CN101724903B - 向晶体形成装置装载熔融源材料的熔化器组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种向用于形成晶体的晶体形成装置提供熔融源材料的装料的熔化器组件。该熔化器组件包括壳体和位于该壳体内的坩埚。一加热器相对于该坩埚设置以熔化接纳在坩埚内的固态源材料。坩埚具有喷嘴以控制熔融源材料的流动，以便可以选定的流量向晶体形成装置提供熔融源材料的定向流。还提供了一种向晶体形成装置装填熔融源材料的方法，以及一种利用单个熔化器组件服务于多个晶体形成装置的方法。

Description

向晶体形成装置装载熔融源材料的熔化器组件和方法

本申请是申请号为200580028099.5的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2005年6月17日，名称为“向晶体形成装置装载熔融源材料的熔化器组件和方法”。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于熔化固态硅的熔化器组件，尤其涉及一种用于向晶体形成装置装载熔融源材料的熔化器组件和方法。

背景技术

通常使用直拉(“Cz”)法制备具有单晶体结构的单晶材料，该单晶材料是用于制造许多电子元件例如半导体器件和太阳能电池的原材料。简而言之，直拉法包括在位于专门设计的熔炉内的石英坩埚中熔化多晶体源材料例如颗粒或块状多晶体硅(“多晶硅”)以形成硅熔体。通常使惰性气体例如氩在该熔炉中流通。在坩埚上方一较小的籽晶安装在一拉制轴上，该拉制轴可升高或降低该籽晶。使坩埚旋转，并将籽晶降低到与坩埚内的熔融硅接触。当籽晶开始熔化时，将籽晶从熔融硅中缓慢地拉出并且籽晶开始生长，从而从熔体中拉出具有单晶体结构的硅。

可通过本领域内已知的各种其它工艺来生产适于用作生产太阳能电池或其它电元件的原材料的大颗粒多晶体半导体结构。对于直拉法，可选的工艺包括利用熔融源材料(例如硅)生产具有预期的导电特性的固态晶体(例如晶锭、晶带〔ribbon〕等)的多种装置。这些工艺可包括块铸，其要求用熔融硅填充冷坩埚并使熔融硅固化且形成多晶体。通常被称为边缘限定薄膜生长(EFG)方法的另一种工艺包括通过使用毛细管模头(capillary die)部件生长具有受控尺寸的各种形状的空心晶体，该毛细管模头部件利用毛细管作用来帮助将熔融源材料从坩埚传送到连接到牵引机构的籽晶。另外，还存在各种晶带生长方法，该方法包括从源材料的熔体拉出的基本为扁平的晶带结构的生长。

用于形成用于半导体器件和太阳能电池的半导体材料的各种现有方法通常包括直接在坩埚内熔化颗粒多晶硅或者向坩埚添加一份熔融硅的步骤。直接在坩埚内熔化颗粒多晶硅的一个缺陷是，多晶硅优选是高纯度的脱氢的硅以减少在熔化期间由于氢的释放导致的喷溅。坩埚内的喷溅会使硅沉积在晶体形成装置的热区的多个部件上，并且可能导致拉制的晶体不纯或者损坏热区内的具有石墨和碳化硅涂层的石墨部件。脱氢的化学汽相淀积(CVD)颗粒多晶硅比没有被脱氢的更易得到的CVD多晶硅昂贵，并且它的使用会增加通过各种方法生产的硅晶片或其它电元件的生产成本。

其它的操作和机械问题是由于在晶体形成装置的主坩埚内熔化固态多晶硅导致的。例如，由于多晶硅与液态硅相比具有高导热系数和高发射率，所以需要大量的功率来熔化多晶硅。另外，在主坩埚内熔化固态多晶硅比较费时，通常需要15-18个小时来熔化一份250千克(551lbs)的多晶硅装料。此外，由于暴露在熔化固态多晶硅所需的高熔化温度下而在坩埚内引起的热应力(化学和机械的)会导致坩埚壁的粒子松动并悬浮在熔体内，使得晶体品质较低且会对坩埚造成永久性损坏。另外，坩埚会受到由于装载固态多晶硅颗粒以及从坩埚壁取出颗粒而产生的机械应力，装载固态多晶硅颗粒会频繁地刮蹭坩埚壁，从而对坩埚造成损坏，而取出颗粒可能污染硅熔体以及由其形成的体部。

多种现有方法试图消除在坩埚内熔化多晶硅的需要。这些现有方法包括提供安置在该主坩埚上方的用于熔化多晶硅的辅助坩埚，以便利用或不利用压力差的重力进料使熔融硅可以在晶体生长期间流入主坩埚。这些已有的现有方法不能有效和快速地熔化固态多晶硅，并且不能以减少在晶体形成装置的热区部分上的熔体喷溅的方式将熔化的硅传送到主坩埚。另外，现有方法不能提供一种加热固态多晶硅的快速和经济的方法，以减少熔化时间并增加晶体形成装置的通过量。因此，需要这样一种向晶体形成装置提供熔融硅的方法，该方法可快速和有效地熔化固态多晶硅，并以减少喷溅和保持得到的硅晶体的品质的方式将熔融硅传送到装置的主坩埚。

发明内容

本发明的其中一些目标是，提供一种有助于向晶体形成装置充填熔融硅源材料的硅熔化器组件以及操作方法；提供一种可增加晶体产量和通过量的熔化器组件和方法；提供一种可提高品质的熔化器组件和方法；提供一种可快速加热固态硅的熔化器组件和方法；提供一种可对硅进行受控加热的熔化器组件和方法；提供一种可减小由于向晶体形成装置添加熔体导致的熔体喷溅的熔化器组件和方法；提供一种限制和隔离由于向熔融硅的容器添加多晶硅导致的粉尘和熔体喷溅的熔化器组件和方法；以及提供一种可用单个熔化器再填充多个晶体形成装置的熔化器组件和方法。

总体上，本发明涉及一种用于向晶体形成装置提供熔融源材料的装料的熔化器组件。该熔化器组件包括壳体和位于该壳体内的坩埚。一加热器相对于该坩埚设置以熔化接纳在该坩埚内的固态源材料。该坩埚具有适于控制熔融源材料的流动的喷嘴，以便以选定的流量向该装置提供熔融源材料的定向流。

在本发明的另一个方面中，提供一种向拉晶机充填熔融硅的方法。该方法包括从限定一生长室的拉晶机的下部壳体取下限定一拉制室的该拉晶机的上部壳体的步骤。将熔化器组件连接到该下部壳体上以代替该上部壳体。使源材料在该熔化器组件内熔化。将熔化的源材料从熔化器组件输送到位于该晶体形成装置的下部壳体内的坩埚，以便在该坩埚内形成用于生长单晶体晶锭的熔体。

在又一方面中，本发明涉及一种用于向用于形成晶体的晶体形成装置提供熔融源材料的装料的熔化器组件。该熔化器组件包括壳体和位于该壳体内的坩埚。一加热器相对于该坩埚设置以便熔化接纳在该坩埚内的固态源材料。一感受器(susceptor)支承该坩埚并促进该坩埚内的固态源材料的加热。该感受器具有间隔开的上部部分和下部部分，以允许对加热器进行独立控制。

在本发明的另一个方面中，提供一种向晶体形成装置装填熔融源材料的方法。该方法包括相对于该晶体形成装置安置熔化器组件以便将熔融硅输送到该装置的坩埚的步骤。操作该熔化器组件内的上部加热线圈以熔化该熔化坩埚内的源材料。操作该熔化器组件内的下部加热线圈以使熔融源材料流过该熔化器组件的孔口，以便向该晶体形成装置的坩埚输送熔融源材料的流。

