從具有非均勻熱阻的坩堝制造晶體材料的裝置制造方法

從具有非均勻熱阻的坩堝制造晶體材料的裝置制造方法
【專利摘要】坩堝形成裝置(10)，用于通過定向固化制造晶體材料，包括底部(2)和至少一個側壁(4)。底部(2)包括具有第一熱阻的第一部分(2a)和具有第二熱阻的第二部分(2b)，第二熱阻低于第一熱阻。第二部分(2b)設計為容放籽晶(3)以制造晶體材料。底部(2)和側壁(4)至少部分地由緊密密封件(1)形成，緊密密封件(1)包括至少一個參與限定所述第一和第二部分(2a、2b)的缺口。第一部分(2a)由具有附加第一熱阻的第一抗粘合層覆蓋。第二部分(2b)可由具有附加第二熱阻的第二抗粘合層(9b)覆蓋，附加第二熱阻低于第一熱阻。
【專利說明】從具有非均勻熱阻的坩堝制造晶體材料的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及坩堝形成裝置，用于通過定向固化制造晶體材料，設置有底部和至少
一個側壁。
【背景技術】
[0002]光伏工業上所用的硅大部分是多晶結構的結晶硅，即單晶晶粒而不相對于彼此固定取向并且由晶粒邊界圍繞。這種類型材料的生長在布里奇曼型結晶爐中的坩堝中進行。如圖1所不，i甘禍10具有底部2,由籽晶3部分覆蓋。[0003]為了改善獲得材料中晶粒的定向，籽晶，即生長核，沉積在坩堝的底部。然后，硅給料沉積在坩堝中，然后融化，注意不全部融化籽晶。然后以從籽晶執行液態浴(liquidbath)的固化，從其表面結晶方向以限定方式開始結晶。
[0004]該技術，稱為籽晶上生長，使硅的生長條件能更好地控制，但是存在與坩堝中有籽晶相關的另外的限制。坩堝內的熱梯度必須完美地控制以防止籽晶的全部分解。
[0005]因此，如果熔化浴與至少部分保持固態的籽晶接觸，則可僅發生晶體材料從籽晶固化。該特定設置對坩堝內的熱梯度給出很大的限制，并且主要就考慮籽晶而言。
[0006]在文件W02010/005705中，熱交換器僅設置在標記為70的反向坩堝內的籽晶之下。該特定結構通過籽晶實現液態浴的冷卻，從而降低熔化籽晶的風險。然而，該結構也導致產生不平行于坩堝底部的等溫線，這對獲得的晶體材料的電性能有害。
[0007]文件US2011/0180229描述了一種坩堝，該坩堝的復合底部表面限定具有用于熱傳遞的不同熱特性的區域。文件CN101979718和CN101935869中給出類似的教導，其描述了底部表面設置有幾個缺口的坩堝。

【發明內容】

[0008]本發明的一個目標是提供至少部分地克服上述不足的坩堝形成裝置。
[0009]該目標傾向于通過根據所附權利要求的裝置實現。
[0010]本發明的進一步目標是提供坩堝的制造方法。
[0011]該目標傾向于通過根據所附權利要求的方法實現。
[0012]本發明的再進一步目標是提供制造晶體材料的方法，其可實現從存在于坩堝底部的籽晶的生長更容易控制。
[0013]該目標傾向于通過根據所附權利要求的方法實現。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]其它的優點和特征從本發明的以下特定實施例的描述將變得清楚易懂，本發明的特定實施例僅以非限定示例的目的給出且表示在附圖中，其中:
[0015]圖1 (已經描述)表示根據現有技術的示例的包含籽晶的坩堝的橫截面示意圖；
[0016]圖2至5以橫截面的方式表示包根據本發明第一實施例的含籽晶的坩堝的不同變型；
[0017]圖6和7以俯視圖和透視圖的示意方式表示設置有圓形腔的坩堝，該圓形腔形成在坩堝的底部的內表面中；
[0018]圖8至11以俯視圖和透視圖的示意方式表示設置有縱向凹腔的坩堝，該縱向凹腔形成在坩堝的底部的內表面中，凹腔的截面是矩形或三角形；
[0019]圖12以透視圖的示意方式表示設置有縱向凸起的反向坩堝，該縱向凸起設計為與圖11的坩堝的底部的外表面中形成的縱向凹腔配合；
[0020]圖13以橫截面圖的示意方式表示根據本發明第二實施例的坩堝；
[0021]圖14以橫截面圖的示意方式表示根據本發明的提供有坩堝和籽晶的固化裝置，
[0022]圖15和16表示用于在坩堝的底部中形成抗粘合層的方法的兩個步驟。
【具體實施方式】
