CN103917699A - 从具有非均匀热阻的坩埚制造晶体材料的装置 - Google Patents

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Abstract

坩埚形成装置(10)，用于通过定向固化制造晶体材料，包括底部(2)和至少一个侧壁(4)。底部(2)包括具有第一热阻的第一部分(2a)和具有第二热阻的第二部分(2b)，第二热阻低于第一热阻。第二部分(2b)设计为容放籽晶(3)以制造晶体材料。底部(2)和侧壁(4)至少部分地由紧密密封件(1)形成，紧密密封件(1)包括至少一个参与限定所述第一和第二部分(2a、2b)的缺口。第一部分(2a)由具有附加第一热阻的第一抗粘合层覆盖。第二部分(2b)可由具有附加第二热阻的第二抗粘合层(9b)覆盖，附加第二热阻低于第一热阻。

Description

从具有非均匀热阻的坩埚制造晶体材料的装置
技术领域
本发明涉及坩埚形成装置，用于通过定向固化制造晶体材料，设置有底部和至少一个侧壁。
背景技术
光伏工业上所用的硅大部分是多晶结构的结晶硅，即单晶晶粒而不相对于彼此固定取向并且由晶粒边界围绕。这种类型材料的生长在布里奇曼型结晶炉中的坩埚中进行。如图1所示，坩埚10具有底部2，由籽晶3部分覆盖。
为了改善获得材料中晶粒的定向，籽晶，即生长核，沉积在坩埚的底部。然后，硅给料沉积在坩埚中，然后融化，注意不全部融化籽晶。然后以从籽晶执行液态浴(liquid bath)的固化，从其表面结晶方向以限定方式开始结晶。
该技术，称为籽晶上生长，使硅的生长条件能更好地控制，但是存在与坩埚中有籽晶相关的另外的限制。坩埚内的热梯度必须完美地控制以防止籽晶的全部分解。
因此，如果熔化浴与至少部分保持固态的籽晶接触，则可仅发生晶体材料从籽晶固化。该特定设置对坩埚内的热梯度给出很大的限制，并且主要就考虑籽晶而言。
在文件WO2010/005705中，热交换器仅设置在标记为70的反向坩埚内的籽晶之下。该特定结构通过籽晶实现液态浴的冷却，从而降低熔化籽晶的风险。然而，该结构也导致产生不平行于坩埚底部的等温线，这对获得的晶体材料的电性能有害。
文件US2011/0180229描述了一种坩埚，该坩埚的复合底部表面限定具有用于热传递的不同热特性的区域。文件CN101979718和CN101935869中给出类似的教导，其描述了底部表面设置有几个缺口的坩埚。
发明内容
本发明的一个目标是提供至少部分地克服上述不足的坩埚形成装置。
该目标倾向于通过根据所附权利要求的装置实现。
本发明的进一步目标是提供坩埚的制造方法。
该目标倾向于通过根据所附权利要求的方法实现。
本发明的再进一步目标是提供制造晶体材料的方法，其可实现从存在于坩埚底部的籽晶的生长更容易控制。
该目标倾向于通过根据所附权利要求的方法实现。
附图说明
其它的优点和特征从本发明的以下特定实施例的描述将变得清楚易懂，本发明的特定实施例仅以非限定示例的目的给出且表示在附图中，其中：
图1(已经描述)表示根据现有技术的示例的包含籽晶的坩埚的横截面示意图；
图2至5以横截面的方式表示包根据本发明第一实施例的含籽晶的坩埚的不同变型；
图6和7以俯视图和透视图的示意方式表示设置有圆形腔的坩埚，该圆形腔形成在坩埚的底部的内表面中；
图8至11以俯视图和透视图的示意方式表示设置有纵向凹腔的坩埚，该纵向凹腔形成在坩埚的底部的内表面中，凹腔的截面是矩形或三角形；
图12以透视图的示意方式表示设置有纵向凸起的反向坩埚，该纵向凸起设计为与图11的坩埚的底部的外表面中形成的纵向凹腔配合；
图13以横截面图的示意方式表示根据本发明第二实施例的坩埚；
图14以横截面图的示意方式表示根据本发明的提供有坩埚和籽晶的固化装置，
图15和16表示用于在坩埚的底部中形成抗粘合层的方法的两个步骤。
具体实施方式
根据本发明的坩埚形成装置10，在下文称为坩埚，包括底部2和至少一个侧壁4。坩埚10可为任何形状。为了示例的目的，坩埚的底部2形成的截面，即形状，可为正方形、矩形或圆柱形。
