CN101914806B - 具有改进气路的定向凝固炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向凝固炉，包括：上炉体；下炉体，下炉体与上炉体相配合以形成炉体空间；坩埚；至少一个加热器；坩埚保持器，坩埚保持器用于保持坩埚；盖板，盖板用于在坩埚被加热时盖住坩埚的开口端；隔热部件，隔热部件容纳在炉体空间内，并被构造成相对于坩埚纵向可移动，以控制坩埚内的给料的定向凝固，第一通气管，连接至外部气源并竖直地与隔热部件上的通孔对准；以及第二通气管，其第一端相对于第一通气管套接，从而第二通气部件可纵向移动地与盖板的上表面接触。根据本发明，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，并可以提高整个多晶锭的生产效率。

Description

具有改进气路的定向凝固炉

技术领域

本发明涉及例如太阳能用单晶硅锭或者多晶硅锭的生产设备，尤其是涉及一种具有改进气路的定向凝固炉。

背景技术

碳杂质在硅晶体中会严重恶化硅晶体的电学性能，比如少子寿命，从而恶化晶体硅太阳能电池片的转换效率。因此硅晶体中碳含量越低越好，一般要求碳含量在0.5ppm以下。

现有的硅原料表面总是或多或少地有碳沾污，比如有机物沾污，硅原料块内部有碳的沾污，盛装硅给料的石英坩埚内表面和外表面也含有大量的碳沾污，石英坩埚与石墨材质的坩埚保持器在高温下反应会形成一氧化碳气体。因此在多晶给料的熔化和定向凝固过程中，为了提高多晶或者单晶硅锭的质量，需要不间断地向石英坩埚中通入惰性气体，比如高纯氩气，以带走含碳气体，比如一氧化碳等，防止含碳气体滞留在硅熔体表面造成多晶或者单晶硅锭质量因碳含量高而严重下降。另外，惰性气体还将带走大量的一氧化硅等挥发物，确保熔体内部和表面具有很高的纯度，以保证单晶或者多晶硅锭的高质量。

由此需要在多晶或者单晶硅锭的整个制造的过程中，不断地向熔融的多晶给料表面吹入惰性气体，并将含碳气体以及其它挥发物带离熔体表面，最终被真空泵抽走。是否能通过气路将惰性气体准确地引入到熔体表面之上，对于多晶锭的质量有显著的影响。

在现有的制造多晶硅或者单晶硅锭的定向凝固设备或者系统中，无论多晶或者单晶硅的定向凝固过程，定向凝固炉内温度都非常高，不易实现炉内气路的移动，所以现有的定向凝固炉的气路都是固定的，在定向凝固的工艺过程中，气路也保持不动。现有定向凝固设备的气体管路的终端即气嘴位于石英坩埚之上所设置的盖板的上方。给料熔化和定向凝固过程中，惰性气体通过盖板中心的开孔流向熔体表面。

在装料完成后，下炉体需要向上运动，与上炉体相配合以形成封闭的炉体空间，此时，下炉体上放置的石英坩埚以及石英坩埚上设置的盖板均向上运动。为了避免运动过程中气体管路的气嘴与盖板接触，破坏气体管路或者盖板，气嘴和盖板之间就需要预留一定的空隙。为了安全起见，即便盖板向上运动到位之后，该空隙的高度也会有数厘米或者更多。该空隙将造成大量的惰性气体不能有效地穿过盖板中心的开孔达到熔体表面，从而不能有效地带走含碳气体等挥发物，进而恶化晶锭质量。

如果增加多晶给料的供给量，装料时盖板就需要上移，而硅料熔化完成后盖板需要下移，此时就出现盖板需要发生运动而气路不能跟随盖板运动的情况。这种情况下，气体管路的气嘴与盖板之间的空隙会更大，惰性气体将不能准确地到达熔体表面。

而装料过程中，还存在气路的对准问题，即气体管路的气嘴要与盖板中心开孔纵向对准，否则大量的气体将不能导入到盖板中心开孔，进而不能到达熔体表面。这就要求在通过铲车等机械运输设备将所述坩埚运到所述炉体中的过程中，需要反复进行定位，确保坩埚及盖板处于炉体的中心位置，该过程对生产效率有影响。