[0023]根據本發明的坩堝形成裝置10，在下文稱為坩堝，包括底部2和至少一個側壁4。坩堝10可為任何形狀。為了示例的目的，坩堝的底部2形成的截面，即形狀，可為正方形、矩形或圓柱形。
[0024]在正方形或矩形截面的坩堝的情況下，坩堝包括兩兩相接的幾個側壁4，以與底部2—起限定坩堝的內部空間，坩堝的內部空間設計為在通過定向固化而發生固化時容放材料。在圓柱截面的坩堝的情況下，例如旋轉的圓柱，坩堝10包括沿著底部的外圍延伸的單一側壁4，以與底部2 —起限定坩堝的內部空間。側壁4垂直于坩堝10的底部2，或者基本上垂直于底部2。
[0025]坩堝10的底部2和側壁或壁4形成坩堝10的緊密密封件I的一部分。
[0026]緊密密封件I由在熔化和固化階段能承受高溫的材料制造。在優選方式中，坩堝10的緊密密封件I由硅石制造。緊密密封件I也可由石墨制造，或者由包括樹脂和諸如碳纖維的加強纖維的混合物的復合材料制造。
[0027]坩堝10優選制作成單件以加強機械強度，但是它也可另外包括其它添加元件的緊密密封件。
[0028]坩堝10通過其緊密密封件I相對于熔化的材料實現密封功能，即底部2和側壁4使熔化的材料不能從坩堝流出。
[0029]坩堝10的底部2包括具有第一熱阻值的第一部分2a和具有第二熱阻值的第二部分2b，第二熱阻值低于第一熱阻值。熱阻是指坩堝的底部限制內表面與外表面之間熱傳遞的能力。第二部分2b設計為容放由第二晶體材料制造的籽晶以幫助制造晶體材料。第二晶體材料可與要固化的材料相同或不同。
[0030]坩堝10的該特性使熱量通過第二部分2b比通過第一部分2a更容易提取。第二部分可為任何形狀，例如，正方形、圓形或矩形。在或多或少垂直于內表面和外表面的方向上測得坩堝的內表面和坩堝的外表面之間的熱阻值。
[0031]此外，根據本發明，緊密密封件I包括至少一個缺口，其參與限定第一和第二部分2a和2b。一個或多個缺口設置在緊密密封件I的底部，并且該缺口可設置在緊密密封件的內表面位置或外表面的位置。緊密密封件I的內表面設計為容放要固化的材料。
[0032]坩堝形成裝置的底部2和側壁4至少部分地由緊密密封件I形成，其優選為單塊(monoblock,),并且更優選為單片(monolithic),即由單一材料制造。在單片集成的情況下，緊密密封件I形成坩堝10。在單塊集成的情況下，緊密密封件I與一個或多個附加元件一起形成坩堝10。
[0033]根據第一優選實施例，坩堝I的緊密密封件的底部2中的缺口限定或包含坩堝的底部的第二部分2b。
[0034]如圖2所示，緊密密封件I包括位于底部2的內表面中的缺口。該缺口限定第二部分2b。
[0035]第一部分2a可完全圍繞第二部分2b，第二部分2b在這里相對于側壁4基本上位于緊密密封件I的底部2的中心。第一部分2a在第二部分2b的整個周線上延伸。
[0036]緊密密封件I的底部2可包括在第二部分2b周圍形成環的第一部分2a，優選具有垂直于坩堝的底部的對稱軸，以在坩堝內的熱交換中保持最大的對稱性。
[0037]在可替換實施例中，緊密密封件I的底部2包括多個第一部分2a和第二部分2b。為了示例的目的，底部2包括多個第二部分2b，其由第一部分2a圍繞(圖6和7)。
[0038]在優選實施例中，第一和第二部分2a、2b連接到坩堝的底部2的側表面。兩個表面可為兩個連續的側壁或者兩個相對的側壁。在此情況下，第一部分2a至少部分地圍繞第二部分2b，即第一部分2a在第二部分2b的至少部分的周線上延伸(圖8至11)。
[0039]第一和第二部分優選具有平行的縱向軸。在更加優選的實施例中，第一和第二部分在緊密密封件I的底部中交替。
[0040]在采用幾個第二部分2b時，在緊密密封件I的底部中混合前面所述的不同實施例是可能的。
[0041]如圖2所示，第一部分2a的厚度大于第二部分2b的厚度，從而獲得緊密密封件I的底部2的熱阻差。
[0042]在圖2所示的實施例中，緊密密封件I的底部2的外壁是平坦的，能在緊密密封件I使用期間使熔化浴(molten bath)施加的負荷分散并且防止緊密密封件I的快速變形。缺口或凹陷區域位于緊密密封件的底部2的內表面位置，限定第二部分2b。缺口是緊密密封件中厚度減小的區域，例如，凹陷或盲孔。缺口包括底部和至少一個側壁。