在正方形或矩形截面的坩埚的情况下，坩埚包括两两相接的几个侧壁4，以与底部2一起限定坩埚的内部空间，坩埚的内部空间设计为在通过定向固化而发生固化时容放材料。在圆柱截面的坩埚的情况下，例如旋转的圆柱，坩埚10包括沿着底部的***延伸的单一侧壁4，以与底部2一起限定坩埚的内部空间。侧壁4垂直于坩埚10的底部2，或者基本上垂直于底部2。
坩埚10的底部2和侧壁或壁4形成坩埚10的紧密密封件1的一部分。
紧密密封件1由在熔化和固化阶段能承受高温的材料制造。在优选方式中，坩埚10的紧密密封件1由硅石制造。紧密密封件1也可由石墨制造，或者由包括树脂和诸如碳纤维的加强纤维的混合物的复合材料制造。
坩埚10优选制作成单件以加强机械强度，但是它也可另外包括其它添加元件的紧密密封件。
坩埚10通过其紧密密封件1相对于熔化的材料实现密封功能，即底部2和侧壁4使熔化的材料不能从坩埚流出。
坩埚10的底部2包括具有第一热阻值的第一部分2a和具有第二热阻值的第二部分2b，第二热阻值低于第一热阻值。热阻是指坩埚的底部限制内表面与外表面之间热传递的能力。第二部分2b设计为容放由第二晶体材料制造的籽晶以帮助制造晶体材料。第二晶体材料可与要固化的材料相同或不同。
坩埚10的该特性使热量通过第二部分2b比通过第一部分2a更容易提取。第二部分可为任何形状，例如，正方形、圆形或矩形。在或多或少垂直于内表面和外表面的方向上测得坩埚的内表面和坩埚的外表面之间的热阻值。
此外，根据本发明，紧密密封件1包括至少一个缺口，其参与限定第一和第二部分2a和2b。一个或多个缺口设置在紧密密封件1的底部，并且该缺口可设置在紧密密封件的内表面位置或外表面的位置。紧密密封件1的内表面设计为容放要固化的材料。
坩埚形成装置的底部2和侧壁4至少部分地由紧密密封件1形成，其优选为单块(monoblock,)，并且更优选为单片(monolithic)，即由单一材料制造。在单片集成的情况下，紧密密封件1形成坩埚10。在单块集成的情况下，紧密密封件1与一个或多个附加元件一起形成坩埚10。
根据第一优选实施例，坩埚1的紧密密封件的底部2中的缺口限定或包含坩埚的底部的第二部分2b。
如图2所示，紧密密封件1包括位于底部2的内表面中的缺口。该缺口限定第二部分2b。
第一部分2a可完全围绕第二部分2b，第二部分2b在这里相对于侧壁4基本上位于紧密密封件1的底部2的中心。第一部分2a在第二部分2b的整个周线上延伸。
紧密密封件1的底部2可包括在第二部分2b周围形成环的第一部分2a，优选具有垂直于坩埚的底部的对称轴，以在坩埚内的热交换中保持最大的对称性。
在可替换实施例中，紧密密封件1的底部2包括多个第一部分2a和第二部分2b。为了示例的目的，底部2包括多个第二部分2b，其由第一部分2a围绕(图6和7)。
在优选实施例中，第一和第二部分2a、2b连接到坩埚的底部2的侧表面。两个表面可为两个连续的侧壁或者两个相对的侧壁。在此情况下，第一部分2a至少部分地围绕第二部分2b，即第一部分2a在第二部分2b的至少部分的周线上延伸(图8至11)。
第一和第二部分优选具有平行的纵向轴。在更加优选的实施例中，第一和第二部分在紧密密封件1的底部中交替。
在采用几个第二部分2b时，在紧密密封件1的底部中混合前面所述的不同实施例是可能的。
如图2所示，第一部分2a的厚度大于第二部分2b的厚度，从而获得紧密密封件1的底部2的热阻差。
在图2所示的实施例中，紧密密封件1的底部2的外壁是平坦的，能在紧密密封件1使用期间使熔化浴(molten bath)施加的负荷分散并且防止紧密密封件1的快速变形。缺口或凹陷区域位于紧密密封件的底部2的内表面位置，限定第二部分2b。缺口是紧密密封件中厚度减小的区域，例如，凹陷或盲孔。缺口包括底部和至少一个侧壁。
缺口是放置籽晶3的优选区域，因为它能更好地去除源自熔化材料浴的热量。在优选方式中，籽晶3具有比缺口更小的侧向尺寸，从而防止任何的重叠产生一组能够造成籽晶的破裂的应力。
