監控固液界面的系統和方法

專利名稱：監控固液界面的系統和方法
技術領域：
本發明總體涉及用于監控固液界面的系統和方法。本發明進一步涉及用于例如在澆鑄過程的熔化和固化循環期間通過監控部分熔化的材料中的固液界面的運動來監控固體材料的熔化和/或固化的過程的系統和方法。
背景技術：
近來，在應用于光電工業中的諸如硅的材料的澆鑄中，已取得了進展。這些進展例如在2007年1月18日提交的同時待審的申請no. 11/6M365和11/6M411中進行了描述。 諸如用于形成半導體襯底或晶片的材料可包括來自族II-VI、III-V和IV-IV的元素的組合。此外，澆鑄金屬并且尤其是在真空中熔化的反應性金屬可作為材料而包括。如此處使用的，除非另有說明，否則術語“材料”包括來自族II-VI、III-V和IV-IV的元素或者來自堿、堿性金屬或過渡金屬的元素并且特別是可形成半導體晶片或襯底的元素的任意元素或組合。例如，在澆鑄過程期間，材料可同時以多種位相存在，諸如包含液體部或固體部的熔融的或部分熔化的材料。在材料完全固化之前，固液界面位于液體部與固體部之間。如此處使用的，術語“固液界面”指例如在澆鑄過程的或熔化部分或固化部分期間，材料的液體部與固體部之間的邊界。理解的是該固液界面可不完全是二維的，而是可取決于熔化/ 固化的材料以及其它加工條件而具有有限的厚度。此外，界面可以是平坦的或具有彎曲的形狀。監控固液界面對于控制澆鑄期間的熔化和固化過程是重要的，從而例如可實現特定的晶體生長特征。在另一實例中，在液柱的高度不能僅通過獲知自由液面的位置來確定的情況下，監控容納在諸如坩鍋或容納槽的容器中的液體的深度是重要的。在用于制造光電池的已知澆鑄程序中，諸如硅原料的材料可與用于誘導或正或負的導電類型的摻雜劑混合、熔化且然后通過將結晶材料從熔化區拉出或使它在適當的位置固化而形成鑄塊來結晶。如果使用硅原料，則這些鑄塊可以是單晶硅(經由 Czochralski(CZ)或浮區(FZ)法)，或可取決于個體硅晶粒的粒度而澆鑄成單晶硅、多晶硅或復晶硅的塊或“磚形物”。如此處使用的，術語“澆鑄”意味著硅是通過將在用于容納熔融的材料的鑄模或容器中的熔融的材料冷卻而形成的。如此處使用的，術語“單晶硅”指單個晶體硅的本體，其整體具有一個一致的晶體取向。此外，“傳統的多晶硅 (multi-crystalline silicon) ”指具有厘米級粒度分布的結晶硅，其具有位于硅的本體內的多個隨機取向的晶體。然而，如此處使用的，術語“幾何有序多晶硅”(下文縮寫為“幾何
8多晶硅”)指具有厘米級粒度分布的幾何成形晶體的結晶硅，其具有位于硅的本體內的多個有序晶體。另外，如此處使用的，術語“復晶硅(poly-crystalline silicon) ”指具有微米量級粒度和位于硅的給定本體內的多個晶粒取向的結晶硅。例如，粒度的尺寸通常為大約亞微米到亞毫米的平均數(例如，個體晶粒可不為肉眼所見)，并且晶粒取向完全隨機分布。在上述的澆鑄程序中，首先通過已知的切片或鋸切的方法將鑄塊或塊切成具有適當橫截面的磚形物，然后切成薄襯底，也稱為晶片。然后可將這些晶片加工成光電池。用于在光電池的制造中使用的傳統單晶硅一般通過CZ或FZ法生產，所述CZ或FZ 法都是生產圓柱形地成形的結晶硅晶塊的過程。對于CZ過程，將晶塊從熔融硅的池中緩慢地拉出。對于FZ過程，將固體材料進給通過熔化區并在該熔化區的另一側重固化。以這些方式制造的單晶硅的晶塊包含徑向分布的雜質和缺陷，諸如氧化感生堆垛層錯(OSF)的環和間隙團或空位團的“漩渦”缺陷。這些缺陷相當好理解，并且單晶硅通常是用于生產光電池的優選源，因為它能用于生產高效的太陽能電池。然而，使用諸如上述的已知技術來生產單晶硅比傳統的多晶硅更昂貴。用于在光電池的制造中使用的傳統多晶硅一般通過澆鑄過程生產。用于制備傳統多晶硅的澆鑄過程在光電技術領域中是已知的。簡言之，在此過程中，將熔融硅容納在坩鍋，諸如熔凝硅石或石英坩鍋中，并且以可控的方式冷卻以允許容納在坩鍋中的硅的結晶。 通常將所產生的多晶硅的塊切成具有與用于制造光電池的晶片的尺寸相同或相近的橫截面的磚形物，并將磚形物鋸成或以其它方式切成此晶片。以這種方式生產的多晶硅是晶粒的結塊，其中在由此制造的晶片內，晶粒相對于彼此的取向差不多是隨機的，盡管某些取向是優選的。由于較高濃度的晶粒邊界和位錯缺陷，所以與由單晶硅制造的等價的光電池相比，由多晶硅制造的光電池通常具有較低的效率。然而，由于用于制造傳統多晶硅的相對簡單和較低的成本以及電池加工中的有效缺陷鈍化，所以多晶硅是用于制造光電池的硅的更廣泛使用的形式。近來，已通過澆鑄過程生產了高質量的幾何有序多晶硅，從而產生了不具有晶粒隨機分布的大量澆鑄幾何有序多晶硅。另外，也已通過澆鑄過程生產了高質量的單晶硅，從而產生了大量的澆鑄單晶硅，所述澆鑄單晶硅既沒有在多晶澆鑄硅中發現的高等級的位錯和晶粒邊界也沒有存在于CZ和FZ法中的徑向分布的缺陷和雜質。例如參見同時待審的US 專利申請 No. 11/624365 和 11/6244110

發明內容
根據上述的系統和方法，提供一種用于監控固液界面的系統，該系統包括容器， 其構造為容納具有固液界面的至少部分熔化的材料；以及設備，其附接到該容器并且包括 棒，該棒構造為測量固液界面的位置；齒輪；齒條，該齒條具有構造為與該齒輪接合的外表面的第一部分，并且至少部分地包圍該棒；管，該管構造為至少部分地包圍該齒條；旋轉輪，該旋轉輪構造為接觸該齒條的外表面的第二部分；電機，該電機構造為驅動該齒輪；以及控制器，該控制器構造為控制該電機并且監控固液界面的至少一個參數。根據上述的系統和方法，還提供一種用于監控固液界面的系統，該系統包括容器，其構造為容納至少部分熔化的材料，該至少部分熔化的材料在固體部與液體部之間具有固液界面；以及設備，其附接到該容器并且包括棒，該棒構造為測量固液界面的位置；管，該管構造為至少部分地包圍該棒；多個旋轉輪，所述多個旋轉輪構造為接觸該棒的外表面；電機，該電機構造為驅動多個旋轉輪中的至少一個；以及控制器，該控制器構造為控制該電機并且監控固液界面的至少一個參數。根據上述的系統和方法，還提供一種利用設備來監控至少部分熔化的材料的固液界面的方法，該設備包括棒、至少部分地包圍該棒的齒條以及與該齒條接合的齒輪，該方法包括使該棒延伸以接觸該固液界面；當棒接觸固液界面時，基于閾值輸入停止該棒；當棒停止時測量該棒的位置；將棒收回到預定位置；以及至少基于當棒停止時所測得的棒的位置來計算與固液界面關聯的至少一個參數。根據上述的系統和方法，還提供一種利用設備來監控容納在容器中的至少部分熔化的材料的固液界面的方法，該設備包括棒、至少部分地包圍該棒的管以及多個旋轉輪，該方法包括使該棒延伸以接觸該固液界面；當棒接觸固液界面時，基于閾值輸入停止該棒； 當棒停止時測量該棒的位置；將棒收回到預定位置；以及至少基于當棒停止時所測得的棒的位置來計算與固液界面關聯的至少一個參數。根據上述的系統和方法，還提供一種用于測量固液界面的位置的設備，該設備包括棒，其具有適當的純度和高溫機械完整性；自動位置控制和測量裝置，用于對該棒進行定位；以及真空密封殼體，用于容納該設備的至少一個元件。本發明的另外的特征和優點將在下文的描述中闡述，從而根據該描述變得明顯或通過本發明實施例的實踐而獲得。要理解的是上文的概要描述和下文的詳細描述都是示例性和說明性的，并且意欲提供如所要求保護的本發明的進一步解釋。


