專利名稱：用于制造高純硅的等離子體沉積裝置和方法
用于制造高純硅的等離子體沉積裝置和方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)為2008年4月15日提交的在先美國專利申請(qǐng)12/081,337的部分繼續(xù)申請(qǐng)，美國專利申請(qǐng)12/081,337號(hào)為2007年4月13日提交的美國專利申請(qǐng)11/786,969號(hào)和2007年4月13日提交的美國專利申請(qǐng)11/783,969號(hào)兩者的部分繼續(xù)申請(qǐng)，美國專利申請(qǐng)11/786,969號(hào)和美國專利申請(qǐng)11/783，969號(hào)都要求2006年4月14日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)60/791，883號(hào)和2006年6月22日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)60/815，575號(hào)的權(quán)益。本申請(qǐng)還是2007年3月6日提交的在先美國專利申請(qǐng)11/714，223號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，美國專利申請(qǐng)11/714,223號(hào)要求2006年7月7日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)60/818，966號(hào)的權(quán)益。本申請(qǐng)為2006年12月26日提交的在先美國專利申請(qǐng)11/644，870號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，美國專利申請(qǐng)11/644,870號(hào)要求2003年8月I日提交的美國專利申請(qǐng)10/631，720號(hào)的權(quán)益。這些申請(qǐng)的全部內(nèi)容都通過引用結(jié)合到本文中來。 發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于制造高純硅的裝置和方法。問題
隨著油價(jià)持續(xù)上漲且其他能源仍然有限，對(duì)于由燃燒化石燃料的排放引起的地球變暖存在日益增加的壓力。需要發(fā)現(xiàn)并使用諸如太陽能的替代能源，原因是其是免費(fèi)的且不產(chǎn)生二氧化碳。為此，許多國家在安全且可靠的長期動(dòng)力源、特別是“綠色”或“潔凈”能源方面逐漸增加他們的投資。盡管如此，雖然也稱作光伏電池或模組(module)的太陽能電池已經(jīng)研發(fā)了多年，但其具有非常有限的應(yīng)用，因?yàn)橹圃爝@些電池或模組的成本仍然很高，使得難以與由化石燃料產(chǎn)生的能量相競爭。目前，單晶硅太陽能電池具有最好的能量轉(zhuǎn)化效率，但其也具有與其相關(guān)的高制造成本?；蛘?，雖然多晶硅沒有與單晶電池相同的高效率，但其生產(chǎn)成本便宜得多。因此，其具有用于低成本光伏發(fā)電的潛能。制造單晶錠(single crystal ingot)的一種已知方法是使用浮區(qū)法(floating zone method)來再加工多晶娃棒。另一已知方法為丘克拉斯基法(Czochralski method),其使用晶種將熔融娃從填充有多晶娃熔核(nugget)的熔化坩堝中拉出。另外，制造多晶硅的一些現(xiàn)有技術(shù)方法使用氯硅烷，氯硅烷通過熱阻絲分解產(chǎn)生硅，硅隨后沉積在鐘罩型反應(yīng)器內(nèi)。通常已知用三氯硅烷制造半導(dǎo)體級(jí)硅且隨后使這些氯硅烷再循環(huán)。并且，已經(jīng)使用不同的原料進(jìn)行了許多嘗試來制造多晶硅，接著再加工這些未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。盡管如此，這些先前的嘗試都沒有得到高沉積速率。另一嘗試是使用高壓等離子體和氯硅烷來制造多晶硅，且隨后使未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)再循環(huán)。在該嘗試中，沉積發(fā)生在基材的內(nèi)壁上以形成片型硅，該片型硅最后將從基材分離’因此需要額外的加工步驟。另外，通常已知的方法包括通過以下方式制造太陽能電池(i)制造多晶硅，(ii)制造單晶或多晶錠或塊，(iii)由該錠或塊制造晶片，(iv)且隨后制造電池，其包括經(jīng)由昂貴的擴(kuò)散法進(jìn)行P-型和η-型摻雜的步驟。P-型和η-型摻雜劑形成半導(dǎo)體材料的ρ-η節(jié)。該步驟通常在薄膜層已經(jīng)沉積之后在擴(kuò)散極其緩慢的爐中進(jìn)行，因此進(jìn)一步減慢了有效生產(chǎn)太陽能電池的全過程。另外，現(xiàn)有技術(shù)方法具有與等離子體火焰流平行的沉積表面，因此收集效率低得多。氣態(tài)氫化硅使用高頻等離子體化學(xué)氣相沉積法沉積以使硅沉積在水平硅芯棒上。因?yàn)槌练e裝置的該取向，大部分硅產(chǎn)物從該裝置中排出。產(chǎn)生硅的其他已知的現(xiàn)有技術(shù)方法在硅棒內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)變(strain)。降低內(nèi)應(yīng)力的嘗試遵循基本的西門子法(Siemens process)且在鐘罩中制造娃棒,其中工藝步驟有在包含三氯硅烷和氫氣的氣態(tài)氣氛下加熱硅芯材料以使硅沉積在硅芯材料上以產(chǎn)生多晶硅棒，在不允許多晶娃棒與空氣接觸的情況下通過施加電流加熱多晶娃棒以使得多晶娃棒的表面溫度高于硅的沉積反應(yīng)溫度且為1030°C或更高，和在加熱之后通過盡可能迅速地減小所施加的電流來切斷電流，由此嘗試降低多晶硅棒的內(nèi)應(yīng)變率。由此可見，該方法包括多個(gè)額外步驟。
在由鹵化硅等離子體源產(chǎn)生多晶金屬硅的另一嘗試中，使鹵化硅在電感耦合等離子體中分裂成硅離子和鹵離子，且隨后使硅離子冷凝以形成可真空流延成多晶硅錠的熔融金屬硅。另外，負(fù)載的氣體(laden gas)為氟和氯。氟和氟化氫腐蝕性很強(qiáng)，因此它們需要專門的耐腐蝕材料來構(gòu)造設(shè)備且當(dāng)處理這些化學(xué)物質(zhì)時(shí)，必須采用特殊容器。解決方案
上述問題通過在本申請(qǐng)中公開的制造高純硅的本發(fā)明的等離子體沉積裝置和方法解決并實(shí)現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步。在一個(gè)實(shí)施方案中，用于制造高純硅的等離子體沉積裝置包括用于沉積所述高純硅的腔室，所述腔室包括基本限定所述腔室的上端的頂部；具有上端和下端的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面，所述頂部基本密封連接所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面的上端；基本限定所述腔室的下端的基底，所述基底基本密封連接所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面的下端；和布置在所述頂部的至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬，在基本垂直的位置取向的所述至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬產(chǎn)生自所述頂部向下朝向所述基底的等離子體火焰，所述等離子體火焰限定使一種或多種反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生高純硅的反應(yīng)區(qū)。一方面，所述基底為用于容納以液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅的產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器。另一方面，所述用于制造高純硅的等離子體沉積裝置還包括布置在所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面中用于將輔助氣體注入所述腔室的一個(gè)或多個(gè)輔助氣體注入口。