CN105229206B - 定向凝固***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于采用快速定向凝固纯化材料的设备和方法。所示出的装置和方法提供在定向凝固期间对温度梯度和冷却速率的控制，这导致具有更高纯度的材料。本发明的设备和方法可用于制造在太阳能应用如太阳能电池中使用的硅材料。

Description

定向凝固***和方法
优先权的要求
本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时专利申请第61/784,838号的优先权权益，其通过引用整体并入本文。
背景
通过利用太阳能电池把太阳光转换为电能的能力，太阳能电池可以是可行的能量来源。硅是半导体材料和在太阳能电池制造中使用的进货原料；电池的电特性即转换效率关键地取决于硅的纯度。多种技术已经被用于纯化硅。最熟知的技术被称为‘西门子工艺’。该技术允许几乎除去每个在硅内存在的杂质。然而，该技术要求把硅生产为气相，并且再沉积为固相以除去杂质。在本专利中描述的技术允许通过把硅熔融为液相，并且使用被称为‘定向凝固’的技术凝固硅，从而非常有效地除去杂质。虽然该技术是非常熟知的，但是本专利集中于允许大大减少该程序成本的采用定向凝固的新方式。
用于制造太阳能电池的纯化的硅晶体的技术是已知的。这些技术的大多数按以下原理操作：硅晶体在从熔融的硅溶液凝固的同时，非期望的杂质保留在熔融溶液中。第一示例性技术，浮区技术，可以被用于制造单晶硅锭，使用运动的液体来推动杂质朝向模具的边缘以进行除去。另一示例性技术，提拉法(Czochralski)技术，可用于制造单晶硅锭，其使用从熔融溶液缓慢地拉动出来的晶种，允许硅的单晶柱形成同时把杂质留在溶液中。另外的示例性技术，如Bridgeman或热交换器技术，可用于制造多晶硅锭，其通过产生具有受控的冷却速率的温度梯度导致定向凝固。
附图简述
在附图中，同样的数字可用于描述在所有的多个视图中的相似的元件。具有不同的字母后缀的同样的数字可以被用于表示相似的元件的不同视图。附图以实施例的方式但是不以限制的方式，大体上图示了在本文件中讨论的各种实施方案。
图1示出了根据本发明的至少一个实施方案的***的等距视图。
图2示出了根据本发明的至少一个实施方案的模具的横截面。
图3示出了根据本发明的至少一个实施方案的加热器的俯视图。
图4示出了根据本发明的至少一个实施方案的加热器的侧视图。
图5示出了根据本发明的至少一个实施方案的***的侧视图。
图6示出了根据本发明的至少一个实施方案的模具的侧视图。
图7示出了根据本发明的至少一个实施方案的模具的基部的等距视图。
详细描述
在以下的详细描述中，参照附图。附图形成描述的一部分，并且以图示的方式而不以限制的方式提供。附图实施方案以足够的细节描述以使本领域的技术人员能够实践本发明的主题。可采用其他实施方案，并且可作出机械、结构或材料的改变，而不偏离本专利文件的范围。
现在将详细地参照所公开的主题的某些实施例，其中某些图示于附图中。虽然将主要参照附图来描述所公开的主题，但是应当理解，这样的描述不意图使所公开的主题局限于这些附图。相反地，所公开的主题意图覆盖所有的替代形式、修改和等效物，其可以被包括在本文公开的主题的范围内，如权利要求书所限定的。
在说明书中提及“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等等是指所描述的实施方案可以包括特定的特征、结构或特性，但是可以不一定每个实施方案都包括该特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指同一个实施方案。此外，当关于实施方案而描述特定的特征、结构或特性时，无论是否被明确地描述，应认为参照其他实施方案影响这样的特征、结构或特性在本领域的技术人员的知识内。
