CN101906657B

CN101906657B - 制造单晶锭的***

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Publication number: CN101906657B
Application number: CN 201010228244
Authority: CN
Inventors: 王敬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: CN101906657A

Abstract

本发明公开了一种制造单晶锭的***，所述***包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳籽晶和给料；至少一个加热器；坩埚支座，用于对所述坩埚进行支撑；隔热部件；以及温度控制单元，所述温度控制单元设置在所述坩埚支座之下，用于控制容纳的籽晶处的所述坩埚位置的温度。根据本发明，可以在坩埚的底部周围形成可控的温度梯度，从而保证在定向凝固的过程中控制所述籽晶的冷却，保证在单晶形成过程中防止籽晶被完全熔化，并利用该***以较低的成本来获得单晶锭。

Description

制造单晶锭的***

技术领域

本发明涉及单晶锭的制造工艺，尤其是涉及一种通过定向凝固制造单晶锭的***。

背景技术

太阳能是一种可再生的绿色能源。利用半导体材料的光电转换特性来制备太阳能电池，可以将太阳能转变成电能。自从1954年第一块单晶硅太阳能电池诞生以来，太阳能电池技术和产业得到了巨大发展。硅太阳能电池、尤其是晶体硅太阳能电池转换效率高且成本低而成为最理想的电池品种，占据太阳能电池的大部分市场份额。

晶体硅电池分为单晶硅和多晶硅电池两种。目前，单晶硅太阳能电池的转换效率比多晶硅电池约高2％，而单晶硅片的制造成本要比多晶硅片高10％以上，主要原因是单晶硅锭的成本要比多晶硅锭的成本高得多。绝大多数情况下，目前用直拉法在单晶炉中生长硅单晶锭，用定向凝固法在铸锭炉中生长硅多晶锭，用直拉法制备硅单晶锭的成本要比定向凝固法制备硅多晶锭高出20％以上。因此，现有技术的方法和/或者***，要么用成本高的直拉法制备硅单晶锭而获得高的电池转换效率，要么用成本低的定向凝固法制备硅多晶锭而获得的电池转换效率也低，不能在提供更高转换效率的硅单晶太阳能电池片和成本更低的晶体制备方法之间取得均衡。

发明内容

有鉴于此，需要提供一种新的制造单晶硅锭的***，所述***可以通过在坩埚的底部周围形成可控的温度梯度来保证在定向凝固***中制备出单晶锭，在较低的成本下，获得单晶锭。

本发明实施例一方面提出了一种制造单晶锭的***，所述***可以包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳籽晶和给料；至少一个加热器，所述加热器用于加热并至少部分熔化所述籽晶，并完全熔化容纳在坩埚中的给料；坩埚支座，用于对所述坩埚进行支撑；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内并被构造成相对于所述坩埚上下可移动；以及温度控制单元，所述温度控制单元设置在所述坩埚支座之下，用于控制容纳的籽晶处的所述坩埚位置的温度，所述温度控制单元包括：气体导管，所述气体导管的一端设置在所述坩埚支座的底面中心附近，所述气体导管的另一端接提供用于冷却的气源，至少所述坩埚支座的下部形成有散热槽，所述散热槽形成为圆锥体、圆锥台、长方体、圆柱体中的任何一个，所述散热槽的顶部与石英坩埚相邻，所述气体导管***到所述散热槽内，所述坩埚支座的中心设置有可替换模块，所述散热槽形成在所述可替换模块上。

由此，通过本发明的温度控制单元，可以在坩埚的底部周围形成可控的温度梯度，从而保证在定向凝固的过程中控制所述籽晶的冷却，保证在单晶形成过程中防止籽晶被完全熔化，并利用该***以较低的成本来获得单晶锭。

在本发明的该实施例中，通过该气体导管以及控制在气体导管中流动的气体的速度，从而可以容易地实现对所述坩埚底部的温度场的控制，从而在保证籽晶不被完全熔化且给料完全熔化的情况下，获得单晶锭。

根据本发明的一个实施例，流入所述温度控制单元的所述气体的流速控制成在给料完全熔化过程中防止籽晶被完全熔融。

根据本发明的一个实施例，在单晶锭定向凝固过程中，流入所述温度控制单元的所述气体的流速被控制，以促进从所述籽晶开始的单晶锭的定向凝固。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚支座的中心设置有可替换模块，所述散热槽形成在所述可替换模块上。