[0043]缺口是放置籽晶3的優選區域，因為它能更好地去除源自熔化材料浴的熱量。在優選方式中，籽晶3具有比缺口更小的側向尺寸，從而防止任何的重疊產生一組能夠造成籽晶的破裂的應力。
[0044]在圖3所示第一實施例的變型中，緊密密封件I的底部2的內壁是平坦的，其便于實現緊密密封件I。缺口或者凹陷區域位于緊密密封件I的底部的外表面位置以限定第二部分2b。籽晶3至少部分地設置在第二部分2b之上，以利用更好地去除來自熔化材料浴的熱量的優點。籽晶3在緊密密封件I的底部是突出的，并且它可以以優選方式延伸超過第二部分2b。從外表面實現緊密密封件I的底部的減薄，這容易實現且避免損壞必須容放待結晶材料的內表面。
[0045] 在圖4所示的第一實施例的另一變型中，由存在缺口或凹陷區域反映的第二部分2b在緊密密封件I的底部2的內表面和外表面上。這兩個凹陷區域彼此面對。在優選方式中，兩個缺口具有相同的圖案。然而，不排除一個圖案大于另一圖案或者一個圖案與另一圖案偏移，防止完全重疊而形成具有中間阻值的不同區域。[0046]有趣的是在底部2的內表面的缺口內設置一個或多個籽晶3以利用熱阻減小的優點并且更好地控制固化的材料中的晶體取向。
[0047] 在前面所述的不同實施例中，緊密密封件I形成坩堝10。在優選方式中，緊密密封件I是單片，即它由單一材料制造以減小熱膨脹應力。
[0048]在圖5所示第一實施例的又一變型中，坩堝形成裝置10可包括與附加部件8A相關聯的緊密密封件I。因此，坩堝10的底部包括緊密密封件I的底部以及部件8A。緊密密封件I的底部的外表面包括缺口，并且附加部件8A構造為容納在該缺口中。部件8A的尺寸小于缺口的尺寸，從而進入缺口。坩堝10包括具有第一熱阻值的第一部分2a和具有第二熱阻值的第二部分2b，第二熱阻值低于第一熱阻值。缺口參與限定坩堝10的底部中的兩個部分，這里，第二部分2b對應于缺口區域。
[0049]附加部件8A構造為使其熱阻與緊密密封件I在第二部分2b中的熱阻之和總是低于緊密密封件I在第一部分2a中的熱阻值。第二熱阻源自于在第二部分2b的位置與部件8A串聯放置的緊密密封件I。第一熱阻由位于第一部分2a位置的緊密密封件I形成。附加部件8A由具有低熱阻率的材料制造，該具有低熱阻率的材料的熱阻率低于緊密密封件I的底部的熱阻率，在緊密密封件由硅石制造的情況下，該具有低熱阻率的材料例如由石墨或者鑰制造。
[0050]在部件8A的表面小于缺口的表面的情況下，能夠在由缺口限定的表面內限定具有兩個不同熱阻值的兩個部分。第二部分由具有部件8A的接觸區域限定，而第一部分占據互補表面。
[0051]在與前述實施例能結合的特定實施例中，連接坩堝10與加強元件5是有趣的，加強元件5扮演反向?甘禍(counter-crucible)的角色，目的是減少i甘禍I在高溫下的變形。在通常的形式中，當坩堝10的底部和反向坩堝5的底部由不同材料制造時，形成反向坩堝5的底部材料的熱阻率低于坩堝10的底部2的材料，從而保證從坩堝到外界環境的良好熱傳遞。在優選實施例中，反向坩堝5由石墨或碳纖維復合(CFC)材料制造。
[0052]在特定實施例中，反向坩堝5的底部和坩堝10的底部具有互補形狀，其使得由熔化浴的重量施加在坩堝I和反向坩堝上的應力能夠良好地分布。這也使得限制在坩堝I和反向坩堝5之間的氣體的體積能夠得到限制。
[0053]緊密密封件I容放要固化的材料，并且所用的材料選擇為限制污染。由于熔化材料與反向坩堝5不直接接觸，反向坩堝5可由不同的材料和/或具有不良表面質量的材料制造。
[0054]在圖2所示的實施例中，因為反向坩堝5的底部的形成材料的厚度是不變的，所以反向坩堝5的底部的熱阻是不變的。于是，在由緊密密封件I和反向坩堝5形成的組件的底部中具有兩個不同的熱阻值。總熱阻差與緊密密封件I中存在的熱阻差相關，并且因此與坩堝10中存在的熱阻差相關，如前面所描述。
[0055]在圖3和4所示的實施例中，反向坩堝5的底部的熱阻不是恒定的。因為反向坩堝5的底部的形成材料的厚度是可變的，所以存在兩個不同的熱阻值。反向坩堝5的底部具有平坦的外部表面，并且厚度的變化使存在于緊密密封件I的外表面中的缺口能被填充。反向?甘禍5的附加厚度(extra thickness)使緊密密封件I和反向i甘禍5能具有互補形狀。附加厚度限定了相鄰于第一區域2a’的第二區域2b’。[0056]反向坩堝5的第二部分2b’的熱阻高于反向坩堝5的第一部分2a’的熱阻。