在本文件中，术语“一(a)”或“一个(an)”被用于包括一个或多于一个，并且术语“或”被用于指代非排他性的“或”，除非另有指示。此外，应理解，本文采用的没有另外定义的措辞或术语仅用于描述的目的而不用于限制的目的。
本发明的主题涉及用于采用定向凝固技术纯化硅，同时保持固体-液体界面遍及模具的一致行进的模具、模具***和相关的方法。来源于定向凝固的纯化硅可用于太阳能电池中。已经发现，通过控制模具内的温度梯度，可实现高度受控的定向凝固。虽然在下文的实施例中最详细地描述硅的纯化，但是所描述的***和方法也可用于其他材料如蓝宝石的定向凝固和纯化。
定向结晶通常从底部行进至顶部，因此期望的温度梯度在底部具有较低的温度且在顶部具有较高的温度。对温度梯度的高度控制和相应的定向结晶可以有利地允许更有效的定向凝固，导致具有更高纯度的硅。
图1图示了用于硅的定向凝固的模具***100的具体实施方案。该***可以包括定位在模具120的顶部上或附近的顶部加热器110。顶部加热器110可以被一个或多个链条101支撑，所述链条101在第一端部上与竖直结构构件103的孔102啮合。链条101在本实施例中形成马勒(bridle)，允许顶部加热器110通过使用起重机或其他抬升***被移动。***100可以也例如通过在把顶部加热器110留在模具120上的同时把模具120放置在叉车或杠杆式升降机上被移动。筛箱106可以环绕顶部加热器110的从模具外套突出的加热构件的端部，保护使用者抵抗在这些构件的端部中和附近存在的热和电。
竖直结构构件103可以从顶部加热器110的底部边缘延伸至顶部加热器110的顶部边缘。竖直结构构件103可以位于顶部加热器110的模具外套的外表面上，并且可以在垂直于该外表面的方向向外延伸。顶部加热器可以也包括位于顶部加热器110的模具外套的外表面上的水平结构构件104，并且可以在垂直于该外表面的方向向外延伸。
顶部加热器110可以包括形成加热器的模具外套的一部分的凸缘(lip)105。凸缘可以从模具外套向外突出，并且可以朝向顶部加热器110的中心轴线向内延伸，使得其覆盖任何存在的隔热部的厚度。可选择地，凸缘105可以仅向内延伸，足以覆盖顶部加热器110的模具外套的底部边缘。
在图1中描绘的实施方案中，从模具120的隔热部111可以在顶部加热器110和模具120之间延伸。在各种实施例中，模具120的一个或多个隔热层111的至少一部分可以在模具的外套的高度上方延伸。类似于顶部加热器110，模具120可以包括竖直结构构件112。竖直结构构件112可以位于模具120的外套的外表面上，并且可以在垂直于该外表面的方向向外延伸。竖直结构构件112可以从模具120的底部边缘延伸至模具120的顶部边缘。模具112可以也包括一个或多个水平结构构件113。水平结构构件113被示出为在模具120的外套的外表面上，从模具外套向外延伸。水平结构构件113可以水平地围绕圆柱形的模具112的外周或沿着非圆柱形的模具的一个或多个侧部延伸。模具112可以也包括十字交叉的底部结构构件114、115。底部结构构件114、115可以延伸跨越模具112的底部。底部结构构件115中的某些可以被控制形状和大小以允许叉车或杠杆式升降机或其他机器物理地操纵(例如运动)***100。
图2示出了根据本发明的一个实施方案的模具200。模具200包括包围底部212和壁隔热结构220的模具外套210，模具外套210包括侧壁201和底板202。在一个实施例中，侧壁201和底板202被一体地形成。在另一个实施例中，侧壁201和底板202被螺栓连接，或以其他方式机械地连接在一起以形成模具外套210。