并入且構成本說明書的一部分的附示了本發明的實施例，并且與說明書一起用于說明本發明的特征、優點和原理。為了說明的目的，下面的附圖將不是按比例繪制的。 在圖中圖1以橫截面圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的示例性系統；圖2圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的透視圖；圖3圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的三維局部剖視圖；圖4圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的剖視圖；圖5圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的剖視圖；圖6圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的剖視圖；圖7圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的剖視圖；圖8圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的
10系統中采用的示例性設備的剖視圖；圖9圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的殼體內部的透視圖；圖10以橫截面圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備；圖11以橫截面圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備；圖12圖示了根據本發明的實施例的用于標定在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的設備的示例性方法；圖13圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的示例性方法；圖14以橫截面圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統的一部分；圖15以橫截面圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統的一部分；圖16圖示了根據本發明的實施例的在用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統中采用的示例性設備的剖視圖；圖17以橫截面圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統的一部分；圖18圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統的一部分的透視圖；圖19以橫截面圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統的一部分；以及圖20以橫截面圖示了根據本發明的實施例的用于監控部分熔化的材料中的固液界面的系統的一部分。
具體實施例方式現在將對本發明的實施例進行詳細參考，這些實施例的實例圖示在附圖中。如可能，則在所有附圖中將使用相同或相似的附圖標記來指示相同或相似的部件。在與本發明相一致的實施例中，諸如硅的熔融材料的結晶通過澆鑄過程來進行。 澆鑄過程可定義為這樣的過程，在該過程中，材料在模具或坩鍋中熔化然后固化。該澆鑄過程可以不同的方式實施，包括使用一個或多個晶種。如此處公開的，此澆鑄過程可設置為使得結晶材料的澆鑄本體中的晶粒的尺寸、形狀和取向得到控制。一般地，澆鑄過程需要在澆鑄期間精確地監控固液界面及其運動，以便精確地控制固化并且確保無或基本無缺陷的最終產品。作為實例，材料在澆鑄過程期間的固化能在坩鍋中進行，在該坩鍋中，固化從坩鍋的至少一個壁開始，并且不通過冷卻的外物將硅從坩鍋中取出。坩鍋可具有諸如杯、圓筒或箱的任意合適形狀。此外，與本發明的實施例相一致，鑄模、容器或坩鍋包括與熔融材料接觸的至少一個“熱側壁”表面。如此處使用的，術語“熱側壁"指與它所接觸的熔融材料等溫或比該熔融材料更熱的表面。優選地，在材料的處理期間，熱側壁表面保持固定。
與本發明的一個實施例相一致，在澆鑄過程期間的固化能通過將預期收集的“籽晶”例如定位在容器，諸如能保持熔融材料的石英、熔凝石英或石墨坩鍋的底部中。如此處使用的，術語“籽晶，，指具有預期晶體結構的幾何成形材料塊，其中至少一個橫截面具有幾何的、多邊形形狀，優選地具有與它可放置的容器的表面相符的一側。例如，在硅的澆鑄過程中，此籽晶可以是單晶硅塊或者是一塊幾何有序多晶硅。如此處使用的，術語“連續單晶硅”指單個晶體硅，其中硅的本體是整體具有一致晶體取向的一個均勻本體而不是結合在一起形成較大硅塊的較小硅塊。此外，如此處使用的，術語“連續幾何多晶硅”指幾何多晶硅，其中硅的本體是幾何多晶硅的一個均勻本體而不是結合在一起形成較大硅塊的較小硅塊。與本發明的實施例相一致，籽晶可具有頂表面，該頂表面與籽晶的底表面平行，盡管不一定是這種情形。在硅的澆鑄過程期間，例如，在存在籽晶的情況下，熔融硅能夠優選地以這樣的方式冷卻和結晶，即熔融硅的冷卻進行為使得熔融硅的結晶在固體籽晶的最初頂部的水平處或之下開始并且繼續遠離，優選地向上遠離籽晶。熔融硅邊緣處的固液界面與熔融硅澆鑄所在的容器的冷卻表面，諸如坩鍋中的表面相符。在部分或整個澆鑄過程中，熔融硅與結晶硅之間的固液界面能保持大致平坦。在冷卻期間，將熔融硅的邊緣的每一個處的固液界面控制為在增加熔融硅與硅晶種之間的距離的方向上移動，同時優選地保持大致平坦的固液界面。盡管此實例描述了硅的澆鑄，但是本領域中的普通技術人員將認識的是其它材料也可使用上文討論的方法澆鑄。因此，與本發明相一致，固液界面可在某點處與容器的冷卻表面的形狀相符。例如，在平底坩鍋的情況下，固液界面可保持大致平坦，其中該固液界面具有可控輪廓。固液界面能控制為使得其曲率半徑隨著從邊緣移動到中心而減小。可替代地，固液界面能控制為保持容器寬度的至少一半的平均曲率半徑。例如，與本發明相一致，固液界面能控制為保持容器寬度的至少兩倍的平均曲率半徑。固體能具有稍稍凸起的界面，該界面的曲率半徑為容器寬度的至少大約四倍。例如，在0. 7m2的坩鍋中，固液界面能具有大致大于ail的曲率半徑，大于坩鍋的水平尺寸的兩倍，并且優選地為坩鍋的水平尺寸的大約8倍到大約16倍。監控固液界面允許材料的待結晶部分的可控加熱和/或冷卻，以便控制固液界面在澆鑄過程期間的位置和移動。與本發明相一致，此監控可通過測量固液界面的位置來執行，固液界面的位置隨后可用于計算固液界面的位置的變化速率，即部分熔化的材料在澆鑄過程期間的熔化或固化速率。通常，通過浸入液體部分中直至到達固液界面，棒可用于測量該固液界面的位置。傳統上，例如使用棒測量固液界面的位置由操作者手動執行。所公開的發明提供了一種用以使監控過程自動化的系統。參照圖1，以橫截面示出了在澆鑄過程期間用于監控至少部分熔化的材料的固液界面的示例性系統10。系統10可包括容器20，該容器20部分地容納坩堝60。坩堝60可容納至少部分熔化的材料，該至少部分熔化的材料包括固體部64 (也稱為“固體材料64”)、 液體部62 (也稱為“液體材料62”)以及位于固體部64和液體部62的界面處的固液界面 63。盡管為了說明目的而將坩鍋60圖示為矩形形狀的，但是坩鍋60可以是任意合適的形狀，諸如平底或杯形的。坩鍋60可在至少一側開口，該開口側優選地面對容器20的位于坩鍋60的開口側之上的端口 21。端口 21可被可移除的板(或蓋)110覆蓋。可移除的板110 可例如通過一個或多個鉤、螺釘、螺栓等連接到容器20的其余部分。