[0057]于是，兩個不同的熱阻值存在于由緊密密封件I和反向坩堝5形成的組件的底部中。所述組件的底部中的總熱阻差與緊密密封件I中存在的熱阻差以及反向坩堝5中存在的熱阻差相關。兩個第一區域2a和2a’在緊密密封件I的內表面和反向坩堝5的外表面之間放置為熱串聯。兩個第二區域2b和2b’也如此。
[0058]在這些實施例中，形成緊密密封件I的底部和反向坩堝5的底部的材料以及缺口的深度(如果合適)選擇為使得第二區域2b和2b’的累積熱阻低于第一區域2a和2a’的累積熱阻。更確切地說，反向坩堝的底部的材料的熱阻率低于緊密密封件I的底部的材料的熱阻率。坩堝包括底部，該底部具有第一熱阻值的第一區域2a和第二熱阻值的第二區域2b，第二熱阻值低于該第熱阻值。這兩個區域通過緊密密封件中形成的缺口限定。籽晶3放置為面對第二區域以利用通過坩堝和反向坩堝的改善的熱量去除的優點。
[0059]在圖5所示的第一實施例的又一變型中，當緊密密封件I和反向坩堝5不是互補形狀時，優選增加附加部件8A到組件。部件8A構造為填充位于反向坩堝5和緊密密封件I之間的空區域且改善通過坩堝10的第二部分的熱提取。因此，部件8A的材料的熱阻率低于緊密密封件的底部的材料的熱阻率，并且優選低于或等于反向坩堝5的底部的材料的熱阻率。
[0060]該附加部件8A設置在緊密密封件I和反向坩堝5之間，以填充存在于緊密密封件I的底部2的外表面上的缺口，以及可能在反向坩堝5的底部的內表面上的缺口。
[0061]于是，對于前述實施例，兩個不同的熱阻值存在于反向坩堝5和坩堝10形成的組件的底部中。所述組件的底部中的總熱阻差主要與由設置有附加部件8A的緊密密封件I形成的坩堝10中存在的熱阻差相關。
[0062]反向坩堝5的內表面可包括缺口以便于定位附加部件8A。當部件8A沉入緊密密封件I和反向坩堝5中(未示出)時，附加部件8A也可構造為使其熱阻與緊密密封件I的第二部分的熱阻以及反向坩堝5第二部分的熱阻之和低于緊密密封件I的第一部分的熱阻和反向坩堝5的第一部分的熱阻之和。
[0063]例如，該實施例使得能夠使用在其外表面設置有缺口的緊密密封件I和底部具有平坦內表面的反向坩堝5。
[0064]如果附加部件8A沉入緊密密封件I和反向坩堝5中，應注意選擇部件8A的材料，以使在第二部分2b的位置由緊密密封件/部件8A/反向坩堝形成的堆疊的熱阻低于在第一部分2a的位置由緊密密封件/反向坩堝形成的對的熱阻。
[0065]圖6表示由緊密密封件I的俯視圖，該緊密密封件I設置有在內表面上的圓形缺口形成的多個第二部分2b。圖7表示設置有多個圓形腔的緊密密封件I的底部的透視圖。圓形腔設計為容放籽晶。為了便于理解，側壁4以示意性的方式表示，而沒有任何厚度。
[0066]圖8表不設置有矩形第二部分2b的?甘禍10的俯視圖。第一和第二部分2a和2b從一個側壁延伸到相對的側壁，并且在該示例中限定第一和第二部分之間交替。在所示的示例中，第一部 分2a在俯視圖上也是矩形。
[0067]圖9和10表示設置有多個矩形腔的坩堝的底部的透視圖，多個矩形腔構造為容放棒狀的籽晶。側壁以示意性方式表示而沒有任何厚度。在圖9的情況下，腔具有矩形或正方形截面，以容放具有互補形狀截面的籽晶。在圖10的情況下，腔具有三角形截面，以優選容放也具有三角形截面的籽晶。
[0068]圖11表示設置有與圖10的坩堝相同的內腔的坩堝。該坩堝還包括形成在坩堝I的底部2的外表面上的腔。外表面的腔設置為面對內表面的腔，即直接在下面(immediately underneath),從而便于第二部分2b中的熱量提取。
[0069]如前所示，反向坩堝5也可存在凸起區域，凸起區域設計為埋設在存在于坩堝I的底部2的外表面上的凹陷區域中。圖12示出了能與圖11表示的坩堝相嵌合的反向坩堝5的透視圖。
