CN102119242B - 用以形成板的装置 - Google Patents

Abstract

揭示一种纯化熔体的装置以及一种用以形成板的装置。于腔室中在第一方向冷凝熔体的第一部分。在第一方向熔化第一部分的小部分。熔体的第二部分保持冷凝。从腔室流出熔体，以及从腔室移除第二部分。冷凝以在溶体及第二部分中浓缩溶质。第二部分可以是高溶质浓度的块体。此系统可以并入板形成装置及其他组件，例如泵、过滤器或微粒捕集阱。

Description

用以形成板的装置

技术领域

本发明涉及由熔体形成的板(sheet)，尤其涉及在由熔体形成板中使用的纯化系统。

背景技术

举例而言，集成电路或太阳能电池产业中可使用硅晶圆或板。随着对再生性能源的需求增加，对太阳能电池的需求亦持续增加。随着这些需求增加，太阳能电池产业的一个目标为降低成本/功率比。存在两种类型的太阳能电池：硅与薄膜。大多数太阳能电池由硅晶圆(诸如单晶体硅晶圆)制成。目前，结晶硅太阳能电池的主要成本为太阳能电池制造于其上的晶圆。太阳能电池的效率或在标准照明下所产生的功率量部分地受此晶圆的品质限制。制造晶圆的成本在不降低品质的情况下的任何减少均将降低成本/功率比，且允许此干净能源技术的较宽可用性。

最高效率硅太阳能电池可具有大于20％的效率。这些硅太阳能电池是使用电子级单晶硅晶圆而制成。可通过从使用Czochralski方法生长的单晶硅圆柱形晶块(boule)锯切薄片层来制成此类晶圆。片层的厚度可小于200μm。为维持单晶体生长，所述晶块必须从含有熔体的坩埚(crucible)缓慢地生长，诸如小于10μm/s。随后的锯切制程对每晶圆导致大约200μm的锯口损失(kerf loss)，或归因于锯条(saw blade)的宽度的损失。亦可能需要使圆柱形晶块或晶圆成正方形，以制作正方形太阳能电池。使成正方形及锯口损失两者均导致材料浪费且材料成本增加。随着太阳能电池变薄，每次切割浪费的硅的百分比增加。然而，铸锭(ingot)分割技术的限制可能阻碍获得较薄太阳能电池的能力。

使用从多晶硅铸锭锯切的晶圆来制作其他太阳能电池。多晶硅铸锭的生长速度可快于单晶硅的生长速度。然而，所得晶圆的品质较低，因为存在较多缺陷及晶界(grain boundaries)，且此较低品质导致较低效率的太阳能电池。用于多晶硅铸锭的锯切制程与用于单晶硅铸锭或晶块的锯切制程一样低效。

可减少硅浪费的另一解决方案为在离子植入之后使晶圆从硅铸锭分裂(cleave)。举例而言，将氢、氦或其他惰性气体植入硅铸锭的表面之下，以形成经植入区。接着进行热、物理或化学处理，以使晶圆沿此经植入区从铸锭分裂。虽然经由离子植入的分裂可在无锯口损失的情况下产生晶圆，但仍有待证明可使用此方法来经济地产生硅晶圆。

又一解决方案为从熔体垂直拉动薄硅带，且接着允许所拉动的硅冷却并凝固为板。此方法的拉动速率可被限制为小于大约18mm/min。在硅的冷却及凝固期间所移除的潜热(latent heat)必须沿垂直带移除。此导致沿所述带的较大温度梯度。此温度梯度对结晶硅带加应力，且可能导致较差品质的多晶粒硅。所述带的宽度及厚度亦可能由于此温度梯度而受限。举例而言，宽度可被限于小于80nm，且厚度可被限于180μm。

亦已测试从熔体实体拉动的水平硅带。在一种方法中，将附着至一杆的晶种插入熔体中，且在坩埚的边缘上以较低角度拉动所述杆及所得板。所述角度及表面张力被平衡，以防止熔体从坩埚上溅出。然而，难以起始及控制此拉动制程。必须接取坩埚及熔体以插入晶种，此可能导致热量损失。可将额外热量添加至坩埚以补偿此热量损失。此可能导致熔体中的垂直温度梯度，其可导致非层状(non-laminar)流体流。而且，必须执行可能较困难的倾斜角度调节，以平衡形成于坩埚边缘处的弯月面(meniscus)的重力与表面张力。此外，由于热量是在板与熔体的分离点处被移除，因此作为潜热被移除的热量与作为显热(sensible heat)被移除的热量之间存在突然变化。此可导致此分离点处沿带的较大温度梯度，且可导致晶体中的错位(dislocations)。错位及挠曲(warping)可能由于沿板的温度梯度而发生。