在本发明的又一方面中，提供一种用单个熔化器组件服务于多个晶体形成装置的方法。该方法包括相对于第一晶体形成装置安置熔化器组件以便向该第一装置的坩埚输送熔融硅的步骤。操作该熔化器组件内的加热器以熔化该熔化坩埚内的源材料。从熔化器组件向第一晶体形成装置输送熔融源材料的流。相对于第二晶体形成装置安置熔化器组件以便向该第二装置的坩埚输送熔融硅。从该熔化器组件向第二晶体形成装置输送熔融源材料的流。

本发明的其它目的和特征部分是显而易见的，部分将在下文指出。

附图说明

图1是本发明的熔化器组件的示意性垂直剖视图；

图2是形式为拉晶机的现有技术的晶体形成装置的示意性局部剖视图；

图3是安装在拉晶机的下部壳体上的熔化器组件的示意性局部剖视图；

图4是示出与熔化器组件分离的熔化坩埚、感受器(susceptor)和感应线圈的示意性垂直剖视图；

图5是与熔化器组件分离的感受器、熔化坩埚和感应线圈的正视图；

图6是沿包含图5的线6-6的平面的横剖视图；

图7是沿包含图5的线7-7的平面的横剖视图；

图8是感受器的分解垂直剖视图；

图9是示出喷嘴的熔化坩埚的放大的局部剖视图；

图10是与图4类似的示意性垂直剖视图，但是示出正在从进料器填充固态多晶硅的熔化坩埚；

图11是与图10类似的视图，但是示出熔化坩埚内的固态多晶硅的初始熔化；

图11A是与图11类似的视图，但是示出熔化坩埚内的固态多晶硅的进一步熔化；

图12是与图11类似的视图，但是示出熔化坩埚内的固态多晶硅的更进一步的熔化；

图13是与图12类似的视图，但是示出向熔化坩埚内添加固态多晶硅；

图13A是与图13类似的视图，但是示出熔化坩埚内的固态多晶硅的进一步熔化；

图14是与图12类似的视图，但是示出熔化坩埚内的固态多晶硅的进一步熔化；

图15是与图14类似的视图，但是示出液态硅流过熔化坩埚的出口以及向坩埚内添加固态多晶硅；

图16是与图15类似的视图，但是示出熔化坩埚内的熔体高度减小；

图17是与图15类似的视图，但是示出熔化坩埚的一个可选实施例；

图18是本发明的另一个实施例的熔化器组件的示意性剖视图；

图19是本发明的另一个实施例的熔化器组件的放大的局部示意性剖视图；

图20是本发明的另一个实施例的熔化器组件的示意图；

图21是图20的实施例的熔化坩埚的分解剖视图；

图21A是一种形式的熔体流动导向件的示意性剖视图；

图21B是第二种形式的熔体流动导向件的示意性剖视图；

图21C是第三种形式的熔体流动导向件的示意性剖视图；

图22是安装在晶体形成装置上的熔化器组件的另一个实施例的示意性剖视图；

图23是熔化器组件的另一个实施例的示意性剖视图，示出在熔化坩埚和晶体形成装置的主坩埚之间传送液态硅；

图24是形式为EFG拉晶机的现有技术的晶体形成装置的示意性局部剖视图；

图25是安装在图24的晶体形成装置的下部壳体上的熔化器组件的示意性局部剖视图；

图26是现有技术的晶带生长晶体形成装置的局部透视图；

图27是安装在图26的晶体形成装置的下部壳体上的熔化器组件的示意性局部剖视图；

图28是安装在形式为铸造坩埚的现有技术的晶体形成装置上方的熔化器组件的示意性局部剖视图；

图29是定位成服务于一系列拉晶机中的第一拉晶机的熔化器组件的示意图。

在附图中对应的部分由对应的参考标号指示。

具体实施方式

参照图1和2，总体上用参考标号1指示的本发明的熔化器组件可用于向本领域内通常已知的各种晶体形成装置提供熔融源材料。一种这样的晶体形成装置是用于根据直拉法生长单晶硅晶锭(例如图2的晶锭I)的传统拉晶机，其总体上用CP指示。图2内所示的拉晶机CP构造成生产硅晶锭I。由本发明的熔化器组件提供的熔融源材料可以是硅或在晶体形成装置内使用以生产固态晶体的任何其它源材料(例如氧化铝、钛酸钡、铌酸锂、钇铝石榴石、锗、镓、砷化镓等)。

拉晶机CP包括水冷壳体，该壳体包括包围下部晶体生长室GC的下部壳体LH和包围部分在图2中示出的上部拉制室PC的上部壳体UH。上部壳体UH和下部壳体LH通过带凸缘的连接部FC和锁定装置LD可拆卸地连接。上部壳体UH和下部壳体LH被门隔离阀GV隔开。可设置泵(未示出)或其它合适的装置以便在壳体内部抽真空。如图3所示，熔化器组件1可安装在拉晶机CP的下部壳体LH上而不是上部壳体UH上，并接纳来自重力进料器GF的固态颗粒多晶硅。如下文将更详细说明的，熔化器组件1熔化固态多晶硅并通过重力进料将熔融硅传送到拉晶机CP或其它晶体形成装置。

再次参照图2，拉晶机CP是用于根据直拉法生产单晶硅晶锭I的传统拉晶机。在所示实施例中，拉晶机CP是由Kayex Corporation ofRochester，New York制造的型号为FX150的晶体生长器炉，但是应理解可使用其它拉晶机而不会背离本发明的范围。包围晶体生长室GC的下部壳体LH具有大致为拱顶形的上部壁UW，并容纳安放在石墨感受器S中的石英晶体生长坩埚CC。坩埚CC容纳熔融源材料M，从该源材料生长单晶硅晶锭I。感受器CS安装在转盘T上，该转盘用于使感受器S和坩埚CC围绕拉晶机CP的中心纵向轴线旋转。随着晶锭I生长和源材料从熔体移出，坩埚CC还能够在生长室GC内升高以便将熔融源材料M的表面维持在基本恒定的水平上。

一电阻加热器HC围绕坩埚CC以用于加热坩埚，以便保持源材料M处于熔融状态。加热器HC被外部控制系统(未示出)控制，以便可在整个拉晶过程中精确地控制熔融源材料M的温度。一热屏蔽组件HS在熔融源材料M上方安装在生长室GC内，并且具有一中心开口，该中心开口的大小和形状制成在从源材料拉出晶锭I时可围绕晶锭I。下部壳体LH内的围绕晶体生长坩埚的区域通常被称为拉晶机CP的“热区”。热区部分包括感受器S、加热器HC、热屏蔽组件HS和热反射器或绝缘器I，它们控制坩埚CC周围的传热以及生长晶体的冷却速率。

一拉制轴PS从能够升高、降低和旋转该拉制轴的牵引机构PM向下延伸。根据拉晶机的类型，拉晶机CP可具有牵引线(未示出)而不是轴PS。拉制轴PS向下延伸通过拉制室PC，并在保持用于生长单晶体晶锭I的籽晶C的籽晶卡盘SC处终止。拉制轴PS的大部分在图1内被省略，包括在其顶部和在其连接到卡盘SC处。在生长晶锭I时，牵引机构PM降低籽晶C直到该籽晶接触熔融源材料M的表面。一旦籽晶C开始熔化，则牵引机构PM使籽晶C向上缓慢地升高以穿过生长室GC和拉制室PC，以便生长单晶体晶锭I。牵引机构PM使籽晶C旋转的速度以及牵引机构升高籽晶SC的速度由外部控制系统(未示出)控制。除了下文更详细说明的以外，拉晶机CP的总体构造和操作是传统的，并且是本领域内的普通技术人员已知的。此外，应理解，拉晶机CP可具有其它构型而不会背离本发明的范围。