[0070]在圖13所示的第二實施例中，坩堝形成裝置10包括與附加部分8B關聯的緊密密封件I。緊密密封件I的底部的外表面包括缺口，并且附加部分8B構造為容放在該缺口中。部分8B的尺寸小于缺口的尺寸以置入缺口中。坩堝10的底部包括具有熱阻值的第一部分2a和具有第二熱阻值的第二部分2b，第二熱阻值低于第一熱阻值。缺口參與限定緊密密封件I的底部中的兩個部分2a和2b。[0071]附加部分SB構造為使其熱阻值與緊密密封件I在第二部分2b位置的熱阻值之和大于緊密密封件I在第一部分2a位置的熱阻值。這樣，坩堝10的底部包括具有第一熱阻值的第一部分2a和具有低于第一熱阻值的第二熱阻值的第二部分2b。坩堝10的第一熱阻由在第二部分2b的位置與部分SB串聯放置的緊密密封件I產生。在第一部分2a的位置，坩堝10的第二熱阻僅由緊密密封件I形成。
[0072]在第二實施例中，部分8B由比緊密密封件I的底部更加熱絕緣的材料形成，即部分8B的材料的熱阻率高于緊密密封件I的底部的材料的熱阻率。在第二實施例中，緊密密封件I的缺口不再用于限定坩堝10的第二部分2b的目的，而是用于限定坩堝10的第一部分2a。
[0073]該第二實施例使得具有高熱阻的區域能在包括缺口的部分2a位置形成。籽晶設置為面對低熱阻的區域，這里在面對缺口的部分2a之外，在第二部分2b的位置。
[0074]為了說明的目的，在坩堝由石墨、SiC或碳纖維/SiC復合物制造的情況下，在缺口中提供熱絕緣的附加部分8B于是優選由低密度石墨纖維(例如低于0.25g/cm3，優選在
0.14至0.20/cm3之間)制造，從而在要填充的缺口的厚度范圍上具有顯著的熱阻差。然而，其它的材料也是可能的，例如，氮化硼、氧化鋁、氮化硅、氧化釔-穩定的氧化鋯、氧化鋯、石英和硅石。
[0075]在沒有示出的實施例中，反向坩堝5也可具有與坩堝的外表面不互補的缺口。然后這些缺口可由比形成坩堝的底部和/或反向坩堝的底部的材料更加熱絕緣的材料填充，以便形成較高熱阻的區域。
[0076]上面涉及的不同實施例可在同一個坩堝中彼此結合，同樣上面涉及的不同變型也可在同一個i甘禍中彼此結合。
[0077]在可與前述實施例結合的圖2所示的特定實施例中，緊密密封件I的底部2部分地或完全由抗粘合層9覆蓋。在第一種情況下，緊密密封件I的底部的第二部分2b沒有抗粘合層9，而第一部分2a被抗粘合層9覆蓋。與第一部分2a相比，抗粘合層9的特定位置使得在第二部分2b的位置能保持更好的熱提取。在第二種情況下，如圖3所示，兩個不同的抗粘合層9a和9b沉積在緊密密封件I的底部。第一抗粘合層9a沉積在第一部分2a中，而第二抗粘合層9b沉積在第二部分2b中。第一和第二抗粘合層的熱特性選擇為例如增加兩個部分2a和2b之間的熱阻差。因此，第二抗粘合層9b的熱阻低于第一抗粘合層9a的熱阻。第一抗粘合層9a和第二抗粘合層9b之間或者包括抗粘合層9的區域和不包括抗粘合層9的區域之間的導熱系數差異優選包括在0.5至5W/mK之間(對于500 μ m的厚度)。該導熱系數差異對于非常有熱傳導性的石墨坩堝具有特別重要的效果。
[0078]換言之,第一部分2a由具有附加第一熱阻的第一抗粘合層9覆蓋,而第二部分2b可由具有低于第一熱阻的附加第二熱阻的第二抗粘合層％覆蓋。
[0079]第一抗粘合層9a可厚于第二抗粘合層9b。在具體實施例中，第一抗粘合層9a由與第二抗粘合層9b相同的材料制造。
[0080]如圖15所示，為了形成沒有抗粘合層9的第二部分2b，可采用施加在第二部分2b上的掩模11。在具體實施例中，在沉積設計為形成抗粘合層9的涂層之前形成掩模11。在沉積設計為形成抗粘合層9的材料之后(例如在噴射步驟后)去除掩模。在形成抗粘合層9的退火步驟之前去除掩模11。在具體實施例中，掩模11是紙片。
[0081]設計為形成抗粘合層的材料的第一沉積階段之后可有第二沉積階段。第一沉積階段限定第一圖案，而第二沉積階段可以是在全部底部上的沉積，即在第一和第二部分上沉積，以形成第一抗粘合層9a和具有較小厚度的第二抗粘合層％。如果在兩個階段上沉積相同的材料，則相同的抗粘合材料以不同的厚度設置在第一和第二部分2a和2b之上。如果兩個材料不同，則第一抗粘合層9a和第二抗粘合層9b的厚度和成分不同。
[0082]換言之，選擇性形成抗粘合層9或第一抗粘合層9a可以以下面的方式實現:
[0083]在坩堝10的底部2上形成掩模11，從而限定掩模11覆蓋的區域和沒有覆蓋的區域，