在图3所示第一实施例的变型中，紧密密封件1的底部2的内壁是平坦的，其便于实现紧密密封件1。缺口或者凹陷区域位于紧密密封件1的底部的外表面位置以限定第二部分2b。籽晶3至少部分地设置在第二部分2b之上，以利用更好地去除来自熔化材料浴的热量的优点。籽晶3在紧密密封件1的底部是突出的，并且它可以以优选方式延伸超过第二部分2b。从外表面实现紧密密封件1的底部的减薄，这容易实现且避免损坏必须容放待结晶材料的内表面。
在图4所示的第一实施例的另一变型中，由存在缺口或凹陷区域反映的第二部分2b在紧密密封件1的底部2的内表面和外表面上。这两个凹陷区域彼此面对。在优选方式中，两个缺口具有相同的图案。然而，不排除一个图案大于另一图案或者一个图案与另一图案偏移，防止完全重叠而形成具有中间阻值的不同区域。
有趣的是在底部2的内表面的缺口内设置一个或多个籽晶3以利用热阻减小的优点并且更好地控制固化的材料中的晶体取向。
在前面所述的不同实施例中，紧密密封件1形成坩埚10。在优选方式中，紧密密封件1是单片，即它由单一材料制造以减小热膨胀应力。
在图5所示第一实施例的又一变型中，坩埚形成装置10可包括与附加部件8A相关联的紧密密封件1。因此，坩埚10的底部包括紧密密封件1的底部以及部件8A。紧密密封件1的底部的外表面包括缺口，并且附加部件8A构造为容纳在该缺口中。部件8A的尺寸小于缺口的尺寸，从而进入缺口。坩埚10包括具有第一热阻值的第一部分2a和具有第二热阻值的第二部分2b，第二热阻值低于第一热阻值。缺口参与限定坩埚10的底部中的两个部分，这里，第二部分2b对应于缺口区域。
附加部件8A构造为使其热阻与紧密密封件1在第二部分2b中的热阻之和总是低于紧密密封件1在第一部分2a中的热阻值。第二热阻源自于在第二部分2b的位置与部件8A串联放置的紧密密封件1。第一热阻由位于第一部分2a位置的紧密密封件1形成。附加部件8A由具有低热阻率的材料制造，该具有低热阻率的材料的热阻率低于紧密密封件1的底部的热阻率，在紧密密封件由硅石制造的情况下，该具有低热阻率的材料例如由石墨或者钼制造。
在部件8A的表面小于缺口的表面的情况下，能够在由缺口限定的表面内限定具有两个不同热阻值的两个部分。第二部分由具有部件8A的接触区域限定，而第一部分占据互补表面。
在与前述实施例能结合的特定实施例中，连接坩埚10与加强元件5是有趣的，加强元件5扮演反向坩埚(counter-crucible)的角色，目的是减少坩埚1在高温下的变形。在通常的形式中，当坩埚10的底部和反向坩埚5的底部由不同材料制造时，形成反向坩埚5的底部材料的热阻率低于坩埚10的底部2的材料，从而保证从坩埚到外界环境的良好热传递。在优选实施例中，反向坩埚5由石墨或碳纤维复合(CFC)材料制造。
在特定实施例中，反向坩埚5的底部和坩埚10的底部具有互补形状，其使得由熔化浴的重量施加在坩埚1和反向坩埚上的应力能够良好地分布。这也使得限制在坩埚1和反向坩埚5之间的气体的体积能够得到限制。
紧密密封件1容放要固化的材料，并且所用的材料选择为限制污染。由于熔化材料与反向坩埚5不直接接触，反向坩埚5可由不同的材料和/或具有不良表面质量的材料制造。
在图2所示的实施例中，因为反向坩埚5的底部的形成材料的厚度是不变的，所以反向坩埚5的底部的热阻是不变的。于是，在由紧密密封件1和反向坩埚5形成的组件的底部中具有两个不同的热阻值。总热阻差与紧密密封件1中存在的热阻差相关，并且因此与坩埚10中存在的热阻差相关，如前面所描述。
在图3和4所示的实施例中，反向坩埚5的底部的热阻不是恒定的。因为反向坩埚5的底部的形成材料的厚度是可变的，所以存在两个不同的热阻值。反向坩埚5的底部具有平坦的外部表面，并且厚度的变化使存在于紧密密封件1的外表面中的缺口能被填充。反向坩埚5的附加厚度(extrathickness)使紧密密封件1和反向坩埚5能具有互补形状。附加厚度限定了相邻于第一区域2a’的第二区域2b’。
反向坩埚5的第二部分2b’的热阻高于反向坩埚5的第一部分2a’的热阻。