根据本发明的一个实施例，在所述坩埚支座的上表面和/或下表面上设有保温材料层。

根据本发明的一个实施例，所述下炉体上与所述气体导管相对的位置上设置有第一进气孔。

根据本发明的一个实施例，将N₂、Ar、He或者其混合气体通过第一进气孔供给至所述气体导管。

根据本发明的一个实施例，所述上炉体的顶部设置有第二进气口，所述第二进气口分别与第一气路和第二气路连接，所述第一气路用于向石英坩埚通入Ar、N₂或者其混合气体；

所述第二气路与所述气体导管连接，用于向所述气体导管通入N₂、Ar、He或者其混合气体。

根据本发明的一个实施例，所述温度控制单元还包括：气流引导件，所述气流引导件与所述坩埚支座的底面相对设置，所述气体导管穿透所述气流引导件。

根据本发明的一个实施例，坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚防止其变形，且设置在所述坩埚支座上。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚保持器的底部形成有与所述散热槽对应的冷却槽，且所述散热槽贯穿所述坩埚支座将所述气流直接导入到所述坩埚保持器的底面。

由此，在本发明的上述实施例中，通过设置温度控制单元，以及改进坩埚支座上的机械结构特征，从而可以在传统的单晶炉上制造单晶锭，既降低了传统制造单晶锭的成本、充分利用了现有的设备，同时提高了制造单晶锭的效率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的制造单晶锭的***的结构示意图，其中坩埚容纳有待熔化的给料和籽晶；

图2显示了根据本发明的另外一个实施例的制造单晶锭的***的结构示意图，其中坩埚容纳有已熔化的给料和部分熔化的籽晶；

图3显示了图2中部分A的第一实施例的放大示意图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的制造单晶锭的***的结构示意图，其中坩埚容纳有已熔化的给料和部分熔化的籽晶；

图5显示了图2中部分A的第二实施例的放大示意图；

图6显示了图2中部分A的第三实施例的放大示意图；

图7显示了图2中部分A的第四实施例的放大示意图；

图8显示了图2中部分A的第五实施例的放大示意图；

图9显示了图2中部分A的第六实施例的放大示意图；

图10显示了图2中部分A的第七实施例的放大示意图；

图11显示了图2中部分A的第八实施例的放大示意图；

图12显示了图2中部分A的第九实施例的放大示意图；

图13显示了图2中部分A的第十实施例的放大示意图；以及

图14显示了根据本发明的一个实施例的制造单晶锭的***的气路结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明涉及生长单晶材料的***和方法。尽管在下述的说明书中讨论了单晶硅的制造，但是此处所说明的技术和方法不限于单晶硅锭的制造***或者方法。多个单晶材料可以使用本发明的***或者方法来制造多种单晶材料(例如Ge、GaAs等)、氧化物(例如蓝宝石、YAG等)或者氟化物(例如MgF₂、CaF₂)等。

下面将参照附图来详细描述根据本发明的实施例的制造单晶锭的***100，其中图1显示了根据本发明的一个实施例的制造单晶锭的***100的结构示意图，其中坩埚1容纳有待熔化的给料9和籽晶10；图2显示了根据本发明的另外一个实施例的制造单晶锭的***100的结构示意图，其中坩埚1容纳有已熔化的给料9和部分熔化的籽晶10；图3显示了图2中部分A的第一实施例的放大示意图。

如图1中所示，该制造单晶锭的***100包括：上炉体101；下炉体102，所述下炉体102与所述上炉体101相配合以形成炉体空间104；坩埚1，所述坩埚1设置在炉体空间104内并被构造成容纳籽晶10和给料9；至少一个加热器，所述加热器用于加热并至少部分熔化所述籽晶10，并完全熔化容纳在坩埚1中的给料9；坩埚支座6，用于对所述坩埚1进行支撑；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间104内并被构造成相对于所述坩埚1上下可移动；以及温度控制单元，所述温度控制单元设置在所述坩埚支座6之下，用于控制容纳的籽晶10处的所述坩埚位置的温度。

由此，通过本发明的温度控制单元，可以在坩埚1的底部周围形成可控的温度梯度场，从而保证在定向凝固的过程中控制所述籽晶10的冷却，保证在单晶形成过程中防止籽晶10被完全熔化，并利用该***以较低的成本来获得单晶锭。

根据本发明的一个实施例，所述温度控制单元可以形成为包括：气体导管8，所述气体导管8的一端设置在所述坩埚支座6的底面中心附近，所述气体导管8的另一端可以与提供用于冷却的气源相连接。

