納硅原料5，籽晶容納部位腔體安置有籽晶。坩堝由坩堝支撐裝置2保持其位置和形狀，其中，籽晶容納部位附近的支撐裝置 21為任選。坩堝的籽晶容納部位附近還設(shè)有加熱裝置或冷卻裝置，未在圖中示出。實施本發(fā)明方法，先啟動并控制加熱裝置的加熱器的輸出，使坩堝內(nèi)形成縱向的溫度梯度，其中，控制位于坩堝最低處的籽晶容納部位的籽晶下部溫度在硅熔點以上而保持固態(tài)，加熱坩堝的硅料及籽晶上部使其熔化，然后保持所述的縱向的溫度梯度的同時，從坩堝底部冷卻硅熔體，使硅熔體從籽晶的固-液交界面開始自下而上地凝固，通過仔細地控制坩堝的加熱和散熱，保持凝固界面呈水平或接近水平的狀態(tài)的同時，使凝固界面順序向上移動，直到坩堝內(nèi)硅液全部凝固，冷卻坩堝中凝固的硅，在冷卻的過程中任選施加退火步驟，最后取出冷卻了的硅錠，即獲得與籽晶一致的單晶或近單晶或多晶的晶硅胚體(晶錠)，切除邊皮、切下胚體底部的凸起和籽晶部位，獲得的晶硅胚體主體即可用于制作電池片的硅晶片。采用不同的坩堝形狀和尺寸，可以獲得不同形狀和尺寸的單晶或多晶硅胚體主體。所述的胚體的主體，是指坩堝側(cè)壁圍成的、位于側(cè)壁底端水平面以上的晶體胚體部分， 該部分的坩堝也稱之為坩堝的主體部分。本發(fā)明制造的晶體胚體主體的形狀和尺寸，完全取決于坩堝主體的形狀和尺寸，并且?guī)缀踉谯釄逯圃斓目赡芟聸]有任何限制，但是，優(yōu)選具有規(guī)則的幾何形狀。例如，采用主體部分呈圓柱形或方形的坩堝，即可獲得圓柱形或方形的錠。特殊地，采用主體部分橫截面為六角形或八角形的坩堝，可以獲得主體為六棱柱體或八棱柱體的硅晶體胚體。一些具體的實施例，包括分別采用合適尺寸和形狀的坩堝，獲得直徑約20cm、25cm、31cm、15英寸、18英寸、20英寸的圓柱狀晶體胚體，以及高為約5. 1cm、11cm、 15cm、20cm、25cm、30cm、:35cm、40cm、50cm,邊長約 5 100*5 100cm 的方形晶錠，和邊長約 5 IOOcm的各種高度的六邊棱柱體或八棱柱體晶錠。顯而易見，通過調(diào)整坩堝的形狀和尺寸，幾乎可以不受限制地設(shè)計不同形狀和尺寸的晶體胚體。根據(jù)晶體的密度，可以從坩堝的尺寸設(shè)計，構(gòu)造出幾乎任意重量的晶體胚體主體，從約Ikg到約2000kg，甚至約10噸，僅僅限制于本發(fā)明的裝置本身及坩堝的尺寸和需要與坩堝配套的凝固時對熱場的精確控制能力。本發(fā)明的裝置和方法可以獲得較大尺寸的單晶胚體，遠超出通常CZ法、FZ法獲得的晶棒的尺寸。從這樣的晶體胚體可以切得大尺寸特定晶向的單晶片，例如直徑約30cm、或 35cm,或40cm及以上的晶圓、面積約:35*35cm2、或約40*40cm2、或約50*50cm2、約60*50cm2的方形或長方形晶片，按光伏電池片的制作工藝，可以將這些晶片制成相應(yīng)的大尺寸光伏電池片，采用本發(fā)明的方法的晶片制作光伏電池，具有更高的制作效率。一些實施例如下采用含籽晶容納部位的坩堝，其籽晶容納部位為具有圓柱體或類似形狀的腔體， 其水平截面直徑取約0. 1 IOcm間的任意數(shù)值，優(yōu)選0. 5 2. 5cm,圓柱形高度取約0. 5 20cm間的任意數(shù)值，優(yōu)選2 8cm。一個實施例是，圓柱形的籽晶容納部位高約5cm，內(nèi)徑約 2. 5cm ；另一個實施例是，籽晶容納部位為棱柱體形，高約km，截面邊長約2cm ；再一個實施例中，圓柱體形的籽晶容納部位高約8cm，內(nèi)徑約1. 