于是，两个不同的热阻值存在于由紧密密封件1和反向坩埚5形成的组件的底部中。所述组件的底部中的总热阻差与紧密密封件1中存在的热阻差以及反向坩埚5中存在的热阻差相关。两个第一区域2a和2a’在紧密密封件1的内表面和反向坩埚5的外表面之间放置为热串联。两个第二区域2b和2b’也如此。
在这些实施例中，形成紧密密封件1的底部和反向坩埚5的底部的材料以及缺口的深度(如果合适)选择为使得第二区域2b和2b’的累积热阻低于第一区域2a和2a’的累积热阻。更确切地说，反向坩埚的底部的材料的热阻率低于紧密密封件1的底部的材料的热阻率。坩埚包括底部，该底部具有第一热阻值的第一区域2a和第二热阻值的第二区域2b，第二热阻值低于该第热阻值。这两个区域通过紧密密封件中形成的缺口限定。籽晶3放置为面对第二区域以利用通过坩埚和反向坩埚的改善的热量去除的优点。
在图5所示的第一实施例的又一变型中，当紧密密封件1和反向坩埚5不是互补形状时，优选增加附加部件8A到组件。部件8A构造为填充位于反向坩埚5和紧密密封件1之间的空区域且改善通过坩埚10的第二部分的热提取。因此，部件8A的材料的热阻率低于紧密密封件的底部的材料的热阻率，并且优选低于或等于反向坩埚5的底部的材料的热阻率。
该附加部件8A设置在紧密密封件1和反向坩埚5之间，以填充存在于紧密密封件1的底部2的外表面上的缺口，以及可能在反向坩埚5的底部的内表面上的缺口。
于是，对于前述实施例，两个不同的热阻值存在于反向坩埚5和坩埚10形成的组件的底部中。所述组件的底部中的总热阻差主要与由设置有附加部件8A的紧密密封件1形成的坩埚10中存在的热阻差相关。
反向坩埚5的内表面可包括缺口以便于定位附加部件8A。当部件8A沉入紧密密封件1和反向坩埚5中(未示出)时，附加部件8A也可构造为使其热阻与紧密密封件1的第二部分的热阻以及反向坩埚5第二部分的热阻之和低于紧密密封件1的第一部分的热阻和反向坩埚5的第一部分的热阻之和。
例如，该实施例使得能够使用在其外表面设置有缺口的紧密密封件1和底部具有平坦内表面的反向坩埚5。
如果附加部件8A沉入紧密密封件1和反向坩埚5中，应注意选择部件8A的材料，以使在第二部分2b的位置由紧密密封件/部件8A/反向坩埚形成的堆叠的热阻低于在第一部分2a的位置由紧密密封件/反向坩埚形成的对的热阻。
图6表示由紧密密封件1的俯视图，该紧密密封件1设置有在内表面上的圆形缺口形成的多个第二部分2b。图7表示设置有多个圆形腔的紧密密封件1的底部的透视图。圆形腔设计为容放籽晶。为了便于理解，侧壁4以示意性的方式表示，而没有任何厚度。
图8表示设置有矩形第二部分2b的坩埚10的俯视图。第一和第二部分2a和2b从一个侧壁延伸到相对的侧壁，并且在该示例中限定第一和第二部分之间交替。在所示的示例中，第一部分2a在俯视图上也是矩形。
图9和10表示设置有多个矩形腔的坩埚的底部的透视图，多个矩形腔构造为容放棒状的籽晶。侧壁以示意性方式表示而没有任何厚度。在图9的情况下，腔具有矩形或正方形截面，以容放具有互补形状截面的籽晶。在图10的情况下，腔具有三角形截面，以优选容放也具有三角形截面的籽晶。
图11表示设置有与图10的坩埚相同的内腔的坩埚。该坩埚还包括形成在坩埚1的底部2的外表面上的腔。外表面的腔设置为面对内表面的腔，即直接在下面(immediately underneath)，从而便于第二部分2b中的热量提取。
如前所示，反向坩埚5也可存在凸起区域，凸起区域设计为埋设在存在于坩埚1的底部2的外表面上的凹陷区域中。图12示出了能与图11表示的坩埚相嵌合的反向坩埚5的透视图。
在图13所示的第二实施例中，坩埚形成装置10包括与附加部分8B关联的紧密密封件1。紧密密封件1的底部的外表面包括缺口，并且附加部分8B构造为容放在该缺口中。部分8B的尺寸小于缺口的尺寸以置入缺口中。坩埚10的底部包括具有热阻值的第一部分2a和具有第二热阻值的第二部分2b，第二热阻值低于第一热阻值。缺口参与限定紧密密封件1的底部中的两个部分2a和2b。