優(yōu)選所述用于制造高純硅的等離子體沉積裝置包括布置在所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面中用于自所述腔室回收未沉積的固體和未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)中的至少一種的一個(gè)或多個(gè)蒸氣/氣體去除口。又一方面，所述用于制造高純硅的等離子體沉積裝置還包括與所述基底熱力學(xué)連通以提供熱到所述基底以便保持所述高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)的加熱器。并且，所述至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬基本垂直于所述腔室的基底。優(yōu)選所述腔室由屏蔽射頻能量且隔離所述腔室與所述腔室外部的環(huán)境的材料制成。所述至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬還可包括用于將鋅注入等離子體火焰中的一個(gè)或多個(gè)鋅注入口。在另一實(shí)施方案中，用于制造高純硅的等離子體沉積裝置包括用于沉積液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅的具有上端和下端的腔室；基本布置在所述腔室的下端用于收集液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅的產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器；與所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器熱力學(xué)連通用于提供足夠的熱到所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器以保持高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)的加熱器；和基本布置在所述腔室的上端的一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬，所述一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬在基本垂直的位置取向以產(chǎn)生具有從所述腔室的上端朝向所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的向下方向的等離子體火焰，所述等離子體火焰限定使一種或多種反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生高純硅的反應(yīng)區(qū)。一方面，所述用于制造高純硅的等離子體沉積裝置還包括布置在所述腔室中用于將輔助氣體注入所述腔室的一個(gè)或多個(gè)輔助氣體注入口。并且，所述一個(gè)或多個(gè)輔助氣體注入口以朝向所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的向下角度布置。優(yōu)選所述用于制造高純硅的等離子體沉積裝置還包括布置在所述腔室中用于自所述腔室回收未沉積的固體和未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)中的至少一種的一個(gè)或多個(gè)蒸氣/氣體去除口。另一方面，所述一個(gè)或多個(gè)蒸氣/氣體去除口以朝向產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的向下角度布置。又一方面，所述一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬基本垂直于所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器。另外，所述腔室由屏蔽射頻能量且隔離所述腔室與所述腔室外部的環(huán)境的材料制成。所述一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬還可包括用于將鋅注入等離子體火焰中的一個(gè)或多個(gè)鋅注入口。
在又一實(shí)施方案中，在反應(yīng)室中在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法包括提供所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器；提供至少一個(gè)包括盤管的垂直向下安置的高頻電感耦合的等離子體焰炬；將主要由惰性氣體組成的等離子體氣體引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以在所述盤管內(nèi)形成等離子體；將反應(yīng)物注入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以產(chǎn)生高純硅；和將由所述電感耦合的等離子體焰炬產(chǎn)生的高純硅收集到所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中。一方面，所述收集液體或熔融高純硅于產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中的方法還包括調(diào)節(jié)在所述腔室內(nèi)的分壓。另外，所述收集液體或熔融高純硅于產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中的方法還包括加熱所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器以保持所述高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)。另一方面，所述收集液體或熔融高純硅于產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中的方法還包括控制所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的溫度。另外，所述收集液體或熔融高純硅于產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中的方法還可包括將輔助氣體注入所述腔室中。又一方面，所述收集液體或熔融高純硅于產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中的方法還包括從所述腔室中除去未沉積的固體和未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)中的至少一種。另外，所述方法可包括將鋅供料引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中。在又一實(shí)施方案中，產(chǎn)生硅晶體的方法包括提供產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器；提供至少一個(gè)包括盤管的垂直向下安置的高頻電感耦合的等離子體焰炬；將主要由惰性氣體組成的等離子體氣體引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以在所述盤管內(nèi)形成等離子體；將反應(yīng)物注入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以產(chǎn)生高純硅；將由電感耦合的等離子體焰炬產(chǎn)生的液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅收集到所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中；和將所述液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅轉(zhuǎn)移到坩堝中；和產(chǎn)生硅晶體或硅片。一方面，所述產(chǎn)生硅晶體的方法還包括在將所述液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅轉(zhuǎn)移到所述坩堝中之前儲(chǔ)存所述液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅。另一方面，所述產(chǎn)生硅晶體的方法還包括在管路中將液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅從所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器轉(zhuǎn)移到所述坩堝。并且，所述產(chǎn)生硅晶體的方法還包括加熱所述管路以保持所述高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)。另外，所述方法可包括將鋅供料引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中。另外，所述硅晶體可為硅片。