尚未执行从熔体水平分离的薄板的制造，例如使用溢道(spillway)。通过分离从熔体的水平制造板与从铸锭分割硅相比可能较便宜，且可能消除锯口损失或由于使成正方形而导致的损失。通过分离从熔体的水平制造板与使用氢离子从铸锭分裂硅或其他拉动硅带的方法相比亦可能较便宜。此外，从熔体水平分离板与拉动带相比可改良板的晶体品质。诸如此可降低材料成本的晶体生长方法将为降低硅太阳能电池的成本的主要启用步骤。但杂质或溶质可能在熔体中聚积(build up)。因此，在此领域中需要一种经改良的装置及纯化熔体的方法。

发明内容

根据本发明的第一态样，提供一种纯化的方法。此方法包括于腔室中在第一方向冷凝熔体的第一部分。在第一方向熔化熔体的第一部分的小部分(fraction)。熔体的第二部分保持冷凝。从腔室流出熔体以及从腔室移除第二部分。

根据本发明的第二态样，提供一种用以纯化熔体的装置。此装置包括界定空腔的腔室。腔室亦界定入口及出口。此装置也包括冷却器、加热器以及转换机构，转换机构沿腔室在第一方向转换冷却器及加热器。

根据本发明的第三态样，提供一种用以形成板的装置。此装置包括经配置以形成熔体的坩埚。第一泵与坩埚流体交流。纯化系统与第一泵流体交流。第二泵与纯化系统流体交流。板形成装置沿第一路径与第二泵流体交流，且板形成装置经配置以冷凝熔体以形成板。板形成装置包括容器及冷却平板，容器界定经配置以容纳熔体的通道，冷却平板配置在熔体上方。

附图说明

参照附图以更了解本发明，附图在此并入本文参考且其中：

图1是从熔体分离板的装置的一实施例的剖面侧视图；

图2是从熔体拉动板的装置的一实施例的剖面侧视图；

图3是泵的一实施例的剖面侧视图；

图4的A至图4的D是使用图3中泵实施例进行泵抽的剖面侧视图；

图5是过滤器的方块图；

图6是微粒捕集阱的第一实施例的剖面侧视图；

图7是微粒捕集阱的第二实施例的剖面侧视图；

图8是纯化系统的第一实施例的透视图；

图9的A至图9的F是使用图8中纯化系统实施例的纯化制程阶段的剖面正视图；

图10是纯化系统的第二实施例的剖面正视图；

图11是纯化系统的第三实施例的剖面正视图；

图12是比较溶质浓度的曲线图；

图13是板形成系统的第一实施例的方块图；

图14是板形成系统的第二实施例的方块图；

图15是板形成系统的第三实施例的方块图；

图16是从熔体分离板的装置的第一实施例的正视平面图；

图17是从熔体分离板的装置的第二实施例的正视平面图；以及

图18是板形成系统的第四实施例的方块图。

具体实施方式

结合太阳能电池而描述本文的装置及方法的实施例。然而，这些实施例亦可用于制造(例如)集成电路、扁平面板或本领域技术人员已知的其他基板。此外，虽然本文将熔体描述为硅，但熔体可含有锗、硅与锗、镓、氮化镓、其他半导体材料，或本领域技术人员已知的其他材料。因此，本发明不限于下文所描述的具体实施例。

图1为从熔体分离板的装置的一实施例的剖面侧视图。形成板的装置21具有容器16以及面板15及20。容器16以及面板15及20可为(例如)钨、氮化硼、氮化铝、钼、石墨、碳化硅或石英。容器16经配置以容纳熔体10。熔体10可为硅。在一实施例中，熔体10可经由进料器11补充。进料器11可含有固体硅或固体硅与锗。在另一实施例中，熔体10可被泵抽至(pumped into)容器16中。板13将形成于熔体10上。在一种情况下，板13将至少部分地在熔体10内浮动。虽然图1中将板13说明为在熔体10中浮动，但板13可至少部分地浸没于熔体10中，或可浮动于熔体10的顶部。在一种情况下，板13的仅10％从熔体10的顶部上方突出。熔体10可在装置21内循环。

