CN101914805B - 具有改进坩埚盖部的定向凝固炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向凝固炉，包括：上炉体；与上炉体相配合以形成炉体空间的下炉体；设置在炉体空间内并被构造成容纳给料的坩埚；用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料的至少一个加热器；用于保持所述坩埚的坩埚保持器；被构造成相对于所述坩埚纵向可移动以控制所述坩埚内的给料的定向凝固的隔热部件；连接至外部气源并竖直地贯穿所述隔热部件的通气管；以及坩埚盖部，所述坩埚盖部可拆卸地设置于所述通气管的底端，且其尺寸与所述坩埚顶端尺寸适配以盖在所述坩埚上方。根据本发明的定向凝固炉，在实现增加给料的同时能确保对炉腔不造成污染，从而保证了所生产晶锭质量的同时提高了生产效率、降低了成本。

Description

具有改进坩埚盖部的定向凝固炉

技术领域

本发明涉及例如单晶锭或者多晶锭的生产设备，尤其是涉及一种具有改进坩埚盖部的定向凝固炉。

背景技术

在现有的制造多晶锭的定向凝固设备或者系统中，由于用于生产多晶锭(例如多晶硅锭等)的原料为块状或颗粒状，料块之间存在大量缝隙，导致装满石英坩埚的固态多晶给料熔化后体积大幅缩小。而利用定向凝固系统制造多晶锭成本昂贵，装料量直接决定生产效率和成本，由此就有必要采取技术措施来增加给料量。为了实现多装料，可以考虑在加装多晶给料时，在多晶给料到达坩埚顶部后继续加装多晶给料，使多晶给料在坩埚的上部堆积，然后将盖板直接放置在多晶给料上。

图1为现有技术的定向凝固系统装料时的结构示意图。现有技术的定向凝固系统100′包括：上炉体101′；与所述上炉体101′相配合的下炉体102′；设置在所述下炉体102′内的支撑装置6′，设置于所述支撑装置6′上的石墨固定板5′和石墨固定板5′内设置的石英坩埚2′；设置在石墨坩埚5′外周的侧加热器32′和顶部加热器31′；设置在侧加热器32′和顶部加热器31′外侧的隔热部件4′。在现有技术中，通常在坩埚2′之上设置盖板7′。而且，在多晶锭的整个制造的过程中，需要通过通气管105′不断地向熔融的多晶给料的表面上吹入惰性气体，以防止硅锭定向凝固这一高温过程中产生的含碳的气体滞留在熔体表面造成的多晶锭质量的严重下降，并将容易引起碳沾污的气体通过通气孔103′吹出多晶炉，同时也将硅熔体中产生的大量挥发物(如一氧化硅)带走。

在现有技术的定向凝固系统中，从耐高温等方面考虑，盖板7′材料多采用碳-碳复合材料。但是由此导致在装料的过程中必须控制加料量，以防止块状或粒状多晶给料堆积过高而与盖板7′接触，因为与盖板7′接触有可能在多晶熔体中混入从盖板7′的下表面带入的碳成分，而碳成分的过量混入会严重恶化所生成的多晶锭的质量。更重要的是，多晶给料垒高后，盖板7′不能定位，在后续的化料过程中，盖板7′可能会滑落或者偏离其与坩埚的相对位置。因此，现有的定向凝固系统难以实现增加每次的多晶料给料量。

针对上述问题，提出了取消盖板7′的方案。然而，盖板取消后，由于气路终端(气嘴)与熔体表面的距离较远，惰性气体(比如氩气)离开气嘴后很快散开，在多晶给料的熔化和定向凝固过程中，惰性气体不能被有效地集中导入到熔体表面，不能起到有效吹扫熔体表面的作用，从而不能有效地将熔体中的含碳气体及一氧化硅等挥发物带走，从而在熔体中残留碳杂质的同时，熔料过程中产生的一氧化硅挥发物也易于在顶部隔热部件和顶部加热器沉积。碳杂质在硅晶体中会严重恶化硅晶体的电学性能，比如导致晶体硅太阳能电池片转换效率的恶化。而顶部加热器以及隔热部件顶部的大量沉积物一方面会影响顶部加热器的性能，另一方面也会掉入硅熔体内，严重影响晶锭质量。

发明内容

有鉴于此，需要提供一种新的定向凝固炉，所述定向凝固炉能够解决现有的定向凝固炉中气路的定位问题，并可以在确保晶体质量的情况下提高每次的加料量从而提高整个多晶锭的生产效率。