附圖簡述
圖I說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的用于制造高純硅的包括單一電感耦合的等離子體焰炬的等離子體沉積裝置的橫截面 圖2說明根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的包括多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬的等離子體沉積裝置的橫截面 圖3說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖I和圖2的向下安置的電感耦合的等離子體焰炬之一的橫截面 圖4說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的圖I和圖2的向下安置的電感耦合的等離子體焰炬之一的橫截面 圖5說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的用于制造高純硅的系統(tǒng)的方塊圖；和 圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的用于制造高純硅的方法的流程圖。 附圖詳述
參看

圖1，示出了等離子體沉積裝置100的一個(gè)實(shí)施方案。等離子體沉積裝置100包括經(jīng)由凸肩或凸緣106以密封關(guān)系連接的反應(yīng)室102和產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104。反應(yīng)室102由優(yōu)選以密封關(guān)系連接在一起的側(cè)面108和頂部110形成。另外，產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104由也優(yōu)選以密封關(guān)系形成的側(cè)面112和底部114形成。如下文詳細(xì)描述，產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器(product collection reservoir product collection reservoir) 104 收集在反應(yīng)室102中產(chǎn)生的以熔融態(tài)或液態(tài)的硅。等離子體沉積裝置100可包括優(yōu)選對(duì)引入反應(yīng)室102和產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104的反應(yīng)物或產(chǎn)物具有化學(xué)惰性的內(nèi)表面或壁116a-116e (統(tǒng)稱為壁116)。另外，等離子體沉積裝置100可包括加熱元件118a-l 18e (統(tǒng)稱為加熱元件118)，加熱元件118可部分或完全地鄰近于壁116以提供足夠的熱到壁116，從而保持反應(yīng)室102和產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104內(nèi)的反應(yīng)物和產(chǎn)物處于所要溫度，諸如處于熔融態(tài)。另外，等離子體沉積裝置100可包括外殼120a-120e (統(tǒng)稱為外殼120)，外殼120可包圍壁116和加熱元件118。在一個(gè)實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置100可包括如在圖I中所示的所有壁116。在另一實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置100可包括壁116的部分。在一個(gè)實(shí)例中，等離子體沉積裝置100可不包括壁116a。例如，等離子體沉積裝置100可僅包括反應(yīng)室102中壁116b的部分，而不是全部。如果壁116為獨(dú)立的材料部分，則它們可連接在一起以形成用于等離子體沉積裝置100的反應(yīng)室102和產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104的連續(xù)密封壁或內(nèi)表面。優(yōu)選壁116中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)反應(yīng)室102中的反應(yīng)物和產(chǎn)物具有化學(xué)惰性。在一個(gè)實(shí)施方案中，壁116中的一個(gè)或多個(gè)可由石英制成或具有用石英涂布的表面。在另一實(shí)施方案中，壁116中的一個(gè)或多個(gè)可由碳制成或具有用碳涂布的表面。一方面，壁116b、116c、116d和116e由石英制成或具有用石英涂布的表面。另一方面，壁116b、116c、116d和116e由碳制成或具有用碳涂布的表面。另外，如果任何壁116為單獨(dú)的壁或面板，則它們可通過焊接或如本領(lǐng)域已知的其他連接方法與鄰近壁連接在一起。另外，它們可包括如本領(lǐng)域已知的玻璃S封接頭。在另一實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置100可包括如在圖I中所示的所有加熱元件118。在另一實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置100可包括加熱元件118中的一些或一部分。例如，等離子體沉積裝置100可不包括加熱元件118a。在另一實(shí)例中，等離子體沉積裝置100可包括加熱元件118b的部分，而不是全部。在又一實(shí)例中，等離子體沉積裝置100可不包括加熱元件118d。一方面，所述加熱元件提供足夠的熱到反應(yīng)室102和產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104，使得高純硅產(chǎn)物以熔融態(tài)或液態(tài)收集在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104中。一方面，加熱元件118在反應(yīng)室102中提供約1000°C的溫度。另外，另一方面，加熱元件118在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104中提供約1450°C或更高的溫度。另外，等離子體沉積裝置100可包括如在圖I中所示的所有外殼120。在另一實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置100可包括外殼120中的一些或一部分。例如，等離子體沉積裝置100可不包括外殼120c。在另一實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置100可包括外殼120b的部分，而不是全部。在又一實(shí)例中，等離子體沉積裝置100可不包括外殼120e。一方面，夕卜殼120由對(duì)在等離子體沉積裝置100外部的元素具有耐受性的材料制成。在一個(gè)實(shí)例中，外殼120由不銹鋼制成。另外，等離子體沉積裝置100包括以相對(duì)于反應(yīng)室102基本向下垂直的取向布置在反應(yīng)室102中的電感耦合的等離子體焰炬122。等離子體焰炬氣體、反應(yīng)物和產(chǎn)物的流 動(dòng)通常如箭頭123所示。電感耦合的等離子體焰炬102與反應(yīng)室104連通。等離子體沉積裝置100還可包括一個(gè)或多個(gè)輔助氣體注入口 124a-124b(統(tǒng)稱為124)，輔助氣體注入口124基本定位或布置在等離子體沉積裝置100的側(cè)面108中且與反應(yīng)室102連通以將輔助氣體126注入反應(yīng)室102中。在一個(gè)實(shí)施方案中，輔助氣體126可為氫氣或混合有氬氣的氫氣。并且，輔助氣體126的流速根據(jù)工藝設(shè)計(jì)可為約5標(biāo)準(zhǔn)升/分種(standard literper minute, “SLPM”)-約 400SLPM。優(yōu)選等離子體沉積裝置100和如下所述的等離子體沉積裝置200 二者可包括任意數(shù)目的輔助氣體注入口 124。在一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選配置輔助氣體注入口 124以使得它們相對(duì)于反應(yīng)室102的中心線對(duì)稱。