如图1和3所示，熔化器组件1包括总体用5指示的熔化罐、和从该熔化罐的底部向下延伸以便连接到拉晶机CP的下部壳体LH的对接套环9。熔化罐5包括环形基底13，总体用15指示的一管状侧壁从该基底向上伸出，该侧壁由间隔开的内壁部件17和外壁部件19形成。熔化罐5的总体用23指示的顶壁大致为拱顶形，并且由间隔开的内壁部件25和外壁部件27形成。管状壁15和顶壁23的隔开的壁部件限定了空腔31，冷却水可在该空腔中循环。位于罐5的顶壁23内的中心进料口35具有套管39，该套管接纳重力进料器GF的进料管43。中心进料口35具有真空密封件47以密封熔化器组件1和重力进料器GF内的气氛。进料器和熔化器组件的气氛与拉晶机CP内的气氛具有基本相同的压力和组成。进料管43和套管39之间的配合应当是具有大约13mm(1/2英寸)的径向间隙的松配合，以容纳熔化器组件1内的熔体溅沫和灰尘。熔化罐5的顶壁23和管状壁15具有相应的配合凸缘51、53，这些配合凸缘接纳紧固件57以将顶壁和管状壁连接在一起。可取下顶壁23以允许进入熔化罐5内部。熔化罐5具有允许电源线(60，63)和冷却管线(未示出)进入该熔化罐的侧部入口59。侧部入口59具有真空密封件(未示出)，该真空密封件围绕通过该入口的管线和电源线60、63，从而保持罐5内的气氛的压力和组成。

熔化罐5包含总体用65指示的由合适材料例如熔凝石英(或熔凝硅石)制成的熔化坩埚，该熔化坩埚安放在总体用69指示的石墨感受器组件上。感受器组件69由安装在平台77上的陶瓷底座73支承，该平台77覆盖熔化罐5的环形基底13内的开口81。平台77和环形基底13之间的紧密封防止熔体溅沫和灰尘从熔化罐5穿过对接套环9并进入拉晶机CP。熔化坩埚65具有总体由85指示的喷嘴，该喷嘴从坩埚的主体部89向下伸出(悬垂)并允许熔融硅从熔化坩埚流到拉晶机CP内的晶体生长坩埚CC。感受器组件69(在形状上)符合并围绕熔化坩埚65的主体部89和喷嘴85。熔化器组件1具有围绕感受器组件69的上部部分和坩埚65的上部感应线圈95，以及围绕感受器的下部部分和坩埚喷嘴85的下部感应线圈99。上部和下部感应线圈95、99连接到对应的电源100、101(在图1和3中示意性地示出)，该电源提供可流过每个对应线圈的电流。上部和下部线圈95、99可被单独控制，从而可监控和调节流过每个线圈的电流而不必考虑流过其它线圈的电流。围绕熔化坩埚65和感受器69的上部和下部部分布置两个线圈95、99使得可在熔化坩埚的上部和下部部分中进行独立的温度控制。

参照图1和4，熔化坩埚65的主体部89大致为圆柱形，并且具有开放的顶端103和圆锥形底壁107。喷嘴85从圆锥形底壁107向下伸出，并且与主体部89共轴。在一个实施例中，坩埚65的底壁107的内表面具有在大约1度-大约60度范围内的、更优选地大约10度的斜坡，以有助于熔融硅流入喷嘴85。在所示实施例中，包含圆锥形底壁107的坩埚65的主体部89制成一个整体，并且底部喷嘴85由熔合在该坩埚底壁上的石英管制成。在本发明的范围内还可使用其它构造。

喷嘴85构造成产生从熔化罐5的流动，该流动大致沿与喷嘴的中心线对齐的路径。重要的是，从坩埚65流出的液态硅是定向流以减少对拉晶机CP的部件的喷溅和喷洒。在拉晶机CP的热区内不希望出现液态硅的喷溅和喷洒，因为这可能会损坏热区的部件(例如热屏蔽HS、坩埚GC、感受器S等)，并且可能产生松散的硅颗粒，该硅颗粒可能落回到晶体生长坩埚内并危害晶体品质。如图9最清楚示出的，熔化坩埚喷嘴85包括位于坩埚65的底壁107内的第一较大直径部分109，位于该较大直径部分下游的具有较小直径并形成喷嘴的孔口的第二部分111，以及位于该孔口下游的具有中间尺寸直径的第三部分115。如下文更详细说明的，喷嘴85的总长度以及第一、第二和第三部分109、111、115的对应的长度和直径的大小这样设定，使得可保持熔融硅的流以最佳的流量从坩埚65流出并避免过早浇注。优选地，从坩埚65流出的熔融硅的流是粘连的不间断的液体流，但是应理解，该流可包括从坩埚65流出的沿喷嘴85的中心线大致定向的液滴。应理解，来自喷嘴85的熔融硅的流可能偏离喷嘴的中心线，但是仍基本上沿喷嘴的路径定向而不会背离“大致定向”的含义。在一个实施例中，熔融硅的流可偏离喷嘴85的中心线大约40mm(1.6英寸)的最大距离，但是仍在“大致定向”的含义内。

如图4-8所示，感受器组件69具有三个部分：总体上由121指示的支承熔化坩埚65的大致为圆柱形的上部部分(坩埚支承件)，用于支承坩埚65的圆锥形底壁107并开始熔化(过程)的圆锥形一体中间部分(熔化感受器)125，和接纳熔化坩埚65的喷嘴85的下部出口部分(喷嘴感受器)129。上部部分121和下部出口部分129通过相应的环形间隙130、131与中间部分125间隔开。在所示实施例中，上部部分121具有总体上由123指示的四个径向区段(图6)，这些区段均被径向间隙132隔开。在一个实施例中，环形间隙130、131和径向间隙132从大约3mm(1/8英寸)到大约6mm(1/4英寸)。间隙130、131、132隔离由上部线圈95和下部线圈99在感受器组件69内感应出的电流，以便下部出口部分129被下部线圈感应出的电流加热，中间部分125被上部线圈感应出的电流加热，而上部部分121不被任何一个线圈感应出的电流加热。应理解，上部线圈95和下部线圈99可装配在陶瓷体(未示出)内，该陶瓷体在感受器组件的各个部分121、125和129之间的环形间隙130、131内包含石墨纤维绝缘材料(未示出)，并在感受器组件的上部部分121的各个区段123之间的径向间隙132之间包含石墨绝缘材料(未示出)。应理解，绝缘材料可包括其它材料例如石英砂、陶瓷耐火纤维、玻璃(vitrious)耐火纤维或任何其它高温隔热和电绝缘材料。

如图5和6所示，上部体部121具有一系列指部133，该指部沿圆周方向间隔开以便在上部体部内形成间隙137。指部133之间的间隙137和上部部分121的区段123之间的间隙132可防止上部部分与上部感应线圈95电耦合，并防止感应电流在感受器组件69的指部中流动。在所示实施例中示出16个指部133，但是应理解感受器69可具有其它设计而不会背离本发明的范围。每个径向间隙132将其中一个指部133分成两半，并且该(径向)间隙相互间隔开大约90度。指部133之间的间隙137优选地从大约3mm(1/8英寸)到大约6mm(1/4英寸)。由于在感受器组件69的指部133中不会感应出电流，所以感受器的上部部分121不会产生大量的电阻热。相反，通过上部和下部线圈95、99的感应电流对感受器组件69的下部部分的电阻加热，可加热熔化坩埚65和该坩埚的下部中的固态多晶硅。指部133没有受到感应加热，并且仅在坩埚中的硅由上部线圈95加热时通过辐射和传导被加热。

如图5-8所示，感受器组件69的圆锥形中间部分125和下部出口部分129是实心结构，从而上部和下部感应线圈95、99与感受器在这些区域内的相应部分电耦合。中间部分125和出口部分129之间的间隙131使感受器组件69的这两个部分电绝缘，从而上部线圈95不会在下部出口部分中感应出电流，而下部线圈99不会在中间部分中感应出电流。提供给上部线圈95的电流产生交变磁场，该磁场导致电流在感受器组件69的位于指部133下方的中间部分125中流动。提供给下部线圈99的电流产生交变磁场，该磁场导致电流在感受器69的下部出口部分129内流动。感受器组件69中的感应电流沿与线圈95、99内的电流相反的方向流过感受器，并在感受器内产生电阻加热。通过对石墨感受器组件69的实心部分的感应加热，产生对坩埚65的底壁107的辐射和传导加热，从而使位于坩埚底壁上的固态多晶硅熔化。