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仍參照圖1，加熱元件125可包括在容器20中，優選地圍繞坩鍋60的一側或多側。 加熱元件125例如可以是耐加熱的元件并且可圍繞坩鍋60或可定位在坩鍋的頂部之上和底部之下。可替代地，加熱元件125可以是足以加熱坩鍋60的內容物的任何希望的尺寸、形狀或數量的單個加熱元件。優選地，加熱元件125可以是一串同心環或單個的棒/條/塊， 使得元件125的每一個可獨立控制以實現坩鍋60的特定部分的局部加熱。加熱元件125 例如可以是耐加熱的元件，諸如石墨或碳化硅、電磁(EM)加熱線圈或任意其它合適的加熱設備。加熱元件125優選地通過加熱控制器130電子地控制或以其它方式控制。例如，加熱控制器130可以是用于向加熱元件125提供電流的可編程電子設備，其或者是獨立式或者是整體計算機控制系統的一部分。仍參照圖1，固體散熱器135可布置在容器20的底部，并且構造為與坩鍋60接觸，用于向水冷壁(未示出)輻射熱量。例如，散熱器135可以是固體石墨塊，并且可優選地具有如坩鍋的底部那樣大或比坩鍋的底部更大的尺寸。與本發明的示例性實施例相一致，當與具有大約66cmX66cm的底表面的坩鍋一起使用時，散熱器135能大約為 66cmX66cmX20cmo坩鍋60的側壁優選地是水冷的并且與熱區132是隔熱的，使得坩鍋中熔化的任何材料的固化在坩鍋60的底部開始。可替代地，與交替放置的加熱元件125相結合，能夠使散熱器135位于坩鍋60的一個或多個其它表面上。與本發明的特定實施例相一致，加熱元件125可相對于坩鍋60的底部交替定位在不同的位置處。加熱元件125也可稱為“熱側壁表面125”。另外，通過選擇性地控制加熱元件125，加熱控制器130可用于在坩鍋60內部產生溫度梯度(未示出)。使用加熱元件125和加熱控制器130的組合，并且可選地使用散熱器135，可在坩鍋60中產生任何希望的溫度梯度。如圖1中進一步圖示的，將固體材料64添加到坩鍋60。固體材料64例如可以是用于在澆鑄過程中使用的任何適當的固體材料。例如，如果對硅進行澆鑄，則固體材料64 可包括硅原料。在與本發明相一致的實施例中，此原料例如可放置在一個或多個晶種(未示出)，諸如單晶硅塊或者一塊幾何有序多晶硅的頂部上。此外，取決于該澆鑄過程，固體材料64可完全地或部分地填充坩鍋60。當控制器130控制加熱元件125中的一個或多個的加熱時，固體材料64的部分或全部能夠熔化。在圖1中圖示的實例中，熔化可在坩鍋60的頂部附近開始，從而在坩鍋60內部產生液體材料62的區域。液體材料62可具有液面65以及與固體材料64的剩余部分的固液界面63。液面65可經歷一個或多個表面波或擾動。可替代地，熔化可在坩鍋60的底部開始，或在坩鍋中間的任意點處開始，這取決于通過加熱元件125在坩鍋60內產生的預期溫度梯度。與本發明的實施例相一致，液體材料62可在固體材料64之上。然而，也可能的是取決于澆鑄的材料，使固體材料64的至少一部分漂浮在液體材料62中或漂浮在液體材料 62上。可對固體材料64的熔化階段進行密切地監控以跟蹤固液界面63的位置。優選地，該熔化階段在所有的或幾乎所有的固體材料64完全熔化之前繼續進行。例如，在坩鍋 60中的其它的地方達到固體部64的熔化溫度之后，通過保持當在坩鍋60的外表面上測量時大約0. I0C /min或更小的溫度的時間變化速率dT/dt，能對加熱進行密切地控制，使得所有的固體部64不完全熔化。優選地，在一個實施例中，在坩鍋中的其它地方達到固體部64 的熔化溫度之后，通過保持當在坩鍋60的外表面上測量時大約0. 050C /min或更小的dT/dt，能對加熱進行密切地控制。例如，與本發明相一致，該溫度能在坩鍋與散熱器135之間的坩鍋60的外表面上測量。仍參照圖1，通過測量固液界面63的位置，能夠收集關于熔化/晶體生長的過程的信息，例如在熔化過程期間，剩余固體部64的厚度。棒90可以用來測量固液界面63的位置。例如，可手動地將棒90伸入容器20中并且浸入液體部62中，直至它到達固液界面63。 由于棒90可從已知位置開始伸出，所以能夠測量固液界面63的位置。當此測量以預設時間間隔定期地進行時，可計算固液界面63的位置的變化速率，這可產生關于熔化/晶體生長的速度的信息。利用從測得的位置和計算出的速率獲得的信息，可通過借助加熱控制器 130控制加熱溫度來精確地控制整個熔化/晶體生長過程。然而，由于可能必須例如每10 分鐘一次地進行M小時以上的測量，所以手動進行的測量可能是勞動密集型任務。手動進行的位置測量可能還容易出現錯誤、不精確或誤操作。此外，由于棒必須通過大氣控制，所以必須通過0型環對它進行密封，使得棒的頂部在真空之外，而底部在真空之內。與此密封件的摩擦力將給手動測量增加難度。另一方面，例如，如在系統10中實施的，可使整個測量過程自動化，從而可對固液界面63自動監控。因此系統10可包括設備30，該設備30可包括用以使在澆鑄期間固液界面的監控過程自動化的機構。該機構可包括用于對棒進行定位的自動位置控制和測量裝置。該自動位置控制和測量裝置可包括電子讀數器(或用于向用戶或向包括設備30在的系統10的一個或多個部件傳達位置和測量控制信息的任意合適的裝置)。設備30可進一步包括可移除的板110，該可移除的板110可設置在容器20的頂部上以覆蓋和密封容器20 的頂部。系統10的一個或多個部件，并且具體地是設備30可容納在真空密封殼體中。設備30還可包括棒90。棒90可通過齒條80至少部分地包圍，此外該齒條80可通過管70至少部分地包圍。與實施例相一致，齒條80可包括管狀形狀，而管70可包括多個部分或段， 諸如第一部分71和第二部分72。所述多個部分中的至少一個部分可以是可移除的以允許接近(access)包圍在管70內部的齒條80和棒90。盡管齒條80和管70優選地為具有圓形橫截面區域的圓柱形類型的，但預期的是齒條80和管70的橫截面區域可以是任意形狀的，例如正方形的、三角形的或多邊形的。管70可包括諸如多個法蘭25的連結部件以及位于第一部分71與第二部分72之間的連結部處的諸如0型環部件35的密封部件。在一個實施例中，部件35可定位成距頂端15管70長度的大約2/3。在一些實施例中，第一部分 71與第二部分72之間的連結部可定位在整個管70的任意合適部分處。法蘭25是可移除的，使得第一部分71可以被拆卸，從而允許接近齒條80和棒90，用于檢查、安裝或更換。類似地，管70的頂端15也可包括諸如法蘭25的連結部件以及密封的0型環部件35。在頂端15處，可進一步安裝諸如玻璃窗(圖1中未示出)的裝置用于各種目的，這些裝置將在后面的圖中示出。殼體40可設置為容納齒條80、管70和棒90的一部分。齒條80和管70可從殼體40的頂側豎直地插入殼體40中。殼體40的底部可例如利用一個或多個螺釘、螺栓、鉤或通過焊接固定到板110。盡管描繪為具有立方體形狀，但是殼體40可具有任意類型的形狀，諸如圓柱形形狀。殼體40可包括通過第一壁(未示出)分開的第一室和第二室。在殼體40的一側上可具有進口 120，該進口 120構造為允許流體流入殼體40中。殼體40可包括附接到殼體40的頂表面的窗口安裝結構150。窗口安裝結構150可例如用于安裝玻璃窗。殼體40可容納用以移動棒90和/或齒條80的機構(未示出)。該機構可通過電機 50驅動。電機50可包括電機殼體140。電機殼體140可安裝到殼體40的第二壁45。第二壁45是可移除的，并且可通過一個或多個緊固裝置，諸如螺釘或螺栓42安裝到殼體40，并且可覆蓋第一室(未示出)的一側。電機50可通過控制器100控制，該控制器100可以是獨立控制器或者是計算機系統的一部分。