тигель для устройства для получения блока кристаллического вещества и способ его получения

Формула изобретения

1. Тигель для устройства для изготовления блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией, состоящий из боковых стенок (8) и основания (7), при этом основание (7) обладает параллельно направлению, по существу, перпендикулярному основанию, лучшими характеристиками теплопередачи, по сравнению с характеристиками теплопередачи боковых стенок (8) вдоль указанного направления, отличающийся тем, что основание (7) и боковые стенки (8) выполнены из материалов, содержащих, по существу, одинаковые основные химические компоненты, при этом основание (7) является прозрачным для инфракрасного излучения, а боковые стенки (8) являются непрозрачными для инфракрасного излучения.

2. Тигель по п.1, отличающийся тем, что основание (7) выполнено из аморфной двуокиси кремния, при этом боковые стенки (8) сделаны из непрозрачной кварцевой керамики.

3. Тигель по п.1 или 2, отличающийся тем, что тигель содержит, по меньшей мере, одно покрытие (11), по меньшей мере, на одной поверхности боковых стенок (8).

4. Тигель по п.3, отличающийся тем, что вещество для покрытия (11) выбрано из нитрида кремния и отражающих веществ.

5. Тигель для устройства для изготовления блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией, состоящий из боковых стенок (8) и основания (7), при этом основание (7) обладает параллельно направлению, по существу, перпендикулярному основанию, лучшими характеристиками теплопередачи, по сравнению с характеристиками теплопередачи боковых стенок (8) вдоль указанного направления, отличающийся тем, что основание (7) и боковые стенки (8) выполнены из материалов, содержащих, по существу, одинаковые основные химические компоненты, при этом основание (7) и боковые стенки (8) образованы пластинами, выполненными из одного и того же материала, обладающего анизотропными характеристиками теплопроводности, при этом теплопроводность пластин в плоскости пластин, является намного меньшей, чем их теплопроводность в направлении, перпендикулярном к данной плоскости.

6. Тигель по п.5, отличающийся тем, что тигель выполнен из графита.

7. Тигель по п.5 или 6, отличающийся тем, что тигель содержит, по меньшей мере, одно покрытие (11), по меньшей мере, на одной поверхности боковых стенок (8).

8. Тигель по п.6, отличающийся тем, что вещество для покрытия (11) выбрано из нитрида кремния и отражающих веществ.

9. Устройство для изготовления блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией жидкой фазы данного вещества, содержащее тигель, расположенный в герметизирующем кожухе (2) между средствами (3) нагревания, расположенными над тиглем и средствами (4) охлаждения, расположенными под тиглем, отличающееся тем, что содержит тигель по любому из пп.1-4 или 5-8.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что снабжено графитовым войлоком (9), расположенным между основанием (7) тигля и средствами (4) охлаждения, при этом предусмотрены средства уплотнения (10), для уплотнения графитового войлока во время кристаллизации кристаллического вещества.

11. Способ изготовления блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией, отличающийся тем, что в способе используют устройство по любому из пп.9 или 10 так, чтобы установить в жидкой фазе температурный градиент в диапазоне от 8 до 30°С/см.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к тиглю, применяемому в устройстве для получения блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией, при этом тигель содержит боковые стенки и основание, причем основание обладает параллельно направлению, по существу перпендикулярному основанию, значительно лучшими характеристиками теплопередачи по сравнению с характеристиками боковых стенок в указанном направлении.

Уровень техники

Традиционные способы изготовления поликристаллического твердого кремния для фотоэлектрических устройств имеют следующие ограничения:

- экономические, связанные с необходимым временем кристаллизации, в зависимости от объема и высоты кремниевого блока,

- технические, относящиеся к полупроводниковым устройствам и связанные с диффузионной длиной неосновных носителей,

- связанные с неуправляемым боковым ростом, вызывающим потери вещества и необходимость зачистки,

- связанные с диффузией примесей из тигля в кремний, и также требующие очистки.

Для преодоления указанных ограничений значительные усилия были сосредоточены на совершенствовании конструкции печи и повышении качества кристаллизуемого вещества. Так, плазменная очистка и конструкция печи, дающая возможность отделения металлических примесей, действительно позволили улучшить характеристики фотоэлементов, полученных таким образом, но при этом приходилось сталкиваться с техноэкономическим ограничением по объему и высоте кристаллизованного кремниевого блока.