在电阻和传导加热已熔化坩埚65中的固态多晶硅的底部部分之后，上部线圈95的磁场在导电液态硅中感应出电流，该电流进一步加热液态硅并且通过液态硅的辐射和传导加热来增加坩埚内剩余的固态多晶硅的熔化速度。在一个实施例中，提供给线圈95、99的交流电流的频率从大约3kHz到大约15kHz，并且功率值从大约15kW到大约160kW。在一个实施例中，上部线圈95中的电流的频率为大约10kHz且功率为大约160kW，下部线圈99中的电流的频率为大约3kHz且功率为大约15kW。应理解，每个电源100、101可包括功率整流器、电动发电机、脉宽调制器换流器或任何其它用于向线圈提供交流电的装置。

在一个实施例中，感受器组件69的圆柱形体部121可以具有大约38cm(15英寸)的高度，大约20cm(8英寸)的内径，大约13mm(1/2英寸)的壁厚。感受器69的圆锥形部分125的底壁可成一定角度(倾斜)，以便对应于坩埚65的成一定角度的底壁107，并且可以从大约1度-大约60度(更优选地大约10度)而不会背离本发明的范围。感受器69的下部出口部分129可从感受器的圆锥形部分125的底壁延伸出大约16.5cm-30cm(6.5英寸-大约12英寸)。应理解，这些尺寸仅是示例性的，坩埚65和感受器69可具有其它的尺寸而不会背离本发明的范围。

可以改变通过上部线圈95的电流以控制坩埚65内的熔体的温度，并且可以改变通过下部线圈99的电流以控制通过坩埚喷嘴85的熔体的温度。例如，熔化坩埚65内的熔体的温度必须比硅的熔化温度(1414摄氏度)高足够的量，以便被注入拉晶机CP的晶体生长坩埚CC内的熔体在从熔化坩埚自由下落到晶体生长坩埚期间保持高于硅的熔化温度。根据大约5英尺(1.5米)的自由下落高度F(图3)，通过喷嘴85的液态硅应具有至少20度的过热(对应于大约1434摄氏度的最小温度)，以便硅的流在熔化坩埚喷嘴的较大直径部分109和拉晶机CP的晶体生长坩埚CC内的熔体M的表面之间的整个距离上保持液态。另外，通过熔化坩埚65的石英喷嘴85的熔融硅的温度不应超过大约1465摄氏度，以防止由于过热的液态硅流过喷嘴而使喷嘴过度烧蚀。如果允许通过喷嘴85的熔融硅以高于1465摄氏度的温度流动，则第一和第二喷嘴部分111、115将过早地变得过大，并且液态硅的质量流量将超过多晶硅的预期熔化速率。通过喷嘴85的液态硅的质量流量应小于或等于坩埚65内的多晶硅的预期熔化速率，以便坩埚内的熔体高度在晶体生长坩埚CC填充期间基本保持恒定。如果来自坩埚65的流量超过多晶硅的熔化速率，则坩埚65内的熔体高度在晶体生长坩埚CC填充期间将下降，使得喷嘴85处的静压力减小。如果喷嘴85处的静压力下降到低于预定水平，则通过喷嘴的液态硅的流将变成无向的(即，不再大致沿喷嘴的中心线定向)，导致在晶体生长坩埚CC处出现过度的喷洒和喷溅。

为了使晶体生长率提高至少大约10％到35％的需要而减小熔体制备时间，熔化器组件1应以大约50kg/hr-大约140kg/hr范围内的优选质量流量输送液态硅。通过试验，来自熔化器组件1的液态硅的更优选的质量流量已被确定为大约85kg/hr。孔口111的尺寸设定成具有这样的初始直径，即，根据比坩埚65的底部出口85高大约250mm(10英寸)的初始熔体高度H(图14)，可提供大约85kg/hr的最佳液态硅质量流量。应理解，孔口直径和高于孔口111的熔体高度H将根据熔化坩埚65的直径和高度以及来自熔化器组件1的预期质量流量而改变。

现在参照图9，坩埚65的喷嘴85内的孔口111的初始直径D1为大约2.3mm(0.09英寸)，该初始直径对应于大约250mm(10英寸)的初始熔体高度H(图14)和大约85kg/hr的液态硅流量。应理解，由于熔化器组件1用于用熔融硅填充连续的拉晶机CP，所以孔口直径D1将由于液态硅从中流过导致坩埚喷嘴85的壁厚烧蚀而增加。因此，高于孔口111的初始熔体高度H优选地随着孔口直径的增加而减小，以保持液态硅的最佳质量流量。通过孔口111的液态硅的质量流量是通过应用Torricelli定律确定的，该定律规定离开孔口的液体的速度(v)等于高于孔口的高度(h)与重力常数(g)的乘积的2倍的平方根，或者

V＝(2×h×g)^1/2

其中v＝通过孔口的液体的速度

h＝熔体高度H，以及

g＝重力常数。

然后，通过将上式得到的液体速度乘以孔口的面积和液体的密度，来计算流过孔口111的液体的质量流量。

通过调节在熔化器组件1连续操作期间保持来自坩埚65的液态硅的预期质量流量所需的熔体高度H，来监控喷嘴85的孔口111的相对尺寸。当孔口111已被烧蚀成使得液态硅的预期质量流量超过可获得的熔化速率时，更换坩埚65。在一个实施例中，在更换熔化坩埚65之前，可以允许孔口直径D1增加到3.0mm(0.12英寸)。为了在孔口直径D1为大约3.0mm(0.12英寸)时保持液态硅流量为85kg/hr，熔体高度H必须降低到大约177mm(7.0英寸)。

为了避免在液态硅撞击晶体生长坩埚CC内的熔池M时液态硅过度喷溅，液态硅的定向流必须从坩埚喷嘴85流到晶体生长坩埚内的熔体。根据各种喷嘴设计在液态硅流量为大约85kg/hr时的试验结果，熔化坩埚喷嘴85的优选设计被确定为，第一部分109的初始直径D2为大约6-14mm(0.24-0.55英寸)或更优选地大约10mm(0.39英寸)，第一部分的长度L1为大约50-60mm(1.96-2.4英寸)或更优选地大约55mm(2.16英寸)。喷嘴85的孔口111的初始内径D1可以为大约2.1-2.3mm(0.08-0.09英寸)或更优选地大约2.2mm(0.087英寸)，并且长度L2为大约8-12mm(0.39-0.47英寸)或更优选地大约10mm(0.39英寸)。第三部分115的内径D3可以为大约3-8mm(0.12-0.31英寸)或更优选地大约3mm(0.12英寸)，并且长度L3为大约76mm-210mm(3.0英寸-8.3英寸)，更优选地大约118mm(4.6英寸)。已确定，喷嘴85的第三部分115的优选长度L3(毫米)可用以下公式计算：

L3＝50+(50×D3/D1)

上述公式可用于针对大约50kg/hr-大约140kg/hr的液态硅质量流量确定喷嘴85的第三部分115的优选长度L3。应理解，喷嘴85的第一、第二和第三部分109、111、115的优选构型取决于各种因素，包括液态硅的预期质量流量。因此，本发明并不局限于文中列出的喷嘴85的特定尺寸。