7cm。更高的籽晶容納部位，意味著降低溫度梯度控制精度要求的同時，可能延長生產(chǎn)周期。本發(fā)明的上述籽晶，以及容納籽晶的起始段或籽晶段內(nèi)的腔體形狀，還可以任選以下一組形狀之一正方體形、長方體形、長條形、棱柱體形、細長的圓臺體形、細長的棱臺體形、圓錐體形、棱錐體形、長的薄片形、具有一個沿垂直方向上較長的尺寸的任意形狀。其中，圓錐體形、棱錐體形、棱錐體形、圓臺體形的籽晶容納部位通常取倒立的即小頭在下的方式，配合同樣形狀但尺寸稍小的籽晶，可以節(jié)省籽晶用量。本發(fā)明的上述籽晶，和籽晶容納部位的腔體的三維最大和最小尺寸還可以任選自以下一組數(shù)據(jù)范圍約1 20cm、約0. 1 6cm。例如，取用長約10cm，寬約1cm，厚約0. 5cm 的長條單晶體作為籽晶，置入具有相似的形狀但略大一些的籽晶容納部位。
也可以選取遠較上述實施例中更大尺寸的籽晶容納部位。較大的籽晶容納部位尺寸，其坩堝制作容易、加熱裝置的控溫容易，但耗費大的籽晶。本發(fā)明的制造硅或硅鍺晶體的裝置的再一種實施方案的坩堝，其含有2個籽晶容納部位。結(jié)晶時，晶體分別在2個籽晶容納部位生成和生長。坩堝包含一個以上的籽晶容納部位時，獲得的多晶晶體排列比較整齊，缺陷少，晶粒尺寸大，但坩堝制作復(fù)雜。本發(fā)明的方法，優(yōu)選使用包含一個籽晶容納部位的方式。由于本發(fā)明的坩堝的籽晶容納部位外壁呈縱向，其要連接到位于其外側(cè)四周的同樣縱向的側(cè)壁，坩堝必須含有從籽晶容納部位直立的上口向水平方向的轉(zhuǎn)折或偏折的部分底壁，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果這部分轉(zhuǎn)折或偏折的底壁，其轉(zhuǎn)折或偏折的角度較大，或者較突然， 使底壁的籽晶容納部位和向側(cè)壁的連接部位間在坩堝外形成的夾角接近直角，則容易在直角附近的坩堝內(nèi)生成雜晶，或?qū)е螺^多的晶體缺陷，或較大的內(nèi)應(yīng)力，降低晶體的質(zhì)量。同時，由于籽晶容納部位的最大橫向尺寸，特別是籽晶容納部位上段的最大橫向尺寸，和坩堝最大橫向尺寸相比，差異較大，而如果在籽晶容納部位和其以上部位之間的晶體生長過程中，發(fā)生橫向尺寸的突然大幅增加，也會影響到晶體的生長質(zhì)量。因此，本發(fā)明中，要使從籽晶容納部位到底壁的其他部位和側(cè)壁的延續(xù)，盡可能保持漸變性的尺寸變化和傾角變化。 為此，本發(fā)明提出，使坩堝的籽晶容納部位上口向側(cè)壁的延續(xù)，以漸變或平緩的轉(zhuǎn)折或偏折的方式伸展到側(cè)壁，即從籽晶容納部位上口到側(cè)壁底部間包含有漸變性過渡部位。對此過渡部位，任何其圍成的腔體水平截面從小到大的漸變的結(jié)構(gòu)都是可以的。作為例子，本發(fā)明提出以下具體方案。圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的制造硅或硅鍺晶體的裝置的優(yōu)選的以籽晶容納部位為中心向四周以傾斜的過渡部位連接到側(cè)壁底部的幾種坩堝底部結(jié)構(gòu)示意圖(含外凸、內(nèi)凹、棱臺、多階棱臺、圓臺)。圖中，13為籽晶容納部位圖2-1是含外凸形的坩堝1底壁的過渡部位12實施方式的示意圖。圖2-2是含內(nèi)凹形(喇叭形)的坩堝1底壁的過渡部位12實施方式的示意圖，圖中14示意籽晶容納部位和過渡部位之外的底壁其余部分。