控制器100可被編程以使棒90的運動自動化并因而使整個熔化過程的監控自動化。在一些實施例中，加熱控制器130可與控制器100關聯，或者可與控制器100 —體形成。圖2提供了設備30的透視圖。圖中示出進口 120可附接或安裝到殼體40的外表面195。圖2中示出的大部分其它部件已在圖1中示出，因此將不在此處重復。圖3示出了殼體40的內容物的三維局部剖視圖。殼體40可包括通過第一壁44分開的第一室220和第二室190。第二壁45可覆蓋第一室220的一側，并且當被移除時，可允許接近第一室220的內容物。第一室220可容納旋轉輪200、第一齒輪202、第二齒輪204以及齒條80和棒90的一部分。第一齒輪202和第二齒輪204實質上是齒輪傳動裝置。與實施例相一致，第一室220還可容納管70的一部分。第一室220可包括第一開口 221和第二開口 222。齒條80可通過第一開口 221進入第一室220并且通過第二開口 222延伸穿過第一室220的頂部。第二室190可包括第一開口 192和第二開口 194。窗口安裝結構150可鄰近第二室220的第一開口 192地安裝。第二開口 194可與板110中的中空區112關聯。 窗口(未示出)可安裝到該窗口安裝結構150。通過該窗口、第二室和中空區112，操作者可觀察到容器20的內容物。此外，在具有外表面195的一側上，第二室190可包括第三開口 193。附接到外表面195的進口 120可與第三開口 193連接，使得流體，諸如冷卻和/或凈化氣體，例如氬氣可通過進口 120和第三開口 193流入第二室190中。第二室190內部的冷卻或凈化氣體的作用可為通過第一室220與第二室190之間的第一壁44來降低第一室220的溫度。此外通過進口 120注入的氣體可幫助保持第二室190內部的預期壓力，以及保持室環境的純凈和惰性。此外圖3示出了包圍在電機殼體140內部的電機軸52。電機軸52可安裝穿過第二壁45并且穿過在第一齒輪202的中心旋轉軸周圍的中空區(未示出)安裝到第一齒輪 202。電機50可通過電機軸52驅動第一齒輪202和第二齒輪204中的至少一個。圖4圖示了圖3中示出的設備30的第一室220的剖視圖。如圖4中所示，第一室 220可容納齒條80的一部分80'。齒條80可具有外表面85。在外表面85的第一部分81 上，可具有齒形特征82，所述齒形特征82構造為與第一齒輪202和第二齒輪204接合。第一齒輪202和第二齒輪204可設置在齒條80的一側，而旋轉輪200可設置在齒條80的另一側。旋轉輪200可以是現有技術中已知的任意類型的旋轉輪，其可構造為接觸外表面85 的第二部分83。外表面85的第二部分83可與第一部分81相對。第一齒輪202可通過電機50借助圖3中示出的電機軸52驅動。隨著第一齒輪202旋轉，該齒輪的旋轉運動可通過與齒條80上的齒形特征82的接觸而轉化成齒條80的豎直運動。由于棒90可固定到齒條80，所以齒條80的豎直運動可使棒90延伸到容器20或從容器20收回。第二齒輪204 通過電機可被驅動或可不被驅動。第二齒輪204可提供至齒條80的支撐以防止齒條80的非豎直運動，諸如齒條80的傾斜。此外旋轉輪200可對齒條80提供支撐以防止齒條80的非豎直運動。在一些實施例中，第一齒輪202和第二齒輪204中的至少一個以及旋轉輪200
15可安裝在將第一室220和第二室190分開的第一壁44上。在一些實施例中，第一齒輪202 和第二齒輪204中的至少一個以及旋轉輪200可安裝在可移除地覆蓋第一室220的一側的第二壁45上。盡管預期的是可使用石墨潤滑劑，但是可不需要齒輪202和204與齒條80 之間的潤滑劑。圖5圖示了設備30的另一剖視圖。在圖5中，中空區114在與圖3中示出的第二開口 222關聯的板110中是可見的。圖6圖示了設備30的平面視圖。圖7提供了設備30 的另一平面視圖。圖8圖示了設備30的另一平面視圖。圖9提供了設備30的又一平面視圖。圖10圖示了從設備30頂部觀察的剖視圖。在圖10中，窗口 180示出為安裝在管 70的頂端15處。窗口 180可由玻璃或任意其它合適的材料制成。第二窗口 152示出為安裝在窗口安裝結構150處，該窗口安裝結構150安裝在殼體40的第二室190之上。窗口 152可由玻璃或任意其它合適的材料制成。圖11圖示了從設備30底部觀察的剖視圖。板110的中空區112示出為與窗口 152關聯，使得從窗口 152通過第二室190和中空區112可觀察到容器20的內部。板110 的中空區114示出為與齒條80和棒90關聯。中空區114可允許輻射，諸如熱、光或紅外線等從容器20發出。參照上面的圖1-圖11，在對棒90進行位置測量以監控固液界面63之前，可對系統10進行標定。標定的目的是為棒90建立原點位置，使得任何未來的位置測量可參照此原點位置。在移動棒90的路徑中的任何固定點都可用于幫助定義棒90的原點位置，例如容器20的底部、坩鍋60的底部、在棒90的路徑中從容器20的端口 21懸掛的板(未示出) 等。在下文的討論中，將容器20的底部用作示例性參照點，用于示例性的標定過程。圖12圖示了示例性的標定過程700。首先，在設備30被組裝之后，將棒90移動到初始位置(步驟70 ，例如距容器20的底部最遠的位置。控制器100可向電機50發送指令信號以驅動第一齒輪202，從而使棒90朝著容器20的底部降低(或延伸)(步驟710)。 在降低棒90時，控制器100可被程控以記錄電機50的速度。當棒90接觸容器20底部處的固體散熱器135時，棒90將被阻止進一步移動，在該點處，控制器100可基于閾值輸入， 例如預設速度誤差而停止電機50。例如，控制器100可計算跟蹤的電機速度與程控的驅動速度之間的速度誤差，并且確定該速度誤差是否已達到預設速度誤差(步驟71幻。該預設速度誤差例如可以是具有適當單位的任意合理值，例如15計數/每秒。如果還未達到預設速度誤差(否，步驟715)，則電機可繼續驅動第一齒輪202，直至達到該預設速度誤差。如果已達到該預設速度誤差(是，步驟715)，則控制器100可向電機50發送指令信號以停止電機(步驟720)。棒90的當前位置用于計算棒90的原點(或零點)位置，然后記錄該原點位置(步驟72 。速度誤差與設備30的靈敏度有關，因而可預先選擇。可替代地，可對位置或扭矩進行跟蹤并檢查誤差。靈敏度太高或太低可能或者破壞棒90 (太低)，或者導致不精確的測量或更嚴重地，由于運動中的機械噪聲導致不精確的標定定位(太高)。在確定并記錄棒90的原點位置之后，控制器100可向電機50發送指令，使得電機50可將棒90收回到預定停放位置(步驟730)。該預定停放位置可以是該原點位置之上的預設距離，例如在原點位置之上1.5米。該預設距離可以是固定值并且可被編程到控制器100中。與實施例相一致，該預設距離也可例如取決于在熔化過程期間測得的固液界面63的不同位置而改變。在根據標定過程700對系統10進行標定之后，可將坩鍋60放置到容器20中。坩鍋60的厚度可以是已知的參數或者可被測量。此外可將籽晶(未示出)放置在坩鍋60的底部處。籽晶的厚度可被測量或者可以是已知的參數。可將坩鍋60和在坩鍋60底部處的籽晶的厚度編程到控制器100中。諸如硅的固體材料可放置在籽晶的頂面上。可將容器20 排空并且可準備好澆鑄。圖13圖示了在澆鑄期間的示例性監控過程800。首先，系統10通過加熱元件125 開始熔化固體材料64以產生固液界面63 (步驟80 。然后根據預定的熔化程序方法，系
統10繼續熔化固體材料64 (步驟810)。例如，該熔化程序方法可包括MELT1、MELT2.....