根据本发明实施例的定向凝固炉，包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳给料；至少一个加热器，所述加热器用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料；坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内，并被构造成相对于所述坩埚纵向可移动，以控制所述坩埚内的给料的定向凝固；通气管，所述通气管连接至外部气源并竖直地贯穿所述隔热部件；以及坩埚盖部，所述坩埚盖部可拆卸地设置于所述通气管的底端且其尺寸与所述坩埚顶端尺寸适配以盖在所述坩埚上方。

根据本发明的上述方案，通过设置于通气管底端的坩埚盖部在实现增加给料的同时，能确保对炉腔不致造成污染，从而保证了所生产晶锭质量的同时提高了生产效率、降低了成本。

另外，根据本发明上述实施例的定向凝固炉还可以具有如下的附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述坩埚盖部可纵向移动地设置于所述通气管的底端。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚盖部与所述通气管之间通过套管进行连接，其中所述坩埚盖部被可拆卸地固定于所述套管底端，所述套管套在所述通气管的底端。

根据本发明的一个实施例，所述通气管的底端外侧设置有第一凸缘，而所述套管顶端内壁形成有与所述第一凸缘搭接的第二凸缘。

根据本发明的一个实施例，所述通气管的底端外侧设置有第一凸缘，而所述套管的顶端设置有弯折结构，所述弯折结构弹性地抵住所述通气管的外壁。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚盖部通过紧固件设置于所述套管的底端。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚盖部通过螺纹连接固定于所述通气管的底端。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚盖部包括：连接部，所述连接部为圆筒状且位于其顶端的连接部，通过所述连接部将所述坩埚盖部设置于所述通气管的底端；以及喇叭状部，所述喇叭状部位于所述连接部底端且中间设有与所述连接部对应的开口，且所述喇叭状的大口端尺寸不小于所述坩埚的开口端尺寸以覆盖整个坩埚开口端。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚盖部包括：连接部，所述连接部为圆筒状且位于其顶端的连接部，通过所述连接部将所述坩埚盖部设置于所述通气管的底端；平板状部，所述平板状部位于所述连接部底端且中间设有与所述连接部对应的开口；以及悬垂部，所述悬垂部设置于平板状部边缘下侧。

根据本发明的一个实施例，所述坩埚盖部的内表面形成有热反射层，其中，所述热反射层由选自包括石墨、含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物的组中的任一种或多种材料形成，其中所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅，所述耐2000℃金属包括钨、钼、钽、铌及其合金，所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。

具体而言，所述热反射层的内表面的表面粗糙度小于25μm。

根据本发明的一个实施例，所述热反射层通过气相沉积法形成于所述坩埚盖部的内表面。

根据本发明的一个实施例，所述热反射层为1个或多个板状衬垫，所述板状衬垫通过紧固件设置于所述坩埚盖部的内表面。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了现有技术的定向凝固炉在装料结束后上下炉体闭合前的结构示意图；

图2实现了根据本发明的一个实施例的定向凝固炉在装料结束后上下炉体闭合前的结构示意图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的定向凝固炉在上下炉体闭合后的结构示意图；

图4显示了图2中A部分的放大示意图；

图5显示了图2中A部分的另一个可选的放大示意图；

图6显示了图2中A部分的再一个可选的放大示意图；

图7a显示了图2中A部分的其他可选的放大示意图；

图7b显示了图7a中B向视图的放大示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明涉及生长多晶材料的系统或者设备。下面将以制造多晶的多晶炉为例来描述根据本发明的定向凝固炉，其中图2显示了根据本发明的一个实施例的定向凝固炉100在装料结束后而上下炉体闭合前的结构示意图；图3显示了根据本发明的一个实施例的定向凝固炉在上下炉体闭合后的结构示意图。

在根据本发明的一个实施例中，所述定向凝固炉100包括：上炉体101；下炉体102，所述下炉体102与所述上炉体101相配合以形成炉体空间104；坩埚1，所述坩埚1设置在炉体空间104内并被构造成容纳给料；至少一个加热器32，所述加热器32用于加热坩埚1以及容纳于坩埚1中的给料以使给料熔化；坩埚保持器5，所述坩埚保持器5用于保持所述坩埚1；隔热部件4，所述隔热部件4容纳在所述炉体空间104内，并被构造成相对于所述坩埚1纵向可移动，以控制所述坩埚1内的给料的定向凝固；通气管105，所述通气管105连接至外部气源200并竖直地贯穿隔热部件4；以及可拆卸地设置于通气管105底端的坩埚盖部106，该坩埚盖部106的尺寸与坩埚1顶端尺寸适配以盖在所述坩埚1上方。