圖2-3是含棱臺或圓臺形的坩堝1底壁的過渡部位12實施方式的示意圖。圖2-4是含二階棱臺形的坩堝1底壁的過渡部位12實施方式的示意圖。籽晶容納部位與底壁的上述傾斜的過渡部位間的連接區(qū)域，最好是與所述的過渡部位結(jié)構(gòu)相近，以漸變尺寸的方式形成平緩或平滑的移行。特別地，當籽晶容納部位四周的向側(cè)壁延續(xù)的坩堝底壁主體部分呈現(xiàn)外凸形狀，即有一個位于坩堝腔體之內(nèi)的曲率中心時，所述的過渡區(qū)最好呈現(xiàn)為向內(nèi)凹進的形狀(如同喇叭口的形狀)，即有一個位于坩堝腔體外部的曲率中心的形狀，以確保晶體生長在坩堝的該過渡區(qū)域處的良好質(zhì)量。本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以減少坩堝腔體內(nèi)位于轉(zhuǎn)折夾角處的溫度差異，降低晶體應(yīng)力，提高晶體的質(zhì)量，同時也降低坩堝的制造難度和降低坩堝的碎裂風險。在本發(fā)明的裝置和方法中，上述采用籽晶的實施方式，可以獲得和籽晶晶向一致的晶體，因而可以獲得任意選擇的特定晶向的晶體。本發(fā)明的裝置的坩堝的各個部位，包括側(cè)壁、底壁籽晶容納部位、及籽晶容納部位四周的底壁過渡部位，可以采用不同的材料制造，但最好采用相同的材料制造，如采用石英材質(zhì)，或石英陶瓷材質(zhì)。本發(fā)明的坩堝的制造材料，用于鑄造硅及硅鍺晶體時，可以選擇石墨、氧化鋁、氮化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅、石英、石英陶瓷、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈣等等，優(yōu)選石英、石英陶瓷和含氮化硅的材料。鑄造其他晶體，所選用的坩堝材質(zhì)需要和鑄造的材料相適應(yīng)，如高耐溫性、反應(yīng)惰性、互不溶等等。一般來說，本發(fā)明的坩堝其材質(zhì)并不受發(fā)明本身的限制，所有可以做坩堝的材料，均適用。本發(fā)明的一些耐高溫坩堝的材質(zhì)的例子，包括高熔點金屬例如白金、非金屬例如硼、合金例如鎢鉬、鋼例如碳鋼、鉻鋼、混合成分的耐火材料例如粘土、氧化物例如氧化鉻、氧化物陶瓷例如尖晶石，氮化物例如氮化硼、碳化物例如碳化鈦、稀土氧化物例如氧化釔等等，本文最后所列的各種材料或其組合物，都可以制作本發(fā)明的坩堝。圖3和圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的制造硅或硅鍺晶體的裝置的熔液攪拌裝置的示意圖。圖中僅示意坩堝1及熔體5的上部分。其中，一種實施方式的實例如圖3所示，設(shè)置機械攪拌裝置6，其包含有可插入熔液內(nèi)的攪拌部位61，凝固時，啟動該攪拌裝置，攪動熔液。 另一種實施方式是在坩堝外設(shè)置時變磁場攪拌裝置，其中，一個實施例如圖4-1所示，磁場攪拌裝置的磁極71設(shè)置在坩堝上方；另一個實施例如圖4-2所示，磁場攪拌裝置的磁極72 設(shè)置在坩堝側(cè)壁四周；再一個實施例如圖4-3所示，磁場攪拌裝置的磁極73設(shè)置在本發(fā)明裝置的爐殼8外部(爐體外側(cè))。在本發(fā)明的一種實施方式中，熔硅從一個設(shè)置在所述的硅凝固坩堝之外的容器中被提供到硅凝固坩堝中。