如图3所示，总体用151指示的防溅罩组件由对接套环9支承，并包括通过四条缆线163、165(仅示出两条缆线)连接到四个滑轮159、161(仅示出两个滑轮)的防溅罩155，该缆线从该防溅罩向上延伸。滑轮159、161连接到轴169，该轴具有可从对接套环9外部接近的手柄173。在熔化器组件1的操作期间，可手动地转动手柄173以使轴169旋转从而升高或降低防溅罩155。防溅罩155为倒置的碗形，其具有开放的顶部和底部以允许熔融硅通过防溅罩。防溅罩155可由熔凝石英、熔凝硅石、具有碳化硅涂层的石墨或其它合适的材料制成。防溅罩155的大小制成可适配在拉晶机CP的热屏蔽HS内，以便如图3的虚线所示，防溅罩可降低到接近晶体生长坩埚CC内的熔体M的表面。在液态硅在熔化器组件1和晶体生长坩埚CC之间输送期间，防溅罩组件151保护热屏蔽HS和其它热区部件不受拉晶机CP内的液态硅喷溅和喷洒。

在使用时，本发明的熔化器组件1有效地熔化和倾注从重力进料器GF接收到的多晶硅。熔化器组件1具有模块化设计，其设计成可容易地连接到拉晶机CP以便用液态硅再充填晶体生长坩埚CC，然后从拉晶机CP上被取下以便安装用于生产硅晶锭I的上部拉制室PC。熔化器组件1的便携式设计由于仅需要可服务于多个拉晶机CP(例如八个)的单个熔化器组件而实现很大的成本节约。

在空的熔化坩埚65的情况下，将冷却水(未示出)、电源(未示出)和清洗气(未示出)连接到熔化器组件1。然后，关闭下部壳体LH(图2)中的闸门阀GV以便隔离下部壳体，将拉晶机CP的上部壳体UH从下部壳体上取下并如图3所示用熔化器组件1代替。在将熔化器组件1的对接套环9和下部壳体LH之间的带凸缘的连接部紧固之后，将熔化器组件连接到多晶硅进料器GF。在将进料器GF连接到熔化器组件1之后，通过抽真空来除去熔化器组件内的空气并用惰性气体(例如氩气)代替，以便熔化器组件内的压力大约等于拉晶机CP的压力(大约10-30托)。在熔化器组件1内的压力已经升高之后，打开闸门阀GV以允许拉晶机CP内的气氛扩散到熔化器组件1中。

如图10所示，将颗粒多晶硅GP添加到熔化器坩埚65中以提供大约4-7千克的初始进料(对于内径为20cm(8英寸)的熔化坩埚)，并且用于在20cm(8英寸)的熔化坩埚65中开始熔化(过程)的颗粒多晶硅的初始进料的最佳质量为大约5千克。接通电源100以便向围绕感受器69的上部线圈95提供10kW的交流电流。如图11所示，坩埚内的多晶硅GP的初始进料由于来自熔化(melt-in)感受器125的热量而开始熔化，并大致在颗粒多晶硅的初始进料的底部附近以及在坩埚65的底部的喷嘴85内的未熔化的固态多晶硅GP堵塞物上方形成熔融硅LS。在图11的初始熔化阶段，未熔化的多晶硅GP的顶层通过中间层SL与熔融硅LS隔开，该中间层包括液态和固态多晶硅的半融混合物。中间层SL通过邻近熔化坩埚65的圆锥形壁107的环状空隙AV与熔融硅分隔开。当颗粒多晶硅GP熔化时，未熔化的颗粒多晶硅和液态硅(LS)之间的密度差造成熔化坩埚65内的空隙AV。如图11A所示，随着向线圈95提供大约12-16kW的功率，坩埚65内的熔化继续进行，从而除了从熔融硅顶部上方间隔开的固态多晶硅的表壳CL之外，所有初始颗粒多晶硅GP熔化成熔融硅LS。表壳CL保持熔融硅LS的热量，并防止由线圈95的感应力导致在坩埚中产生运动期间液态硅溅到坩埚65之外。在熔化过程的这一阶段，空隙VS将表壳CL与坩埚内的液态硅LS分隔开。如图12所示，通过在短时间间隔(例如20-30秒)内将提供给上部线圈95的功率增加到大约60-70kW以对该线圈提供脉冲，从而在表壳内形成开口OG，以便液态硅LS的液面因线圈的感应力而升高并接触和熔化穿透表壳CL。线圈95的短时间间隔内的脉冲持续大约2到5分钟，直到表壳CL被熔化穿透。

在熔化穿透表壳CL之后，向坩埚65添加另外的颗粒多晶硅CP(图13)。在熔化过程的这一阶段，延伸到喷嘴85的第一部分109内的固态堵塞物OP-该堵塞物防止熔融硅LS离开坩埚65-使得在坩埚排放之前熔体高度H可升高到预期水平。如图13A所示，以大约最大的流量(例如大约70-85kg/hr)添加颗粒多晶硅CP，以使熔体高度开始升高并使表壳层CL的剩余物继续熔化。在此阶段，针对颗粒多晶硅GP的大约70-85kg/hr的最大流量，将提供给线圈的功率增加到大约160kW。在所示实施例中，在此熔化阶段的熔体高度H(图13A)大约为38mm-89mm(1.5英寸-3.5英寸)。

在熔化颗粒多晶硅GP的初始进料之后，将另外的颗粒多晶硅添加到坩埚中(图13和13A)并进行熔化，直到熔体高度H(图14)升高到大约250mm(10英寸)。接着，将防溅罩155降低到拉晶机CP的热区，并在大致接近硅熔体M的表面处将防溅罩安置在晶体生长坩埚CC中(图3的虚线所示)。在降低防溅罩155之后(图3)，从电源101向下部线圈99提供功率以升高坩埚的底壁107的温度，并使坩埚喷嘴85内的固态堵塞物OP开始熔化(图14)。在此阶段，减小提供给上部线圈95的功率以防止液态硅LS过热。当固态堵塞物OP已经被下部线圈99中的感应电流熔化之后，熔融硅LS开始从喷嘴85流出，并以大致与喷嘴的中心轴线对齐的定向流(图15)流过第一、第二和第三部分109、111、115。当液态硅LS开始从坩埚65排出时，进料器GF应被设定为大约85kg/hr的目标多晶硅进料速度。在熔融硅LS从坩埚65流出期间，应监控坩埚内的液态硅的熔体高度H，并相应地调节颗粒多晶硅GP的进料速度，以便将高度H保持在对应于孔口111的直径D1的最佳水平。如果熔体高度H高于该最佳值，则应减小多晶硅进料速度，而如果熔体高度低于该最佳值，则应增加进料速度。当从坩埚65排出熔融硅LS时，应调节提供给上部和下部线圈95、99的功率，以保持离开坩埚喷嘴85的液态硅的最佳过热量(例如至少大约20摄氏度)。

一旦已从进料器GF输送出目标量的颗粒多晶硅GP，则停止颗粒多晶硅的进料，并将供给上部线圈95的功率减小到大约12kW。在此阶段，排空坩埚65(图16)。在必要时，可向熔化器组件中加入清洗气(例如氩气)以增加组件内的压力，并迫使任何剩余的硅以合适的速率从坩埚喷嘴排出。随着坩埚65内的熔体高度H下降，通过坩埚的出口85的液态硅LS的质量流量减小。清洗气可用于给坩埚65内的剩余液态硅LS加压，以便液态硅以足以保持大致沿喷嘴的中心轴线定向的流的速度流出坩埚的喷嘴85。已确定，对于熔体高度H的大约每10mm(0.4英寸)的降低，熔化器组件1和拉晶机CP之间的压力差优选地为大约2托(0.04psi)，以保持液态硅LS的预期质量流量。在完全排出所有液态硅LS的熔体之后，可停止向上部和下部线圈95、99供电，并将防溅罩155升高到对接套环9内。关闭下部壳体LH的闸门阀以隔离生长室GC。然后，用处于环境压力下的空气填充熔化器组件1以便氧化熔化器组件内存在的氧化硅，并防止在熔化器组件与拉晶机分离时氧化硅不受控制地燃烧。在用空气填充熔化器组件1之后，可使组件与拉晶机CP脱离连接并将组件存储在熔化和排放循环之间，或者组件可立即准备再充填另一个拉晶机。在取下熔化器组件1之后，可换上拉晶机CP的上部壳体UH，并且拉晶机准备用熔体M生产硅晶锭I。