例如，如果等離子體沉積裝置100或等離子體沉積裝置200包括四個(gè)輔助氣體注入口 124，則將優(yōu)選使其各自以90°的間距(spacing interval)朝向反應(yīng)室102的中心線。另外，優(yōu)選輔助氣體注入口 124定位在反應(yīng)室102的頂部附近。在一個(gè)實(shí)施方案中，輔助氣體注入口 124自反應(yīng)室102的壁116b的頂部向下約20毫米(“mm”)-約30mm定位或布置。另外，它們可相對(duì)于反應(yīng)室102的垂直中心線成角度。例如，在輔助氣體注入口 124與壁116b之間形成角度θ1()在一個(gè)實(shí)施方案中，角度Q1為約30° -約60°。優(yōu)選輔助氣體注入口 124由石英制成且具有約6mm的內(nèi)徑和約I. 5mm的壁厚。等離子體沉積裝置100還包括一個(gè)或多個(gè)蒸氣/氣體去除口 128a_128b (統(tǒng)稱為128)，在一個(gè)實(shí)例中，蒸氣/氣體去除口 128在側(cè)面108上定位或布置得比等離子體沉積裝置100的輔助氣體注入口 124低。蒸氣/氣體去除口 124可從等離子體沉積裝置100和如下所述的等離子體沉積裝置200中除去任何未反應(yīng)的排出氣體129以便于隨后再循環(huán)。另夕卜，等離子體沉積裝置100和200可包括與蒸氣/氣體去除口 124連通的再循環(huán)、分離和干燥單元以便使排出氣體129與其他排出氣體分離以使其再循環(huán)回到輔助氣體注入口 124中。優(yōu)選所述排氣系統(tǒng)(未示出)控制或維持反應(yīng)室102和202內(nèi)部的固定分壓以確保反應(yīng)物的最優(yōu)反應(yīng)條件。在反應(yīng)室102和202內(nèi)的分壓的控制還可包括提供負(fù)壓，諸如真空。在另一實(shí)施方案中，所述分壓可控制在常壓下或常壓附近。對(duì)于具體應(yīng)用，可按需要使用任意數(shù)目的蒸氣/氣體去除口 128。優(yōu)選反應(yīng)室102和202可由防爆材料和射頻屏蔽材料制成以防止射頻能量從反應(yīng)室102和202逃逸并用于隔離環(huán)境對(duì)反應(yīng)室102和202的影響。蒸氣/氣體去除口 128可由石英管材制成且可具有約50mm的內(nèi)徑和約2. 5mm的壁厚。在一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選配置蒸氣/氣體去除口 128以使得它們相對(duì)于反應(yīng)室102的中心線對(duì)稱。例如，如果等離子體沉積裝置100或等離子體沉積裝置200包括四個(gè)蒸氣/氣體去除口 128，則將優(yōu)選使它們各自以90°的間距朝向反應(yīng)室102的中心線。另外，優(yōu)選蒸氣/氣體去除口 128定位在反應(yīng)室102的底部附近。在一個(gè)實(shí)施方案中，蒸氣/氣體去除口 128自產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104的頂部向上約30mm-約50mm定位或布置。另外，它們可相對(duì)于反應(yīng)室102的垂直中心線成角度。例如，在蒸氣/氣體去除口128與壁116b之間形成角度θ2。在一個(gè)實(shí)施方案中，角度θ2為約15° -約30°。成角度的蒸氣/氣體去除口 128將防止少量硅粒子隨排出氣體129逃逸。
另外，等離子體沉積裝置100包括在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104中的開口 130，開口 130經(jīng)由閥門134和管路或管道136供應(yīng)液體或熔融的硅132到分配閥或支管和/或儲(chǔ)存容器514(圖5)。一方面,管道136包括加熱兀件和可能的如上文討論的殼以保持娃132處于熔融態(tài)。等離子體沉積裝置100的頂部110、側(cè)面108、側(cè)面112或底部114中的任一者可具有任何幾何形狀或尺寸。出于討論的目的且不以任何方式加以限制，提供為通常圓柱形狀的等離子體沉積裝置100的以下描述。在一個(gè)實(shí)施方案中，如在圖I中所示，反應(yīng)室102可為如以橫截面圖所示的基本圓柱形狀。在該實(shí)施方案中，反應(yīng)室102可為具有約150_的內(nèi)徑(“DI”)的石英管。優(yōu)選壁116b的厚度為約3毫米，長度(“LI”)為約1000mm。等離子體沉積裝置100的產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104也可為具有約250mm的內(nèi)徑(“D2”)的石英管。優(yōu)選壁116d的厚度為約5mm且長度(“L2”)為約500mm。現(xiàn)參看圖2，示出了等離子體沉積裝置的另一實(shí)施方案200。等離子體沉積裝置200包括與上文關(guān)于等離子體沉積裝置100論述的許多相同的組件，因此相同編號(hào)的元件是指上文關(guān)于等離子體沉積裝置100討論的那些組件。在等離子體沉積裝置100與等離子體沉積裝置200之間這些共同組件的實(shí)際尺寸或數(shù)目可能相同或可能不同。通常，在等離子體沉積裝置100與等離子體沉積裝置200之間的主要區(qū)別在于等離子體沉積裝置200的尺寸大于等離子體沉積裝置100以容納多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬。等離子體沉積裝置200包括一個(gè)扁平的頂部部分210a和兩個(gè)成角度的頂部部分210b和210c (統(tǒng)稱為頂部210)。頂部210b和210c相對(duì)于頂部210a的傾斜或角度用以引導(dǎo)或?qū)б?direct or aim)產(chǎn)物從電感耦合的等離子體焰炬122和電感耦合的等離子體焰炬222b和222c (統(tǒng)稱為222)朝向反應(yīng)室102的中心并遠(yuǎn)離壁116b排出。等離子體焰炬氣體、反應(yīng)物和產(chǎn)物的流動(dòng)通常如箭頭123b和123c所示。這進(jìn)一步幫助防止產(chǎn)物在壁116的側(cè)面上粘著或聚積，這降低了產(chǎn)物在壁116b的側(cè)面上的不必要的累積，由此改善產(chǎn)物產(chǎn)率。在該實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置200的反應(yīng)室202可為具有約320mm的內(nèi)徑(“D3”)的石英管。優(yōu)選壁116b的厚度為約5mm且長度(“L3”)為約I，000mm。等離子體沉積裝置200的產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器204也可為具有約400mm的內(nèi)徑(“D4”)的石英管。優(yōu)選壁116d的厚度為約6mm且長度(“L4”)為約600mm。在一個(gè)實(shí)施方案中，凸緣106為具有約6mm的厚度的石英盤。優(yōu)選凸緣106的內(nèi)徑大致等于反應(yīng)室102的內(nèi)徑D3且凸緣106的外徑大致等于產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104的內(nèi)徑D4。如下文進(jìn)一步描述，液態(tài)或熔融態(tài)的娃132隨后最終進(jìn)料到晶體生長樹禍等中以便生長娃晶體。優(yōu)選壁116al、116a2和116a3的厚度為約3mm。在一個(gè)實(shí)施方案中,壁116al為具有約80mm的外徑的石英盤。另外,在頂部210a與頂部210b之間及頂部210a與頂部210c之間形成角度Θ 3。在測量時(shí)在自頂部210向下延伸的正交垂直線與頂部210b和頂部210c各自的內(nèi)平面表面之間的該角度Θ 3為約45° -約60°。優(yōu)選輔助氣體注入口 124由石英制成且具有約6mm的內(nèi)徑和約I. 5mm的壁厚。參看圖3，示出了電感耦合的等離子體焰炬122的側(cè)視圖。以下論述也可適用于電感耦合的等離子體焰炬222a和/或222b。在該實(shí)施方案中，電感耦合的等離子體焰炬122指向下以便將硅132沉積在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104中。電感耦合的等離子體焰炬122由兩個(gè)同心石英管組成外部石英管302和較短的內(nèi)部石英管304，顯示它們連接到不銹鋼腔室 306。 