例如，一個實施例包含有一個石墨坩堝，石墨坩堝外設(shè)置有加熱裝置，硅料在其中被加熱熔化成硅液，然后被引入(例如傾倒位于高位的石墨坩堝)到硅凝固坩堝，后者已經(jīng)含有或未含有部分熔硅。接著控制熔硅在坩堝內(nèi)按前述的預(yù)定的方式凝固結(jié)晶。作為一個實施例，取帶有籽晶容納部位的、具有測量為50cm*50cm水平方形截面的中心部分的坩堝，置于本發(fā)明所述的一個VGF裝置中，裝入單晶籽晶、原料硅和摻雜劑， 按本發(fā)明的方法獲得的晶錠，為具有測量為50cm*50cm水平方形截面的中心部分的單晶硅錠。對錠的表面的目測檢查，可以明顯看出單晶硅結(jié)構(gòu)。用能夠刻劃晶界的腐蝕性制劑蝕刻硅也進一步確定了在材料中缺乏晶界。其體摻雜平均為1. 4ohm. cm,由此制造的光電池具有16. 5%的光電效率。作為再一個實施例，取帶有籽晶容納部位的、具有測量為60cm*60cm水平方形截面的中心部分、籽晶容納部位上口以上的高度為45cm的石英陶瓷坩堝，坩堝內(nèi)壁涂覆氮化硅涂層，置于本發(fā)明所述的具有石墨加熱器的一個垂直方向凝固鑄造裝置中，裝入籽晶、適宜量的原料硅和P型摻雜劑，例如任選自硼、鎵、鋁的摻雜劑，并裝入經(jīng)計量使所得晶錠達到平均含鍺0. 5*1016 l*102°cm_3的鍺粒，然后按本發(fā)明方法，經(jīng)加熱熔化原料和籽晶上部分，保溫，建立坩堝內(nèi)的梯度溫度分布，和保持梯度溫度分布的同時，自籽晶容納部位冷卻坩堝底部，使硅熔體逐漸向上凝固，凝固完成后緩慢降溫到室溫，取出坩堝內(nèi)的晶錠。獲得的晶錠，為具有測量為60cm*60cm水平方形截面的中心部分的單晶硅錠。對錠的表面的目測檢查，可以明顯看出單晶硅結(jié)構(gòu)。用能夠刻劃晶界的腐蝕性制劑蝕刻硅也進一步確定了在材料中缺乏晶界。調(diào)整坩堝涂層的厚薄，調(diào)整加熱、熔化、凝固、降溫等處理環(huán)節(jié)期間坩堝的氣氛、氣壓和氣體流速，及改變上述各環(huán)節(jié)的處理時間，可以獲得氮、碳、氧含量不同的晶
Iio其中，與本實施例一致的再一實施例，在籽晶容納部位安裝單晶籽晶，可以獲得多晶體。分析是由于過快的凝固導(dǎo)致雜晶生長所致。另一個實施例中，在籽晶容納部位安裝多晶籽晶，獲得多晶體。在另一些與本發(fā)明的晶硅生長的實施方式一致的實施例中，氮、碳和氧的摻入，是采用了在硅原料中加入硅的碳、氮、氧化物的方式，例如碳化硅、氮化硅、二氧化硅。由與本發(fā)明實施方案一致的硅制成的適宜厚薄的晶片，可以是η型或ρ型，并且可以用于半導(dǎo)體元器件，例如光電池。例如，晶片可以為約50微米厚至約500微米厚。此外，用于光電池的晶片優(yōu)選具有大于晶片厚度⑴的擴散長度(Lp)。例如，Lp與t之比合適地為至少0. 5。例如，其可以為至少約1. 1或至少約2。擴散長度是指少數(shù)載流子(例如 P型材料中的電子)在與多數(shù)載流子(P型材料中的空穴)復(fù)合之前能夠擴散的平均距離。 Lp通過關(guān)系式Lp= (D τ ) “ (1/2)與少數(shù)載流子壽命τ相關(guān)聯(lián)，其中D是擴散常數(shù)。晶片的寬度可以約為IOOmm至約600mm。優(yōu)選地，晶片的至少一個尺寸為至少約51mm O英寸)。 例如，由本發(fā)明的硅制備的晶片，以及因此由本發(fā)明制備的光電池可以具有約25至約2500 平方厘米的表面積。