长晶方法与应用此长晶方法的长晶炉

摘要

本发明提供一种长晶方法与应用此长晶方法的长晶炉。此长晶炉包含坩埚、支撑物、加热器、冷却器以及至少一个隔板。在此长晶方法中，首先将隔板设置于坩埚和支撑物间，以于坩埚上形成(或定义)至少一个低热传导区域和至少一个高热传导区域。然后，利用加热器来提供热能，以熔融坩埚中的晶体原料。接着，利用冷却器来冷却被熔融的晶体原料，以使晶体原料形成晶粒。当晶体原料形成晶粒时，晶体原料的热能是透过支撑物和隔板来传导至冷却器，以使低热传导区域与高热传导区域的邻接处所形成的晶粒的尺寸大于坩埚其它区域所形成的晶粒的尺寸。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种长晶方法与应用此长晶方法的长晶炉，特别是有关于一种可形成较大晶粒的长晶方法与长晶炉。

背景技术

近年来，由于环境污染的问题越来越严重，很多国家开始开发新的绿色能源来减少境污染的问题。太阳能电池可将太阳的光能转为电能，且这种转换不会产生任何污染性的物质，因此太阳能电池逐渐受到重视。

太阳能电池是利用半导体的光电效应直接吸收太阳光来发电。太阳能电池的发电原理是当太阳光照射在太阳能电池上时，太阳能电池会吸收太阳光能，之后并透过太阳能电池的PN接面产生光电流。

太阳能电池所使用的半导体基板有很多种类型，大致上可分为单晶硅(Monocrystalline Silicon)、多晶硅(Polycrystalline/Multicrystalline Silicon)以及非晶硅(Amorphous Silicon)，其中以单晶硅及多晶硅两种基板最为常见。

单晶硅的组成原子均按照固定规则来排列，而多晶硅中各个晶粒内区域则有各自的排列方式，因此，多晶硅晶粒间的晶界结构较不完整而且容易有杂质累积，导致多晶硅基板的缺陷密度较高，并影响电池的光电转换效率。

虽然，单晶硅太阳能电池具有较高的转换效率，但单晶硅太阳能电池的制造成本较多晶硅太阳能电池昂贵。因此，为了使用多晶硅基板来降低太阳能电池的制造成本，需要一种新的长晶方法和长晶炉来克服多晶硅晶粒的缺陷问题。

发明内容

本发明的一方面是在提供于一种长晶方法和长晶炉，其可增加多晶硅晶粒的尺寸，提高多晶硅晶锭的质量。当然，从而也可减少晶粒边界的数量，降低多晶硅基板的缺陷密度。

根据本发明的一实施例，此长晶炉包含坩埚、支撑物、加热器、冷却器以及至少一个隔板。坩埚是用以承载晶体原料。加热器是热能来熔融晶体原料。冷却器是用以吸收热能来冷却晶体原料。支撑物是用以支撑坩埚，其中支撑物是位于坩埚和冷却器间。隔板是设置于坩埚和支撑物间，并具有至少一个隔热部。隔热部是邻接于坩埚和支撑物，以于坩埚上形成至少一个低热传导区域与至少一个高热传导区域。当冷却器冷却晶体原料时，冷却器是透过支撑物和隔板来吸收晶体原料的热能。

根据本发明的另一实施例，在上述的长晶方法中，首先提供长晶炉，此长晶炉包含坩埚、加热器、冷却器和支撑物，其中坩埚是承载有晶体原料；加热器是用以发出热能以熔融晶体原料；冷却器是用以吸收热能以冷却晶体原料；支撑物是设置于坩埚和冷却器间以支撑坩埚。接着，设置隔板于坩埚和支撑物间，以于坩埚上形成(或定义)至少一个低热传导区域和至少一个高热传导区域。然后，利用加热器来提供热能，以熔融坩埚中的晶体原料。接着，利用冷却器来冷却被熔融的晶体原料，以使晶体原料形成晶粒。当晶体原料形成晶粒时，晶体原料的热能是透过支撑物和隔板来传导至冷却器，以使低热传导区域与高热传导区域的邻接处所形成的晶粒的尺寸大于坩埚其它区域所形成的晶粒的尺寸。

由上述说明可知，本发明实施例的长晶方法和长晶炉是利用坩埚和支撑物间的隔板来于坩埚上形成低热传导区域与高热传导区域，而成长于低热传导区域与高热传导区域的邻接处上的晶粒可具有比其它区域晶粒更大的尺寸，借此可减少晶粒边界的数量，降低晶格缺陷的密度，进而提升太阳能电池的发电效率。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，上文特举数个较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