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，并可以提高整个多晶锭的生产效率。

根据本发明的一方面，提供了一种定向凝固炉，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；盖板，所述盖板用于在坩埚被加热时盖住坩埚的开口端且所述盖板的中心形成有第一开孔；隔热部件，所述隔热部件的中心形成有第二开孔且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，第一通气管，所述第一通气管连接至外部气源并竖直地与所述隔热部件上的第二开孔对准；以及第二通气管，所述第二通气管可移动地套在所述第一通气管上，从而所述第二通气管可纵向移动地与所述盖板的上表面接触。

根据本发明的上述方案，通过彼此相对可移动的第一通气管和第二通气管，实现了气路的可调节，即气嘴可上下移动，从而实现气嘴与盖板之间空隙最小化，还可以在盖板被改进(例如改进用于增加给料等)时，无需对气路进行改进。此外，由于所述第二通气管的下端尺寸可调，从而方便地实现了气路的对准，提高了整个定向凝固炉生产单晶或者多晶的效率。

根据本发明的一个实施例，所述第二通气管的第二端设置有气体引导结构，所述气体引导结构用于将气体与盖板上的第一开孔流体连通。

根据本发明的一个实施例，所述气体引导结构与所述第二通气管的第二端一体形成，且其沿着横向方向的尺寸沿着纵向向下逐渐变大。

根据本发明的一个实施例，所述第一通气管穿透所述隔热部件，且所述第二通气管的第一端形成有凸缘部，所述凸缘部与所述隔热部件的上表面搭接。

根据本发明的一个实施例，靠近第二通气管的所述第一通气管的一端的外侧设置有第一凸缘，所述第二通气管的第一端的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，所述第一凸缘和所述第二凸缘之间设置有密封垫。

根据本发明的一个实施例，所述密封垫由碳纤维材料形成。

根据本发明的一个实施例，所述第一通气管的一端设置在所述隔热部件的上表面的上方。

根据本发明的一个实施例，靠近所述第二通气管的、所述第一通气管的一端的外侧设置有第一凸缘，所述第二通气管的第一端设置有弯折结构，弯折结构弹性地抵住所述第一通气管的外壁。

根据本发明的一个实施例，所述的盖板进一步包括：形成在所述盖板上表面上的导气管，所述导气管与所述第一开孔相连通，用于与所述气体引导结构配合来引导气体。

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显示了根据本发明的一个实施例的定向凝固炉的结构示意图；

图2显示了图1中部分A的放大示意图；

图3显示了图1中部分A的另一可选的放大示意图；以及

图4显示了图1中部分A的再一可选的放大示意图。

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或单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1显示了根据本发明的一个实施例的定向凝固炉100的结构示意图。需要说明的是，所述盖板7被改造用于增加所述定向凝固炉100的单炉加工量，但是需要说明的是，此处对盖板7的改造只是出于示例的目的，而不是为了限制本发明的保护范围，普通技术人员在阅读了本发明的下述技术方案之后，显然可以将其用于对所述盖板7进行其他改造的定向凝固炉100中。

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31，所述加热器31用于加热坩埚1并熔化容纳在坩埚1中的给料；坩埚保持器5，所述坩埚保持器5用于保持所述坩埚1；盖板7，所述盖板7用于在坩埚1被加热时盖住坩埚1的开口端；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，第一通气管105，所述第一通气管105连接至外部气源200并竖直地与所述隔热部件4上的通孔对准；以及第二通气管107，所述第二通气管107可移动地套在所述第一通气管105上，从而所述第二通气管107可纵向移动地与所述盖板7的上表面接触。需要说明的是，位于所述隔热部件4之内的顶部加热器32是可选的，在实施本发明的方案时，也可以省略该顶部加热器32。

根据本发明的上述方案，通过彼此相对可移动的第一通气管105和第二通气管107，实现了气路的可调节，从而可以在盖板7被改进时(例如改进用于增加给料等)，无需对气路进行改进。此外，由于所述第二通气管107的下端尺寸可调，从而方便地实现了气路的对准，提高了整个定向凝固炉100生产单晶或者多晶的效率。

下面将参照附图2-4来描述根据本发明的定向凝固炉100的详细气路改进结构，其中，图2显示了图1中部分A的放大示意图；图3显示了图1中部分A的另一可选的放大示意图；以及图4显示了图1中部分A的再一可选的放大示意图。

根据本发明的一个实施例，所述第二通气管107的第二端设置有气体引导结构109，所述气体引导结构109用于将从气源200的例如氩气的惰性气体与盖板7上的第一开孔701流体连通。