晶片的前表面優(yōu)選是織構(gòu)化的(制成絨面的，或稱之為紋飾過的)。例如，可以利用化學蝕刻、等離子體蝕刻或者激光或機械劃片適當?shù)丶y飾晶片。因而，作為一個實施例，通過切割本發(fā)明的硅錠的固體實體形成至少一個晶片；任選在晶片表面上實施清洗步驟；任選在晶片表面上實施紋飾步驟；任選對晶片實施熱處理步驟；形成p-n結(jié)，例如通過表面摻雜；任選在表面上沉積抗反射涂層；任選形成選自背面電場和鈍化層的至少一層，例如通過鋁燒結(jié)步驟；以及在晶片上形成導(dǎo)電觸點，由此，可以使用由根據(jù)本發(fā)明的實施方案的晶硅錠生產(chǎn)的晶片，制造出光電池。鈍化層是與維系表面原子的懸空鍵的裸晶片表面具有界面的層。硅上的鈍化層的例子包括氮化硅、二氧化硅和無定形硅。該層通常比1微米還要薄，或者對光是透明的，或者作為抗反射層。在例如使用ρ型硅晶片制備光電池的典型和一般方法中，使晶片在一側(cè)于高溫下暴露于適當?shù)摩切蛽诫s劑，從而在晶片的前側(cè)或受光測形成發(fā)射體層和P-n結(jié)。為進一步改善光吸收，通常可以在晶片的前部施加任選的抗反射涂層，例如氮化硅，有時提供同時的表面和/或體相鈍化。為了利用通過p-n結(jié)暴露于光能所產(chǎn)生的電位，光電池通常在晶片的前表面提供導(dǎo)電的前電觸點，在晶片的后表面提供導(dǎo)電的后電觸點。電觸點通常由導(dǎo)電的金屬制成。由本發(fā)明的摻雜的半導(dǎo)體晶體，例如硅、硅鍺、III-V族元素化合物之一的砷化鎵晶體，制成的包含至少一組P-n結(jié)和導(dǎo)電觸點的晶片，可以作為半導(dǎo)體元件，例如二極管元件、三極管元件、晶閘管元件、光電池片。例如當需要包含有一組以上的P-n結(jié)時，制成的晶片可具有需要的厚度。因此，與上述實施方案一致的光電池可以包含由不含或基本上不含徑向分布缺陷的連續(xù)單晶硅或進單晶硅地實體形成的晶片，該實體可以如上文所述，例如，具有各自至少約25cm的2個尺寸和至少約21cm的第三尺寸；晶片中的p_n結(jié)晶片表面上任選的抗反射涂層；優(yōu)選具有選自背面電場和鈍化層的至少一層；以及晶片上的導(dǎo)電觸點，其中該實體可以不含或基本上不含漩渦缺陷以及不含或基本上不含OFS缺陷。在本發(fā)明的含碳氧氮鍺的實施例一致的一個試驗例中，獲得的單晶錠具有 76*76cm橫截面尺寸，切除籽晶和過渡部位后的晶錠高33cm，其體摻雜平均為1. 4ohm. cm, 由此錠切割獲得的系列晶片，具有至少約31cm的第一和第二尺寸，至多約72cm的第一和第二尺寸，其制造的光電池，具有16. 4 17. 6%的光電效率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見，在不偏離本發(fā)明的范圍或構(gòu)思的情況下，可以對所披露的結(jié)構(gòu)和方法作出各種修改和變形。例如，所披露的與形成單晶硅有關(guān)的過程及方法也適用于形成近單晶硅、大晶粒特定晶向的多晶硅或其組合。以上各實施方案和實施例，同樣可以用于采用基于VB法、VBS法等熱交換法的鑄造方式的晶體生長工藝中。此外，雖然本發(fā)明描述了硅和硅鍺的鑄造，但在不偏離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思的情況下，也可以鑄造其他半導(dǎo)體材料和金屬及非金屬晶體材料，包括任何其從熔體凝固后的狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)為晶體、或與準晶體或近晶體相同或相似。