图1是绘示根据本发明实施例的长晶方法的流程示意图；

图2a至图2d是绘示对应本发明实施例的长晶方法的各步骤的长晶炉结构示意图；

图3a和图3b是绘示根据本发明实施例的反应炉在冷却步骤中的热流情况；

图4是绘示根据本发明另一实施例的隔板的俯视结构示意图；

图5a是绘示根据本发明又一实施例的隔板的俯视结构示意图；

图5b是绘示根据本发明又一实施例的下方设置有隔板的坩埚的俯视结构示意图；

图6a是绘示根据本发明又一实施例的隔板的俯视结构示意图；

图6b是绘示根据本发明又一实施例的下方设置有隔板的坩埚的俯视结构示意图。

【主要组件符号说明】

100：长晶方法                 110：长晶炉提供步骤

120：隔板设置步骤             130：加热步骤

140：冷却步骤                 200：长晶炉

200a：上半部分                200b：下半部分

210：坩埚                     212：高热传导区域

212a、212b：高热传导区域      214a、214b：低热传导区域

214：低热传导区域             220：支撑物

232、234：加热器              240：冷却器

250：隔板                     252：贯穿孔

254：低热传导区域             260：闸门装置

290：晶体原料                 310：大晶粒

320：小晶粒                   450：隔板

452：导热部                   454：隔热部

550：隔板                     650：隔板

652：中心隔板                 654：环状隔板

D：间隙

具体实施方式

请同时参照图1与图2a至图2d，图1是绘示根据本发明实施例的长晶方法100的流程示意图，图2a至图2d是绘示对应本发明实施例的长晶方法的各步骤的长晶炉结构示意图。

在长晶方法100中，首先进行长晶炉提供步骤110，以提供长晶炉200，如图2a所示。长晶炉200包含坩埚210、支撑物220、加热器232和234、冷却器240。坩埚210是用以承载硅晶体原料290，例如多晶硅原料、回收料等，而此回收料为后段制程中可重新回收使用的半成品硅料。在本实施例的长晶方法100中，晶体原料290会在高温下熔融成液态，而为了避免坩埚210在高温下与晶体原料290发生反应，本实施例采用石英制的坩埚210。然而，晶体原料290的熔融需要很高的温度，而石英制的坩埚210在此高温下会软化，因此本实施例在坩埚210外设置了支撑物220来支撑软化的坩埚210，以避免坩埚210内的晶体原料290溢出坩埚210外。在本实施例中，支撑物220是以耐高温的石墨材质来制成，但本发明的实施例并不受限于此。另外，上述的支撑物220是由数块石墨板分别固定在坩埚210的四周与底部处以支撑该坩埚。

在长晶炉提供步骤110后，接着进行隔板设置步骤120，以设置隔板250于坩埚210和支撑物220间，如图2b所示。在本实施例中，隔板250是设置于坩埚210的底面和支撑物220中位于下方处的石墨板的顶面间，以搭配后续冷却步骤中的热流方向，但本发明的实施例并不受限于此。

隔板250是以低导热系数(远低于空气导热系数)的材质所制成，并具有隔热的效果。隔板250上有多个贯穿孔，如此隔板250可于坩埚210上定义出至少一个高热传导区域和至少一个低热传导区域，其中高热传导区域是对应至贯穿孔，而低热传导区域是对应至隔板250的实心部分(隔热部分)，其中高热传导区域比低热传导区域更容易将热能由晶体原料290传导至支撑物220。

在隔板设置步骤120后，接着进行加热步骤130，以利用加热器来提供热能熔融晶体原料290，如图2c所示。在本实施例中，加热器232和234是分别设置于坩埚210的上方和下方，以从坩埚210的上方和下方加热来熔融晶体原料290。另外，本实施例的长晶炉还包含闸门装置260或类似的装置，此闸门装置260可将长晶炉200分为上半部分200a和下半部分200b。在本实施利的加热步骤130中，闸门装置260为关闭状态，以隔离上半部分200a和下半部分200b。如此，在加热步骤130中，位在上半部分200a的加热器232和234的热能便不会传递至位于下半部分200b的冷却器240。