此容器16界定至少一通道17。此通道17经配置以容纳熔体10，且熔体10从通道17的第一点18流动至第二点19。在一种情况下，通道17内的环境仍将防止熔体10中的涟波(ripples)。熔体10可由于(例如)压力差、重力、磁流体动力(magnetohydrodynamic)驱动、螺旋泵，以及叶轮泵、轮或其他输送方法而流动。熔体10接着在溢道(spillway)12上流动。此溢道12可为斜面、堰(weir)、小堤或角落，且不限于图1中所说明的实施例。溢道12可为允许板13从熔体10分离的任何形状。

在此特定实施例中，面板15经配置以部分在熔体10的表面下方延伸。此可防止波或涟波在板13形成于熔体10上时干扰板13。波或涟波可由于从进料器11添加熔体材料、泵抽或本领域技术人员已知的其他原因而形成。

在一特定实施例中，可使容器16以及面板15及20维持在稍高于近似1687K的温度。对于硅而言，1687K表示冷凝(freezing)温度或界面温度。通过使容器16以及面板15及20的温度维持于稍高于熔体10的冷凝温度，冷却平板14可使用辐射冷却来起作用，以获得熔体10上或熔体10中的板13的所要冷凝速率。在此特定实施例中，冷却平板14由单个区段或部分组成，但在另一实施例中可包含多个区段或部分。可以高于熔体10的熔化温度的温度来加热通道17的底部，以在界面处在熔体10中形成较小的垂直温度梯度，以防止成分过冷(constitutionalsupercooling)或在板13上形成枝状结晶(dendrites)或分支突出部分。然而，容器16以及面板15及20可处于高于熔体10的熔化温度的任何温度。此举防止熔体10在容器16以及面板15及20上凝固。

可通过至少部分地或完全将装置21封入包体(enclosure)内，来使装置21维持于稍高于熔体10的冷凝温度的温度。若所述包体使装置21维持于高于熔体10的冷凝温度的温度，则可避免或减少加热装置21的需要，且包体中或周围的加热器可补偿任何热量损失。此包体可通过非各向同性传导性而等温。在另一特定实施例中，并不将加热器安置于包体上或包体中，而是将加热器安置于装置21中。在一种情况下，可通过将加热器嵌入容器16内及使用多区温度控制来将容器16的不同区加热至不同温度。

包体可控制装置21所安置的环境。在一具体实施例中，包体含有惰性气体。可使此惰性气体维持于高于熔体10的冷凝温度。惰性气体可减少至熔体10中的溶质添加，溶质添加可能导致板13的形成制程期间的成分不稳定性。

装置21包含冷却平板14。冷却平板14允许在板13形成于熔体10上时的排热。当冷却平板14的温度降低至低于熔体10的冷凝温度时，冷却平板14可致使板13在熔体10上或熔体10中冷凝。此冷却平板14可使用辐射冷却，或可由(例如)石墨、石英或碳化硅制造。冷却平板14可从液态熔体10快速、均匀且以受控量移除热量。可减少板13形成时对熔体10的干扰，以防止板13中的瑕疵。

与其他带拉动(ribbon pulling)方法相比，熔体10的表面上的熔解热量及来自熔体10的热量的排热可允许较快地产生板13，同时维持板13具有较低缺陷密度。冷却熔体10的表面上的板13或在熔体10上浮动的板13允许缓慢地且在较大区域上移除熔解潜热，同时具有较大的水平流动速率。

冷却平板14在长度及宽度上的尺寸可增加。增加长度对于相同垂直生长速率及所得板13厚度而言，可允许较快的熔体10流动速率。增加冷却平板14的宽度可导致较宽的板13。不同于垂直板拉动方法，使用图1中所述的装置及方法的实施例，不存在对板13的宽度的固有(inherent)实体限制。

在一特定实例中，熔体10及板13以大约1cm/s的速率流动。冷却平板14的长度大约为20cm且宽度大约为25cm。板13可在大约20秒内生长至大约100μm的厚度。因此，所述板的厚度可以大约5μm/s的速率生长。可以大约10m²/小时的速率产生厚度大约为100μm的板13。