附加部分8B构造为使其热阻值与紧密密封件1在第二部分2b位置的热阻值之和大于紧密密封件1在第一部分2a位置的热阻值。这样，坩埚10的底部包括具有第一热阻值的第一部分2a和具有低于第一热阻值的第二热阻值的第二部分2b。坩埚10的第一热阻由在第二部分2b的位置与部分8B串联放置的紧密密封件1产生。在第一部分2a的位置，坩埚10的第二热阻仅由紧密密封件1形成。
在第二实施例中，部分8B由比紧密密封件1的底部更加热绝缘的材料形成，即部分8B的材料的热阻率高于紧密密封件1的底部的材料的热阻率。在第二实施例中，紧密密封件1的缺口不再用于限定坩埚10的第二部分2b的目的，而是用于限定坩埚10的第一部分2a。
该第二实施例使得具有高热阻的区域能在包括缺口的部分2a位置形成。籽晶设置为面对低热阻的区域，这里在面对缺口的部分2a之外，在第二部分2b的位置。
为了说明的目的，在坩埚由石墨、SiC或碳纤维/SiC复合物制造的情况下，在缺口中提供热绝缘的附加部分8B于是优选由低密度石墨纤维(例如低于0.25g/cm3，优选在0.14至0.20/cm3之间)制造，从而在要填充的缺口的厚度范围上具有显著的热阻差。然而，其它的材料也是可能的，例如，氮化硼、氧化铝、氮化硅、氧化钇-稳定的氧化锆、氧化锆、石英和硅石。
在没有示出的实施例中，反向坩埚5也可具有与坩埚的外表面不互补的缺口。然后这些缺口可由比形成坩埚的底部和/或反向坩埚的底部的材料更加热绝缘的材料填充，以便形成较高热阻的区域。
上面涉及的不同实施例可在同一个坩埚中彼此结合，同样上面涉及的不同变型也可在同一个坩埚中彼此结合。
在可与前述实施例结合的图2所示的特定实施例中，紧密密封件1的底部2部分地或完全由抗粘合层9覆盖。在第一种情况下，紧密密封件1的底部的第二部分2b没有抗粘合层9，而第一部分2a被抗粘合层9覆盖。与第一部分2a相比，抗粘合层9的特定位置使得在第二部分2b的位置能保持更好的热提取。在第二种情况下，如图3所示，两个不同的抗粘合层9a和9b沉积在紧密密封件1的底部。第一抗粘合层9a沉积在第一部分2a中，而第二抗粘合层9b沉积在第二部分2b中。第一和第二抗粘合层的热特性选择为例如增加两个部分2a和2b之间的热阻差。因此，第二抗粘合层9b的热阻低于第一抗粘合层9a的热阻。第一抗粘合层9a和第二抗粘合层9b之间或者包括抗粘合层9的区域和不包括抗粘合层9的区域之间的导热系数差异优选包括在0.5至5W/mK之间(对于500μm的厚度)。该导热系数差异对于非常有热传导性的石墨坩埚具有特别重要的效果。
换言之，第一部分2a由具有附加第一热阻的第一抗粘合层9覆盖，而第二部分2b可由具有低于第一热阻的附加第二热阻的第二抗粘合层9b覆盖。
第一抗粘合层9a可厚于第二抗粘合层9b。在具体实施例中，第一抗粘合层9a由与第二抗粘合层9b相同的材料制造。
如图15所示，为了形成没有抗粘合层9的第二部分2b，可采用施加在第二部分2b上的掩模11。在具体实施例中，在沉积设计为形成抗粘合层9的涂层之前形成掩模11。在沉积设计为形成抗粘合层9的材料之后(例如在喷射步骤后)去除掩模。在形成抗粘合层9的退火步骤之前去除掩模11。在具体实施例中，掩模11是纸片。
设计为形成抗粘合层的材料的第一沉积阶段之后可有第二沉积阶段。第一沉积阶段限定第一图案，而第二沉积阶段可以是在全部底部上的沉积，即在第一和第二部分上沉积，以形成第一抗粘合层9a和具有较小厚度的第二抗粘合层9b。如果在两个阶段上沉积相同的材料，则相同的抗粘合材料以不同的厚度设置在第一和第二部分2a和2b之上。如果两个材料不同，则第一抗粘合层9a和第二抗粘合层9b的厚度和成分不同。
换言之，选择性形成抗粘合层9或第一抗粘合层9a可以以下面的方式实现：
在坩埚10的底部2上形成掩模11，从而限定掩模11覆盖的区域和没有覆盖的区域，
沉积设计为形成抗粘合层9的涂层12，
去除掩模11，
退火涂层12以形成第一抗粘合层9a或抗粘合层9。