在加热步骤130后，接着进行冷却步骤140，以冷却晶体原料290，并使晶体原料290长成多晶硅的晶粒。如图2d所示，在冷却步骤140中，加热器232和234为关闭状态，冷却器240为开启状态，闸门装置260为开启状态。当闸门装置260开启时，长晶炉200的上半部分200a和下半部分200b互相连通，如此冷却器240可吸收被熔融的晶体原料290的热能。

请参照图3a，其是绘示根据本发明实施例的反应炉100在冷却步骤140中的热流情况。如上所述，隔板250是以低导热系数的材质所制成，且具有多个贯穿孔252，因此隔板250可于坩埚210上形成(或定义出)高热传导区域212和低热传导区域214。在冷却步骤140中，由于冷却器240是设置于支撑物220下方(即支撑物220位于冷却器240与坩埚210之间)，因此晶体原料290的热能大多透过高热传导区域212及其下方的空气，以热对流方式来传导至支撑物220上，接着再由支撑物220传导至冷却器240。简而言之，本实施例中的坩埚其冷却的模式是采取自下而上的方式进行，由下往上逐渐冷却降温而形成晶锭。

由于热能大多透过高热传导区域212来传导，因此在高热传导区域212和低热传导区域214的邻接处上，会形成具有较大尺寸的晶粒310，而其它区域上则形成较小尺寸的晶粒320。经由适当地设计贯穿孔252的数量和大小，即可使坩埚210上的晶粒大多为大尺寸的晶粒，如图3b所示，其中贯穿孔252彼此之间的距离w与贯穿孔直径d的比例w/d的值可为1/2至2，但本发明的实施例并不受限于此。换言之，本发明是透过如上的设计，使得贯穿孔区与非贯穿孔区产生局部热场差异，局部晶粒得以横向扩展而衍生为较大尺寸的晶粒。且隔板250为低热导系数的材质，亦即不会因温度降幅过大而导致晶粒尺寸过小，影响晶锭质量。

当多晶硅的晶粒较大时，代表晶粒边界的数量少，因此晶格缺陷的密度可大幅地下降。对于太阳能电池而言，当其所使用的多晶硅基板具有较低的晶格缺陷密度时，太阳能电池的发电效率可大幅地提升。

请参照图4，其是绘示根据本发明另一实施例的隔板450的俯视结构示意图。隔板450是类似于隔板250，其亦用以于坩埚210上形成高热传导区域212和低热传导区域214，但不同之处在于隔板450是以高热传导的物质来替代隔板250的贯穿孔252。如图4所示，隔板450具有导热部452和隔热部454，其中导热部452是以较高导热系数的材质制成，而低热传导区域254是以较低导热系数的材质制成，如此即可于坩埚210上形成高热传导区域212和低热传导区域214。

请同时参照图5a和图5b，图5a是绘示根据本发明又一实施例的隔板550的俯视结构示意图，图5b是绘示下方设置有隔板550的坩埚210底面处的俯视结构示意图。隔板550是类似于隔板250，其亦用以于坩埚210上形成高热传导区域212和低热传导区域214，但不同之处在于隔板550为环状。环状隔板550的尺寸是小于坩埚210的底面，如此当环状隔板550设置于坩埚210下方时，可于坩埚210上形成一个环状的高热传导区域212a、一个块状的高热传导区域212b以及一条环状的低热传导区域214，如图5b所示。

请同时参照图6a和图6b，图6a是绘示根据本发明又一实施例的隔板650的俯视结构示意图，图6b是绘示下方设置有隔板650的坩埚210的俯视结构示意图。隔板650是类似于隔板250，其亦用以于坩埚210上形成高热传导区域212和低热传导区域214，但不同之处在于隔板650是由中心隔板652和环状隔板654所构成。环状隔板654是绕设于中心隔板652，且其间有间隙D。当隔板650设置于坩埚210下方时，可于坩埚210上形成一条环状的高热传导区域212、一条环状的低热传导区域214a以及一个块状低导热区域214b，如图6b所示。

本发明上述的实施例是将隔板置放于坩埚底面与下方支撑物之间，但实际上实施时，可视情况的需要而调整，例如当长晶炉中的加热器是位于坩埚的左右两侧时，则隔板也可以放在坩埚两侧以及两侧支撑物即石墨板之间，以便于加热后冷却时(即晶粒成形的长晶过程中)，产生如上述长出较大晶粒尺寸的效果，从而提升了质量。

虽然本发明已以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中任何具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。