模具200界定在模具200内的内部部分201以容纳一定量的熔融硅。在一个实施例中，壁隔热结构220是包含被定位为紧邻彼此的多种不同材料的复合结构。复合的壁隔热结构220的一个优点包括，通过选择复合结构的单个部件的材料和几何构型来控制热梯度的能力。复合的壁隔热结构220的另一个优点包括，减少模具成本的能力。把更高成本、高耐热性的材料用于熔融硅将与该处接触的暴露的表面上，而使具有较低耐热性、较低成本的材料在复合结构远离熔融硅前行处形成层状。
在一个实施例中，壁隔热结构220的厚度从模具200的具有第一厚度224的外缘222至具有比第一厚度224薄的第二厚度228的与底部212的底部界面226呈锥形。在一个实施例中，第二厚度比第一厚度薄约25％。在操作中，壁隔热结构220的锥形提供了热梯度，其在定向凝固期间提供在硅中液体-固体界面的期望的行进。在一个实施例中，壁隔热结构220的锥形在熔融物的顶部附近提供更多的隔热以把熔融物的表面保持在液态，而在与底部212的底部界面附近提供较少的隔热，以帮助在模具200的底部处的冷却。
在一个实施例中，壁隔热结构220包括暴露的层230，其将在定向凝固操作中与熔融硅直接接触。在一个实施例中，暴露的层230是实质上连续的(与组装的砖层等相反)以容纳熔融硅。包括良好的热特性的一种材料包括例如Al2O3形式的氧化铝。在一个实施例中，氧化铝是实质上纯的Al2O3，这使得来自暴露的层230的杂质进入硅熔融物中最小化。在一个实施例中，Al2O3是大于98％纯的Al2O3。在一个实施例中，暴露的层230包裹在壁隔热结构220的顶部表面231上。这种配置的一个特征包括，对于在壁隔热结构220内的内部结构或层的保护，该内部结构或层可能不具有与暴露的层230一样的对温度的耐热性。这种配置的另一个特征包括，将熔融硅与潜在污染物隔离，该污染物可能容纳在壁隔热结构220内的其他层中。
在一个实施例中，壁隔热结构220还包括形成与暴露的层230形成界面的耐火砖232的层。在一个实施例中，耐火砖232的层包含Al2O3。耐火砖232可以向壁隔热结构220提供期望的结构特性例如韧性。在一个实施例中，耐火砖232的层包括被额定至1540℃或更少的砖。在一个实施例中，耐火砖232的层包括被额定至1430℃或更少的砖。在耐火砖232的选择中将特性的组合考虑在内，例如熔融硅的期望的梯度所需要的厚度和热特性，以及其他特性例如成本、强度和韧性。
在一个实施例中，壁隔热结构220还包括多微孔的耐火层236。在一个实施例中，多微孔的耐火层236被额定至1000℃或更少。多微孔的耐火层236中的气孔提供良好的隔热特性。在所选择的实施例中，陶瓷纤维隔热的层还被包括在所选择的层之间。在一个实施例中，第一陶瓷纤维层238被包括在模具外套210和多微孔的耐火层236之间。在一个实施例中，第二陶瓷纤维层234被包括在多微孔的耐火层236和耐火砖232的层之间。陶瓷纤维层的实例包括板、柔性织物或其他配置。
在一个实施例中，壁隔热结构220中的一个或多个层从壁隔热结构220的外缘222至壁隔热结构220的底部226呈锥形，其中壁隔热结构220与底部212形成界面。在图2中示出的实施例中，暴露的层230和耐火砖232的层二者都从外缘222至底部226呈锥形，而多微孔的耐火层236保持一致的厚度242。在一个实施例中，多微孔的耐火层236保持沿着模具外套210的以及此***绕越过模具外套210底部至少一部分的角落240的一致厚度242。这种配置提供对硅的冷却速率的精确控制。
在一个实施例中，底部212包括一个或多个热传导层。在图2中示出的实施例中，示出了两个热传导层。含有石墨的层214被示出，并且碳化硅层216被示出。诸如碳化硅和石墨的材料具有高导热率和高耐热性的期望的特性。在所示出的实施例中，底部212把来自硅熔融物的热从模具200的底部传导出来，而不熔融自身或污染所述硅。虽然两个层214、216被示出，但其他实施方案可以包括多于两个层或仅单一的层。