MELT12等的階段。在MELT1-12中，早期階段，例如從MELT1-MELT8的階段可構造為在棒90 插入流體材料中之前，繼續提高坩鍋內部的熔化溫度。然后在預設階段，例如MELT9，固液界面63的位置測量可以開始。接下來，可確定是否已達到預設熔化階段(步驟815)。如果還未達到該預設熔化階段(例如，METL9)(否，步驟815)，則系統10可繼續熔化該材料(步驟810)。如果已達到預設熔化階段(例如，MELT9)(是，步驟815)，則控制器100可向電機 50發送“測量”指令以起動電機并且開始測量過程(步驟820)。棒90可通過電機50、齒輪202和204以及旋轉輪200降低以接近固液界面63。當棒90接觸固液界面63時，并且當(在標定過程700中定義的)該預定速度誤差被控制器100檢測到時，控制器100可向電機50發送指令以停止電機，從而停止棒90的進一步移動。然后可通過控制器100測量和記錄棒90的位置(步驟825)。此位置測量可轉化成固液界面63的位置或進一步轉化成固體材料64的厚度(步驟830)。該轉化可基于所測得的棒90的位置、棒90的標定出的原點位置以及坩鍋60和坩鍋底部處的籽晶的已知厚度以及棒90的總長度而通過控制器100來執行。在計算固體材料64的厚度之后，控制器100可向電機50發送指令以將棒90收回到預定停放位置。在此操作部分中，快速的處理是關鍵的，以防止與固體/液體系統的干擾以及保護棒90的完整性。控制器100可基于先前的測量來確定固體材料64的厚度是否在預設的可接受范圍內(步驟835)，例如在Ilcm內。如果固體材料64的厚度不在該預設的可接受范圍內(否， 步驟83 ，則控制器100可進一步確定是否重復相同的測量并且確定嘗試的次數是否已超過預定數量(步驟840)，例如3次。如果嘗試的次數還未超過預定數量(否，步驟840)，則可重復步驟820-830以獲得固體材料64的厚度的一個或多個后續測量。如果嘗試測量的次數已超過預定數量(是，步驟840)，則可生成錯誤報告(步驟84 ，并且監控過程可觸發警報并使其自身暫停，直到操作者干預(步驟847)。然后可進行進一步的動作，例如設備30的檢查或標定的恢復，以診斷與可接受范圍外的測量厚度有關的可能原因。如果操作者干預未發現系統10有問題(是，步驟848)，則監控過程800可繼續重復測量步驟(步驟 820-835)。如果發現了系統10有問題(否，步驟848)，則監控過程800可終止。另一方面， 如果固體材料64的厚度在預設的可接受范圍內(是，步驟835)，則監控過程800可確定是否是熔化過程的結束(步驟846)。如果不是熔化過程的結束(否，步驟846)，則系統10可計算距下一測量的等待周期(步驟849)，然后可返回到步驟820。該等待周期可以如下方式或任意等效的方式確定。基于程序中經過的時間或直接基于來自監控系統的測量，可限定一個或多個時段，每個時段對應于給定的等待間隔。例如在該過程中可限定和使用30分
17鐘的等待周期，直至全部過程完成超過50% (基于棒90的測量)。然后可使用15分鐘的等待周期，直至75%完成。在75%完成之后，可使用5分鐘的等待周期，直至該過程完成。 為了實現更高的精度，可在全部過程的最后25%期間實施邏輯。可對所實施的邏輯進行編程以基于從過程的開始到過程的75%完成得到的先前的測量來預測距過程結束的確切分鐘。當預測的分鐘短于默認數(例如，5分鐘)時，將預測的分鐘用作等待周期以便在過程的結尾進行精確的測量。如果是熔化過程的結束(是，步驟846)，則例如通過將自身關閉， 系統10可觸發澆鑄方法中的新階段并且可改變其自身的功能設定。監控過程800可結束， 而在熔化過程結束之后生長過程可隨后開始。在熔化階段期間，包括步驟820-849在內的測量步驟可以預定時間間隔，例如每 20分鐘重復。通過將若干位置測量與時間段相結合，能夠確定固液界面的位置的變化速率， 這可用于計算熔化速率。熔化階段MELT9可持續預定時間，例如120分鐘。在該預定時間期間，基于例如固體材料64的厚度或加熱溫度，用于進行測量的間隔例如可從每20分鐘變為每10分鐘。當固體材料64的厚度達到預設厚度，例如7cm時，熔化階段可從一個階段轉換到另一階段，例如從MELT9轉換到MELT10。該轉換可通過程序控制器100自動進行。熔化階段MELTlO可持續預定時間，例如20分鐘并且可引起加熱和/或冷卻速率或其它參數的變化。對于階段MELT10，測量步驟820-849可以預定時間間隔，例如以每5分鐘重復。隨著熔化速率減慢，用于進行測量的時間間隔可相應改變。在特定熔化階段，例如MELT12，晶體生長過程可開始。盡管在晶體生長階段期間能對固液界面進行監控，但是通常不這樣，以便避免將缺陷引入正在生長的晶體中。理解的是在某些情形下，系統10可能喪失(lose)標定。標定的喪失可通過控制器100進行檢測，例如當得到異常的位置數據時或當生成錯誤報告時(步驟8妨)。通過將棒90重定位到其停放位置，系統10可恢復其標定。各種方法可用于恢復標定。將對兩個示例性方法進行討論。圖14示出了管70的剖視圖以及使用磁性元件86恢復標定的第一方法。如先前提及的，管70可至少部分地包圍齒條80，棒90包圍在所述齒條80中。棒90可包括支靠在齒條80的末端79上的棒頭92。固定螺帽94或帽可設置成將棒頭92固定到齒條80。固定螺帽94可通過現有技術中的任意已知方法安裝到棒頭92和齒條80。如先前討論的，當拆卸管70的第一部分71與第二部分72之間的連結部時，第二部分72可被移除以露出固定螺帽94和齒條80。為了更換或安裝棒90，可能必須首先移除固定螺帽94。如圖14中所示，設備30可包括附接或安裝到固定螺帽94的第一磁性元件84。一個或多個第二磁性元件86可附接到管70的外表面73。與實施例相一致，可存在具有例如分布在外表面73周圍的長條形式的多個磁性元件86。第二磁性元件86的位置可與第一磁性元件84的位置相鄰。第一磁性元件84和第二磁性元件86可構造為使得當第一磁性元件84移動到管70內部的新位置時，第二磁性元件86也可由于這兩個元件之間的磁力而沿管70的外表面73移動到新位置。因此，由于位于管70內部而不為操作者可見的第一磁性元件84的確切位置可通過從管70的外部可見的第二磁性元件86指示。設想的是在管70 的外表面73上可存在參考標記，用以指示第二磁性元件86的位置，并隨后指示第一磁性元件84的位置。根據棒90、齒條80和管70、固定螺帽94、第一磁性元件84和第二磁性元件 86的已知尺寸以及第一磁性元件84的位置，可計算棒90的位置。移動第一磁性元件84可通過電機50、齒輪202、204以及旋轉輪200來實現，如上文參照圖3-圖4所討論的。圖15圖示了使用裝置250來恢復標定的另一方面，該裝置250設置成鄰近管79 的末端15處的窗口 180。裝置250可向窗口 180與固定螺帽94之間的空間96中產生波 251，諸如聲波、光波等。因此，裝置250可以是聲學裝置、光學裝置或能夠產生波的其它合適裝置。當由裝置250產生的波251在空間96中行進并且遭遇固定螺帽94時，波251可反射回到裝置250。然后裝置250可檢測到反射波251。在此過程期間，波251的一些特征可能改變。裝置250可測量與波251的改變特征關聯的至少一個參數。然后，根據已知關系，基于由裝置250測量出的該至少一個參數可計算空間96的距離(L)。根據所計算的空間96的距離(L)，可進一步計算棒90的位置。在一些實施例中，裝置250可與控制器100 關聯，并且可向控制器100發送測量出的參數數據，用于棒90的位置的分析和計算。波251 的該至少一個參數可以是空間96內部的波的頻率、相移或行進時間。例如，當光波或聲波251反射回到裝置250時，其頻率可能改變，或者其相位可能移動。根據空間96的距離(L)與波251的頻率或相移的變化之間的已知關系，可計算空間 96的距離(L)。再例如，通過裝置250可向空間96中產生并發射脈沖光波或聲波。當被固定螺帽94反射回并且被裝置250檢測到時，空間96內部的波251的頻率偏移或相位變化可通過裝置250或通過控制器100來確定，該控制器100可與裝置250關聯。根據波251 的頻率偏移或相位變化以及波251的已知速度，可計算空間96的距離(L)。根據所計算的空間96的距離(L)，可進一步計算棒90的位置。因此，可將棒90重定位到標定的原點位置。