專利名稱：在坩堝側(cè)壁底端設(shè)置有保溫部件的定向凝固爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如單晶錠或者多晶錠的定向凝固設(shè)備，尤其是涉及一種利用定向凝 固工藝生產(chǎn)太陽能用多晶硅錠的、在坩堝側(cè)壁底端設(shè)置有保溫部件的定向凝固爐。
背景技術(shù)：
在利用定向凝固工藝生產(chǎn)太陽能用多晶硅錠時，由于石英坩堝底部的冷卻比其它 部分快，首先從底部開始結(jié)晶，然后逐漸向上生長。如果能使固/液界面的形狀保持平直或 微凸時，則絕大部分硅晶粒容易一直保持豎直向上生長，晶界則幾乎保持豎直，這樣得到近 乎于理想的晶粒排列，晶錠質(zhì)量最好，制備出的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率也最高。因此，在生長 多晶硅錠過程中，希望固/液界面為平直或者微凸形。圖1為現(xiàn)有技術(shù)的定向凝固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可知，現(xiàn)有技術(shù)的定向凝固 系統(tǒng)包括上爐體101'；與所述上爐體101'相配合的下爐體102'；設(shè)置在所述下爐體 102'內(nèi)的坩堝支座6'，設(shè)置于所述坩堝支座6'上的坩堝保持器5'和坩堝保持器5'內(nèi) 設(shè)置的石英坩堝2'；設(shè)置在坩堝保持器5'側(cè)面的側(cè)加熱器32'以及設(shè)置在石英坩堝2' 上方的頂加熱器31'；罩在頂加熱器31'和側(cè)加熱器32'外側(cè)的隔熱部件4'。在給料熔 化以及熔體定向凝固的過程中需要通入惰性氣體如Ar氣以將給料高溫過程中所生成的含 碳氣體等雜質(zhì)從排氣孔103'排出爐外。根據(jù)現(xiàn)有的定向凝固系統(tǒng)，在生產(chǎn)多晶硅定錠過程中，如圖1所示，固體82'與熔 體81'的界面的邊緣部分(鄰近石英坩堝側(cè)壁部分)不能保持為平直或者微凸形狀，而是 呈凹狀。且隨著圖中箭頭方向所示的固/液界面的推移，由動力學分析可知所得到的多晶 錠中鄰近石英坩堝側(cè)壁的部分的晶粒小而凌亂、晶體質(zhì)量很差、少子壽命低、且由這部分多 晶錠制備出的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率低。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，需要提供一種新的定向凝固爐，所述定向凝固爐能夠使定向凝固過程 中固/液界面形狀保持為微凸形，改善多晶錠的晶體質(zhì)量，進而提高生產(chǎn)收益。本發(fā)明人等對現(xiàn)有的定向凝固爐進行了反復研究從而得出了下述結(jié)論，并在此基 礎(chǔ)上完成了本發(fā)明。即，現(xiàn)有的定向凝固爐在石英坩堝側(cè)壁僅僅設(shè)置有石墨材質(zhì)的坩堝保 持器，在通過向上提升隔熱部件以使熔體定向凝固的過程中由于工作氣體如Ar氣流從石 墨材質(zhì)的坩堝保持器帶走大量的熱量，由此導致了石英坩堝側(cè)壁冷卻過快。而由于定向凝 固機制決定了側(cè)加熱器僅覆蓋石英坩堝的側(cè)壁的上半部分，其下半部分沒有對應(yīng)的加熱部 件，因此坩堝側(cè)壁的下部的過度冷卻尤其明顯。受此影響，靠近坩堝側(cè)壁的熔體開始結(jié)晶， 鄰近坩堝側(cè)壁的固/液界面也因此變?yōu)榘夹?，晶粒向坩堝中心橫向生長，這部分晶界很難 保持豎直，因而所得到的晶粒非常小，晶界也很紊亂。由此造成了現(xiàn)有定向凝固系統(tǒng)得到的 多晶錠中鄰近石英坩堝側(cè)壁的部分的晶粒小而凌亂、晶體質(zhì)量很差、少子壽命低，制備出的 太陽能電池轉(zhuǎn)換效率低。