在一个实施例中，含有石墨的层214包含半石墨，虽然本发明不限于此。在一个实施例中，含有石墨的层214包含高密度石墨。含有石墨的层214包含二重的高密度石墨。在一个实施例中，使用被组装为一个层的多个石墨砖形成含有石墨的层214。其他实施例包括连续的石墨片材或铸造的石墨层。在一个实施例中，含有石墨的层214的厚度为约1至2英寸。在一个实施例中，含有石墨的层214的厚度约2英寸。
在一个实施例中，使用被组装为一个层的多个碳化硅砖形成碳化硅层216。在一个实施例中，碳化硅层216是连续的碳化硅片材。在一个实施例中，碳化硅层216是现场浇铸的。在一个实施例中，碳化硅层216的厚度为约2至3英寸。在一个实施例中，碳化硅层216的厚度约2.5英寸。在一个实施例中，碳化硅层216包含铸造在耐火结合剂材料中的以重量计约80％的碳化硅。
在图2中示出的实施例中，在含有石墨的层214上形成碳化硅层216。在这样的配置中，碳化硅层216可以提供针对潜在杂质的阻挡层，所述杂质可能包含在后续的层例如含有石墨的层214中。
在图2中示出的实施例中，含有石墨的层214的位置毗邻于模具外套210的底部。在这样的配置中，含有石墨的层214可以向模具外套210以及向位于模具外套210上的冷却翅片提供增加的导热率，如在下文更详细地描述的。在一个实施例中，在本公开内容中描述的模具和模具***的配置，能够以约1-2厘米/小时的速率使凝固前沿移动。在一个实施例中，在本公开内容中描述的模具和模具***的配置，能够以高至约10厘米/小时的速率使凝固前沿移动。
图3图示了可以进一步帮助把硅熔融物的顶部表面保持在液态且同时凝固期望地从模具的底部至顶部行进的顶部加热器300。顶部加热器300可以包括一个或多个加热构件310。所述一个或多个加热构件中的每个可以独立地包含任何合适的材料。例如，所述一个或多个加热构件310中的每个可以独立地包含加热元件，其中加热元件可以包括碳化硅、二硅化钼、石墨、铜或它们的组合；并且，所述一个或多个加热构件中的每个可以可选择地独立地包括感应加热器。在一个实施方案中，所述一个或多个加热构件310位于大约相同的高度处。在另一个实施方案中，所述一个或多个加热构件位于不同的高度处。
在一个实施例中，顶部加热器300包括12个加热构件310。在一个实施例中，12个加热构件310在距离312内近似相等地被隔开。在一个实施例中，距离312约54英寸。诸如加热构件的定位和加热构件的数量的变量对于加工期间在硅中产生的热梯度是重要的。热梯度的小变化可以导致定向凝固期间在硅中的液体-固体界面的部分的非期望的行进。例如非期望的是，使熔融硅的表面凝固，并且把熔融的内部部分俘获在硅锭内。俘获的熔融硅部分可能含有非期望的水平的杂质，其不利地影响所得到的硅材料的特性。
除了多个加热构件310和加热构件310的横向间距之外，在一个实施例中，所述多个加热构件310被定位为在熔融物表面上方约1.9英寸的距离314。在一个实施例中，加热构件310的直径约2英寸。如同所选择的加热构件310的数量和加热构件310的横向间距，所选择的维度如加热构件310的直径和在熔融物的表面上方的距离已被揭示于本公开内容中，从而提供定向凝固期间在硅中的液体-固体界面的部分的期望的行进。
在一个实施例中，通风孔302被设置在顶部加热器300中，以从加热构件310和硅熔融物的表面除去气体例如氧气。在一个实施例中，真空泵(未示出)被耦合于通风孔302，以把不想要的气体经过通风孔302除去。在一个实施例中，仅在顶部加热器300中使用直径约1-2英寸的单个通风孔302。在一个实施例中，该单个通风孔302直径约1英寸。已经发现，诸如具有合适尺寸的单一个通风孔的变量有效地除去不想要的气体，而不导致硅熔融物表面的不想要的冷却。