在一些實施例中，裝置250可與控制器100關聯，并且可向控制器100發送測量出的參數，用于進一步的分析和計算。與實施例相一致，裝置250可不與控制器100關聯，而是代替地，可以是獨立裝置，并且可構造為包括用以執行測量和計算的數據處理器。此外與實施例相一致，圖16圖示了設備30的剖視圖。圖17示出了設備30的局部剖視圖，其中輪的構造與圖4中所示不同之處在于殼體40的內容物。此外設備30可包括至少部分地包圍棒320的管310。管310可包括多個部分，諸如第一部分371和第二部分372。在第一部分與第二部分之間的連結部處，以及在管310的頂端315處，可存在法蘭 325和0型環密封部件335。0型環密封部件335可與圖1中示出的0型環密封部件35相同。至少一個部分，例如第一部分371是可移除的，以允許接近管310內部的棒320。例如， 第一部分與第二部分之間的連結部處的法蘭325可被拆卸，并且可將第一部分371拿開以露出管310內的棒320。如圖17中所示，設備30可包括多個旋轉輪，諸如旋轉輪301a、301b、301c和301d， 每個旋轉輪構造為接觸棒320的外表面322。如圖17中所示，在第一室220中，棒320的接觸旋轉輪的部分可不被管310包圍。棒320的延伸和收回可經由多個輪301a、301b、301c和 301d來實現。與實施例相一致，輪301可直接接觸棒320的外表面322并且在棒320上施加壓力。在適當地選擇用于棒320和輪301的材料的情況下，輪301與棒320之間的摩擦力可足夠大以防止棒320的滑動，從而確保棒320在延伸和收回期間的適當夾緊。為了進一步提高通過輪301施加在棒320上的摩擦力，輪301可通過預加載彈簧345支撐。預加載彈簧345可將輪301推抵棒320，因而可進一步增加棒320與輪301之間的摩擦力。棒320 可隨著輪301旋轉而上下移動(或延伸和收回)。盡管在圖17中示出了預加載彈簧345的位置，但是可替代地，預加載彈簧345可定位在板，諸如撐板與室220的側壁之間。
仍參照圖17，輪301可進一步包括附接或安裝到輪301的0型環部件，諸如30加、 302b,302c和302d。如果通過輪301接觸棒320未提供用以夾緊棒320的充足摩擦力，則0 型環部件302可提高對棒302的夾持。0型環部件302可通過輪的表面上的凹槽安裝在輪 301上或者可另外通過膠合安裝在輪301的表面上。與實施例相一致，如圖18中所示，輪， 例如301d可包括一個以上的0型環部件，例如302d和302d，。0型環部件302可在棒320 的外表面322上施加壓力，并且可提供棒320的適當夾緊。因而棒320可隨著輪301旋轉而移動(延伸和收回)。與本發明的實施例相一致，如圖17和圖18中所示，多個輪可包括四個輪。第一對的兩個輪301a和301d位于棒320的第一側361上，并且構造為接觸棒320的第一表面 324。第二對的兩個輪301b和301c位于棒320的第二側362上，并且構造為接觸棒320的第二表面326。此外如圖17和圖18中所示，輪301可以是不同直徑的。例如，輪301a和 301c可具有相同的直徑，該直徑可小于輪301b和301d的直徑。如圖18中所示，輪301a和 301c可包括安裝在每個輪上的一個0型環部件，輪301b和301d可包括安裝在每個輪上的一個以上的0型環部件。0型環部件302可類似或可不類似于圖16中示出的0型環密封部件35和335。盡管輪301在圖17和圖18中示出為位于第一室220的第一壁44上，但是設想的是輪301中的至少一個可位于第二壁45上。電機50可通過如圖5中所示的電機軸驅動輪 301中的至少一個，例如輪301d。圖19示出了管310的剖視圖以及使用磁性元件86’恢復標定的第一方法，該第一方法與參照圖14討論的方法類似。如先前提及的，管310可至少部分地包圍棒320。棒320 可包括棒頭321，固定螺帽94’或帽可安裝到該棒頭321。固定螺帽94’可通過現有技術中的任何已知方法安裝到棒頭321。如圖19中所示，設備30可包括附接或安裝到固定螺帽 94’的第一磁性元件84’。一個或多個磁性元件86’可附接到管310的外表面312。與本發明的實施例相一致，可存在多個例如分布在外表面312周圍的長條形式的磁性元件86’。 第二磁性元件86’的位置可與第一磁性元件84’的位置相鄰。第一磁性元件84’和第二磁性元件86’可構造為使得當第一磁性元件84’移動到管310內部的新位置時，第二磁性元件86’由于這兩個元件之間的磁力也可沿管310的外表面312移動到新位置。因此，由于位于管310內部而不為操作者可見的第一磁性元件84’的確切位置可通過從管310的外部可見的第二磁性元件86’指示。設想的是在管310的外表面312上可存在參考標記，用以指示第二磁性元件86’的位置，并隨后指示第一磁性元件84’的位置。根據棒320、管310、 固定螺帽94’、第一磁性元件84’和第二磁性元件86’的已知尺寸以及第一磁性元件84’的位置，可計算棒320的位置。移動第一磁性元件84’可通過電機50和多個旋轉輪301來實現，如上文參照圖16-圖17所討論的。圖20圖示了恢復標定的第二方法，該第二方法與在圖15中示出的實施例中討論的方法類似。裝置350可設置成鄰近管310的末端315處的窗口 380。裝置350可向空間 396中產生波351，諸如聲波、光波等。與實施例相一致，空間396可以是窗口 380與固定螺帽94’之間的空間。與另一實施例相一致，在棒頭321處可不需要固定螺帽94’。在此實施例中，空間396將是窗口 380與棒頭321之間的空間。為方便起見，將空間396稱為窗口 380與棒320的末端379之間的空間，其中如果在棒頭321處存在固定螺帽94’，則可將末端379稱為固定螺帽94’，或者如果在棒頭321處不存在固定螺帽94’，則可將末端379稱為棒頭321。裝置350可以是聲學裝置、光學裝置或能夠產生波的其它合適裝置。當由裝置350 產生的波351在空間396中行進并且遭遇末端379時，波351可反射回到裝置350。然后裝置350可檢測到反射波351。在此過程期間，波351的一些特征可能改變。裝置350可測量與波351的改變特征關聯的至少一個參數。然后，根據已知關系，基于由裝置350測量出的該至少一個參數可計算空間396的距離(L)。根據所計算的空間396的距離(L)，可進一步計算棒320的位置。與實施例相一致，裝置350可與控制器100關聯，并且可向控制器100 發送測量出的參數數據，用于棒320的位置的分析和計算。波351的該至少一個參數可以是空間396內部的波的頻率、相移或行進時間。與另一實施例相一致，裝置350可不與控制器100關聯，而是代替地，可以是獨立裝置，并且可構造為包括用以執行測量和計算的數據處理器。例如，當光波或聲波351反射回到裝置350時，其頻率可能改變，或者其相位可能移動。根據空間396的距離(L)與波351的頻率或相移的變化之間的已知關系，可計算空間396的距離(L)。再例如，通過裝置350可向空間396中產生并發射脈沖光波或聲波。當被末端379反射回并且被裝置350檢測到時，空間396內部的波351的行進時間可通過裝置350或通過控制器100來確定，該控制器100可與裝置350關聯。根據波351的行進時間以及波351的已知速度，可計算空間396的距離(L)。根據所計算的空間396的距離(L)， 可進一步計算棒320的位置。因此，可將棒320重定位到該標定的原點位置。在一些實施例中，裝置350可分析測量出的參數，或者可向控制器100發送測量出的參數，用于進一步的分析和計算。在重定位棒90和棒320中可滿足預定的閾值精度等級，以便使用圖14-圖 15或圖19-圖20中討論的實施例來恢復標定。該閾值精度等級可以是基于實際需求的任何預期等級。與實施例相一致，該預定閾值精度等級可以是0.5mm或更小。當操作所公開的系統10用于監控澆鑄過程期間材料的固液界面時，可由石英制成的棒90或320的尖端可經歷相當高的溫度，例如1550°C或更高。與實施例相一致，棒90 或棒320的尖端可距板110的底部大約Im或當使用齒條80以及齒輪202和204時距齒條 80的底部lm。因此，例如，在圖4-圖5中討論的實施例中，齒條80的底部周圍的溫度可為大約300°C。取決于齒條80的材料屬性，齒條80底部處的此溫度可足夠高以影響齒條80 的運動。