根據(jù)本發(fā)明實施例的定向凝固爐，包括上爐體；下爐體，所述下爐體與所述上爐 體相配合以形成爐體空間；坩堝，所述坩堝設(shè)置在爐體空間內(nèi)用于容納給料；至少一個加 熱器，所述加熱器容納在所述爐體空間內(nèi)，用于加熱坩堝并熔化容納在坩堝中的給料；坩堝 保持器，所述坩堝保持器用于保持所述坩堝；坩堝支座，容納有所述坩堝的所述坩堝保持器 設(shè)置在所述坩堝支座上；隔熱部件，所述隔熱部件容納在所述爐體空間內(nèi)并罩住所述加熱 器，且所述隔熱部件被構(gòu)造成相對于所述坩堝縱向可移動，以控制所述坩堝內(nèi)的給料的定 向凝固；通氣管，所述通氣管連接至外部氣源并豎直地貫穿所述隔熱部件，以向坩堝內(nèi)引入 工作氣體；以及保溫部件，所述保溫部件設(shè)置于所述坩堝保持器的底端外側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的上述方案，通過在所述坩堝保持器的底端外側(cè)設(shè)置的保溫部件，解 決了石英坩堝側(cè)壁下部過度冷卻的問題，從而實現(xiàn)了使定向凝固過程中固/液界面形狀保 持為微凸形，改善了多晶錠的晶體質(zhì)量，進而提高了生產(chǎn)效益，且提高了由所生產(chǎn)的多晶錠 制備出的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。不僅如此，該保溫部件還可以降低生產(chǎn)多晶錠過程中的加 熱功率，從而降低能耗。另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的定向凝固爐還可以具有如下的附加技術(shù)特征根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述保溫部件由固化炭氈保溫材料制成。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述加熱器包括位于所述坩堝側(cè)面的側(cè)加熱器，其中 所述保溫部件的頂端高度不高于所述側(cè)加熱器的底端高度。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述保溫部件與所述坩堝保持器的外壁相適配且沿縱 向的橫截面為錐狀或錐臺狀。具體而言，所述錐狀或錐臺狀可以在其底部具有L形的彎折部以與所述坩堝保持 器的底部相適配。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述保溫部件沿縱向橫截面為L形的棱柱狀。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的定向凝固爐在定向凝固過程中的晶體生長示意圖；圖2顯示了本發(fā)明實施例的一個示例的定向凝固爐在裝料結(jié)束后加熱之前的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖3顯示圖2所示的定向凝固爐在定向凝固過程中的晶體生長示意圖；圖4顯示了本發(fā)明實施例的另一個示例的定向凝固爐在裝料結(jié)束后加熱之前的 結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
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本發(fā)明涉及生長多晶材料的系統(tǒng)或者設(shè)備。下面將結(jié)合圖2 圖4對以制造多晶 的多晶爐為例來描述根據(jù)本發(fā)明的定向凝固爐。其中，圖2顯示了本發(fā)明實施例的一個示 例的定向凝固爐在裝料結(jié)束后加熱之前的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3顯示圖2所示的定向凝固爐在 定向凝固過程中的晶體生長示意圖；圖4顯示了本發(fā)明實施例的另一個示例的定向凝固爐 在裝料結(jié)束后加熱之前的結(jié)構(gòu)示意圖。