该制造方法特别容易执行以在平坦或有纹理的坩埚的底部上限定各种图案。
在坩埚10比抗粘合层9更纯的情况下，去除将来的籽晶3位置下方的抗粘合层9使籽晶3的污染减小。
抗粘合层9优选为多孔层，其不渗透硅或几乎不渗透硅(特别在熔化状态下)，从而固化的硅与抗粘合层9具有很弱的粘合性。
为了示例的目的，抗粘合层9的抗粘合质量通过在抗粘合层9上沉积硅滴分析并且研究其体积在时间上的变化。硅滴的体积变化越大，硅渗入抗粘合层9中越多。这样的结果是体积变化越大，所研究的层9的抗粘合质量越差。在传统的方式中，所研究的抗粘合层9沉积在形成坩埚10的材料的层上，以便尽可能接近于实际的使用条件。
在具体的实施例中，抗粘合层9由氮化硅制造，其在与将来的硅给料的接触表面上被有利地氧化。
为了示例的目的，厚度包括在50μm至1000μm之间的抗粘合层9具有良好的实验结果。
在特别有利的方式中，抗粘合层9通过喷涂而沉积。在喷射沉积之后优选有退火步骤，退火步骤设置为去除伴随形成抗粘合层的材料的溶剂，例如，水。此退火可通过第一温度的稳定水平实现，第一温度高于溶剂的蒸发温度。
喷射沉积之后有第二次退火，该第二次退火设置为使抗粘合层9的材料反应以形成多孔层。该第二次退火优选在超过875℃的温度下执行。在优选的方式中，该退火在能够使形成抗粘合层9的材料氧化的氧化气体的条件下执行，例如，使氮化硅粉能被氧化。
坩埚/反向坩埚组件根据其是否面对坩埚10的底部的第一部分2a或者坩埚10的底部的第二部分2b而具有可变的热阻。即使反向坩埚5包括面对坩埚底部的第二部分2b的变厚部分，坩埚和反向坩埚在第一部分2a位置的整体热阻也大于坩埚和反向坩埚在第二部分2b位置的整体热阻。
特别有利的是，当坩埚的底部的不同部分之间的热阻差可更加显著且因此更加有效时，与反向坩埚5的底部相比，在坩埚10的底部2设置热阻差。
以与坩埚10相同的方式，反向坩埚5可包括具有不同热阻的第一和第二部分。在优选方式中，坩埚10和反向坩埚5的第一和第二部分分别彼此面对。
在能与前述实施例结合的优选实施例中，反向坩埚5的底部的外壁是平坦的，其在其支撑和通过传导传热方面改善反向坩埚5的承受。
坩埚10优选设计为用在定向固化装置中以获得结晶材料的锭。该装置包括在坩埚10内产生热梯度的机构。用于产生热梯度的机构包括热源6，其例如可设置在坩埚10上方或在坩埚10的侧面。产生热梯度的机构也包括设置在坩埚10下方的热提取器7。为了示例的目的，这样的装置如图14所示。
通过调整热源6发射的热量和热提取器7吸收的热量，能够调整坩埚10中的温度和坩埚10内热梯度的形成。
在优选实施例中，热提取器7设置为面对坩埚10的底部的第一部分2a和第二部分2b。于是，热提取器7通过坩埚的第一部分2a吸收热量，但也通过坩埚的第二部分2b吸收热量。这使得能够保持更加平坦且更加平行于坩埚10的底部的等温线。所获得的晶粒比现有技术中获得的晶粒更加垂直于坩埚的底部。在优选的方式中，热提取器7设置为面对坩埚10的底部的整个表面，以使非常平坦且平行于坩埚的底部的等温线在整个坩埚上。
第二部分2b的热阻低于第一部分2a的热阻，在第二部分2b中实现坩埚10的底部2的更好冷却。与第一部分2a接触的要固化的材料可为液态，而与第二部分2b接触的相同的材料保持为固态。坩埚的底部的温度可以以简单且经济的方式调整，例如单一的热提取器覆盖坩埚的整个底部，其有助于控制熔化和/或固化期间的热梯度。
此结构还可实现在能够采用的方法的范围内更大的灵活性。因此，能够在相同的固化装置中使用传统的坩埚和相对坩埚以及具有变化热阻的坩埚10和反向坩埚5，从而有助于从籽晶3生长。根据前述设想的实施例，也可考虑联合修改的坩埚10与传统的反向坩埚5。在优选方式中，籽晶3部分地覆盖紧密密封件的底部，并且在更加优选的方式中，该区域具有最低的热阻。该特性能使籽晶在熔化/固化方法中更容易始终保持在固态。
沉积在坩埚10中的要固化的材料例如是硅、锗、砷化镓等。坩埚10的底部2中采用的籽晶3可为单晶或多晶籽晶。
