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：
本實(shí)用新型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(yáng)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(yáng)能用多晶硅錠時(shí)，由于石英坩堝底部的冷卻比其它 部分快，首先從底部開(kāi)始結(jié)晶，然后逐漸向上生長(zhǎng)。如果能使固/液界面的形狀保持平直或 微凸時(shí)，則絕大部分硅晶粒容易一直保持豎直向上生長(zhǎng)，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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率也最高。因此，在生長(zhǎng) 多晶硅錠過(guò)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?tīng)t體102'；設(shè)置在所述下?tīng)t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(guò)程中需要通入惰性氣體如Ar氣以將給料高溫過(guò)程中所生成的含 碳?xì)怏w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(guò)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(dòng)力學(xué)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率低。
實(shí)用新型內(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(guò)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(jìn)而提高生產(chǎn)收益。本實(shí)用新型人等對(duì)現(xiàn)有的定向凝固爐進(jìn)行了反復(fù)研究從而得出了下述結(jié)論，并在 此基礎(chǔ)上完成了本實(shí)用新型。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(guò)向上提升隔熱部件以使熔體定向凝固的過(guò)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(dǎo)致了石英坩堝側(cè)壁冷卻過(guò)快。而由 于定向凝固機(jī)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(méi)有對(duì)應(yīng) 的加熱部件，因此坩堝側(cè)壁的下部的過(guò)度冷卻尤其明顯。受此影響，靠近坩堝側(cè)壁的熔體開(kāi) 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(zhǎng)，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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率低。[0007]根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的定向凝固爐，包括上爐體；下?tīng)t體，所述下?tīng)t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(gè)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(duì)于所述坩堝縱向可移動(dòng)，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)本實(shí)用新型的上述方案，通過(guò)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(guò)度冷卻的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了使定向凝固過(guò)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(jìn)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(yáng)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(guò)程 中的加熱功率，從而降低能耗。另外，根據(jù)本實(shí)用新型上述實(shí)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)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述保溫部件由固化炭氈保溫材料制成。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)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)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)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(tái)狀。具體而言，所述錐狀或錐臺(tái)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)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述保溫部件沿縱向橫截面為L(zhǎng)形的棱柱狀。本實(shí)用新型附加的方面和優(yōu)點(diǎn)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(guò)本實(shí)用新型的實(shí)踐了解到。
本實(shí)用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從
以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)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(guò)程中的晶體生長(zhǎng)示意圖；圖2顯示了本實(shí)用新型實(shí)施例的一個(gè)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(guò)程中的晶體生長(zhǎng)示意圖；圖4顯示了本實(shí)用新型實(shí)施例的另一個(gè)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(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)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(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對(duì)本實(shí)用新型的 限制。本實(shí)用新型涉及生長(zhǎng)多晶材料的系統(tǒng)或者設(shè)備。下面將結(jié)合圖2 圖4對(duì)以制造 多晶的多晶爐為例來(lái)描述根據(jù)本實(shí)用新型的定向凝固爐。其中，圖2顯示了本實(shí)用新型實(shí) 施例的一個(gè)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(guò)程中的晶體生長(zhǎng)示意圖；圖4顯示了本實(shí)用新型實(shí)施例的另一個(gè) 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。在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，如圖2所示，所述定向凝固爐100包括上爐體 101 ；下?tīng)t體102，所述下?tīng)t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(gè)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(duì)于所述坩堝2縱向可移動(dòng)，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(guò)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(guò) 程中所生成的含碳?xì)怏w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(shuō)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(shí)施 本實(shí)用新型的方案時(shí)，也可以省略該頂部加熱器31。下面結(jié)合圖3對(duì)利用本實(shí)用新型上述方案的定向凝固爐進(jìn)行定向凝固生長(zhǎng)多晶 錠進(jìn)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(guò)程中為了控制凝固速度，通過(guò)溫度檢測(cè)裝置從上方檢測(cè)熔體表面的溫 度，根據(jù)所檢測(cè)到的溫度由溫度控制單元對(duì)加熱器的加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)本實(shí)用新型 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(guò)度冷卻問(wèn)題，因此能保證在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中固體 82與熔體81之間的界面以微凸的形狀進(jìn)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(zhǎng)，改善了多晶錠的晶體質(zhì)量，進(jìn)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率。不僅如此，由于本實(shí)用新型的定向 凝固爐設(shè)置有保溫部件9，坩堝邊緣的熔體降溫不致過(guò)快，因此可以很大程度上緩解在現(xiàn)有 技術(shù)中需要通過(guò)加熱器加熱來(lái)解決降溫過(guò)快的問(wèn)題，因此能夠顯著降低定向凝固過(guò)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，在本實(shí)用新型的定向凝固爐的一個(gè)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(shí)很好地起到保溫作用。在本實(shí)用新型的定向凝固爐的一個(gè)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(shí)解決坩堝底端側(cè)壁部分熔體的過(guò)度冷卻問(wèn)題，從而確保在晶體定向凝固生長(zhǎng)過(guò)程中固/液界面以微凸形狀進(jìn)行推移。在本實(shí)用新型的定向凝固爐的一個(gè)示例中，如圖3所示，保溫部件9沿縱向的橫截 面為錐狀。當(dāng)然，當(dāng)保溫部件9沿縱向的橫截面為頂端具有一定寬度的錐臺(tái)狀時(shí)可以達(dá)到 同樣效果。所述保溫部件可以通過(guò)緊固件固定于所述坩堝保持器的底端外壁。從安裝和搬 運(yùn)方便方面考慮，所述錐狀或錐臺(tái)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。在本實(shí)用新型的定向凝固爐的一個(gè)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。本實(shí)用新型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(zhǎng)單晶和多晶鍺或其他化合物半導(dǎo)體晶體以及氧化物晶體材料的制備。需要說(shuō)明的是，任何提及“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”等意指結(jié)合該 實(shí)施例描述的具體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)包含于本實(shí)用新型的至少一個(gè)實(shí)施例中。在本說(shuō)明 書(shū)各處的該示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例。而且，當(dāng)結(jié)合任何實(shí)施例描述具體構(gòu) 件、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)時(shí)，所主張的是，結(jié)合其他的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)這樣的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)均落 在本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。盡管參照本實(shí)用新型的多個(gè)示意性實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了 詳細(xì)的描述，但是必須理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出多種其他的改進(jìn)和實(shí)施例，這些改 進(jìn)和實(shí)施例將落在本實(shí)用新型原理的精神和范圍之內(nèi)。具體而言，在前述公開(kāi)、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(jìn)，而不會(huì)脫離本實(shí)用新型的精神。除了零部件和/或布局方面的變型和改進(jìn)，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?tīng)t體，所述下?tīng)t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(gè)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(duì)于所述坩堝縱向可移動(dòng)，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(tái)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(tái)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(zhǎng) 形的棱柱狀。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)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?tīng)t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(gè)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)本實(shí)用新型的定向凝固爐，改善了多晶錠的晶體質(zhì)量，進(jìn)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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)C30B28/06GK201762479SQ201020541330
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:王敬;江西旭陽(yáng)雷迪高科技股份有限公司