此外，當在齒條80組裝到設備30并且用于監控固液界面之前齒條80被機加工用于齒形部件82時，可能存在在加工過程期間留在齒條80中的應力。由于由齒條80底部處的高溫引起的熱循環效應或齒條80中的現有應力或熱循環和現有應力的組合效應，齒條 80可能在其運動期間彎曲，并因而可能不能夠使棒90在預期的直線方向上延伸。此問題可通過選擇這樣的材料來解決，即該材料在機加工時不引起應力或制造齒條80能夠減輕該材料內的應力。另外，還可為齒條80選擇能夠忍受足夠高的溫度的材料。對本領域中的技術人員來說，將明顯的是，在不偏離本發明的范圍或精神的情況下，能在所公開的系統和方法中作出各種修改和變形。盡管此處主要對硅的澆鑄進行了描述，但是在不偏離本發明的范圍和精神的情況下，可對其它半導體材料和非金屬晶體材料進行澆鑄。例如，其它材料的澆鑄是可能的，諸如砷化鎵、硅鍺、氧化鋁、氮化鎵、氧化鋅、硫化鋅、砷化銦鎵、銻化銦、鍺、釔鋇氧化物、稀土氧化物、氧化鎂和其它半導體、氧化物以及具有液相的金屬互化物。現在對本領域中的普通技術人員來說將明顯的是，包括具有液相的任何金屬在內的任何材料的固液界面的特征在于上述系統和方法。這些金屬和半金屬可例如包括 Al、Si、P、S、Zn、Ga、Ge、GaAs, Se、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Pb、Fe、Ti、Pt、Au、Ag、Cr、 Co、Ni、Cu和Bi以及這些材料的合金、氧化物或氮化物。根據此處公開的本發明的說明書和實踐，本發明的其它實施例對本領域中的技術人員來說將是明顯的。預期的是認為說明書和實例僅是示例性的，而本發明的真正范圍和精神由下文的權利要求指示。
權利要求
1.一種用于監控固液界面的系統，包括容器，所述容器構造為容納具有固液界面的至少部分熔化的材料；以及設備，所述設備附接到所述容器并且包括 棒，所述棒構造為測量所述固液界面的位置； 齒輪；齒條，所述齒條具有構造為與所述齒輪接合的外表面的第一部分，并且至少部分地包圍所述棒；管，所述管構造為至少部分地包圍所述齒條；旋轉輪，所述旋轉輪構造為接觸所述齒條的所述外表面的第二部分；電機，所述電機構造為驅動所述齒輪；以及控制器，所述控制器構造為控制所述電機并且監控所述固液界面的至少一個參數。
2.根據權利要求1所述的系統，進一步包括殼體，所述殼體具有 至少一個室；以及可移除壁，所述可移除壁覆蓋所述至少一個室的一側。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述至少一個室容納所述齒輪、所述輪、以及所述齒條的至少一部分，并且包括安裝在所述至少一個室上的窗口，以允許觀察所述容器的內部。
4.根據權利要求3所述的系統，其中所述齒輪和所述旋轉輪中的至少一個位于所述至少一個室的壁上。
5.根據權利要求3所述的系統，其中所述齒輪和所述旋轉輪中的至少一個位于所述可移除壁上。
6.根據權利要求3所述的系統，其中所述電機構造為通過電機軸驅動所述齒輪。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述管進一步包括安裝在所述管的末端處的窗
8.根據權利要求7所述的系統，進一步包括固定螺帽，所述固定螺帽位于所述管內部并且安裝在所述齒條的末端上，以將所述棒以可移除方式固定到所述齒條的所述末端。
9.根據權利要求8所述的系統，進一步包括安裝在所述固定螺帽上的第一磁性元件和附接到所述管的外表面的第二磁性元件，其中安裝在所述固定螺帽上的所述第一磁性元件能夠在所述管內部移動，而所述第二磁性元件能夠與所述第一磁性元件一致地移動。
10.根據權利要求8所述的系統，進一步包括鄰近所述窗口安裝的裝置，所述裝置構造為測量所述管內部的空間的尺寸。
11.根據權利要求10所述的系統，其中所述裝置是聲學裝置，所述聲學裝置構造為產生在所述空間內部行進的聲波，并且其中基于與所述聲波關聯的至少一個參數來測量所述空間的所述尺寸。
12.根據權利要求10所述的系統，其中所述裝置是光學裝置，所述光學裝置構造為產生在所述空間內部行進的光波，并且其中基于與所述光波關聯的至少一個參數來測量所述空間的所述尺寸。
13.根據權利要求2所述的系統，其中所述殼體安裝在板上，所述板具有與所述至少一個室關聯的多個中空區，并且其中所述板構造為覆蓋所述容器的端口。
14.根據權利要求1所述的系統，其中所述管構造為包括多個部分，并且至少一個部分構造為允許接近所述齒條和所述棒。
15.根據權利要求1所述的系統，其中所述固液界面的所述至少一個參數包括所述固液界面的位置和所述位置的變化速率中的至少一個。
16.根據權利要求15所述的系統，其中所述控制器進一步構造為計算所述固體部的厚度和所述固體部的所述厚度的變化速率中的至少一個。
17.根據權利要求1所述的系統，其中所述齒輪是第一齒輪，所述系統進一步至少包括與所述齒條接合的第二齒輪。
18.根據權利要求2所述的系統，其中所述至少一個室包括第一開口和第二開口，其中所述齒條的所述部分通過所述第一開口進入所述至少一個室，并且通過所述第二開口延伸到所述至少一個室的頂部。
19.根據權利要求18所述的系統，其中所述至少一個室進一步包括與進口關聯的第三開口。
20.根據權利要求1所述的系統，其中所述至少部分熔化的材料包括從由Al、Si、P、S、 Zn、Ga、Ge、GaAs、Se、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Pb、Fe、Ti、Pt、Au、Ag、Cr、Co、Ni、Cu 和 Bi 組成的組中選擇的至少一種元素，并且所述至少部分熔化的材料是半導體材料。
21.根據權利要求1所述的系統，其中所述棒由石英制成。
22.根據權利要求1所述的系統，進一步包括坩鍋，所述坩鍋構造為容納所述至少部分熔化的材料并且被所述容器包圍。
23.根據權利要求1所述的系統，其中所述容器包括與容納所述至少部分熔化的材料的坩鍋接觸的至少一個熱側壁表面，所述熱側壁表面與所述至少部分熔化的材料等溫或比所述至少部分熔化的材料熱。
24.一種用于監控固液界面的系統，包括容器，所述容器構造為容納具有固液界面的至少部分熔化的材料；以及設備，所述設備附接到所述容器并且包括棒，所述棒構造為測量所述固液界面的位置；管，所述管構造為至少部分地包圍所述棒；多個旋轉輪，所述多個旋轉輪構造為接觸所述棒的外表面；電機，所述電機構造為驅動所述多個旋轉輪中的至少一個；以及控制器，所述控制器構造為控制所述電機并且監控所述固液界面的至少一個參數。
25.根據權利要求M所述的系統，進一步包括殼體，所述殼體包括 至少一個室；以及可移除壁，所述可移除壁覆蓋所述至少一個室的一側。
26.根據權利要求25所述的系統，其中所述至少一個室容納所述輪以及所述棒的至少一部分，并且所述至少一個室包括第一開口、第二開口以及窗口，所述窗口鄰近所述第一開口安裝以允許觀察所述容器的內部。
27.根據權利要求25所述的系統，其中所述旋轉輪中的至少一個位于所述至少一個室的壁上。
28.根據權利要求25所述的系統，其中所述旋轉輪中的至少一個位于所述可移除壁上。
29.根據權利要求25所述的系統，其中所述電機構造為通過電機軸驅動所述多個旋轉輪中的至少一個。
30.根據權利要求M所述的系統，其中所述管進一步包括安裝在所述管的末端處的窗
31.根據權利要求30所述的系統，進一步包括固定螺帽，所述固定螺帽位于所述管內部并且安裝在所述棒的棒頭上。
32.根據權利要求31所述的系統，進一步包括安裝在所述固定螺帽上的第一磁性元件和附接到所述管的外表面的第二磁性元件，其中安裝在所述固定螺帽上的所述第一磁性元件能夠在所述管內部移動，而所述第二磁性元件能夠與所述第一磁性元件一致地移動。
33.根據權利要求31所述的系統，進一步包括鄰近所述窗口安裝的裝置，所述裝置構造為測量所述管內部的空間的尺寸。
34.根據權利要求33所述的系統，其中所述裝置是聲學裝置，所述聲學裝置構造為產生在所述空間內部行進的聲波，并且其中基于與所述聲波關聯的至少一個參數來測量所述空間的所述尺寸。
35.根據權利要求33所述的系統，其中所述裝置是光學裝置，所述光學裝置構造為產生在所述空間內部行進的光波，并且其中基于與所述光波關聯的至少一個參數來測量所述空間的所述尺寸。
36.根據權利要求25所述的系統，其中所述殼體安裝在板上，所述板具有與所述至少一個室關聯的多個中空區，并且其中所述板構造為覆蓋所述容器的端口。