在一个实施例中，加热元件包含碳化硅，这具有某些优点。例如，碳化硅加热元件在氧气存在下高温时不受腐蚀。对于包含可腐蚀材料的加热元件可以通过使用真空室来减少氧气腐蚀，但是碳化硅加热元件可以在没有真空室的情况下避免腐蚀。此外，碳化硅加热元件可以在没有水冷却的导线(leads)的情况下被使用，具有多个工作区域，例如在边缘处的冷区域和在加热元件的中心处的热区域。在一个实施方案中，加热元件在真空室中使用、与水冷却的导线共同使用，或二者。在另一个实施方案中，加热元件在没有真空室、没有水冷却的导线、或没有二者的情况下使用。
在一个实施方案中，所述一个或多个加热构件310是感应加热器。感应加热器可以被铸造为一个或多个耐火材料。容纳一个或多个感应加热线圈的耐火材料可以然后被定位在模具上。耐火材料可以是任何合适的材料。例如，耐火材料可以包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨或它们的组合。在另一个实施方案中，感应加热器不被铸造为一个或多个耐火材料。
顶部加热器可以包括隔热部，例如在图4中示出的顶部加热器300包括隔热部316。隔热部可以包含任何合适的隔热材料。隔热部可以包含一种或多种隔热材料。例如，隔热部可以包含隔热砖、耐火材料、耐火材料的混合物、隔热板、陶瓷纸、高温羊毛、铸造隔热材料、或它们的混合物。隔热板可以包括高温陶瓷板。在一个实施例中，隔热部316围绕加热构件310而被铸造以使它们更坚固且耐热冲击，以防止围绕加热构件310的零件的变形。一种合适的铸造材料包括来自Morgan Thermal Ceramics,Inc.的3300。
顶部加热器可以包括外套，例如在图3中示出的顶部加热器300包括外套304。所述外套可以包含任何合适的材料。例如，所述外套可以包含钢或不锈钢。在另一个实施方案中，所述外套包含钢、不锈钢、铜、生铁、耐火材料、耐火材料的混合物、或它们的组合。隔热部316被布置为至少部分地在所述一个或多个加热构件和外套之间。在图4中，外套304的底部边缘被示出为与隔热部的底部边缘近似齐平。
在本发明的范围内，顶部加热器可能存在变化形式。例如，外套304的边缘可以在隔热部316的边缘和所述一个或多个加热构件310下方延伸。在另一个实施例中，外套304的边缘可以在隔热部316的边缘下方延伸、在所述一个或多个加热构件下方延伸，或它们的组合。在一个实施例中，外套304可以在隔热部316的底部边缘下方延伸并且继续跨越，完全地或部分地覆盖隔热部的底部边缘。在某些实施方案中，外套304的覆盖隔热部边缘的部分可以包含具有相对地低的传导性的材料，例如合适的耐火材料，如氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨或它们的组合。在另一个实施例中，外套304不在隔热部的底部边缘或所述一个或多个加热构件的高度下方延伸。在另一个实施方案中，外套304在所述一个或多个加热构件310的高度下方延伸，但是仍然在隔热部316的底部边缘上方。
如上文讨论的，通过控制设备中的温度梯度，可实现高度受控的定向凝固。对温度梯度和相应的定向结晶的高度控制可以允许更有效的定向凝固，提供高纯度的硅。在本发明中，定向结晶近似地从底部行进至顶部，因此期望的温度梯度在底部具有较低温度而在顶部具有较高温度。在使用顶部加热器的实施方案中，顶部加热器是用于控制热从定向凝固模具顶部的进入或损失的一种方式。
图5示出了根据本发明一个实施方案的定向凝固***500。模具501由壁结构502和基部504界定。模具501适应于容纳某个体积的熔融硅503，并且适应于在定向凝固过程中冷却熔融硅503。***500还包括顶部加热器520，以控制熔融硅501的热梯度和冷却速率。顶部加热器520被示出为具有多个加热元件522，类似于上文在其他实施方案中描述的顶部加热器。