在第一示例性实施例中，坩埚具有例如840x840mm2形式的正方形底部，坩埚的底部2被机械加工以形成具有直径等于125mm的圆形凹陷的至少一个区域。凹陷的深度等于8mm。坩埚的壁厚为20mm。
坩埚的内壁由抗粘合层覆盖，该抗粘合层由氮化硅制造，以防止要结晶的硅与由硅石制造的坩埚10之间的任何直接接触。第二部分2b不包括抗粘合层。
具有<100>取向的单晶硅籽晶3沉积在每个第二部分2b中。
基本上等于400kg的太阳能级硅给料沉积在坩埚10中。该给料被熔化且与单晶籽晶3接触。固化从单晶籽晶3开始，从而施加所需的结晶方向。一个或多个热电偶放置在坩埚10下方，以便相对于坩埚10的底部确定硅在坩埚中的熔化温度的位置。
传统上，坩埚10内的热梯度是垂直的，温度从坩埚10的顶部到底部2降低。因此，坩埚10内的材料固化导致形成垂直于坩埚10的底部的晶粒边界。该构造用于光伏装置中是有利的。
坩埚10内的热调节由任何已知的方法实现，以便保持坩埚10中的热梯度稳定和垂直。
在优选方式中，籽晶或多个籽晶的厚度包括在5至25mm之间，从而在固化阶段的开始在籽晶的部分熔化中具有一定的操作余量。在更加优选的方式中，籽晶的厚度包括在8至12mm之间，从而能够在坩埚的缺口中与其形成整体，而对坩埚10中的等温线不具有太大影响。
坩埚10的厚度优选包括在12至40mm之间。在特定的实施例中，坩埚的厚度包括在20至30mm之间。坩埚越薄，热提取越好，但是坩埚也更易碎。然而，在此温度范围中，能够在不同的部分之间形成具有良好热阻差的坩埚，而不很大地降低坩埚的可靠性。在更加特定的实施例中，坩埚的厚度包括在20至22mm之间。该范围在热提取、坩埚的可靠性和热阻差之间给出最好的平衡。
反向坩埚5的厚度优选包括在5至200mm之间，从而具有良好的机械强度和适度的热阻。在优选实施例中，当反向坩埚5由石墨制造时，反向坩埚5的厚度包括在10至60mm之间。增加反向坩埚的厚度可实现其机械强度的提升。在另一实施例中，当反向坩埚5由碳纤维复合物CFC制造时，反向坩埚5的厚度包括在10至30mm之间。

Claims (21)

1.一种坩埚形成装置，用于通过定向固化而制造晶体材料，包括底部(2)和至少一个侧壁(4)，其中该底部(2)包括：
具有第一热阻的第一部分(2a)和具有低于该第一热阻的第二热阻的第二部分(2b)，并且设计为容放用于制造所述晶体材料的由第二晶体材料制造的籽晶(3)，
该底部(2)和该至少一个侧壁(4)至少部分地由紧密密封件(1)形成，该紧密密封件(1)包括至少一个参与限定所述第一和第二部分(2a、2b)的缺口，
该装置的特征在于，该第一部分(2a)由具有附加第一热阻的第一抗粘合层(9、9a)覆盖，并且该第二部分(2b)由具有低于该第一热阻的附加第二热阻的第二抗粘合层(9b)覆盖，或者该第二部分(2b)没有抗粘合层。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于该第一抗粘合层(9a)比该第二抗粘合层(9b)厚。
3.根据权利要求1和2中之一所述的装置，其特征在于该第一抗粘合层(9a)与该第二抗粘合层(9b)由相同的材料制造。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于该装置包括多个第一和第二部分(2a、2b)，该多个第一和第二部分(2a、2b)之间交替，从第一侧壁(4)到相对的第二侧壁(4)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于该紧密密封件(1)的该底部(2)的该内壁包括代表该第二部分(2b)的缺口。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于该紧密密封件(1)的该底部(2)的该内壁是平坦的。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于该紧密密封件(1)的该底部(2)的该外壁包括代表该第一部分(2a)的缺口，并且该装置包括位于代表该第一部分(2a)的该缺口中的附加部分(8B)，该附加部分(8B)构造为使其热阻与该紧密密封件(1)在该第一部分(2a)位置的热阻之和大于该紧密密封件(1)在该第二部分(2b)位置的热阻值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于该附加部分(8B)由热阻率高于该紧密密封件(1)的该底部的热阻率的材料制造。