37.根據權利要求M所述的系統，其中所述管構造為包括多個部分，并且至少一個部分構造為允許接近所述棒。
38.根據權利要求M所述的系統，其中所述固液界面的所述至少一個參數包括所述固液界面的位置和所述位置的變化速率中的至少一個。
39.根據權利要求38所述的系統，其中所述控制器進一步構造為計算所述固體部的厚度和所述固體部的所述厚度的變化速率中的至少一個。
40.根據權利要求M所述的系統，其中所述多個旋轉輪中的每一個包括至少一個0型環部件。
41.根據權利要求M所述的系統，其中所述電機構造為通過電機軸驅動所述多個旋轉輪中的至少一個。
42.根據權利要求25所述的系統，其中所述至少一個室包括第一開口和第二開口，其中所述棒的所述部分通過所述第一開口進入所述至少一個室，并且通過所述第二開口延伸到所述至少一個室的外部。
43.根據權利要求25所述的系統，其中所述至少一個室進一步包括與進口關聯的第三開口。
44.根據權利要求M所述的系統，其中所述多個旋轉輪包括四個旋轉輪，其中第一對的兩個旋轉輪位于所述棒的第一側上，接觸所述棒的外表面的第一部分，而第二對的兩個旋轉輪位于所述棒的第二側上，接觸所述棒的外表面的第二部分。
45.根據權利要求M所述的系統，其中所述多個旋轉輪中的至少一個與彈簧關聯。
46.根據權利要求M所述的系統，其中所述至少部分熔化的材料包括從由Al、Si、P、S、 Zn、Ga、Ge、GaAs、Se、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Pb、Fe、Ti、Pt、Au、Ag、Cr、Co、Ni、Cu 和 Bi 組成的組中選擇的至少一種元素，并且所述至少部分熔化的材料是半導體材料。
47.根據權利要求M所述的系統，其中所述棒由石英制成。
48.根據權利要求M所述的系統，進一步包括坩鍋，所述坩鍋構造為容納所述至少部分熔化的材料并且被所述容器包圍。
49.根據權利要求48所述的系統，其中所述容器包括與所述至少部分熔化的材料接觸的至少一個熱側壁表面，所述熱側壁表面與所述至少部分熔化的材料等溫或比所述至少部分熔化的材料熱。
50.一種利用設備來監控至少部分熔化的材料的固液界面的方法，所述設備包括棒、至少部分地包圍所述棒的齒條、以及與所述齒條接合的齒輪，所述方法包括使所述棒延伸以接觸所述固液界面； 當所述棒接觸所述固液界面時，基于閾值輸入停止所述棒； 當所述棒停止時測量所述棒的位置； 將所述棒收回到預定位置；以及至少基于當所述棒停止時所測得的所述棒的位置來計算與所述固液界面關聯的至少一個參數。
51.根據權利要求50所述的方法，進一步包括標定所述棒以建立所述棒的原點位置。
52.根據權利要求50所述的方法，其中標定所述棒包括向電機發送第一指令信號以驅動所述齒輪并且使所述棒延伸； 當所述棒接觸所述固液界面時，基于所述閾值輸入來停止所述電機； 當所述電機停止時測量所述棒的位置； 確定所述棒的原點位置；以及向所述電機發送第二指令信號以驅動所述齒輪并且將所述棒收回到預定位置。
53.根據權利要求50所述的方法，進一步包括 檢測所述棒的標定的喪失；以及通過將所述棒重定位到經標定的原點位置來恢復所述棒的標定。
54.根據權利要求53所述的方法，其中所述設備進一步包括至少部分地包圍所述齒條的管，并且其中將所述棒重定位到經標定的原點位置包括將第一磁性元件安裝到安裝在所述齒條的所述末端上的固定螺帽； 將第二磁性元件以與所述管內部的所述第一磁性元件相鄰的方式附接到所述管的外表面；通過移動所述齒條和所述棒來移動所述第一磁性元件；以及通過附接在所述管的所述外表面上的所述第二磁性元件的位置來確定所述第一磁性元件的位置。
55.根據權利要求53所述的方法，其中所述設備進一步包括管，所述管至少部分地包圍所述齒條并且具有安裝在所述管的末端上的窗口，并且其中將所述棒重定位到經標定的原點位置包括將一裝置與所述管的所述末端上的所述窗口相鄰地安裝；產生在所述窗口與所述齒條的所述末端之間的空間內部行進的波； 測量與所述波關聯的至少一個參數；基于測量出的所述至少一個參數來確定所述空間的尺寸；以及基于所確定的所述空間的尺寸來確定所述齒條和所述棒的位置。
56.根據權利要求55所述的方法，其中所述裝置是聲學裝置和光學裝置中的至少一個，并且其中與所述波關聯的所述至少一個參數是所述波的頻率、相移、和行進時間中的至少一個。
57.根據權利要求M所述的方法，進一步包括通過所述固定螺帽在所述齒條的所述末端處將所述棒以可移除方式固定到所述齒條。
58.根據權利要求50所述的方法，其中延伸和收回所述棒進一步包括 使所述齒輪與所述管接合；以及通過電機驅動所述齒輪。
59.根據權利要求58所述的方法，進一步包括利用旋轉輪支撐所述管。
60.根據權利要求50所述的方法，其中所述設備進一步包括具有至少一個室的殼體， 所述方法進一步包括對容納所述至少部分熔化的材料的容器的內部進行觀察。
61.根據權利要求60所述的方法，進一步包括利用冷卻氣體來降低所述至少一個室的溫度。
62.一種利用設備來監控容納在容器中的至少部分熔化的材料的固液界面的方法，所述設備包括棒、至少部分地包圍所述棒的管、以及多個旋轉輪，所述方法包括使所述棒延伸以接觸所述固液界面； 當所述棒接觸所述固液界面時，基于閾值輸入停止所述棒； 當所述棒停止時測量所述棒的位置； 將所述棒收回到預定位置；以及至少基于當所述棒停止時所測得的所述棒的位置來計算與所述固液界面關聯的至少一個參數。
63.根據權利要求62所述的方法，進一步包括基于閾值輸入來標定所述棒以建立所述棒的原點位置。
64.根據權利要求63所述的方法，其中標定所述棒包括向電機發送第一指令信號以驅動所述旋轉輪并且使所述棒延伸； 當所述棒接觸所述固液界面時，基于所述閾值輸入停止所述電機； 當所述電機停止時測量所述棒的位置； 確定所述棒的原點位置；以及向所述電機發送第二指令信號以驅動所述旋轉輪并且將所述棒收回到預定位置。
65.根據權利要求63所述的方法，進一步包括 檢測所述棒的標定的喪失；以及通過將所述棒重定位到經標定的原點位置來恢復所述棒的標定。
66.根據權利要求65所述的方法，其中將所述棒重定位到經標定的原點位置包括將第一磁性元件安裝到安裝在棒頭上的固定螺帽；將第二磁性元件以與所述管內部的所述第一磁性元件相鄰的方式附接到所述管的外表面；通過移動所述棒來移動所述第一磁性元件；以及通過附接在所述管的所述外表面上的所述第二磁性元件的位置來確定所述第一磁性元件的位置。
67.根據權利要求65所述的方法，其中將所述棒重定位到經標定的原點位置包括 將一裝置與所述管的所述末端上的所述窗口相鄰地安裝；產生在所述窗口與所述棒的末端之間的空間內部行進的波； 測量與所述波關聯的至少一個參數； 基于所測得的至少一個參數來確定所述空間的尺寸；以及基于所確定的所述空間的尺寸來確定所述齒條和所述棒的位置。
68.根據權利要求67所述的方法，其中所述裝置是聲學裝置和光學裝置中的至少一個，并且其中與所述波關聯的所述至少一個參數是所述波的頻率、相移、和行進時間中的至少一個。
69.根據權利要求62所述的方法，其中延伸和收回所述棒進一步包括 利用所述多個旋轉輪固定所述棒；以及通過電機驅動所述輪中的至少一個。
70.根據權利要求69所述的方法，其中固定所述棒包括利用安裝在所述多個旋轉輪上的至少一個0型環部件來固定所述棒。
71.根據權利要求69所述的方法，其中固定所述棒包括利用預加載彈簧在抵靠所述棒的所述輪上施加力。
72.根據權利要求62所述的方法，其中所述設備進一步包括具有至少一個室的殼體， 所述方法進一步包括對容納所述至少部分熔化的材料的容器的內部進行觀察。
73.根據權利要求72所述的方法，進一步包括利用冷卻氣體來降低所述至少一個室的溫度。
74.一種用于測量固液界面的位置的設備，包括 棒，所述棒具有適當的純度和高溫機械完整性；自動位置控制和測量裝置，用于對所述棒進行定位；以及真空密封殼體，用于容納所述設備的至少一個元件。
全文摘要
提供了用于在澆鑄過程期間監控固液界面的系統和方法。所述系統和方法能夠確定澆鑄過程期間的固液界面的位置。
文檔編號B22D2/00GK102202814SQ200980142054
公開日2011年9月28日 申請日期2009年8月24日 優先權日2008年8月28日
發明者內森·G·斯托達德, 羅杰·F·克拉克, 蒙特·A·劉易斯 申請人:Amg艾迪卡斯特太陽能公司