本发明的熔化器组件1的操作使得拉晶机CP的晶体生长坩埚CC内的多晶硅源材料的总的熔化和填充时间大约为5-5.5个小时。对于250kg(551lbs)的装料，拉晶机CP的晶体生长坩埚CC内的传统熔池制备的填充和熔化时间为大约18个小时。通过使用本发明的熔化器组件1，大大节省了时间，从而显著增加了由熔化器组件1填充的每个拉晶机CP的晶锭I的产量。另外，由于多晶硅的熔化被隔离在熔化器组件1内而没有发生在拉晶机CP的热区内，所以可使用较便宜的未脱氢的多晶硅源材料，这是因为由于添加包含较高含量氢的多晶硅而导致喷溅和喷洒被容纳在熔化器组件内。

如图29所示，本发明的熔化器组件1可用于服务于多个晶体形成装置(例如拉晶机CP)。熔化器组件1可如上所述进行操作以便向拉晶机CP输送熔融源材料LS的装料，然后用提升机构(未示出)移动该熔化器组件并将其安装在相邻的拉晶机上。四个拉晶机CP如图所示定位以便由熔化器组件1提供服务，但是应理解，熔化器组件可服务于多于或少于四个的拉晶机而不会背离本发明的范围。

首先相对于第一拉晶机CP定位熔化器组件1，并如上所述对熔化器组件1进行操作以便将熔融硅LS输送到第一拉晶机的坩埚CC。如上所述，操作加热器的上部和下部感应线圈95、99以使熔化坩埚65内的源材料熔化，并输送熔融源材料流，该流经由熔化器组件1的喷嘴85流到第一拉晶机CP的主坩埚CC。在服务于第一拉晶机CP之后，取下包围拉制室PC的第二拉晶机的上部壳体UH，并将熔化器组件1安置在将第二拉晶机的下部壳体LH隔离开的闸门阀GV上方。可使用起重机(未示出)或其它提升机构相对于第一和第二拉晶机CP安置熔化器组件1。起重机可用于将熔化器组件1升高到第一拉晶机CP上方，以便可将熔化器组件传送到位于第二拉晶机上方的位置。在相对于第二拉晶机CP安置熔化器组件1之后，将熔化器组件连接到第二拉晶机的下部壳体LH。在将熔化器组件连接到拉晶机之后，操作熔化器组件以便向第二晶体形成装置输送熔融源材料流。应理解，服务于多个晶体形成装置的方法可应用于文中所述的晶体形成装置的任何实施例或任何其它的晶体形成装置，而不会背离本发明的范围。此外应理解，在完成熔化和填充循环之后，熔化器组件1可保持静止不动，并且可相对于熔化器组件移动拉晶机CP并用第二拉晶机CP代替该拉晶机CP。应理解，拉晶机可用于服务于多于或少于图29所示的四个拉晶机CP。

如图17所示，其中示出总体用201指示的另一个熔化组件，该组件与第一实施例的熔化组件1基本相同。图17的熔化组件201包括具有封闭的顶壁207的熔化坩埚203。熔化坩埚203的封闭顶壁207可抑制在向坩埚内的熔融硅LS添加颗粒多晶硅GP时可能发生的喷溅。另外，顶壁207可抑制在向熔化坩埚203装载颗粒多晶硅GP时产生的多晶硅粉尘。

图18示出总体用215指示的熔化组件的又一个实施例，该熔化组件包括用于提供感应电流以使固态多晶硅GP熔化的上部线圈219、中间线圈221和下部线圈223。如前一个实施例一样，这种设计也包括具有封闭的顶壁213的熔化坩埚227，但是应理解，这种设计也可结合顶端开放的坩埚设计而不会背离本发明的范围。此实施例的三线圈构造使得可通过控制提供给上部线圈219、中间线圈221和下部线圈223的电流来实现熔体的温度调节。每个线圈219、221、223单独连接到其本身的电源以便独立控制通过每个线圈的电流。三个线圈219、221、223中的每一个产生的加热功率的量可被单独调节。

这种设计添加了独立的中间线圈221，使得可通过调节流过该中间线圈的电流独立地调节坩埚227的中部内的硅熔体的加热。这种设计的单独的下部线圈223使得可通过调节流过该下部线圈的电流的频率独立地调节流过出口235的硅的加热。另外，下部线圈223可用于在出口235建立磁场，该磁场将硅的流限制在比出口235的内径小的直径。通过出口235的流的直径减小使得可进一步控制来自坩埚227的熔体流量，并由于流过出口的液态硅与出口的内表面之间的接触减少而减小了出口的熔蚀率。

图19示出总体用251指示的熔化器组件的再一个实施例，该熔化器组件包括具有封闭顶壁259的坩埚255，该顶壁具有包含两个45度弯角265、267的多晶硅进料入口263，该入口263用于容纳重力进料器GF的出口。这种设计可抑制在将固态多晶硅传送到坩埚时产生的多晶硅粉尘以及在多晶硅撞击坩埚内的熔体时经常发生的熔体飞溅。两个弯角形成防止飞溅的多晶硅到达重力进料器的曲折路径。另外，两个弯角容纳偏离熔化器组件的中心线的重力进料器，以便进料器可从该进料器的不同位置连接到熔化器组件。

图20和21示出总体用301指示的熔化器组件的另一个实施例，该组件包括总体用305指示的具有多个室的坩埚。坩埚305包括具有底部喷嘴311的外部碗状件309，焊接在该外部碗状件上并具有用于熔融硅LS流入的端口317(仅示出其中两个端口)的过滤器圆筒315，以及尺寸与底部喷嘴的尺寸相对应的内部圆筒堰321。该堰321比碗状件309和过滤器圆筒315短且围绕喷嘴311，以便圆筒堰内部的液态硅LS离开坩埚305的喷嘴。这种设计的熔化坩埚305具有被碗状件309和过滤器圆筒315之间的空间限定的熔化室325，过滤器圆筒和堰321之间的控制室329，以及由圆筒堰321内部的空间限定的排放室333。

喷嘴311可如上文所述的喷嘴85那样构造，并且可与电阻加热熔体流动导向件337结合使用。流动导向件337通过引导来自熔化坩埚305的液态硅流沿该流动导向件的外表面流动并流入生长坩埚CC来控制该液态硅的流动。在图20和21A的实施例中，熔体流动导向件337采取熔凝石英管的形式，其穿过外部碗状件309的喷嘴311并与排放室333沿轴向对齐。熔体流动导向件337在管的内侧上具有加热元件339，该加热元件将流动导向件保持在大约等于或稍高于硅熔点(大约1414摄氏度)的温度。如图21A所示，流动导向件337向下延伸到拉晶机CP的晶体生长坩埚CC(图2)内，从而有助于熔融硅从熔化组件301流到拉晶机，以便减少在晶体生长坩埚内的喷溅和喷洒。流动导向件337可用任何合适的材料(例如熔凝硅石、熔凝石英、具有碳化硅涂层的石墨等)制成而不会背离本发明的范围。加热元件339可以是与钼、钨或石墨电阻加热器一起使用的电阻加热元件。或者，流动导向件337可由钼、钨或石墨感受器通过感应加热来加热。

图21B示出形式为接纳熔化坩埚305的喷嘴311的管的流动导向件341的一种改变的型式。流动导向件341在管的外侧具有加热元件343，以便熔融硅LS从喷嘴311流入该管。与前一种型式一样，流动导向件341将来自熔化坩埚305的熔融硅LS的流引导到拉晶机CP的生长坩埚CC(图2)。与前一个实施例一样，可通过电阻加热、感应加热或任何其它的加热方法来加热流动导向件341。