通常外部石英管302和內(nèi)部石英管304的直徑和高度或長度可為適合外部石英管302和內(nèi)部石英管304的所要應(yīng)用的任何尺寸。優(yōu)選內(nèi)部石英管304的長度比外部石英管302短。并且,外部石英管302優(yōu)選具有約50mm_約90mm的直徑和約80mm_約400mm的高度。更優(yōu)選外部石英管302的直徑為約70mm，高度或長度為約250mm。優(yōu)選內(nèi)部石英管304具有約50mm-約70mm的直徑和約120mm_約180mm的高度。更優(yōu)選內(nèi)部石英管304的直徑為約60mm,高度為約150mm。電感耦合的等離子體焰炬122包括圍繞外部石英管302的下部定位的盤管308。盤管308包括直徑大致在約56mm-約96mm范圍內(nèi)的多個(gè)繞組310。優(yōu)選所述多個(gè)繞組310具有約82mm的直徑。通常所述多個(gè)繞組310以足夠的距離彼此隔開以保證電感耦合的等離子體焰炬122的操作。優(yōu)選所述多個(gè)繞組310彼此隔開約6mm。另外，在外部石英管302與盤管308之間的空隙可在約2mm-約IOmm范圍內(nèi)。電感耦合的等離子體焰炬122還包括一對(duì)注入口 312，所述注入口 312連接到攜帶前體源化學(xué)物質(zhì)到電感耦合的等離子體焰炬122的前體源化學(xué)物質(zhì)管線(未示出)。用于沉積諸如硅132的半導(dǎo)體材料的源化學(xué)物質(zhì)將經(jīng)由注入口 312注入，注入口 312優(yōu)選定位在電感耦合的等離子體焰炬122的下側(cè)附近且出于如在授予Gouskov等的美國專利6，253，580號(hào)和授予Gouskov等的美國專利6，536，240號(hào)中所公開的相同原因而指向V =O位置，這兩個(gè)專利都通過引用結(jié)合到本文中來。在一個(gè)實(shí)施方案中，注入口 312在外部石英管302的下端與電感耦合的等離子體焰炬122連接。在一個(gè)實(shí)施方案中，電感耦合的等離子體焰炬(induction coupled plasma torch) 122為一種電感稱合的等離子體焰炬(inductively coupled plasma torch)。注入口 312 包括優(yōu)選具有約 3mm_ 約 10mm、更優(yōu)選約5_的直徑的石英管，雖然在電感耦合的等離子體焰炬122中可使用其他尺寸的管直徑。在該實(shí)施方案中，一對(duì)注入口 312彼此在直徑上正對(duì)著安置。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，可利用對(duì)稱配置的三個(gè)或更多個(gè)注入口 312。在又一實(shí)施方案中，一個(gè)注入口 312可安置在外部石英管302的中心且在頂部盤管308之上。在該實(shí)施方案中，注入口 312可布置成穿過腔室306的中心。
另外，電感耦合的等離子體焰炬122包括一對(duì)等離子氣體入口 314，等離子氣體入口 314連接到攜帶等離子體氣體到電感耦合的等離子體焰炬122的等離子體氣體供應(yīng)管線(未示出)。等離子氣體入口 314在基本相同的高度下進(jìn)入電感耦合的等離子體焰炬122。優(yōu)選等離子氣體入口 314包括具有5mm的直徑的不銹鋼管，雖然對(duì)于該目一定的直徑范圍都可滿足。借助于內(nèi)部石英管304和外部石英管302，等離子體源氣體具有旋流流動(dòng)型式。電感耦合的等離子體焰炬122還提供有冷卻劑入口 316和冷卻劑出口 318。在使用期間，諸如水的冷卻劑通過冷卻劑入口 316、在不銹鋼腔室306內(nèi)循環(huán)且經(jīng)冷卻劑出口 308離開。冷卻劑入口 316和冷卻劑出口 318優(yōu)選由不銹鋼形成且例如具有5mm的直徑。等離子氣體入口 314、冷卻劑入口 316和冷卻劑出口 318全部優(yōu)選形成在不銹鋼腔室306中。例如，腔室306優(yōu)選為側(cè)邊為80mm且高度為約40mm的不銹鋼正方形塊。優(yōu)選腔室306安裝到支架(未示出)上。高頻發(fā)電機(jī)(未示出)電連接到盤管308，以2. 0-4. OMHz的頻率至高144kW的可變功率輸出供以動(dòng)力。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述發(fā)電機(jī)為自德國的Fritz HuettingerElectronic GmbH購得的 IG outer shell 120/3000 型號(hào)。優(yōu)選該發(fā)電機(jī)以 60Hz 三相 480V電源驅(qū)動(dòng)以使電感耦合的等離子體焰炬122通電?，F(xiàn)參看圖4，示出了根據(jù)另一實(shí)施方案的電感耦合的等離子體焰炬400。電感耦合的等離子體焰炬400可用以在等離子體沉積裝置100和/或200中產(chǎn)生硅132。在電感耦合的等離子體焰炬400中的類似參考數(shù)字對(duì)應(yīng)于在本文中關(guān)于電感耦合的等離子體焰炬122,222a,222b的那些元件和描述。在該實(shí)施方案中，電感耦合的等離子體焰炬400可用鋅替代氫氣作為聚硅氧烷化合物反應(yīng)物如四氯化硅(SiCl4)的還原劑使用。該還原的反應(yīng)式為
SiCl4 + 2 Zn — Si + 2 ZnCl2 式 I
電感耦合的等離子體焰炬400可包括使液體(優(yōu)選)鋅源404經(jīng)注入口 402流到電感耦合的等離子體焰炬400的注入口 402。另一方面，鋅源404可以固體形式，諸如小顆粒的鋅。一方面，注入口 402布置并延伸通過腔室306的中心部分和電感耦合的等離子體焰炬400。優(yōu)選注入口 402的一端與鋅源404連接且注入口 402的另一端在盤管308的最高繞組310之上約30mm處終止。另外，電感耦合的等離子體焰炬400可包括用于將諸如SiCl4的硅化合物源408注入電感耦合的等離子體焰炬400中的一個(gè)或多個(gè)注入口 406。一方面，硅化合物源408以蒸氣形式。在一個(gè)實(shí)施方案中，注入口 406在電感耦合的等離子體焰炬400中布置在盤管308的最低繞組310之下約15mm處。現(xiàn)參看圖5，示出了本發(fā)明的根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案用于制造高純硅的系統(tǒng)500的方塊圖。在不限制用于制造高純硅的本發(fā)明系統(tǒng)500的情況下，關(guān)于使用鋅而不是氫氣作為還原劑來提供以下描述。在該實(shí)施方案中，等離子體沉積裝置100和/或等離子體沉積裝置200可利用電感耦合的等離子體焰炬400來產(chǎn)生液體或熔融鋅。優(yōu)選用于制造高純硅的系統(tǒng)500包括氬氣源502，氬氣源502與等離子體沉積裝置100、200的反應(yīng)室102、202的電感耦合的等離子體焰炬400的等離子氣體入口 314連通且進(jìn)料到等離子氣體入口 314中。另外，用于制造高純硅的系統(tǒng)500包括鋅源504，鋅源504也與等離子體沉積裝置100、200連通。一方面，鋅源504可進(jìn)料到電感稱合的等離子體焰炬400的注入口(injection portinjection port) 402中。額外的鋅供料506可直接進(jìn)料到鋅源504中以提供額外的鋅到用于制造高純硅的系統(tǒng)500。一方面，在鋅供料506和鋅源504中所包含的鋅可為液態(tài)。另夕卜，用于制造高純硅的系統(tǒng)500包括硅化合物源508，硅化合物源508與電感耦合的等離子體焰炬400的注入口 406連通且進(jìn)料到電感耦合的等離子體焰炬400的注入口 406中。由用于制造高純硅的系統(tǒng)500產(chǎn)生的液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅132隨后經(jīng)閥門134進(jìn)料到分配/儲(chǔ)存單元512。液體或熔融硅132隨后自分配/儲(chǔ)存單元512進(jìn)料到晶體生長坩堝514中以生長高純硅晶體516。在一個(gè)實(shí)施方案中，可使用標(biāo)準(zhǔn)Czochralski ( “CZ”)方法來生長單個(gè)或多個(gè)娃晶體516。并且,Edge-defined Film-fed Growth (邊緣限定的進(jìn)料膜生長，“EFG”)方法為制造用于光伏應(yīng)用的硅片的另一方法。回頭參看圖5，來自等離子體沉積裝置100、200的排出氣體129經(jīng)由蒸氣/氣體去除口 128自反應(yīng)室102、202除去且進(jìn)料到第一分離器518。