根据本发明的上述方案，通过可拆卸地设置于通气管105底端的坩埚盖部106，可以实现增加每次的给料量。具体而言，如图3所示，使多晶给料在坩埚上方累高，只要不至于滑落至坩埚1外即可。由于固体熔化后形成的熔体体积小于固体的体积，根据计算，在确保坩埚1可以容纳全部多晶给料熔化后形成的熔体的情况下最多能够增加大约30％的给料量。同时，由于坩埚盖部106的尺寸与坩埚1顶端尺寸适配，因此能确保对含碳气体不会在炉腔内沉积进而造成硅锭生长环境的污染，且不用进行气路对准，提高了整个定向凝固炉生产单晶或者多晶的效率。而且由于坩埚盖部106能够拆卸，在使用一段时间后可以通过简单的操作进行清洗处理，从而能够确保多晶锭的质量稳定。

在本发明的一个实施例中，如图2-图3所示，隔热部件4由顶隔热部41和悬垂隔热部42构成。除了四周设置的侧加热器32之外，在坩埚1的上方还设置有顶加热器31。通气管105贯穿顶隔热部件41和顶加热器31，在其底端可拆卸地设置有坩埚盖部106。当然，如果省略了顶加热器31，则通气管105只须贯穿顶隔热部件41，并在其底端可拆卸地设置有坩埚盖部106即可。

其中，坩埚盖部106即可以与通气管105之间采取可拆卸方式进行固定连接，也可以可纵向移动地设置于通气管105的底端。

作为将坩埚盖部106可移动地设置于通气管105底端的连接方式，图5和图6分别列举出2种连接方式。具体而言，如图5所示，坩埚盖部106与通气管105之间通过套管107进行连接。其中，坩埚盖部106被可拆卸地固定于套管107的底端，而套管107套在所述通气管的底端。

在本发明的一个示例中，如图5所示，通气管105的底端外侧设置有第一凸缘108，而套管107顶端内壁形成有与所述第一凸缘108搭接的第二凸缘109。

而在本发明的另一个示例中，如图6所示，通气管105的底端外侧设置有第一凸缘108′，而套管107的顶端设置有弯折结构110，所述弯折结构弹性地抵住通气管105的外壁。

根据上述方案，不仅可以根据需要在装料、炉体闭合、熔料等整个生产过程中调节坩埚盖部106的高度，而且由于由气源200、通气管105、套管107、坩埚盖部106所形成的气路可以根据需要在纵向上进行伸缩而无需考虑气路的对准问题，且整个结构简单、易操作。

另外，在本发明的一个示例中，如图7a所示，坩埚盖部106’通过紧固件112固定于套管的底端。当然，坩埚盖部106’也可以通过螺纹连接固定于通气管的底端。此外，还可以采用对于本领域的技术人员来说容易想到的其他连接方式比如通过卡扣结构的连接、通过销钉的连接等等。

在本发明的一个示例中，如图4所示，坩埚盖部106包括位于其顶端的连接部1061、以及位于连接部1061底端的喇叭状部1062。其中，连接部1061为圆筒状，通过连接部1061坩埚盖部106被设置于通气管105的底端；喇叭状部1062的中间设有与连接部1061对应的开口，且喇叭状1062的大口端尺寸不小于坩埚1的开口端尺寸以罩住整个坩埚开口端上方。由此避免硅料通过还原反应生成单晶硅或多晶硅过程中所产生的含碳气体在炉腔内的沉积。

在本发明的一个示例中，如图7a所示，坩埚盖部106′包括：位于顶端的连接部1061′、平板状部1062′以及设置于平板状部1062′边缘下侧的1063′。其中，连接部1061′为圆筒状，通过连接部1061′坩埚盖部106′被设置于通气管105的底端。平板状部1062′位于连接部1061′的底端且中间设有与连接部1061′对应的开口。

在本发明的一个示例中，如图7b所示，坩埚盖部106′的内表面形成有热反射层1062a′。其中，热反射层1062a′由选自包括石墨、含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物的组中的任一种或多种材料形成。由此，能够将从顶部加热器31′辐射至坩埚盖部106′的热量反射向坩埚，从而能提高加热效率、降低能耗。