支撑结构510被示出为把模具501保持在底板表面512上方的某个距离处以界定空间511。在一个实施例中，空气或其他冷却介质的流动被控制在空间511内，以控制在模具501的基部504处的冷却速率。在一个实施例中，提供一个或多个流动路径以使空气或其他冷却介质在空间511内运动。在图5中，流动路径540被示出。虽然在所选择的实施例中使用了两个流动路径，但是其他实施例包括多于两个流动路径或仅单个流动路径。单个流动路径可以同时地作为入口和出口起作用。
图5还包括空气循环***550，例如风扇或其他空气或其他冷却介质的活动动力器。在一个实施例中，空气循环***550包括位于近似地基部504中心处的水平风扇。也在图5中示出的是第一挡板530和第二挡板534。第一挡板530在方向531是可运动的以调整空间532，并且提供至模具501下方的空间511的计量的进入(access)。类似地，第二挡板534在方向535是可运动的以调整空间536，并且提供至模具501下方的空间511的计量的进入。在操作中，一个或多个挡板例如挡板530和534被移动以改变空间511内的循环和冷却条件。在一个实施例中，循环装置538的速率也可与一个或多个挡板如挡板530和534共同变化。
在一个实施例中，多个冷却结构(例如翅片)位于空间511内并且被耦合于模具501的基部504。冷却结构增加把热传导离开模具的基部504的能力。然而，如果空间511被挡板530和534封闭，那么更少的冷却将在基部504处发生。
在一个实施例中，基部504包括含有石墨的层，如在上文的实施例中描述的。在一个实施例中，基部504包括多个热传导层。在一个实施例中，基部504还包括碳化硅层，如在上文的实施例中描述的。
在一个实施例中，金属热扩散层506也被包括在基部504处。在一个实施例中，金属热扩散层506被定位为与熔融硅503间隔开。在一个实施例中，金属热扩散层506的厚度仅厚至足以防止在加热和冷却中由热力导致的翘曲，然而薄至足以提供良好的热传导。在一个实施例中，金属热扩散层506包括厚约0.75英寸的层。
在一个实施例中，在基部504处的热传递受材料选择的限制，其中含有石墨热的层相对于仅具有碳化硅基部层的实施方案提供增加的热传导。
如在图5中示出的，在一个实施例中，挡板530和534包括隔热壁，隔热壁覆盖模具501的壁502二者并且可选择地覆盖至模具501下方的空间511的通路。毗邻于模具501的壁502的另外的覆盖进一步隔热在紧贴壁502的区域中的熔融硅503，并且防止基部504处凝固之前在壁上的较不期望的凝固。在一个实施例中，挡板530和534的隔热壁也覆盖模具501和顶部加热器520之间的界面524。这种配置提供在该界面524处针对热损失的另外保护。挡板材料的实例包括耐火材料或其他热绝缘材料，例如在上文的实施方案中描述的那些。
在操作中，可用多种方式控制挡板530和534。在一个实施例中，挡板530和534提供可调整的空间532、504，可调整的空间532、504一旦处在定向凝固过程期间则被固定。在一个实施方案中，一个或多个挡板530和534被设置为在方向531、535以连续的速率运动以渐进地打开路径540、542。挡板530和534的运动可为对于每个挡板相同的速率，或挡板可用不同的速率操作。挡板530和534的速率可以是线性的，或速率可以在定向凝固过程期间变化。
通过使用变量例如循环装置538、挡板530和534、顶部加热器520、呈锥形的壁结构502、含有石墨的层、金属热扩散器506和翅片508，熔融硅503的冷却速率和曲线可以被精确地控制。在一个实施例中，翅片508被径向地排列在基部540上，如在图6中示出的。当径向翅片508与水平风扇550组合时，相对于其他风扇和翅片排列其可能增加热传递。