一方面，排出氣體129可包含氬氣、副產(chǎn)物ZnCl2和任何未反應(yīng)以蒸氣形式的鋅。另外，排出氣體129可包含小顆粒的硅。分離器518可維持在約1100°C的溫度下。優(yōu)選蒸氣通過分離器518的速度可顯著降 低，以使得這些小硅粒子將下降到分離器518的底部以便收集并進(jìn)料到加熱器520中。加熱器520可保持在約1450°C的溫度下以使硅粒子熔融成液態(tài)或熔融態(tài)，其隨后可進(jìn)料到分配/儲(chǔ)存單元512中。用于制造高純硅的系統(tǒng)500還可包括第二分離器522，第二分離器522與分離器518連通以將排出氣體129從分離器518進(jìn)料到分離器522。優(yōu)選分離器522可保持在約850°C的溫度下。在排出氣體129中包含的未反應(yīng)的鋅將在分離器522中冷凝，在此其可轉(zhuǎn)移或進(jìn)料到優(yōu)選保持在約850°C的溫度下的加熱器524中。鋅可自加熱器524轉(zhuǎn)移或進(jìn)料到鋅源504中以便再次用于電感耦合的等離子體焰炬400中?！矫?在分離器522中的剩余組分可包括ZnCl2、lS氣和一些殘留氣體。気氣和殘留氣體可在洗滌器526中處理，之后進(jìn)料到排氣孔528，排氣孔528將它們釋放到大氣中。另一方面，在分離器522中包含的氬氣可再循環(huán)并進(jìn)料返回到電感耦合的等離子體焰炬400中。諸如ZnCl2的任何未反應(yīng)或反應(yīng)的鋅化合物自分離器522轉(zhuǎn)移到電解單元530中，電解單元530將鋅化合物分解成鋅和氯氣。該分解可用的方法對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的。所產(chǎn)生的鋅可轉(zhuǎn)移或進(jìn)料返回到電感等離子體沉積裝置100、200中以便經(jīng)由鋅儲(chǔ)存單元532再次使用，其可進(jìn)一步進(jìn)料到加熱器524和鋅源504。另外，由電解單元530產(chǎn)生的氯氣可轉(zhuǎn)移或進(jìn)料到Cl2儲(chǔ)存單元534中。用于制造高純硅的系統(tǒng)500可包括與Cl2儲(chǔ)存單元534連通的額外氯氣供料。Cl2儲(chǔ)存單元534可供應(yīng)氯氣到氯化反應(yīng)器538中，在其中其可與冶金級(jí)娃(Metallurgical-Grade Silicon,“MG-Si”)供料反應(yīng)以制得額外的含硅化合物如SiCl4。這些化合物從氯化反應(yīng)器538轉(zhuǎn)移或進(jìn)料到硅化合物儲(chǔ)存單元540中以純化硅化合物，從而制得高純硅化合物。用于制造高純硅的系統(tǒng)500還可包括與硅化合物源508連通的硅化合物儲(chǔ)存單元510。通常，硅化合物儲(chǔ)存單元510為自硅化合物儲(chǔ)存單元540供應(yīng)硅化合物的來源。除了本發(fā)明的等離子體沉積裝置100、200的上述方面和實(shí)施方案以外，本發(fā)明還包括用于制造液體或熔融硅132的方法和用于制造光伏電池的硅晶體。一種優(yōu)選的方法包括利用等離子體火焰或能量來由氫氣(“H2”)還原三氯硅烷(“SiHCl3”)以形成硅的基于氯化物的系統(tǒng)。還可以通過等離子體火焰能量用氫氣還原四氯化硅(“SiCl4”)以制得硅。通常，由等離子體沉積裝置100、200產(chǎn)生的硅粒子的尺寸小，諸如幾微米。在溫度控制和反應(yīng)物的繼續(xù)反應(yīng)之下，硅粒子向下行進(jìn)到反應(yīng)室102、202，硅粒子的尺寸可增大。這些較大的硅粒子將更易于收集在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104、204中，其將改善等離子體沉積裝置100、200的收集效率。圖6說明用于制造高純硅的方法的實(shí)施方案600的流程圖。在步驟602中，引發(fā)電感耦合的等離子體焰炬122、222a、222b和400。該步驟可包括引發(fā)等離子體氣體供料流動(dòng)到等離子氣體入口 314且隨后通過供應(yīng)電力到盤管308使等離子體點(diǎn)燃。該步驟包括將電感耦合的等離子體焰炬122、222a、222b和400的等離子體火焰點(diǎn)燃并穩(wěn)定化。另外，步驟602還可包括選擇用于在硅132生產(chǎn)期間在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104上產(chǎn)生所要的反應(yīng)產(chǎn)物的前體氣體源。在步驟604中，打開并調(diào)節(jié)加熱元件118的功率到加熱反應(yīng)室102、產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104、反應(yīng)室202和產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器204的指定溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，在反應(yīng)室102、202內(nèi)的溫度為約1，000°C。在步驟606中，等離子體沉積裝置100、200經(jīng)注入口 312將前 體氣體注入電感耦合的等離子體焰炬122、222a、222b和400的等離子體火焰中。如上討論，優(yōu)選前體氣體源選自SiHCl3 + H2、SiCl4 + H2或SiCl4 +鋅。如上所述，未沉積在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104、204中的產(chǎn)物經(jīng)由蒸氣/氣體去除口 128收集并再循環(huán)以便另外使用。在用于制造高純硅的本發(fā)明方法的一方面中，SiHCljP SiCl4可由MG-Si或二氧化硅(Silica)制得。MG-Si將與自用于制造高純硅的本發(fā)明方法的排出氣流中收集并分離的氯化氫(“HC1”)反應(yīng)。另外，如果自排出氣流中不存在足夠的量，則始終可以加入新鮮的氯氣(“Cl2”)或氯化氫。在通過蒸餾純化之后，反應(yīng)產(chǎn)物可用作用于制造硅的前體源氣體化學(xué)物質(zhì)。除了在排出氣流中的HCl以外，存在Ar、H2、二氯甲硅烷(“SiH2Cl2”)和未反應(yīng)的SiHCl3且還可存在SiCl4 +未沉積的硅粒子。未沉積的硅粒子可通過使用袋濾器分離出來。另外，使用冷行程，可容易地分離氯硅烷并將其再次用作前體源氣體化學(xué)物質(zhì)。諸如氬氣和H2的氣體也可自排出系統(tǒng)再循環(huán)且可用于等離子體源氣體或前體源氣體。在步驟608中，在反應(yīng)室102、202內(nèi)的壓力通過排出系統(tǒng)和/或蒸氣/氣體去除口 128控制并維持。另外，可使用其他設(shè)備來維持在反應(yīng)室102、202內(nèi)的壓力。在步驟610中，監(jiān)測在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器104、204中的產(chǎn)物水平。當(dāng)該水平高于指定水平時(shí)，閥門134在步驟612中打開且液體或熔融硅132將排出到分配/儲(chǔ)存單元512。在坩堝514需要額外硅132時(shí)也將啟動(dòng)步驟612。在一個(gè)實(shí)施方案中，用于制造高純硅的方法600為其中等離子體方法將繼續(xù)操作直至定期維護(hù)的連續(xù)法。在那時(shí)，電感耦合的等離子體焰炬122、222a、222b和400將被關(guān)閉且操作可停止。除了上述以外，硅粒子將從排出氣流中分離出來。這些粒子將收集、裝載到石英坩堝中，熔融并生長成單晶錠。所有氣體(不管是未反應(yīng)的氣體還是副產(chǎn)物化學(xué)物質(zhì))也將通過典型的工業(yè)方法收集并分離。一些例示性原料包括氫化物、氟化物、氯化物、溴化物和