9.一种根据权利要求1至8中任一项的用于定向固化的坩埚的制造方法，该坩埚包括底部(2)和至少一个侧壁(4)，其特征在于该方法包括：
在该坩埚(10)的该底部(2)上形成掩模(11)从而限定由该掩模(11)覆盖的区域和未覆盖区域，
沉积涂层(12)，该涂层(12)设计为形成抗粘合层，
去除该掩模(11)，
退火该涂层(12)以形成该第一抗粘合层(9)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于该掩模(11)是纸片。
11.根据权利要求9和10之一所述的方法，其特征在于该涂层(12)通过喷射沉积。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于该涂层(12)经受氧化退火以在该表面上形成氧化的第一抗粘合层(9、9a)。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于该方法包括在该第一部分(2a)和该第二部分(2b)上沉积附加涂层，该退火形成该第一部分(2a)上的该第一抗粘合层(9a)和该第二部分(2b)上的该第二抗粘合层(9b)。
14.一种用于固化晶体材料的***，包括：
根据权利要求1至8中任一项的坩埚形成装置(10)，
在该坩埚形成装置(10)内产生热梯度的机构，以及
反向坩埚(5)，由热阻率低于形成该坩埚形成装置(10)的该底部的材料的热阻率的材料制造。
15.根据权利要求14所述的***，其特征在于该反向坩埚(5)设置为抵靠该坩埚形成装置(10)的该底部(2)的外表面，该反向坩埚(5)具有底部，其内表面与该坩埚形成装置(10)的该底部(2)的外表面具有互补形状。
16.根据权利要求14和15中任一项所述的***，其特征在于该反向坩埚(5)的该底部具有恒定的厚度。
17.根据权利要求14和15中任一项所述的***，其特征在于该坩埚形成装置(10)的该底部(2)的外表面为平坦的。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的***，其特征在于该***包括面对该坩埚形成装置(10)的该底部(2)的该第一部分(2a)和该第二部分(2b)的热提取器。
19.根据权利要求14所述的***，其特征在于该***包括设置在该反向坩埚(5)和形成在该坩埚形成装置(10)的该底部(2)的外表面上的凹陷之间的附加热阻，以执行该凹陷区域与该反向坩埚(5)的热传导。
20.一种在根据权利要求14至19中任一项的***的坩埚形成装置(10)中通过定向固化液相的材料而制造晶体材料的方法，其特征在于该方法包括：
提供根据权利要求1至8中任一项的坩埚形成装置(10)，该坩埚形成装置(10)设置有由晶体材料制造的籽晶(3)，该籽晶(3)设置为至少部分地覆盖该坩埚形成装置(10)的该底部的该第二部分(2b)，该坩埚形成装置(10)至少部分地由要固化的材料的给料填充，
在该坩埚形成装置(10)中产生第一热梯度以熔化要固化的材料，该籽晶(3)至少部分地保持固态，
在该坩埚形成装置(10)中产生第二热梯度以从该籽晶(3)使熔化状态的该材料固化。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于该籽晶设置在该坩埚形成装置(1)的该底部(2)的缺口中。
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