冷却速率和曲线的控制提供多种优点，例如增加的杂质分离效率。使用上文描述的方法的配置，硅可以在更少的定向凝固步骤中被加工，并且更大批量的硅可以被加工而以更高纯度和更快的加工速率生产更大的硅锭。
图6示出了包括模具602和可移除的热扩散器610的***600。模具602包括外缘604和底部606。在某些定向凝固操作中，模具602经历的大的热梯度可导致翘曲，和对位于模具602的底部上的热扩散结构的损伤。如果在具有一体的热扩散器的翘曲模具上需要修理，那么在模具正被修理的同时整个模具必须从生产中被取出。在图6中图示的实施例配置中，翘曲或损伤的可移除的热扩散器610可以被移除以进行修理，并且空闲的可移除的热扩散器610可被迅速地附接，以在修理翘曲或损伤的可移除的热扩散器610同时保持模具602可用于生产。
在图7中，从仰视图观看可移除的热扩散器610。在一个实施例中，包括多个径向冷却翅片614。在一个实施例中，运输***例如用于叉车的凹槽或其他运输***被包括在可移除的热扩散器610上。附接点612可以被用于把可移除的热扩散器610耦合于模具602的底部606。耦合方法的实例包括使用闩锁、紧固硬件或其他紧固***。紧固硬件的实例包括但不限于：螺栓、螺钉、螺母、铆钉或其他合适的紧固件，其中可移除的热扩散器610是从模具的底部606分离地可移除的。在一个实施例中，使用牺牲紧固件例如铆钉，其中可移除的热扩散器610通过切割或以其他方式破坏牺牲紧固件被移除，并且使用新的牺牲紧固件以再附接可移除的热扩散器610。使用牺牲紧固件的配置比焊接的一体的热扩散器更容易移除，然而在把可移除的热扩散器610保持紧贴模具602的底部606上是牢固的。
除了迅速地更换翘曲或损伤的可移除的热扩散器610的能力之外，因为可移除的热扩散器610仅在所选择数量的附接点612处附接于模具602，所以可移除的热扩散器610允许独立于模具602的在热应力下一定量的膨胀和收缩的自由度，这减少导致翘曲。在所选择的实施例中，附接点612包括有凹槽的或尺寸过大的开口，这允许可移除的热扩散器610独立于模具602围绕紧固件(闩锁、紧固硬件等等)膨胀和收缩的另外的运动自由度。
为了更好地例证本文公开的模具、模具***和相关方法，现在提供实施例的非限制性列表：
实施例1包括用于定向凝固的***，所述***包括模具外套，内衬于所述模具外套的壁的至少一个隔热层，以及内衬于所述模具外套的底部的至少一个热传导层，其中所述至少一个热传导层包括含有石墨的层。
实施例2包括实施例1的***，其中所述至少一个热传导层包括毗邻于所述模具外套的含有石墨的层和形成用于在使用中接触熔融硅的暴露表面的碳化硅层。
实施例3包括实施例1-2中的任何一个的***，其中所述碳化硅层的厚度为约2至3英寸。
实施例4包括实施例1-3中的任何一个的***，其中所述碳化硅层包括铸造的碳化硅层。
实施例5包括实施例1-4中的任何一个的***，其中所述含有石墨的层的厚度为约1至2英寸。
实施例6包括实施例1-5中的任何一个的***，其中所述模具外套的底部包括约0.76英寸厚的钢层。
实施例7包括实施例1-6中的任何一个的***，其中所述含有石墨的层包括多个分别的石墨砖。
实施例8包括实施例1-7中的任何一个的***，其中所述含有石墨的层包含半石墨。
实施例9包括用于定向凝固的***，所述***包括模具。所述模具包括模具外套，内衬于所述模具外套的壁的至少一个隔热层，以及内衬于所述模具外套的底部的至少一个热传导层，其中所述至少一个热传导层包括含有石墨的层。所述***还包括支撑结构，其将所述模具间隔在底板表面上方，并且界定所述模具和所述底板之间的空间，以及空气循环***，用于使空气在所述空间中的一个或多个流动路径内运动。
实施例10包括实施例9的***，其中所述空气循环***包括风扇。
实施例11包括实施例9-10中的任何一个的***，其中所述空气循环***包括位于所述空间内的水平风扇。