在本發(fā)明的一個實施例中，如圖2所示，所述定向凝固爐100包括上爐體101 ； 下爐體102，所述下爐體102與所述上爐體101相配合以形成爐體空間；坩堝2，所述坩堝 2設(shè)置在爐體空間內(nèi)用于容納給料8 ；至少一個加熱器3，所述加熱器容納在所述爐體空間 內(nèi)，用于加熱坩堝并熔化容納在坩堝中的給料；坩堝保持器5，所述坩堝保持器5用于保持 所述坩堝2 ；坩堝支座6，容納有所述坩堝2的所述坩堝保持器5設(shè)置在所述坩堝支座上6 ； 隔熱部件4，所述隔熱部件4容納在所述爐體空間內(nèi)并罩住所述加熱器3，且所述隔熱部件 4被構(gòu)造成相對于所述坩堝2縱向可移動，以控制所述坩堝2內(nèi)的給料的定向凝固；通氣管 105，所述通氣管105連接至外部氣源并豎直地貫穿所述隔熱部件4，以向坩堝內(nèi)引入工作 氣體；以及保溫部件9，所述保溫部件9設(shè)置于所述坩堝保持器5的底端外側(cè)。在給料熔化 以及熔體定向凝固的過程中需要引入工作氣體，即惰性氣體或Ar氣等以將給料高溫過程 中所生成的含碳氣體等雜質(zhì)從排氣孔103排出爐外。其中，加熱器3包括頂加熱器31和側(cè)加熱器32，隔熱部件4由頂隔熱部41和側(cè)隔 熱部42構(gòu)成。需要說明的是，位于所述隔熱部件4之內(nèi)的頂部加熱器31是可選的，在實施 本發(fā)明的方案時，也可以省略該頂部加熱器31。下面結(jié)合圖3對利用本發(fā)明上述方案的定向凝固爐進行定向凝固生長多晶錠進 行描述。在給料8被加熱熔化為熔體81后，逐漸向上提升側(cè)隔熱部42以使熔體由下向上 定向凝固。在凝固過程中為了控制凝固速度，通過溫度檢測裝置從上方檢測熔體表面的溫 度，根據(jù)所檢測到的溫度由溫度控制單元對加熱器的加熱功率進行調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的定 向凝固爐，如圖3所示，由于在坩堝保持器5的底端外側(cè)設(shè)置有保溫部件9，從而克服了加熱 器底端至坩堝底部之間熔體81的過度冷卻問題，因此能保證在晶體生長過程中固體82與 熔體81之間的界面以微凸的形狀進行推移(推移方向如圖3箭頭所示)，從而保證絕大部 分晶體以接近豎直的方向生長，改善了多晶錠的晶體質(zhì)量，進而提高了生產(chǎn)效益，且提高了 由所生產(chǎn)的多晶錠制備出的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。不僅如此，由于本發(fā)明的定向凝固爐設(shè) 置有保溫部件9，坩堝邊緣的熔體降溫不致過快，因此可以很大程度上緩解在現(xiàn)有技術(shù)中需 要通過加熱器加熱來解決降溫過快的問題，因此能夠顯著降低定向凝固過程中期間的加熱 功率，由此本定向凝固爐的能耗更低、生產(chǎn)成本也更低。此外，在本發(fā)明的定向凝固爐的一個示例中，保溫部件9由固化炭氈保溫材料制 成。由此能夠在保證耐高溫性能的同時很好地起到保溫作用。在本發(fā)明的定向凝固爐的一個示例中，加熱器包括位于所述坩堝側(cè)面的側(cè)加熱器 32和位于坩堝上方的頂加熱器31，其中保溫部件9的頂端高度不高于所述側(cè)加熱器32的 底端高度。由此確保高加熱效率、低能耗的同時解決坩堝底端側(cè)壁部分熔體的過度冷卻問 題，從而確保在晶體定向凝固生長過程中固/液界面以微凸形狀進行推移。在本發(fā)明的定向凝固爐的一個示例中，如圖3所示，保溫部件9沿縱向的橫截面為錐狀。當然，當保溫部件9沿縱向的橫截面為頂端具有一定寬度的錐臺狀時可以達到同樣 效果。所述保溫部件可以通過緊固件固定于所述坩堝保持器的底端外壁。從安裝和搬運方 便方面考慮，所述錐狀或錐臺狀還可以在底部具有與坩堝保持器5相適配的L形彎折部，以 直接插在所述坩堝保持器的底部。在本發(fā)明的定向凝固爐的一個示例中，如圖4所示，保溫部件9的縱向橫截面還可 以為“L”形的棱柱狀。具有該形狀的保溫部件9加工更方便。本發(fā)明提出的定向凝固爐不僅可以用于多晶硅和單晶硅的制備，也可用于定向凝 固法生長單晶和多晶鍺或其他化合物半導體晶體以及氧化物晶體材料的制備。需要說明的是，任何提及“一個實施例”、“實施例”、“示意性實施例”等意指結(jié)合該 實施例描述的具體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例中。在本說明書各 處的該示意性表述不一定指的是相同的實施例。而且，當結(jié)合任何實施例描述具體構(gòu)件、結(jié) 構(gòu)或者特點時，所主張的是，結(jié)合其他的實施例實現(xiàn)這樣的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點均落在本領(lǐng) 域技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。盡管參照本發(fā)明的多個示意性實施例對本發(fā)明的具體實施方式