图21C示出接纳熔化坩埚305的喷嘴311的流动导向件345的另一种型式。流动导向件345的尺寸使得从喷嘴流出的熔融硅LS的粘附流不会接触流动导向件的壁。由于熔融硅不会接触流动导向件345的壁，所以导向件不会像前面的型式一样具有加热元件。当来自喷嘴311的流进入生长坩埚CC内的液态硅熔池时，流动导向件345防止来自生长坩埚CC的液态硅LS接触拉晶机的热区部件。

在图20和21的设计中，将颗粒多晶硅GP添加到熔化室325中，并且以与上述第一实施例类似的方式熔化多晶硅(即，由围绕坩埚305的感应线圈341感应加热)。当颗粒多晶硅GP在熔化室325内熔化时，熔融硅LS流过过滤器圆筒315中的端口317，并填充坩埚305的控制室329。一旦控制室329内的熔融硅LS的液面达到圆筒堰321的高度，则熔融硅从堰的顶部溢出并开始离开坩埚305的喷嘴311。熔融硅LS接触流动导向件337，并沿大致与喷嘴311沿轴向对齐的方向以缓慢的受控的速度向下流到晶体生长坩埚CC，以使坩埚内的熔体M的表面上的扰动最小。这样，熔化器组件301以一种减少液态硅向拉晶机CP的热区部件的喷溅的方式向晶体生长坩埚CC供给熔融硅LS的受控的流。过滤器圆筒315内的端口317位于液态硅LS的表面下方，以便不允许任何可能漂浮在液态硅中的未熔化硅从熔化室325进入组件301的控制室329。

图22示出总体用351指示的一种熔化器组件，除了此实施例的熔化器组件包括仅具有单个内部室357的熔化坩埚355之外，此组件与前一个实施例相同。坩埚355被用于熔化坩埚内的多晶硅的熔化感应线圈361围绕。坩埚355的出口363接纳熔体导向件367，并被接收电源(未示出)的交流电流的下部感应线圈371围绕。下部感应线圈371(也被称为悬浮阀)用作控制液态硅LS流出坩埚355的喷嘴阀。当电流正流过下部感应线圈371时，液态硅LS的流径中感应出的磁场足够强以阻止液态硅流出坩埚355。通过接通和断开提供给下部感应线圈371的电流来控制液态硅从坩埚355的流动。

图23示出总体上用381指示的熔化器组件的另一个实施例，除了该熔化器组件设计成通过从熔化坩埚385的顶壁383上方倾注液态硅以便将液态硅LS传送到晶体生长坩埚CC内以外，此实施例与前面的实施例相同。熔化器组件381包括加热熔化坩埚385以便在独立于拉晶机CP的受控环境中熔化固态多晶硅的加热器389。加热器389可包括如上所述的感应线圈、电阻加热器或任何其它的适当加热器而不会背离本发明的范围。当固态多晶硅已熔化之后，将熔化坩埚385安置在晶体生长坩埚CC上方并使熔化坩埚385倾斜，以便从坩埚的顶壁上方倾注液态硅LS来填充晶体生长坩埚。可在拉晶机操作期间连续填充晶体生长坩埚CC，或者可在拉晶过程结束时成批次填充。

图24示出总体用GA指示的另一种现有技术的晶体形成装置，其形式为边缘限定薄膜生长(EFG)晶体生长装置。所示的特定装置GA构造成用于生长空心的8面多晶体硅(未示出)，但是应理解，该装置也可构造成用于形成具有其它形状的晶体。装置GA具有包围晶体生长室GC1的下部壳体LH1和包围拉制室PC1的上部壳体UH1。上部壳体UH1的大部分在图24内被省略。在所示实施例中，下部壳体LH1包围一坩埚/毛细管模头系统，该系统包括生长坩埚GC1、毛细管模头CD1、感受器S1、内部加热器组件IH1以及外部加热器组件HA1。

坩埚GC1容纳熔融源材料SM1(例如多晶体硅)的装料，并且被用于加热坩埚内的源材料的射频加热线圈HC1围绕。坩埚GC1具有总体用EF1指示的端面，该端面中形成有大致靠近坩埚的周向边缘的毛细管间隙CG1。毛细管间隙CG1和坩埚GC1的形状对应于由装置GA形成的多晶体的横截面形状。坩埚GC1在坩埚的内壁上形成狭槽ST1，以便熔融硅SM1可流入毛细管间隙CG1并且因毛细管作用而升高。在所示实施例中，装置GA具有籽晶SC1，该籽晶为八边形以便与毛细管间隙CG1的形状相对应。降低籽晶SC1以便与毛细管间隙CG1内的熔融硅SM1接触，从而开始生长过程。当籽晶SC1从毛细管模头CD1升高时，间隙CG1内的熔融硅SM1被从该模头抽出，从而来自坩埚GC1的熔融硅在毛细管间隙内因毛细管作用而升高以补充离开坩埚的材料。可参照美国专利No.5156978、No.4647437、No.4440728、No.4230674和No.4036666以了解关于传统EFG晶体形成装置的其它信息，这些专利的公开内容作为本文的参考。

图25示出安装在图24的EFG晶体形成装置GA1上的本发明的熔化器组件1。应理解，通过取下包围拉制室PC1的上部壳体UH1并将熔化器组件的对接套环9连接到晶体形成装置的下部壳体上的凸缘FA1，来将熔化器组件1连接到装置GA1。然后以与上文所述类似的方式操作熔化器组件1，以便用熔融硅SM1填充EFG晶体形成装置GA1的坩埚GC1。当晶体形成装置GA1的坩埚GC1充满熔融硅SM1时，取下熔化器组件1并用上部壳体UH1代替以便晶体形成装置进行操作。

图26示出总体用GA2指示的另一种现有技术的晶体形成装置，本发明的熔化器组件1可用于该装置以提供熔融源材料SM2。图26的晶体形成装置GA2是利用线稳定生长(String Stabilized Growth)(SSG)法来生产固态晶带CR2的拉晶装置，该晶带是从容纳在坩埚GC2内的熔体SM2生长的。此晶体形成装置GA2生成由大颗粒多晶硅或单晶硅组成的薄且宽的片，其适用于生产太阳能电池或其它半导体器件。

如图26所示，装置GA2包括穿过坩埚GC2和容纳在坩埚中的熔体SM2的两条间隔开的线SS1、SS2。由电连接到坩埚GC2的直流源(未示出)在熔体SM2中感应出电流，该电流导致熔体进行流动循环。坩埚GC2内的空心屏障HB2减小了生长晶体CR2的熔体的深度，并提高了晶体的品质。应理解，固态多晶硅(未示出)可经由供给管ST2添加到坩埚GC2并在其中熔化以形成熔体SM2。加热线圈HC2(图27)围绕坩埚GC2以便加热坩埚内的固态源材料和熔体SM2。坩埚GC2具有用于在熔体SM2变得不纯之后清空坩埚以便用新的源材料代替该熔体的熔体管MT2。当线SS1、SS2被向上抽离坩埚GC2时，线之间的液态硅从坩埚中移出并在冷却时固化以形成固态多晶硅的晶带CR2。应理解，图26的装置将包括包围坩埚GC2的下部壳体LH2(见图27)，以及包围用于牵引所述线和晶带CR2的牵引装置的上部壳体(未示出)。可参照美国专利No.4689109、No.4661200和No.4627887以了解关于SSG晶体形成装置的其它信息，这些专利的公开内容作为本文的参考。

如图27所示，本发明的熔化器组件1可代替上部壳体安置在SSG拉晶装置GA2的坩埚GC2上方，以便用熔融硅SM2再充填坩埚。熔化器组件1将以与上述实施例类似的方式操作，以将熔融硅SM2输送到SSG晶体形成装置GA2。