实施例12包括实施例9-11中的任何一个的***，还包括一个或多个用于控制空气在所述空间内的流动的可调整的挡板。
实施例13包括用于定向凝固的***，所述***包括模具。所述模具包括模具外套，内衬于所述模具外套的壁的至少一个隔热层，内衬于所述模具外套的底部的至少一个热传导层，其中所述至少一个热传导层包括含有石墨的层，以及具有径向翅片的金属热交换器，其位于所述模具外套的底部的外表面上。所述***还包括支撑结构，其将所述模具间隔在底板表面上方，并且界定所述模具和所述底板之间的空间，以及空气循环***，用于使空气在所述空间中的一个或多个流动路径内运动。
实施例14包括实施例13的***，其中所述具有径向翅片的金属热交换器包括钢热交换器。
实施例15包括实施例13-14中的任何一个的***，其中具有径向翅片的金属热交换器是可移除的，并且与所述模具外套分离。
实施例16包括实施例13-15中的任何一个的***，还包括顶部加热器。
实施例17包括实施例13-16中的任何一个的***，其中所述空气循环***包括位于所述空间内的水平风扇。
实施例18包括实施例13-17中的任何一个的***，还包括一个或多个用于控制空气在所述空间内的流动的可调整的挡板。
实施例19包括定向凝固的方法，所述方法包括将一定量的熔融硅放置在模具中，所述模具包括模具外套，内衬于所述模具外套的壁的至少一个隔热层，以及内衬于所述模具外套的底部的至少一个热传导层，其中所述至少一个热传导层包括含有石墨的层。所述方法还包括随着热被优先地从所述模具的底部传导出来，定向凝固所述熔融硅。
实施例20包括实施例19的方法，其中定向凝固所述熔融硅包括以约1-2厘米/小时的速率定向凝固所述熔融硅。
实施例21包括实施例19-20中的任何一个的方法，其中定向凝固所述熔融硅包括以约2-10厘米/小时的速率定向凝固所述熔融硅。
本发明的模具、模具***和相关方法的这些和其他实施例和特征将在以下的详细描述中部分地提出。该综述意图提供本发明的主题的非限制性实施例，其不意图提供排他性的或穷尽的解释。下文的详细描述被包括以提供进一步的关于本发明的模具、模具***和方法的信息。
虽然本发明的主题的多个实施方案已经被描述，但是上文的实施方案不意图是穷尽的。本领域的技术人员将意识到，任何被配置为使用定向凝固技术实现硅纯化同时保持固体-液体界面的遍及模具的一致行进的排列，可以代替所示出的具体的实施方案。在研究上文的描述后，上文的实施方案和其他实施方案的组合对于本领域的技术人员将是明显的。本申请意图覆盖本发明的主题的任何修改或变化形式。应理解，上文的描述意图是例证性的而非限制性的。

Claims (5)

1.用于定向凝固的***，包括：
模具，包括：
模具外套；
内衬于所述模具外套的壁的至少一个隔热层；
内衬于所述模具外套的底部的至少一个热传导层，其中所述至少一个热传导层包括含有石墨的层；
具有径向翅片的金属热交换器，其位于所述模具外套的底部的外表面上；
支撑结构，其将所述模具间隔在底板表面上方，并且界定所述模具和所述底板之间的空间；
空气循环***，用于使空气在所述空间中的一个或多个流动路径内运动，和
顶部加热器，其包括单个通风孔，所述通风孔具有1-2英寸的直径。
2.如权利要求1所述的***，其中所述具有径向翅片的金属热交换器包括钢热交换器。
3.如权利要求1所述的***，其中具有径向翅片的金属热交换器是可移除的，并且与所述模具外套分离。
4.如权利要求1所述的***，其中所述空气循环***包括位于所述空间内的水平风扇。
5.如权利要求1所述的***，还包括一个或多个用于控制空气在所述空间内的流动的可调整的挡板。
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