在本发明的该实施例中，通过该气体导管8以及控制在气体导管8中流动的气体的速度，从而可以容易地实现对所述坩埚1底部的温度场的控制，从而在保证籽晶10不被完全熔化且给料9完全熔化的情况下，获得单晶锭。

在根据本发明的一个实施例中，所述坩埚1可以需要具有所需的形状，而不限于方形、圆柱形、锥形等。在本发明中，为了示例的目的，采用方形的坩埚，但是需要说明的是，此处仅出于说明的目的，而不是为了限制本发明的保护范围。所述坩埚1可以由坩埚保持器5保持，如图1中所示。所述坩埚保持器5可以包括固定板51、52和53。所述固定板51、52和53可以由石墨板形成。在根据本发明的一个实施例中，所述至少一个加热器包括：顶部加热器31、侧加热器32。所述顶部加热器31、侧加热器32在工作时罩住所述坩埚1，以熔化放置在其中的给料。在上炉体101和下炉体102闭合后，所述顶部加热器31和侧壁加热器32罩住所述坩埚1的四周及上方。

根据本发明的一个实施例，所述下炉体102相对于所述上炉体101纵向可移动，从而可以方便地利用叉车等放入和取出坩埚1。

根据本发明的一个实施例，该***100还可以包括设置在坩埚1与顶部加热器31之间的热屏2，该热屏2的中心开有气体导入孔21，热屏2的四周可以设有多个与固定板51、52和53相互固定的固定部(未示出)。热屏2可以阻止硅熔体的挥发物直接沉积到坩埚1上方的顶部加热器31和其他保温材料层上，通过热屏2中心的气体导入孔21还可以将例如氩气(Ar)等的惰性气体导入到坩埚1内的硅熔体表面，并通过石英坩埚1的上部四周设有的多个出风孔流出，从而可以通过所述惰性气体带走各种挥发物。

根据本发明的一个实施例，隔热部件可以形成为隔热笼4，在上炉体101和下炉体102闭合时，使得顶部加热器31和侧壁加热器32加载到坩埚1的四周，且隔热笼4将石英坩埚1套住以在化料的过程中防止热量外流。在坩埚1熔化的给料进行保温之后的定向凝固的过程中，可以缓慢地向上提升所述隔热笼4，以保持未凝固的液态硅料的温度，并控制所述坩埚1内的单晶锭的定向凝固。

根据本发明的一个实施例，所述换热单元还可以包括气体导管8和与所述气体导管8垂直设置的气流引导件7，所述气流引导件7与所述坩埚1支架的底面相对设置；所述气体导管8穿过所述气流引导件7并且一端与所述坩埚1支架的底面相邻设置，气体导管8的另一端接气源。通过该气流引导件7，从而有效地改善了坩埚1之下的温度梯度分布，从而提高了定向凝固过程中单晶锭的质量。

在利用现有的制造多晶锭的***来制造单晶锭的过程中，一个非常难以解决的问题在于防止籽晶的完全熔化，这是因为在坩埚中进行化料的过程中，温度足够高，从而使得放入其中的籽晶在给料完全的熔化的过程中也被完全熔化，从而无法提供单晶形成过程中所必须的籽晶晶种。

本发明的发明人在研究的过程中发现，可以通过控制坩埚底部容纳籽晶处的温度来实现在化料的过程中对籽晶的冷却，使籽晶不被完全熔化，从而可以为下一步的晶体生长提供籽晶晶种，并完成制造单晶锭的工艺过程。

为了能够更好的起到冷却效果，如图5中所示，在本发明的一个实施例中，在坩埚1支架的下部形成有散热槽61，散热槽61的顶部可以与石英坩埚1相邻，气体导管8可以***到散热槽61内，从而可以将气流更直接的吹入到坩埚底部的中心位置，从而可以起到冷却坩埚中心位置处的籽晶的目的，如图2、4中所示。

为了防止籽晶完全熔化，且尽量减少冷却对籽晶10周围硅料熔化的影响，需集中冷却籽晶10的中心，散热槽61的形状很重要。

下面将参照图3、5-13来描述根据本发明的实施例的散热槽61的结构。

图3显示了图2中部分A的第一实施例的放大示意图，其中显示了坩埚支座6的结构示意图。其中所述散热槽61形成为圆锥台形，气体导管8被***到所述散热槽61中，且气体导管8的出口设置成紧邻于所述圆锥台的底部，以增强对该位置处的坩埚1的冷却。根据本发明的一个实施例，流入所述气体导管8中的气体的流速控制成在给料9完全熔化过程中防止籽晶10被完全熔融。根据本发明的一个实施例，在单晶锭定向凝固过程中，流入所述气体导管8的所述气体的流速被控制以增加，以促进从所述籽晶10的单晶锭的定向凝固。