如图28所示，本发明的熔化器组件1可用于向总体用GA3指示的铸造装置提供熔融源材料SM3，该铸造装置用于铸造固态晶锭SI3。在图28的实施例中，铸造装置GA3是连续铸造装置，其具有位于总体用MD3指示的模具下方的可缩回支承件SP3。在所示实施例中，模具MD3包括被射频线圈RC3围绕的一系列间隔开的坩埚指部CF3。射频线圈RC3在坩埚指部CF3中感应出电流，并在熔融源材料SM3中感应出反向电流，以便熔融材料被从坩埚指部排斥并被容纳在铸造装置GA3内。冷却液(未示出)循环通过坩埚指部CF3以帮助冷却熔融源材料SM3。

通过降低支承件SP3以远离坩埚指部CF3从而在铸造装置GA3内形成固态硅晶锭SI3。当缓慢地降低可缩回的支承件SP3以远离坩埚指部CF3的底部时，在熔融材料SM3底部内的感应电流逐渐减小，使得熔融材料可在从坩埚指部远离时冷却。当降低支承件SP3时铸造晶锭SI3，使得从坩埚指部CF3被移走的熔融源材料SM3冷却和固化。通常，从装置GA3的顶部添加的固态源材料(未示出)在该装置内熔化以补充在可缩回支承件SP3降低时被移走的熔融材料SM3。如图28所示，本发明的熔化器组件1可安装在坩埚指部CF3上方，以补充用于铸造固态晶锭SI3的熔融源材料SM3的量。

可以和上文所述类似的方式操作熔化器组件1，以便向铸造装置GA3提供熔融源材料SM3的定向流。在所示实施例中，首先将熔化器组件1安置在铸造装置上方，以便可将熔融源材料SM3输送到由坩埚指部CF3形成的模具MD3。在向熔化器组件1添加颗粒多晶硅GP(图10)之后，操作熔化器组件内的上部加热线圈95以使熔化坩埚65内的源材料熔化。操作下部加热线圈99以使坩埚喷嘴85上方的固态堵塞物OP熔化，以便熔融源材料LS流过熔化器组件1的孔口111，从而向晶体形成装置GA3的坩埚GC3输送熔融源材料的定向流。在晶体形成装置的坩埚GC3已充满之后，中断下部加热线圈99的操作，以允许在熔化器组件内形成固化的源材料的固态堵塞物OP。当从铸造装置GA3取下铸造晶锭SI3或将新的铸造装置安置在熔化器组件下方以便生产下一个铸造多晶体时，固态堵塞物OP防止熔融源材料LS从熔化器组件1流出。

应理解，可用具有实心壁的传统水冷坩埚模具代替图29所示的铸造装置GA3而不会背离本发明的范围，该水冷坩埚模具用于批量铸造固体晶锭。可参照美国专利No.4769107、No.4572812和No.4175610以了解有关能够利用本发明的熔化器组件1的铸造工艺的其它信息，这些专利作为本文的参考。

当介绍本发明或其优选实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”是指存在一个或多个该元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，并且是指除了列出的元件之外还可能存在其它元件。

从上文可以看出，已实现本发明的多个目的并获得了其它有利的结果。

由于可对上述构造进行各种改变而不会背离本发明的范围，但是以上说明书中包含的或附图中所示的所有内容都应理解为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种向晶体形成装置装填熔融源材料的方法，该方法包括以下步骤：

在该晶体形成装置上方安置熔化器组件，以便向该装置的坩埚输送熔融硅；

操作该熔化器组件内的上部加热线圈以使该熔化器组件的熔化坩埚内的源材料熔化；

操作该熔化器组件内的下部加热线圈以使熔融源材料流过该熔化器组件的孔口，以便向该晶体形成装置的坩埚输送熔融源材料的流。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括从限定一生长室的该晶体形成装置的下部壳体上取下限定一拉制室的该晶体形成装置的上部壳体，并将该熔化器组件连接到该下部壳体上以代替该上部壳体。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，还包括从该下部壳体上取下该熔化器组件，将上部壳体重新连接到该下部壳体上，并利用从该熔化器组件输送到该下部壳体内的坩埚的熔体来生长单晶体晶锭。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于，该晶体形成装置构成一第一拉晶机，该方法还包括从一第二拉晶机的下部壳体上取下该第二拉晶机的上部壳体，并将该熔化器组件连接到该下部壳体上以代替该上部壳体。

5.根据权利要求2的方法，其特征在于，在将熔化器组件连接到晶体形成装置的下部壳体的步骤之后，进行使源材料熔化的步骤。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括在所述操作下部加热线圈的步骤的同时向该熔化器组件供给另外的固态源材料，并且还包括将固态源材料的质量流量控制为等于流出该熔化器组件的熔融源材料的质量流量。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，包括在操作该上部加热线圈的步骤之前向熔化器组件供给一定量的固态源材料，其中操作该上部加热线圈的步骤包括保留源材料的堵塞部分不熔化以便堵塞该熔化器组件内的喷嘴。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，操作该下部加热线圈包括使源材料的堵塞部分熔化以疏通该喷嘴。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于，操作所述下部加热线圈的步骤包括保持高于源材料的熔化温度的过热，以防止在源材料被输送到拉晶机的下部壳体内的坩埚时该源材料发生固化。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，操作所述上部加热线圈的步骤包括建立高于熔化器组件的出口的熔体高度，以便输送预期质量流量的熔融硅，并且所述方法还包括相对于拉晶机对熔化器组件加压以保持熔融硅的预期质量流量。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，给熔化器组件加压的步骤包括向熔化器组件添加惰性气体，以便对于每厘米的熔体高度下降对熔化器组件加压2托。

12.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括通过中断下部加热线圈的操作来中断熔融硅流过该孔口，以形成防止从该孔口流出的源材料的固体堵塞物。

13.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括以下步骤中的一个：从输送到该晶体形成装置的坩埚的熔体生长单晶体晶锭，以及从输送到该晶体形成装置内的坩埚的熔体形成多晶体。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述多晶体为以下中的一个：通过边缘限定薄膜生长方法形成的空心多边形硅体、多晶硅晶带、以及铸造硅体。

15.一种使用单个熔化器组件服务于多个晶体形成装置的方法，该方法包括以下步骤：

在第一晶体形成装置上方安置该熔化器组件，以便将熔融硅输送到该第一装置的坩埚；

操作该熔化器组件内的加热器的上部加热线圈以使该熔化器组件的熔化坩埚内的源材料熔化；

操作该熔化器组件内的加热器的下部加热线圈以使熔融源材料的流通过该熔化器组件的孔口，从而从熔化器组件向第一晶体形成装置输送熔融源材料的流；

将该熔化器组件移动到第二晶体形成装置上方的位置，以便将熔融硅输送到该第二装置的坩埚；

从熔化器组件向第二晶体形成装置输送熔融源材料的流。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于，操作熔化器组件内的加热器的上部加热线圈以熔化源材料包括向加热器的上部感应线圈提供电功率，并且，操作该熔化器组件内的加热器的下部加热线圈以使熔融源材料的流通过该熔化器组件的孔口包括向加热器的下部感应线圈提供电功率以启动通过熔化器组件的孔口的流动。

17.根据权利要求15的方法，其特征在于，还包括通过中断加热器的下部加热线圈的操作来中断熔融源材料从熔化坩埚流出，并形成防止从熔化坩埚流出的源材料的固体堵塞物。

18.根据权利要求15的方法，其特征在于，还包括从输送到所述第一晶体形成装置和所述第二晶体形成装置中的至少一个的源材料生长单晶体晶锭。

19.根据权利要求15的方法，其特征在于，还包括从输送到所述第一晶体形成装置和所达第二晶体形成装置中的至少一个的源材料形成多晶体，其中所述多晶体包括以下中的一个：通过边缘限定薄膜生长方法形成的空心多边形硅体、多晶硅晶带、以及铸造硅体。

20.根据权利要求15的方法，其特征在于，将熔化器组件移动到第二晶体形成装置上方的位置包括提升该熔化器组件，所述方法还包括在向第二晶体形成装置输送熔融源材料的流之前，将熔化器组件连接到第二晶体形成装置的下部壳体。

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