作為例子，本發(fā)明所鑄造的物質(zhì)包括元素周期表里從第3號到第118號元素中在常溫下或者加溫加壓下處于固態(tài)或液態(tài)并在溫度較高時有液態(tài)狀態(tài)的任一種元素，以及這些元素化合而成的單一成分的化合物，包括金屬、非金屬、半導(dǎo)體材料、陶瓷，包括碳族、氮族、氧族、商族的化合物，包括金屬化合物，包括半導(dǎo)體元素的化合物，包括金屬間化合物，以及上述這些單質(zhì)和化合物的任意組合物。例如，本發(fā)明人已經(jīng)設(shè)想了與本發(fā)明實施方案一致的其他材料，例如鍺、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋁、氧化鋅、硫化鋅、砷化銦鎵、銻化銦、釔鋇氧化物、鑭系元素氧化物、以及其他半導(dǎo)體、氧化物和與液相的金屬間化合物的鑄造。考慮到說明書以及實踐本文中披露的發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以顯而易見本發(fā)明的其他實施方案。作為本發(fā)明的方法和裝置鑄造的化合物或合金材料或金屬間化合物或陶瓷材料的具體例子，包括(但不限于)自以下物質(zhì)中任選的一種或一種以上的組合物AlSb、 A12S3、A12Se3, A12Te3, Sb203、Sb2S3、Sb2Se3、Sb2Te3、As2S3、As2Se3, As2Te3, Bi2Se3, Bi2Te3、Bi203、Bi2S3、CdAs2、Cd3As2、CdSb, CdSe, CdS, CdTe, Cu2S、CuGaSe2, CuGaTe2, CuInS2、CuInSe2、CuInTe2、CuTlSe2、CuTlTe2、GaAs、GaSb、Ga203、GaS、Ga2S3、GaSe、Ga2Se3、 GaTe> GeS、GeS2、GeSe、GeSe2、GeTe、HgS> HgSe> HgTe> InBi > InAs> InSb、In203、InP、InSe、 In2Se3、In2S3、InTeO, InSeO, InTe, In2Te3、PbO、PbS、PbSe、PbTe, AlTe、Mg2Si、Mg3Bi2、 MgGe, MgSn, Mg2Pb、SnS, SnSe, SnSe2, NiS、SnTe, Ag2S、Ag2Se、Ag2Te、AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2、AgInSe2, AgInTe2, AgTlSe2, AgTlTe2, Te02, Sn02、SnO, SnSe, SnSe2, SnTe, TISe、 T12S,ZnAs2,Zn3As2,ZnSb,Zn3P2,ZnS,ZnSe,WSe2,ZnTe,Si02,Ti02,Ti305,Ti203,A1203, MgO, CaO, Cu20、Nd203、Gd203、Y203、CaF2、LaF3、CeF2、Ce6K7F31、PrF3、NdF3、GdF3、DyF3、 YF3、 SeN, YN、 La2S3, CuInSe2、 CuInGeSe2、 Cu (InxGa(1_x)) Se2, Cu2ZnSnS4, Τ 3ΑΚ TiAl、 Ni3Al、FeAl、Fe3Al、MoFe2、WFe2、NbFe2、TiFe2、MgCu2、MgNi2、釹鐵硼合金、釔鋇銅氧化物、A1203-YAG、A1203-GAP、A1203_Zr02、A1203-EAG、A1203-EAG_Zr02、A1203-(RE) A103、 Zr02-Ca0,CaF2_Mg0、MgO-MgAl204,NiO-CaO, Ni0_Y203。