在一实施例中，可使熔体10中的热梯度减至最小。此举可允许熔体10流稳定且分层。亦可允许使用冷却平板14经由辐射冷却来形成板13。在一特定情况下，冷却平板14与熔体10之间大约300K的温度差可以大约7μm/s的速率在熔体10上或熔体10中形成板13。

通道17的在冷却平板14下游且在面板20下方的区可为等温的(isothermal)。等温区可允许板13的退火。

在板13形成于熔体10上之后，使用溢道12使板13从熔体10分离。熔体10从通道17的第一点18流动至第二点19。板13将与熔体10一起流动。板13的此输送可为连续运动。在一种情况下，板13可大致以熔体10流动的相同速度流动。因此，板13可形成且被输送，同时相对于熔体10静止。可更改溢道12的形状或溢道12的定向(orientation)，以改变熔体10或板13的速度分布(profile)。

熔体10在溢道12处从板13分离。在一实施例中，熔体10的流动在溢道12上输送熔体10，且可至少部分地在溢道12上输送板13。此举可使板13中的晶体破裂减至最少或防止晶体破裂，因为无外部应力施加至板13。在此特定实施例中，熔体10将在溢道12上远离板13而流动。不可将冷却应用于溢道12处，以防止对板13的热震(thermalshock)。在一实施例中，溢道12处的分离在近等温条件下发生。

与通过垂直于熔体拉动相比，板13可在装置21中较快地形成，因为熔体10可以经配置以允许熔体10上的板13以适当地冷却及结晶的速度流动。板13将大致以与熔体10的流动速度一样快的速度流动。此举减小板13上的应力。垂直于熔体而拉动带在速度上受限，因为由于拉动而在所述带上置有应力。在一实施例中，装置21中的板13可不具有任何此拉动应力。此举可提升板13的品质以及板13的生产速度。

在一实施例中，板13可趋向于直接向前超过溢道12。在一些情况下，可在越过溢道12之后支撑此板13，以防止断裂。支撑元件22经配置以支撑板13。支撑元件22可使用(例如)气体或鼓风机来提供气体压力差以支撑板13。在板13从熔体10分离之后，板13所处的环境的温度可缓慢地改变。在一种情况下，随着板13移动远离溢道12，所述温度降低。

在一种情况下，板13的生长、板13的退火以及使用溢道12之板13从熔体10的分离可在等温环境下发生。使用溢道12的分离以及板13与熔体10的大致相等的流动速率使板13上的应力或机械应变减至最小。此举增加产生单晶体板13的可能性。

在另一实施例中，将磁场施加至装置21中的熔体10及板13。此举可消震(dampen)熔体10内的振荡流(oscillatory flow)，且可改良板13的结晶化。

图2为从熔体拉动板的装置的一实施例的剖面侧视图。在此实施例中，装置23从熔体10拉动板13。在此实施例中，熔体10不可在通道17中循环，且可使用晶种来拉动板13。可通过冷却平板14经由冷却来形成板13，且可从熔体10拉出所得板。

图1至图2的实施例均使用冷却平板14。冷却平板14的长度上的不同冷却温度、熔体10的不同流动速率或板13的拉动速度、装置21或装置23的各个部分的长度，或在装置21或装置23内的时序(timing)可用于制程控制。若熔体10为硅，则可在装置21中形成多晶板13或单晶体板13。在图1或图2的实施例中，装置21或装置23可包含于包体中。

图1及图2仅为可在熔体10中形成板13的装置的两个实例。垂直及水平板13生长的其他装置或方法为可能的。本文所描述的方法及装置的实施例可应用于任何垂直或水平板13生长方法或装置，且并非仅限于图1至图2的具体实施例。

图3为泵的一实施例的剖面侧视图。在温度高于熔体10的冷凝温度时，泵30经配置以传输熔体10。在一种情况下，熔体10是硅并且可以在高于硅的冷凝温度的温度下操作泵30。泵30可以位于热绝缘的腔室中维持在熔体10的冷凝温度之上。