[0084]沉積設計為形成抗粘合層9的涂層12，
[0085]去除掩模11，
[0086]退火涂層12以形成第一抗粘合層9a或抗粘合層9。
[0087]該制造方法特別容易執行以在平坦或有紋理的坩堝的底部上限定各種圖案。
[0088]在坩堝10比抗粘合層9更純的情況下，去除將來的籽晶3位置下方的抗粘合層9使籽晶3的污染減小。
[0089]抗粘合層9優選為多孔層，其不滲透硅或幾乎不滲透硅(特別在熔化狀態下)，從而固化的硅與抗粘合層9具有很弱的粘合性。
[0090]為了示例的目的，抗粘合層9的抗粘合質量通過在抗粘合層9上沉積硅滴分析并且研究其體積在時間上的變化。硅滴的體積變化越大，硅滲入抗粘合層9中越多。這樣的結果是體積變化越大，所研究的層9的抗粘合質量越差。在傳統的方式中，所研究的抗粘合層9沉積在形成坩堝10的材料的層上，以便盡可能接近于實際的使用條件。
[0091]在具體的實施例中，抗粘合層9由氮化硅制造，其在與將來的硅給料的接觸表面上被有利地氧化。
[0092]為了示例的目的，厚度包括在50 μ m至1000 μ m之間的抗粘合層9具有良好的實
驗結果。
[0093] 在特別有利的方式中，抗粘合層9通過噴涂而沉積。在噴射沉積之后優選有退火步驟，退火步驟設置為去除伴隨形成抗粘合層的材料的溶劑，例如，水。此退火可通過第一溫度的穩定水平實現，第一溫度高于溶劑的蒸發溫度。[0094]噴射 沉積之后有第二次退火，該第二次退火設置為使抗粘合層9的材料反應以形成多孔層。該第二次退火優選在超過875°C的溫度下執行。在優選的方式中，該退火在能夠使形成抗粘合層9的材料氧化的氧化氣體的條件下執行，例如，使氮化硅粉能被氧化。
[0095]坩堝/反向坩堝組件根據其是否面對坩堝10的底部的第一部分2a或者坩堝10的底部的第二部分2b而具有可變的熱阻。即使反向坩堝5包括面對坩堝底部的第二部分2b的變厚部分，坩堝和反向坩堝在第一部分2a位置的整體熱阻也大于坩堝和反向坩堝在第二部分2b位置的整體熱阻。
[0096]特別有利的是，當坩堝的底部的不同部分之間的熱阻差可更加顯著且因此更加有效時，與反向坩堝5的底部相比，在坩堝10的底部2設置熱阻差。
[0097]以與坩堝10相同的方式，反向坩堝5可包括具有不同熱阻的第一和第二部分。在優選方式中，坩堝10和反向坩堝5的第一和第二部分分別彼此面對。
[0098]在能與前述實施例結合的優選實施例中，反向坩堝5的底部的外壁是平坦的，其在其支撐和通過傳導傳熱方面改善反向坩堝5的承受。
[0099]坩堝10優選設計為用在定向固化裝置中以獲得結晶材料的錠。該裝置包括在坩堝10內產生熱梯度的機構。用于產生熱梯度的機構包括熱源6，其例如可設置在坩堝10上方或在坩堝10的側面。產生熱梯度的機構也包括設置在坩堝10下方的熱提取器7。為了示例的目的，這樣的裝置如圖14所示。
[0100]通過調整熱源6發射的熱量和熱提取器7吸收的熱量，能夠調整坩堝10中的溫度和坩堝10內熱梯度的形成。
[0101]在優選實施例中，熱提取器7設置為面對坩堝10的底部的第一部分2a和第二部分2b。于是，熱提取器7通過坩堝的第一部分2a吸收熱量，但也通過坩堝的第二部分2b吸收熱量。這使得能夠保持更加平坦且更加平行于坩堝10的底部的等溫線。所獲得的晶粒比現有技術中獲得的晶粒更加垂直于坩堝的底部。在優選的方式中，熱提取器7設置為面對坩堝10的底部的整個表面，以使非常平坦且平行于坩堝的底部的等溫線在整個坩堝上。
[0102]第二部分2b的熱阻低于第一部分2a的熱阻，在第二部分2b中實現坩堝10的底部2的更好冷卻。與第一部分2a接觸的要固化的材料可為液態，而與第二部分2b接觸的相同的材料保持為固態。坩堝的底部的溫度可以以簡單且經濟的方式調整，例如單一的熱提取器覆蓋坩堝的整個底部，其有助于控制熔化和/或固化期間的熱梯度。
[0103]此結構還可實現在能夠采用的方法的范圍內更大的靈活性。因此，能夠在相同的固化裝置中使用傳統的坩堝和相對坩堝以及具有變化熱阻的坩堝10和反向坩堝5，從而有助于從籽晶3生長。根據前述設想的實施例，也可考慮聯合修改的坩堝10與傳統的反向坩堝5。在優選方式中，籽晶3部分地覆蓋緊密密封件的底部，并且在更加優選的方式中，該區域具有最低的熱阻。該特性能使籽晶在熔化/固化方法中更容易始終保持在固態。