權(quán)利要求
1.一種使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固法制造晶體的方法，包括提供具有基本上直立的側(cè)壁的坩堝以容納晶體原料，其中坩堝的底壁包含有位于坩堝最底部的籽晶容納部位， 和提供包含有坩堝加熱裝置、坩堝支撐裝置的垂直方向凝固法的晶體制造裝置以容納所述的坩堝，啟動加熱裝置并控制該加熱，形成從坩堝底部向上方溫度逐漸上升的溫度梯度分布熱場，保持籽晶的下部分的固態(tài)的同時，熔化坩堝內(nèi)的原料及籽晶的上部分，然后冷卻坩堝內(nèi)的熔體使其從與未熔化的籽晶部分的上端的交界面開始向上作方向凝固，獲得晶體實體，本發(fā)明的特征是，在底壁的籽晶容納部位的上口和坩堝側(cè)壁底部之間，包含有其圍成的腔體的水平截面逐漸擴大的漸變性過渡部位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是，所述的坩堝底壁的漸變性過渡部位，形成以一個籽晶容納部位為中心，以取自包括向外凸的碗形、向內(nèi)凹形(喇叭形)、單階或多階的圓臺形或棱臺形的一組結(jié)構(gòu)中的任一種逐漸向上向側(cè)壁方向傾斜延續(xù)而連接到側(cè)壁底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，所述的坩堝由直立的側(cè)壁所圍成的腔體與底壁的籽晶容納部位上口處的腔體之間具有大于60的水平截面面積之比。
4.一種使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固法制造晶體的裝置，其包含具有基本上直立的側(cè)壁、連接側(cè)壁的底壁的坩堝，和坩堝支撐裝置，及含有至少一組加熱器的加熱裝置，其中坩堝的底壁包含有位于坩堝最底部的籽晶容納部位，本發(fā)明的特征在于，在底壁的籽晶容納部位的上口和坩堝側(cè)壁底部之間，包含有其圍成的腔體的水平截面逐漸擴大的漸變性過渡部位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其特征是，籽晶容納部位上口較小橫截面面積與坩堝腔體的較大的橫截面面積之比小于1/60，所述的坩堝底壁的漸變性的過渡部位，形成以一個籽晶容納部位為中心，以取自以下一組形狀中的任意一種、逐漸向上向側(cè)壁方向傾斜延續(xù)而連接到側(cè)壁底部或底壁的其余部位的底壁結(jié)構(gòu)向外凸的碗形、向內(nèi)凹形(喇叭形)、單階或多階的圓臺形或棱臺形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4 5的裝置，其特征是，所述的籽晶容納部位附近，設(shè)置有任選自加熱器和冷卻裝置之一的獨立溫度調(diào)節(jié)裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求4 5的裝置，其特征是，還設(shè)置有任選自機械攪拌裝置和電磁攪拌裝置之一的熔體攪拌裝置。