IS氣。在用于制造高純硅的本發(fā)明方法的另一實(shí)施方案中，使用基于氫化物的系統(tǒng)。雖然硅烷不具有與三氯硅烷一樣高的沉積速率，但其仍然廣泛用于工業(yè)中，因?yàn)槠涓右子诩兓约爱a(chǎn)生所要的高品質(zhì)硅。遵循與上述相同的加工步驟，可將以氣體形式的甲硅烷(Silane) ( “SiH4”)或乙硅烷(Disilane) ( "Si2H6")如在步驟604中所述且在存在等離子體火焰或能量的情況下傳送到注入口 312，它們將分解成硅和氫氣。通過使用較高的反應(yīng)溫度且迅速去除氫氣，實(shí)現(xiàn)了改善的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。另外，未沉積的硅粒子和諸如氬氣的等離子體源氣體經(jīng)由蒸氣/氣體去除口 128收集以便再次加工和再循環(huán)。在用于制造高純硅的本發(fā)明方法的另一實(shí)施方案中，遵循上述工藝步驟使用溴系統(tǒng)。溴(“Br2”)化學(xué)侵蝕性較小而且腐蝕性比氯(“Cl2”)小。在使用Br作為負(fù)載氣體時(shí)，可節(jié)約顯著的設(shè)備成本。該負(fù)載氣體用作傳輸劑以將硅(冶金級(jí)硅，MG-Si)帶來、轉(zhuǎn)化并制成純凈且可用的太陽能級(jí)硅(“SoG”)。其將與MG-Si反應(yīng)以形成四溴化硅(主要產(chǎn)物)和其他雜質(zhì)溴化物化合物。在純化之后，四溴化硅通過等離子體法用于制造高純硅。在該過程期間，其將四溴化硅分解成硅和溴。硅沉積且溴也被收集并再次使用。因?yàn)楸景l(fā)明的電感耦合的等離子體焰炬122、222a、222b和400具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠的能量來以驅(qū)使反應(yīng)以所需要的方向進(jìn)行，所以不必關(guān)注由氫氣引起的四溴化硅(“SiBr4”)的還原反應(yīng)。優(yōu)選該系統(tǒng)的原料為MG-Si。在高于360°C的溫度下，在硅與溴化氫(HBr)或Br2之間的反應(yīng)速率 可能較高且反應(yīng)產(chǎn)物將主要為SiBiv由于沸點(diǎn)溫度的差異，極其易于分離出硼污染物(自SiBr4中分離出BBr)。在該實(shí)施方案中，前體源氣體化學(xué)物質(zhì)將為四溴化硅和氫氣。在用于制造高純硅的本發(fā)明方法的又一實(shí)施方案中，使用由碳引起的二氧化硅灰粒(soot paticle)的還原。在光學(xué)預(yù)成型坯生產(chǎn)中，固體廢物為二氧化硅灰粒且它們通常被送到填埋場以便處置。這些二氧化硅灰粒極其純凈且可為用于通過用碳進(jìn)行的碳熱還原反應(yīng)制造太陽能級(jí)硅(“SoG”)的良好來源。通常，其使用電弧爐作為熱源且遵循上述的工藝步驟，將粉末形式的SiO2和碳經(jīng)注入口 312注入電感耦合的等離子體焰炬122、222a、222b和400的等離子體火焰中。這些來自預(yù)成型坯制造商的灰粒通常不含過渡金屬離子，并且它們通常不含硼。盡管如此，所述灰粒可能具有痕量的磷和一些鍺。為了消除來自原料的可能的雜質(zhì)污染，少量的Cl2和水分可隨前體氣體源一起注入。該實(shí)施方案將來自光學(xué)纖維制造工廠的灰粒廢物轉(zhuǎn)化成用于產(chǎn)生高純硅的有用產(chǎn)品，且因此產(chǎn)生有效且成本有效的太陽能電池板。雖然已經(jīng)描述了目前認(rèn)為是用于制造高純硅的等離子體沉積裝置和方法的優(yōu)選的實(shí)施方案，但應(yīng)理解在不脫離本發(fā)明的精神或必要特征的情況下本發(fā)明的等離子體沉積裝置可以其他特定形式來體現(xiàn)。例如，除了本文所述的那些以外，在不脫離用于制造高純硅的本發(fā)明的等離子體沉積裝置和方法的精神或必要特征的情況下，可使用額外的電感耦合的等離子體焰炬或沉積模組的不同組合。因此，在各方面都認(rèn)為本發(fā)明的實(shí)施方案為說明性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由隨附權(quán)利要求書而不是上述描述來指定。
權(quán)利要求
1.用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其包括 用于沉積所述高純硅的腔室，所述腔室包括 基本限定所述腔室的上端的頂部； 具有上端和下端的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面，所述頂部基本密封連接所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面的上端; 基本限定所述腔室的下端的基底，所述基底基本密封連接所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面的下端；和 布置在所述頂部的至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬，在基本垂直的位置取向的所述至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬產(chǎn)生自所述頂部向下朝向所述基底的等離子體火焰，所述等離子體火焰限定使一種或多種反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生所述高純硅的反應(yīng)區(qū)。
2.權(quán)利要求I的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述基底為用于容納以液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅的產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器。
3.權(quán)利要求I的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其還包括 布置在所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面中用于將輔助氣體注入所述腔室中的一個(gè)或多個(gè)輔助氣體注入口。
4.權(quán)利要求I的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其還包括 布置在所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面中用于自所述腔室回收未沉積的固體和未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)中的至少一種的一個(gè)或多個(gè)蒸氣/氣體去除口。
5.權(quán)利要求I的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其還包括 與所述基底熱力學(xué)連通用于提供熱到所述基底以保持所述高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)的加熱器。
6.權(quán)利要求I的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬基本垂直于所述腔室的基底。
7.權(quán)利要求I的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述腔室由屏蔽射頻能量且隔離所述腔室與所述腔室外部的環(huán)境的材料制成。
8.權(quán)利要求I的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬還包括 用于將鋅注入所述等離子體火焰中的一個(gè)或多個(gè)鋅注入口。
9.用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其包括 用于沉積以液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅的具有上端和下端的腔室； 基本布置在所述腔室的下端用于收集以液態(tài)或熔融態(tài)的所述高純硅的產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器； 與所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器熱力學(xué)連通用于提供足夠的熱到所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器以保持所述高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)的加熱器；和 基本布置在所述腔室的上端的一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬，所述一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬在基本垂直的位置取向以產(chǎn)生具有從所述腔室的上端朝向所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的向下方向的等離子體火焰，所述等離子體火焰限定使一種或多種反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生所述高純硅的反應(yīng)區(qū)。