Затвердевание кремния из расплава кремния обычно достигают направленной кристаллизацией, то есть перемещением фронта затвердевания (границы твердого тела/жидкость) от первоначально затвердевшей части, в частности, зародыша или первоначального слоя, закристаллизованного с помощью локального охлаждения. Таким образом, твердый кремниевый блок постепенно растет, подпитываясь расплавом. Двумя, традиционно используемыми способами, являются способ Чохральского, способ Бриджмена или их разновидности. Согласно способу Чохральского, зародыш, часто ориентированный относительно кристаллографической оси твердого кремния, опускают в жидкую ванну и затем медленно поднимают. В этом случае жидкий кремний и температурный градиент остаются фиксированными, тогда как согласно способу Бриджмена, расплав перемещают относительно температурного градиента или температурный градиент перемещают относительно расплава.

Настоящее изобретение относится к способу Бриджмена. Как показано на фиг.1, устройство традиционно состоит из плавленного кварцевого тигля 1, расположенного в герметизирующем кожухе 2, выполненном из герметизирующего вещества. Температурный градиент создают между устройством 3 нагревания, расположенным в верхней части герметизирующего кожуха 2 и устройством 4 охлаждения, расположенным в нижней части герметизирующего кожуха 2. Твердый кремний 5, полученный из жидкого кремния 6, часто содержит неоднородности, например, тонкодисперсные формы частиц («микропесчинки»), которые не достигли критического размера кристаллического зародыша и находятся в виде кластера, который уменьшает диффузионную длину неосновных носителей. Другой проблемой является формирование жидких полостей из-за критического окончания кристаллизационных периодов, разрушительного явления хорошо известного специалистам в области техники. Кроме того, изотермические поверхности в кремнии не представляют собой параллельные слои, что также ухудшает качество полученного твердого кремния.

В документе JP 07010672 описывают платиновый тигель, установленный в электрической печи для выращивания монокристаллов согласно способу Бриджмена. Тигель содержит жидкость, контактирующую с кристаллом, действующим в качестве кристаллического зародыша и помещенного в нижней части тигля. Прозрачное вещество размещают под кристаллом. Вещество тигля является отражающим. Такой тигель трудно реализовать.

В документе FR 2509638 описывают форму для отливки кремния в виде цилиндров, пригодных для использования в качестве вещества при производстве фотоэлементов. Форма включает в себя во внешней металлической оболочке толстое теплоизолирующее покрытие, например, сделанное из керамических волокон, расположенных вокруг тонких боковых стенок резервуара, выполненных из графитового волокна или керамики. Слой основания, например, сделанный из кварцевого песка, располагают под резервуаром. Такая форма является сложной и громоздкой.

Целью настоящего изобретения является преодоление указанных недостатков посредством, в частности, устройства и способа изготовления блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией, обеспечивающих, в частности, возможность получения достаточно чистого поликристаллического кремния с кристаллической структурой, подходящей для фотоэлектрических устройств с уменьшением при этом затрат.

Согласно изобретению указанную цель достигают в соответствии с прилагаемой формулой изобретения и, более конкретно, за счет того, что основание и боковые стенки выполнены из материалов, имеющих в основном схожий химический состав.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и особенности станут более понятными из следующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, приведенных только в качестве не ограничивающих примеров и представленных на прилагаемых чертежах, где:

на фиг.1 изображено устройство для изготовления блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией согласно предшествующему уровню техники,

на фиг.2 изображено устройство согласно изобретению, содержащее тигель согласно изобретению.

Описание конкретных вариантов осуществления изобретения

Устройство для изготовления блоков кристаллического вещества направленной кристаллизацией, изображенное на фиг.2, содержит герметизирующую оболочку или кожух 2 и тигель, основание 7 которого, прочно связано с боковыми стенками 8. В данном случае основание 7 и боковые стенки образуют единое целое. Основание 7 обладает значительно лучшими характеристиками теплопередачи в направлении, параллельном оси, расположенной по существу перпендикулярно основанию 7, по сравнению с характеристиками теплопередачи боковых стенок 8 тигля вдоль указанной оси. Характеристики теплопередачи включают с одной стороны теплопроводность вещества и с другой стороны его коэффициент пропускания инфракрасного излучения. Основание 7 и боковые стенки 8 выполнены из материалов, имеющих по существу схожий химический состав. Таким образом, основание 7 без затруднений может быть соединено, например, спаяно с боковыми стенками 8 и при этом коэффициенты теплового расширения веществ будут по существу одинаковыми. Основной структурной составляющей каждого из материалов может быть, например, химический структурный элемент SiO₂, при этом пространственное расположение химического структурного элемента SiO ₂, в основании 7, будет отличаться от пространственного расположения химического структурного элемента SiO ₂ в боковых стенках 8.