8.一種使用垂直方向凝固法鑄造晶體的坩堝，其包含具有基本上直立的側(cè)壁、連接側(cè)壁的底壁的坩堝，坩堝的底壁包含有位于坩堝最底部的籽晶容納部位，其中籽晶容納部位的腔體水平截面面積與穿過側(cè)壁的水平截面面積之比小于1/60，本發(fā)明的特征是，在坩堝底壁的籽晶容納部位的上口和坩堝側(cè)壁底部之間，包含有其圍成的腔體的水平截面逐漸擴大的漸變性過渡部位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的坩堝，所述的坩堝底壁的漸變的漸變性過渡部位，形成以一個籽晶容納部位為中心，以取自以下一組形狀中的任意一種、逐漸向上向側(cè)壁方向傾斜延續(xù)而連接到側(cè)壁底部或底壁的其余部位的底壁結(jié)構(gòu)向外凸的碗形、向內(nèi)凹形(喇叭形)、單階或多階的圓臺形或棱臺形。
10.根據(jù)8 9的坩堝，其材質(zhì)的主要成分為任選自石墨、碳化硅、碳化硅結(jié)合氮化硅、 氮化硅、石英、石英陶瓷、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈣、氧化鎂中的一種。
11.一種籽晶誘導(dǎo)的方向凝固鑄造單晶或多晶連續(xù)實體，包含有靠近凝固起始部位的籽晶部位和晶體主體部位，其特征是，與凝固方向垂直的橫切截面的面積在所述的主體部位與凝固起始部位之比大于60，在所述的凝固起始部位和晶體主體部位之間，包含有其與凝固方向垂直的橫切截面的面積逐漸擴大的漸變性過渡部位。
12.根據(jù)11，所述的晶體是含有摻雜劑的半導(dǎo)體晶體。
13.半導(dǎo)體晶片或器件的制造方法，包括提供根據(jù)權(quán)利要求1 5的方法制取的摻雜的半導(dǎo)體晶體實體，由該晶體形成晶片，在該晶片上，任選形成至少一個p-n結(jié)，任選形成導(dǎo)電觸點(或線/帶)，任選封裝該晶片，任選將附加的器件連接該晶片上。
14.光電池片或光電池的制造方法，包括提供根據(jù)權(quán)利要求1 5的摻雜的半導(dǎo)體晶體實體；由該實體至少形成一個晶片；任選對晶片實施熱處理步驟；任選在晶片表面實施清洗步驟；任選在該表面上實施制絨步驟；形成p-n結(jié)；任選在該表面上沉積抗反射涂層；任選形成選自背面電場和鈍化層的至少一層；以及在晶片上形成導(dǎo)電觸點(線、帶)；任選將晶片封裝并引出導(dǎo)電線。
15.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的晶體，其用于制作任選自ρ型、η型、含ρ_η結(jié)的晶片或半導(dǎo)體器件之一的用途。
全文摘要
本發(fā)明一般涉及使用籽晶誘導(dǎo)的垂直方向凝固鑄造法，制造具有預(yù)定晶向的晶體材料，包括多晶和單晶材料。現(xiàn)有的籽晶誘導(dǎo)的鑄造晶體方法，在生產(chǎn)較大尺寸的晶體時，存在著籽晶用量大、容易生成雜晶、內(nèi)應(yīng)力大、難以獲得單晶材料或達到預(yù)期的質(zhì)量要求等問題，本發(fā)明通過提供一個水平截面逐漸增大的漸變性晶體生長區(qū)域，消除了上述問題，獲得良好的晶體生長效果，得到的鑄造單晶或多晶體材料，例如硅或硅鍺晶體，其缺陷少、質(zhì)量好、性能優(yōu)良，特別適用于半導(dǎo)體和光伏領(lǐng)域應(yīng)用。
文檔編號C30B11/00GK102312281SQ20101021872
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者趙鈞永 申請人:趙鈞永