如图2中所示，根据本发明的一个实施例，所述气体引导结构109与所述第二通气管107的第二端一体形成，且其沿着横向方向的尺寸沿着纵向向下逐渐变大。可选地，所述气体引导结构109也可以可拆卸地连接至所述第二通气管107的第二端，以方便替换所述气体引导结构109。

如图2中所示，所述第一通气管105穿透所述隔热部件4，且所述第二通气管107的第一端形成有凸缘部108，所述凸缘部108与所述隔热部件4的上表面搭接。从而对所述第二通气管105起到纵向定位的作用。

此外，如图1中所示，所述盖板7可以进一步包括：形成在所述盖板7上表面上的导气管9，所述导气管9与所述第一开孔701相连通，用于与所述气体引导结构109配合来引导气体。

下面将参照图3、4来描述本发明的通气管105、107的其他可选结构。但是，需要说明的是，此处与所述上述方案中相同的技术特征将在下面简单或者省略进行说明。其中相同或者相近似的特征将以相近似的标记来进行引用。

如图3中所示，根据本发明的一个实施例，所述第一通气管205的一端的外侧可以设置有第一凸缘211，所述第二通气管207的第一端的内壁形成有与所述第一凸缘211搭接的第二凸缘208。可选地，所述第一凸缘211和所述第二凸缘208之间可以设置有密封垫210，用于对所述气路进一步进行密封。由于所述定向凝固炉100内的温度将高达1400℃以上，由此所述密封垫210可以由碳纤维材料来形成。

如图3中所示，所述第一通气管205的一端设置在所述隔热部件4的上表面的上方。但是，可选地，所述第一通气管205的所述一端也可以设置在所述隔热部件4之下，只要所述第一凸缘211和所述第二凸缘208之间能够彼此搭接即可。

图4中显示了本发明的另一可选搭接结构。其中所述结构基本上与所述图3中所描述的结构相同。此处对其的详细描述此处省略。

在图4中，所述第二通气管307的上端形成有弯折结构308，所述弯折结构308弹性地抵住所述第一通气管305的外壁，从而在所述第二通气管307与所述盖板7搭配的过程中可以紧密地与所述第一通气管305的外壁接触，从而可以防止惰性气体的进一步流失，并减少了密封垫的要求。

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。

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。

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 (10)

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；

盖板，所述盖板用于在坩埚被加热时盖住坩埚的开口端且所述盖板的中心形成有第一开孔；

隔热部件，所述隔热部件的中心形成有第二开孔且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，

第一通气管，所述第一通气管连接至外部气源并竖直地与所述隔热部件上的第二开孔对准；以及

第二通气管，所述第二通气管可移动地套在所述第一通气管上，从而所述第二通气管可纵向移动地与所述盖板的上表面接触。

2.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述第二通气管的第二端设置有气体引导结构，所述气体引导结构用于将气体与盖板上的第一开孔流体连通。

3.根据权利要求2所述的定向凝固炉，其特征在于，所述气体引导结构与所述第二通气管的第二端一体形成，且其沿着横向方向的尺寸沿着纵向向下逐渐变大。

4.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述第一通气管穿透所述隔热部件，且所述第二通气管的第一端形成有凸缘部，所述凸缘部与所述隔热部件的上表面搭接。

5.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，靠近所述第二通气管的所述第一通气管的一端的外侧设置有第一凸缘，所述第二通气管的第一端的内壁形成有与所述第一凸缘搭接的第二凸缘。

6.根据权利要求5所述的定向凝固炉，其特征在于，所述第一凸缘和所述第二凸缘之间设置有密封垫。

7.根据权利要求6所述的定向凝固炉，其特征在于，所述密封垫由碳纤维材料形成。

8.根据权利要求5所述的定向凝固炉，其特征在于，所述第一通气管的一端设置在所述隔热部件的上表面的上方。

9.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，靠近所述第二通气管的、所述第一通气管的一端的外侧设置有第一凸缘，所述第二通气管的第一端设置有弯折结构，弯折结构弹性地抵住所述第一通气管的外壁。

10.根据权利要求2所述的定向凝固炉，其特征在于，所述盖板进一步包括：

形成在所述盖板上表面上的导气管，所述导气管与所述第一开孔相连通，用于与所述气体引导结构配合来引导气体。

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