Средства 3 нагревания и средства 4 охлаждения образованы электронагревательным резистивным элементом, расположенным над тиглем в герметизирующем кожухе 2 и с помощью теплообменника, расположенного под тиглем, в герметизирующем кожухе 2 соответственно. Электронагревательный резистивный элемент и теплообменник имеют достаточно большие размеры, позволяющие полностью накрыть тигель. Кроме того, средства нагревания могут быть образованы с помощью средств индукционного нагрева.

Далее описаны несколько конкретных вариантов изобретения в связи с получением кремниевого блока. Однако изобретение применимо к любому типу кристаллического вещества.

В конкретном варианте изобретения основание 7 тигля является проницаемым для инфракрасного излучения, тогда как боковые стенки 8 являются непроницаемыми для инфракрасного излучения. Такой тигель может быть сформирован из основания 7, выполненного из аморфного диоксида кремния и боковых стенок 8, выполненных из непроницаемой кварцевой керамики. Материалы содержат SiO₂ в качестве основной структурной составляющей и отличаются только по своей кристаллографической структуре и расположению компонент SiO₂ в пространстве. Соответственно, инфракрасное излучение, испускаемое твердым кремнием 5, находящимся в тигле, поступает к теплообменнику 4 через проницаемый аморфный диоксид кремния, который позволяет удалить теплоту из твердого кремния 5 и установить в тигле температурный градиент, по меньшей мере, 8°C/см. Фактически заранее заданный температурный градиент требует эффективного удаления теплоты пропорционально температурному градиенту. С другой стороны непроницаемость боковых стенок 8 предотвращает передачу инфракрасного излучения через стенки, которая могла бы привести к конвекции жидкого кремния. Таким образом, изотермические поверхности являются по существу плоскими и параллельными и, следовательно, фронт затвердевания также является по существу плоским в направлении, параллельном основанию 7 тигля.

Когда изготовляют тигель, то непроницаемую кварцевую керамику боковых стенок 8 и аморфное кварцевое основание 7 прочно скрепляют друг с другом, например, при помощи нагревания, соответственно, частей боковых стенок 8 и основания 7, предназначенных для объединения. Температура нагревания является более высокой, чем температура плавления веществ, приблизительно 2000°C, и она может быть достигнута с помощью паяльной лампы. В этом случае материалы становятся прочно связанными между собой.

Следует отметить, что теплопроводность аморфного диоксида кремния с одной стороны, и непроницаемой кварцевой керамики с другой стороны, фактически имеют тот же самый порядок величины приблизительно 2 Вт/(м°C). В этом случае различие в теплопередаче является только следствием прозрачности по отношению к инфракрасному излучению.

Когда имеет место кристаллизация кремния, толщина твердой фазы увеличивается таким образом, что фронт затвердевания продвигается вверх, удаляясь от основания тигля. Поскольку температура плавления кремния равна 1410°C, в этом случае изотермическая поверхность с 1410°C удаляется от основания тигля, что приводит к уменьшению температуры у основания тигля в ходе процесса кристаллизации. Однако энергия, выделяемая в результате излучения любым телом, уменьшается с температурой.

Ввиду того, что тепловая энергия, удаляемая средствами охлаждения 4, остается практически постоянной во время процесса затвердевания, возможно применение графитового войлока 9 в устройстве, показанном на фиг.2, между основанием тигля и средствами охлаждения 4, со средствами уплотнения 10 графитового войлока во время затвердевания кремния. На фиг.2 средства охлаждения 4 и графитовый войлок 9 расположены между средствами уплотнения 10 и тиглем, так, что средства уплотнения 10 осуществляют давление по отношению к тиглю и средствам охлаждения. Таким образом, толщина графитового войлока 9 уменьшается и его теплопроводность увеличивается. В этом случае теплопередачу благодаря проводимости графитового войлока 9 можно регулировать с помощью средств уплотнения 10. Во время процесса затвердевания силу сжатия можно последовательно увеличивать для компенсации уменьшения теплопередачи излучения через основание тигля. Следовательно, во время процесса затвердевания, температурным градиентом в тигле можно управлять и поддержать при значениях, от 8°C/см до 30°C/см и предпочтительно от 10°C/см до 20°C/см, что обеспечивает возможность увеличения скорости кристаллизации. Толщина несжатого графитового войлока составляет 5 мм, тогда как при сжатии его толщина равна 3,5 мм.