[0104]沉積在坩堝10中的要固化的材料例如是硅、鍺、砷化鎵等。坩堝10的底部2中采用的籽晶3可為單晶或多晶籽晶。
[0105]在第一示例性實施例中，坩堝具有例如840x840mm2形式的正方形底部，坩堝的底部2被機械加工以形成具有直徑等于125mm的圓形凹陷的至少一個區域。凹陷的深度等于8mm。i甘禍的壁厚為20mm。
[0106]坩堝的內壁由抗粘合層覆蓋，該抗粘合層由氮化硅制造，以防止要結晶的硅與由硅石制造的坩堝10之間的任何直接接觸。第二部分2b不包括抗粘合層。
[0107]具有〈100〉取向的單晶硅籽晶3沉積在每個第二部分2b中。
[0108]基本上等于400kg的太陽能級硅給料沉積在坩堝10中。該給料被熔化且與單晶籽晶3接觸。固化從單晶籽晶3開始，從而施加所需的結晶方向。一個或多個熱電偶放置在坩堝10下方，以便相對于坩堝10的底部確定硅在坩堝中的熔化溫度的位置。
[0109]傳統上，坩堝10內的熱梯度是垂直的，溫度從坩堝10的頂部到底部2降低。因此，坩堝10內的材料固化導致形成垂直于坩堝10的底部的晶粒邊界。該構造用于光伏裝置中是有利的。
[0110]坩堝10內的熱調節由任何已知的方法實現，以便保持坩堝10中的熱梯度穩定和垂直。
[0111]在優選方式中，籽晶或多個籽晶的厚度包括在5至25_之間，從而在固化階段的開始在籽晶的部分熔化中具有一定的操作余量。在更加優選的方式中，籽晶的厚度包括在8至12_之間，從而能夠在坩堝的缺口中與其形成整體，而對坩堝10中的等溫線不具有太大影響。
[0112]坩堝10的厚度優選包括在12至40mm之間。在特定的實施例中，坩堝的厚度包括在20至30mm之間。坩堝越薄，熱提取越好，但是坩堝也更易碎。然而，在此溫度范圍中，能夠在不同的部分之間形成具有良好熱阻差的坩堝，而不很大地降低坩堝的可靠性。在更加特定的實施例中，坩堝的厚度包括在20至22_之間。該范圍在熱提取、坩堝的可靠性和熱阻差之間給出最好的平衡。
[0113]反向坩堝5的厚度優選包括在5至200_之間，從而具有良好的機械強度和適度的熱阻。在優選實施例中，當反向坩堝5由石墨制造時，反向坩堝5的厚度包括在10至60mm之間。增加反向坩堝的厚度可實現其 機械強度的提升。在另一實施例中，當反向坩堝5由碳纖維復合物CFC制造時，反向坩堝5的厚度包括在10至30mm之間。
【權利要求】
1.一種坩堝形成裝置，用于通過定向固化而制造晶體材料，包括底部(2)和至少一個側壁(4)，其中該底部(2)包括: 具有第一熱阻的第一部分(2a)和具有低于該第一熱阻的第二熱阻的第二部分(2b)，并且設計為容放用于制造所述晶體材料的由第二晶體材料制造的籽晶(3)， 該底部(2)和該至少一個側壁(4)至少部分地由緊密密封件(I)形成，該緊密密封件(1)包括至少一個參與限定所述第一和第二部分(2a、2b)的缺口， 該裝置的特征在于，該第一部分(2a)由具有附加第一熱阻的第一抗粘合層(9、9a)覆蓋，并且該第二部分(2b)由具有低于該第一熱阻的附加第二熱阻的第二抗粘合層(9b)覆蓋，或者該第二部分(2b)沒有抗粘合層。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于該第一抗粘合層(9a)比該第二抗粘合層(9b)厚。
3.根據權利要求1和2中之一所述的裝置，其特征在于該第一抗粘合層(9a)與該第二抗粘合層(9b)由相同的材料制造。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其特征在于該裝置包括多個第一和第二部分(2a、2b)，該多個第一和第二部分(2a、2b)之間交替，從第一側壁(4)到相對的第二側壁⑷。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特征在于該緊密密封件(I)的該底部(2)的該內壁包括代表該第二部分(2b)的缺口。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特征在于該緊密密封件(I)的該底部(2)的該內壁是平坦的。