進行了詳細的描 述，但是必須理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計出多種其他的改進和實施例，這些改進和實施 例將落在本發(fā)明原理的精神和范圍之內(nèi)。具體而言，在前述公開、附圖以及權(quán)利要求的范圍 之內(nèi)，可以在零部件和/或者從屬組合布局的布置方面作出合理的變型和改進，而不會脫 離本發(fā)明的精神。除了零部件和/或布局方面的變型和改進，其范圍由所附權(quán)利要求及其 等同物限定。
權(quán)利要求
一種定向凝固爐，其特征在于，包括上爐體；下爐體，所述下爐體與所述上爐體相配合以形成爐體空間；坩堝，所述坩堝設(shè)置在爐體空間內(nèi)用于容納給料；至少一個加熱器，所述加熱器容納在所述爐體空間內(nèi)，用于加熱坩堝并熔化容納在坩堝中的給料；坩堝保持器，所述坩堝保持器用于保持所述坩堝；坩堝支座，容納有所述坩堝的所述坩堝保持器設(shè)置在所述坩堝支座上；隔熱部件，所述隔熱部件容納在所述爐體空間內(nèi)并罩住所述加熱器，且所述隔熱部件被構(gòu)造成相對于所述坩堝縱向可移動，以控制所述坩堝內(nèi)的給料的定向凝固；通氣管，所述通氣管連接至外部氣源并豎直地貫穿所述隔熱部件，以向坩堝內(nèi)引入工作氣體；以及保溫部件，所述保溫部件設(shè)置于所述坩堝保持器的底端外側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固爐，其特征在于，所述保溫部件由固化炭氈保溫材 料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固爐，其特征在于，所述加熱器包括位于所述坩堝側(cè) 面的側(cè)加熱器，其中所述保溫部件的頂端高度不高于所述側(cè)加熱器的底端高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向凝固爐，其特征在于，所述保溫部件與所述坩堝保持器 的外壁相適配且沿縱向的橫截面為錐狀或錐臺狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向凝固爐，其特征在于，所述錐狀或錐臺狀在底部具有L形 的彎折部以與所述坩堝保持器的底部相適配。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向凝固爐，其特征在于，所述保溫部件沿縱向的橫截面為L 形的棱柱狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定向凝固爐，包括上爐體；與所述上爐體相配合以形成爐體空間的下爐體；設(shè)置在爐體空間內(nèi)用于容納給料的坩堝；用于加熱坩堝并熔化容納在坩堝中的給料的至少一個加熱器；用于保持坩堝的坩堝保持器；用于在其上設(shè)置所述坩堝保持器的所述坩堝支座；容納在所述爐體空間內(nèi)并罩住所述加熱器的隔熱部件，用以控制所述坩堝內(nèi)的給料的定向凝固；連接至外部氣源并豎直地貫穿所述隔熱部件的通氣管；以及設(shè)置于所述坩堝保持器的底端外側(cè)的保溫部件。根據(jù)本發(fā)明的定向凝固爐，改善了多晶錠的晶體質(zhì)量，進而提高了生產(chǎn)效益，且提高了由所生產(chǎn)的多晶錠制備出的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號C30B11/00GK101949056SQ20101029132
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者吳彬輝, 王敬, 翟志華 申請人:王敬;江西旭陽雷迪高科技股份有限公司