10.權(quán)利要求9的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其還包括布置在所述腔室中用于將輔助氣體注入所述腔室中的一個(gè)或多個(gè)輔助氣體注入口。
11.權(quán)利要求10的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)輔助氣體注入口以朝向所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的向下角度布置。
12.權(quán)利要求9的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其還包括 布置在所述腔室中用于自所述腔室回收未沉積的固體和未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)中的至少一種的一個(gè)或多個(gè)蒸氣/氣體去除口。
13.權(quán)利要求12的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)蒸汽/氣體去除口以朝向所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的向下角度布置。
14.權(quán)利要求9的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬基本垂直于所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器。
15.權(quán)利要求9的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述腔室由屏蔽射頻能量且隔離所述腔室與所述腔室外部的環(huán)境的材料制成。
16.權(quán)利要求9的用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)電感耦合的等離子體焰炬還包括 用于將鋅注入所述等離子體火焰中的一個(gè)或多個(gè)鋅注入口。
17.用于在反應(yīng)室中在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法，其包括 提供產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器； 提供包括盤管的至少一個(gè)垂直向下安置的高頻電感耦合的等離子體焰炬； 將主要由惰性氣體組成的等離子體氣體引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以在所述盤管內(nèi)形成等離子體； 將反應(yīng)物注入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以產(chǎn)生高純硅；和將由所述電感耦合的等離子體焰炬產(chǎn)生的以液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅收集到所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中。
18.權(quán)利要求17的在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法，其還包括 調(diào)節(jié)在所述腔室內(nèi)的分壓。
19.權(quán)利要求17的在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法，其還包括 加熱所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器以保持所述高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)。
20.權(quán)利要求17的在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法，其還包括 控制所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器的溫度。
21.權(quán)利要求17的在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法，其還包括 將輔助氣體注入所述腔室中。
22.權(quán)利要求17的在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法，其還包括 自所述腔室中除去未沉積的固體和未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)中的至少一種。
23.權(quán)利要求17的在產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中收集液體或熔融高純硅的方法，其還包括 將鋅供料引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中。
24.產(chǎn)生硅晶體的方法，其包括 提供產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器； 提供包括盤管的至少一個(gè)垂直向下安置的高頻電感耦合的等離子體焰炬； 將主要由惰性氣體組成的等離子體氣體引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以在所述盤管內(nèi)形成等離子體； 將反應(yīng)物注入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中以產(chǎn)生高純硅； 將通過所述電感耦合的等離子體焰炬產(chǎn)生的以液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅收集到所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器中；和 將所述液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅轉(zhuǎn)移到坩堝中；和 產(chǎn)生所述硅晶體。
25.權(quán)利要求24的產(chǎn)生硅晶體的方法，其還包括 在將所述液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅轉(zhuǎn)移到所述坩堝中之前，儲(chǔ)存所述液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅。
26.權(quán)利要求24的產(chǎn)生硅晶體的方法，其還包括 在管路中將液態(tài)或熔融態(tài)的高純硅從所述產(chǎn)物收集儲(chǔ)集器轉(zhuǎn)移到所述坩堝。
27.權(quán)利要求26的產(chǎn)生硅晶體的方法，其還包括 加熱所述管路以保持所述高純硅處于液態(tài)或熔融態(tài)。
28.權(quán)利要求24的產(chǎn)生硅晶體的方法，其還包括 將鋅供料引入所述高頻電感耦合的等離子體焰炬中。
29.權(quán)利要求24的產(chǎn)生硅晶體的方法，其中所述硅晶體為硅片。
全文摘要
本發(fā)明提供用于制造高純硅的等離子體沉積裝置，其包括用于沉積所述高純硅的腔室，所述腔室包括基本限定模腔的上端的頂部；具有上端和下端的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面，所述頂部基本密封連接所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面的上端；基本限定所述腔室的下端的基底，所述基底基本密封連接所述一個(gè)或多個(gè)側(cè)面的下端；和布置在所述頂部的至少一個(gè)感應(yīng)耦合的等離子體焰炬，在基本垂直的位置取向的所述至少一個(gè)電感耦合的等離子體焰炬產(chǎn)生自所述頂部向下朝向所述基底的等離子體火焰，所述等離子體火焰限定使一種或多種反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生高純硅的反應(yīng)區(qū)。另外，還提供了收集熔融硅的方法。
文檔編號(hào)H05H1/30GK102933493SQ201180016641
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者M.阿斯拉米, 武韜, C.德盧卡, P.漢森, E.丹尼洛夫 申請(qǐng)人:美國太陽能技術(shù)有限公司