图5显示了图2中部分A的第二实施例的放大示意图，其中显示了坩埚支座106的结构示意图。其中所述散热槽161形成为圆锥体形，且圆锥体的顶部位于所述坩埚支座1的上表面。气体导管8被***到所述散热槽161中，且气体导管8的出口设置成紧邻于所述圆锥体的尖部，以增强对该位置处的坩埚1的冷却。根据本发明的一个实施例，流入所述气体导管8中的气体的流速控制成在给料9完全熔化过程中防止籽晶10被完全熔融。根据本发明的一个实施例，在单晶锭定向凝固过程中，流入所述气体导管8的所述气体的流速被控制，以促进从所述籽晶10的单晶锭的定向凝固。

图6显示了图2中部分A的第三实施例的放大示意图，其中显示了坩埚支座206的结构示意图。其中所述散热槽261形成为圆锥体形，且圆锥体的顶部紧邻于所述坩埚支座1的上表面。气体导管8被***到所述散热槽261中，且气体导管8的出口设置成紧邻于所述圆锥体的尖部，以增强对该位置处的坩埚1的冷却。根据本发明的一个实施例，流入所述气体导管8中的气体的流速控制成在给料9完全熔化过程中防止籽晶10被完全熔融。根据本发明的一个实施例，在单晶锭定向凝固过程中，流入所述气体导管8的所述气体的流速被控制以增加，以促进从所述籽晶10的单晶锭的定向凝固。

图7显示了图2中部分A的第四实施例的放大示意图，其中显示了坩埚支座306的结构示意图。其中所述散热槽361形成为圆锥台形，且圆锥台的顶部位于所述坩埚支座1的上表面。气体导管8被***到所述散热槽161中，且气体导管8的出口设置成紧邻于所述圆锥台的顶部，以增强对该位置处的坩埚1的冷却。根据本发明的一个实施例，流入所述气体导管8中的气体的流速控制成在给料9完全熔化过程中防止籽晶10被完全熔融。根据本发明的一个实施例，在单晶锭定向凝固过程中，流入所述气体导管8的所述气体的流速被控制以增加，以促进从所述籽晶10的单晶锭的定向凝固。

图8显示了图2中部分A的第五实施例的放大示意图；图9显示了图2中部分A的第六实施例的放大示意图。与上述相似，所述散热槽461、561分别形成为圆柱体形，且圆锥体的顶部位于或者紧邻于所述坩埚支座1的上表面，以增强对该位置处的坩埚1的冷却。根据本发明的一个实施例，流入所述气体导管8中的气体的流速控制成在给料9完全熔化过程中防止籽晶10被完全熔融。根据本发明的一个实施例，在单晶锭定向凝固过程中，流入所述气体导管8的所述气体的流速被控制以增加，以促进从所述籽晶10的单晶锭的定向凝固。

需要说明的是，所述散热槽461、561也可以形成为长方体形成，上述的各种形状只是出于说明该散热槽的目的，而不是为了将本发明局限于上述的结构。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚支座6的中心可设置有可替换模块，所述散热槽61可以形成在所述可替换模块上，从而增加更换散热槽61的形状提供便利性。

如上所述，所述散热槽61可以贯穿所述坩埚支座6而将所述气流直接导入到坩埚1的底面。

此外，图4显示了根据本发明的一个实施例的制造单晶锭的***的结构示意图，其中坩埚容纳有已熔化的给料和部分熔化的籽晶。根据本发明的一个实施例，可以进一步地通过控制流入气体导管8中的气体的流速来控制对所述放置籽晶的坩埚的底部位置的强冷却。

图10显示了图2中部分A的第七实施例的放大示意图，如图10中所示，所述散热槽61的侧壁上设有保温材料层62。通过设置该保温材料层62，从而通过气体导管8导入的气体只会位于散热槽的顶部位置处提供强冷却，而不会造成对籽晶周围的给料的过度冷却，保障在化料过程中籽晶周围的给料完全熔化而籽晶不完全熔化，进一步优化单晶锭的制造工艺。