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的裝置，其特征在于該緊密密封件(I)的該底部(2)的該外壁包括代表該第一部分(2a)的缺口，并且該裝置包括位于代表該第一部分(2a)的該缺口中的附加部分(8B)，該附加部分(SB)構造為使其熱阻與該緊密密封件(I)在該第一部分(2a)位置的熱阻之和大于該緊密密封件(I)在該第二部分(2b)位置的熱阻值。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征在于該附加部分(SB)由熱阻率高于該緊密密封件(I)的該底部的熱阻率的材料制造。
9.一種根據權利要求1至8中任一項的用于定向固化的坩堝的制造方法，該坩堝包括底部(2)和至少一個側壁(4)，其特征在于該方法包括: 在該坩堝(10)的該底部(2)上形成掩模(11)從而限定由該掩模(11)覆蓋的區域和未覆蓋區域， 沉積涂層(12)，該涂層(12)設計為形成抗粘合層， 去除該掩模(11)， 退火該涂層(12)以形成該第一抗粘合層(9)。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于該掩模(11)是紙片。
11.根據權利要求9和10之一所述的方法，其特征在于該涂層(12)通過噴射沉積。
12.根據權利要求9至11中任一項所述的方法，其特征在于該涂層(12)經受氧化退火以在該表面上形成氧化的第一抗粘合層(9、9a)。
13.根據權利要求9至12中任一項所述的方法，其特征在于該方法包括在該第一部分(2a)和該第二部分(2b)上沉積附加涂層，該退火形成該第一部分(2a)上的該第一抗粘合層(9a)和該第二部分(2b)上的該第二抗粘合層(％)。
14.一種用于固化晶體材料的系統，包括: 根據權利要求1至8中任一項的坩堝形成裝置(10)， 在該坩堝形成裝置(10)內產生熱梯度的機構，以及 反向坩堝(5)，由熱阻率低于形成該坩堝形成裝置(10)的該底部的材料的熱阻率的材料制造。
15.根據權利要求14所述的系統，其特征在于該反向坩堝(5)設置為抵靠該坩堝形成裝置(10)的該底部(2)的外表面，該反向坩堝(5)具有底部，其內表面與該坩堝形成裝置(10)的該底部(2)的外表面具有互補形狀。
16.根據權利要求14和15中任一項所述的系統，其特征在于該反向坩堝(5)的該底部具有恒定的厚度。
17.根據權利要 求14和15中任一項所述的系統，其特征在于該坩堝形成裝置(10)的該底部(2)的外表面為平坦的。
18.根據權利要求14至17中任一項所述的系統，其特征在于該系統包括面對該坩堝形成裝置(10)的該底部(2)的該第一部分(2a)和該第二部分(2b)的熱提取器。
19.根據權利要求14所述的系統，其特征在于該系統包括設置在該反向坩堝(5)和形成在該坩堝形成裝置(10)的該底部(2)的外表面上的凹陷之間的附加熱阻，以執行該凹陷區域與該反向坩堝(5)的熱傳導。
20.一種在根據權利要求14至19中任一項的系統的坩堝形成裝置(10)中通過定向固化液相的材料而制造晶體材料的方法，其特征在于該方法包括: 提供根據權利要求1至8中任一項的坩堝形成裝置(10)，該坩堝形成裝置(10)設置有由晶體材料制造的籽晶(3)，該籽晶(3)設置為至少部分地覆蓋該坩堝形成裝置(10)的該底部的該第二部分(2b)，該坩堝形成裝置(10)至少部分地由要固化的材料的給料填充， 在該坩堝形成裝置(10)中產生第一熱梯度以熔化要固化的材料，該籽晶(3)至少部分地保持固態， 在該坩堝形成裝置(10)中產生第二熱梯度以從該籽晶(3)使熔化狀態的該材料固化。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于該籽晶設置在該坩堝形成裝置(I)的該底部⑵的缺口中。
【文檔編號】C30B29/06GK103917699SQ201280054252
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年9月3日 優先權日:2011年9月5日
【發明者】F.庫斯蒂爾, D.卡梅爾, A.儒伊尼, E.皮漢 申請人:原子能和代替能源委員會