其中，所述含硅化合物可以包括碳化硅、氮化硅、硼化硅。

所述耐2000℃金属包括钨、钼、钽、铌及其合金。

所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。

在本发明的一个示例中，所述热反射层1062a′还可以具有比常规的保温层更高的光洁度，根据本发明的一个优选实施例，可以将该热反射材料板213的表面粗糙度(Ra)加工成小于25μm，以使表面具有高热反射率。根据本发明的一个实施例，所述热反射层213的表面粗糙度(Ra)加工成小于12.5μm，由此即使在后续的使用过程中，其表面沉积有沉积物时也可以保证该热反射层1062a′的热反射性能。

在本发明的一个示例中，热反射层1062a′由通过气相沉积方法在坩埚盖部106′的内表面上形成的膜构成。

在本发明的一个示例中，热反射层1062a′还可以由垫衬于坩埚盖部106′内表面上的垫衬构成。垫衬即可以覆盖顶板整体形成为一整块，也可以如图7b所示形成为适宜大小的多个垫衬，通过紧固件1062b′与坩埚盖部106′连接。

需要说明的是，在以上描述中以形成有平板状部的坩埚盖部为例对热反射层进行了描述，然而，热反射层也可以同样地应用于任何其他形状的坩埚盖部中，比如其可以同样应用于图5的喇叭状部的坩埚盖部。

本发明提出的定向凝固炉不仅可以用于多晶硅和单晶硅的制备，也可用于定向凝固法生长单晶和多晶锗或其他化合物半导体晶体以及氧化物晶体材料的制备。

另外，需要说明的是，任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。

尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种定向凝固炉，其特征在于，包括：

上炉体；

下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；

坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳给料；

至少一个加热器，所述加热器用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料；

坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚；

隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内，并被构造成相对于所述坩埚纵向可移动，以控制所述坩埚内的给料的定向凝固；

通气管，所述通气管连接至外部气源并竖直地贯穿所述隔热部件；以及

坩埚盖部，所述坩埚盖部与所述通气管之间通过套管进行连接以使所述坩埚盖部可纵向移动地设置于所述通气管的底端，其中所述坩埚盖部被可拆卸地固定于所述套管底端，所述套管套在所述通气管的底端，且所述坩埚盖部尺寸与所述坩埚顶端尺寸适配以盖在所述坩埚上方。

2.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述通气管的底端外侧设置有第一凸缘，而所述套管顶端内壁形成有与所述第一凸缘搭接的第二凸缘。

3.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述通气管的底端外侧设置有第一凸缘，而所述套管的顶端设置有弯折结构，所述弯折结构弹性地抵住所述通气管的外壁。

4.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述坩埚盖部通过紧固件设置于所述套管的底端。

5.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述坩埚盖部通过螺纹连接固定于所述套管的底端。

6.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述坩埚盖部包括：

连接部，所述连接部为圆筒状且位于其顶端的连接部，通过所述连接部将所述坩埚盖部设置于所述通气管的底端；以及

喇叭状部，所述喇叭状部部位于所述连接部底端且中间设有与所述连接部对应的开口，且所述喇叭状的大口端尺寸不小于所述坩埚的开口端尺寸以覆盖整个坩埚开口端。

7.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述坩埚盖部包括：

连接部，所述连接部为圆筒状且位于其顶端的连接部，通过所述连接部将所述坩埚盖部设置于所述通气管的底端；

平板状部，所述平板状部位于所述连接部底端且中间设有与所述连接部对应的开口；以及

悬垂部，所述悬垂部设置于平板状部边缘。

8.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述坩埚盖部的内表面设置有热反射层，其中，所述热反射层由选自包括石墨、含硅化合物、耐2000℃金属、硼化物、碳化物、氮化物的组中的任一种或多种材料形成，其中

所述含硅化合物包括碳化硅、氮化硅、硼化硅，

所述耐2000℃金属包括钨、钼、钽、铌及其合金，

所述硼化物包括碳化硼、氮化硼、硼化锆、硼化镧、硼化钛、硼化钽、硼化铬、硼化钨、硼化钼、硼化钒、硼化铌，

所述碳化物包括碳化铬、碳化钽、碳化钒、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钛、碳化铌，

所述氮化物包括氮化钛、氮化钨、氮化钼、氮化铬、氮化铌、氮化锆、氮化钽、氮化钒。

9.根据权利要求8所述的定向凝固炉，其特征在于，所述热反射层的内表面的表面粗糙度小于25μm。

10.根据权利要求8所述的定向凝固炉，其特征在于，所述热反射层通过气相沉积法形成于所述坩埚盖部的内表面。

11.根据权利要求8所述的定向凝固炉，其特征在于，所述热反射层为1个或多个板状衬垫，所述板状衬垫通过紧固件设置于所述坩埚盖部的内表面。

Images