Теплообменник обычно содержит контур теплоносителя и, в зависимости от применения, хладагент может быть синтетическим маслом, например, имеющим температуру использования меньше, чем 300°C, или флюидом, работающим при высокой температуре, например, газ под давлением, в частности гелий. Возможно варьировать температуру хладагента управляемым способом для обеспечения того, чтобы отводимая энергия оставалась постоянной в ходе затвердевания.

В другом конкретном варианте изобретения основание 7 и боковые стенки 8 образованы пластинами, сделанными от того же самого материала, имеющего анизотропные характеристики теплопроводности. Теплопроводность пластин в плоскости пластин, намного меньше, чем теплопроводность в направлении, перпендикулярном к этой плоскости. Например, тигель может быть получен с использованием графита, обладающего сильно анизотропными свойствами из-за его геометрической структуры. В частности может быть изготовлен тигель, имеющий основание и боковые стенки, образованные пластинами графита, имеющими низкую теплопроводность в плоскости пластин и высокую теплопроводность в направлении, перпендикулярном этой плоскости. Таким образом, тепловую энергию кремния отводят к теплообменнику через основание 7, поскольку теплопроводность в боковых стенках очень мала в направлении, по существу перпендикулярном основанию. Также данный вариант осуществления изобретения позволяет установить температурный градиент, по меньшей мере, 8°C/см и достичь по существу плоского фронта затвердевания.

В предпочтительном варианте изобретения тигель содержит покрытие 11 на внутренней поверхности и/или внешней поверхности боковых стенок, которое позволяют изменять теплофизические характеристики боковых стенок. Покрытие из нитрида кремния на внутренней поверхности боковых стенок 8, например, позволяет уменьшить излучаемость боковых стенок 8 и таким образом позволяет уменьшить теплопроводность при излучении. Нанесение покрытия, содержащего отражающие вещества, на внешнюю поверхность боковых стенок 8, также позволяет уменьшить теплопроводность через боковые стенки 8.

Согласно не ограничивающему числовому примеру, квадратный тигель со сторонами 450 мм и высотой 250 мм заполняют 50 л жидкого кремния, что соответствует 128 кг кремния. Как правило, толщина боковых стенок тигля составляет 10 мм и толщина основания тигля равна 10 мм. Преимущественно кристаллизация протекает при определенной скорости 20 мм/ч и следовательно продолжается в течение 12 ч 30 мин. Начальное различие по температуре между вершиной и основанием тигля составляет 375°C, что соответствует температурному градиенту 15°C/см в жидкой фазе. Энергию P_J, рассеянную вследствие эффекта диссипации Джоуля при резистивном нагревании, по существу улавливают на уровне теплообменника, расположенного под тиглем, игнорируя потери теплоты, через герметизирующий кожух 2 к внешней стороне. В дополнение к энергии P_J, энергию P _L, выделяющуюся при кристаллизации, которая связана со скрытой теплотой перехода жидкость/твердое тело, также улавливают теплообменником. Энергия P_J, зависящая от температурного градиента в жидкой фазе и от проводимости жидкого кремния (56 Вт/(м°C)), составляет приблизительно 17 кВт для рассмотренного устройства в приведенном примере, тогда как энергия P_L, зависящая от скорости кристаллизации, составляет приблизительно 5 кВт, соответственно, энергия, удаленная теплообменником составит приблизительно 22 кВт. Считая основание тигля 7 полностью прозрачным, тепловая энергия 22 кВт может быть удалена посредством излучения с помощью теплообменника, поддерживаемого при температуре 20°C при температуре твердого кремния 1150°C у основания тигля, то есть излучательная способность кремния приблизительно будет 0,5.

Настоящее изобретение позволяет осуществить управляемую кристаллизацию достаточно чистого поликристаллического кремния с кристаллической структурой, подходящей для фотоэлектрических устройств. Изобретение также позволяет получить более высокую скорость кристаллизации, чтобы получить блок поликристаллического кремния с большей высотой, чем высота, получаемая известными способами и, таким образом, позволяет достигнуть большей эффективности флюидов, используемых в средствах охлаждения. Вследствие температурного градиента, находящегося в интервале от 8°C/см до 30°C/см, тепловой анизотропии тигля и теплового агрегата вокруг тигля, фронт затвердевания более устойчив, улучшено отделение металлических примесей и улучшен размер и структура кристаллических зерен. В результате полученный таким образом поликристаллический кремний характеризуется большей диффузионной длиной неосновных носителей, благодаря которым увеличена эффективность фотоэлектрических устройств.