图11显示了图2中部分A的第八实施例的放大示意图，其中在所述坩埚支座6的上表面和/或下表面上设有保温材料层63；图12显示了图2中部分A的第九实施例的放大示意图，其中在所述坩埚支座6的下表面上设有保温材料层64。图13显示了图2中部分A的第十实施例的放大示意图，其中在所述坩埚支座6的上表面和下表面上分别设有保温材料层63、64。所述保温材料层63、64分别用于防止给料被过度冷却，从而导致对给料熔化过程的不利影响。

根据本发明的一个实施例，所述保温材料层62、63、64可以分别有如炭毡的材料形成，且该保温材料层62可以形成在如图3-9中任一所述散热槽61的侧壁上，由此上述只是出于示例的目的而不是为了限制本发明的保护范围。

下面将参照图14来描述根据本发明的用于制造单晶锭的***100的气路分布，其中图14显示了根据本发明的一个实施例的制造单晶锭的***100的气路结构示意图。

根据本发明的一个实施例，所述下炉体102上与所述气体导管8相对的位置上设置有第一进气孔1021。根据本发明的一个实施例，将N₂、Ar、He或者其混合气体通过第一进气孔1021供给至所述气体导管8。

可选地，可在炉体的上下炉体上分别设置一个进气孔，如图14所示，在上炉体101上设置第二进气孔，该第二进气孔通过第一气路11进入隔热笼4内，并穿过热屏2将Ar气吹向熔体的表面，同时在下炉体102上与所述气体导管8相对的位置上设置有第一进气孔1021。在本发明的另一个实施例中，可在炉体上仅提供一个进气孔，也如图10所示，所述上炉体101的顶部设置有第二进气口1011，所述第二进气口1011分别与第一气路11和第二气路12连接，所述第一气路11用于向坩埚1通过Ar气等惰性气体，所述气体导管8与所述第三气路13连接，其中所述第二气路12通过气体接口14与第三气路13连接，用于向所述气体导管8通入惰性气体。需要说明的是，本发明为了简洁的目的，在图10中同时示出了这两种供气方式，但是本领域技术人员应当明白这两种方式是分别实现的，并且本领域技术人员还可对这两个实施例做出等同的修改或变化，例如仅在炉体的下部设置一个进气孔等。在上述实施例中，不仅可通入Ar，还可通入N₂、He等气体，或者这些气体的混合气体。

任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。

尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种制造单晶锭的***，包括：

上炉体；

下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；

坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳籽晶和给料；

至少一个加热器，所述加热器用于加热并至少部分熔化所述籽晶，并完全熔化容纳在坩埚中的给料；

坩埚支座，用于对所述坩埚进行支撑；

隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内并被构造成相对于所述坩埚上下可移动；以及

温度控制单元，所述温度控制单元设置在所述坩埚支座之下，用于控制容纳的籽晶处的所述坩埚位置的温度，其中，

所述温度控制单元包括：气体导管，所述气体导管的一端设置在所述坩埚支座的底面中心附近，所述气体导管的另一端接提供用于冷却的气源；和气流引导件，所述气流引导件与所述坩埚支座的底面相对设置，所述气体导管穿透所述气流引导件，

至少所述坩埚支座的下部形成有散热槽，所述散热槽形成为圆锥体、圆锥台、长方体、圆柱体中的任何一个，所述散热槽的顶部与石英坩埚相邻，所述气体导管***到所述散热槽内，

在所述散热槽的侧壁上设有保温材料层。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，流入所述温度控制单元的所述气体的流速控制成在给料完全熔化过程中防止籽晶被完全熔化。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，在单晶锭定向凝固过程中，流入所述温度控制单元的所述气体的流速被控制，以促进从所述籽晶开始的单晶锭的定向凝固。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述坩埚支座的中心设置有可替换模块，所述散热槽形成在所述可替换模块上。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，在所述坩埚支座的上表面和/或下表面上设有保温材料层。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述下炉体上与所述气体导管相对的位置上设置有第一进气孔。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，将N₂、Ar、He或者其混合气体通过第一进气孔供给至所述气体导管。

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述上炉体的顶部设置有第二进气口，所述第二进气口分别与第一气路和第二气路连接，所述第一气路用于向石英坩埚通入Ar、N₂或者其混合气体；

9.根据权利要求1所述的***，进一步包括：坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚防止其变形，且设置在所述坩埚支座上。

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述坩埚保持器的底部形成有与所述散热槽对应的冷却槽，且所述散热槽贯穿所述坩埚支座将所述气流直接导入到所述坩埚保持器的底面。