泵30包括泵腔室31，其界定空腔39、接近第一管路34的入口阀32以及接近第二管路35的出口阀33。第一管路34可以是熔体10的入口而第二管路35可以是熔体10的出口。气体源36提供诸如用以控制压力的氩气。虽然氩气在此具体地被列出，但也可以使用其他惰性气体或钝气。气体源36可以包括气体阀，以控制从气体源36到腔室31的气体流。气体阀允许气体流进或流出腔室31。与熔体10接触的泵30的所有组件是由无污染的材料所组成，例如氮化硼、石英、碳化硅或是氮化硅。泵30的压力将引入(draw in)熔体10中并且在所要的压力下把熔体10泵抽出来。泵30是由气体源36所驱动。在高于第一管路34的的压力(亦即P₀)的任何所要压力下(亦即P_f)，泵30可以提供熔体10的几近连续的传输。

在图3所示的实施例中，入口阀32与出口阀33是止回阀(checkvalve)，但是也可以使用其他种类的阀。止回阀是一种防止回流的阀或是单向阀，其只允许流体以单一方向流经此阀。在此特定实施例中，入口阀32与出口阀33分别包括主体37与底座(seat)38。在此实施例中，主体37呈圆形，但也有可能是其他形状。主体37经配置装配在底座38内，在一实施例中底座38可以是插槽(socket)。当入口阀32或出口阀33被密封时，主体37靠着底座38静止。主体37可以涂布氮化硼、石英、氮化硅或碳化硅或是由上述材质所制造。

图4的A至图4的D为使用图3中泵实施例进行泵抽的剖面侧视图。图4的A表示泵腔室31中的压力(P)与第一管路34中的压力(P₀)大约相同(P＝P₀)时的初始状态。因此，入口阀32与出口阀33都是关闭的。在图4的B中，降低泵腔室31中的压力。这个状态可以用方程式P＜P₀-ρgh_i表示，其中ρ是熔体10的密度、g是重力、而h_i是熔体10必需流经入口阀32的上方以进入泵腔室31的高度40(以直线代表)。由于泵腔室31中的压力低于第一管路34中的压力，因此入口阀32开启并且熔体10填充泵腔室31。泵腔室31中的低压力将会使出口阀33保持关闭。在图4的C中，泵腔室31中的压力会因为使用从气体源36来的气体而增加。使得泵腔室31中的压力约莫大于第二管路35中的压力。此状态可以方程式P＞P_f+ρgh_i来表示。由于泵腔室31中的压力高于第二管路35的压力，因此出口阀33开启并且熔体10从泵腔室31排空。泵腔室31中的高压力会使入口阀32保持关闭。在图4的D中，泵30恢复到图4的A的初始状态，其中泵腔室31中的压力大约等于第一管路34中的压力(P＝P₀)。

可以重复图4的A至图4的D的制程以产生熔体10流。如果需要的话，可以调整熔体10流的速度。可以单独或至少部分地使用或多个泵30，以确保适当的熔体10流或熔体10速度。例如两个泵可以平行使用，如此一来当来自第一泵的熔体10流结束时，来自第二泵的熔体10流可以开始。这样可以确保恒定的熔体10传送。

图5为过滤器的方块图。在此特定实施例中，过滤器51位于高压区50与低压区52之间。高压区50与低压区52之间的压力差会使熔体10在方向53流经过滤器51。过滤器51可以移除熔体10中的微粒，例如二氧化硅或是碳化硅。过滤器51可以是(例如)氮化硅网筛或薄膜。氮化硅网筛或薄膜可以由诸如NanoStructures公司或是DUR-SIN^TM制造。在其他实施例中，过滤器51可以包括氮化硼细粒。

图6为微粒捕集阱(particle trap)的第一实施例的剖面侧视图。当熔体10流经微粒捕集阱62时，微粒捕集阱62收集在熔体10中的微粒65，例如二氧化硅、硼、铁或是碳化硅。碳化硅、铁、硼以及一些形式的二氧化硅的密度高于硅熔体10的密度。举例来说，硅熔体10的密度约为2.49g/cc，而二氧化硅的密度约为2.65g/cc、碳化硅的密度约为3.1g/cc。微粒65将会沉淀在微粒捕集阱62的底部，而熔体10会在方向63从熔体入口60经由微粒捕集阱62流至熔体出口61。因为压力差的关系，熔体10可以在方向63流动。

图7为微粒捕集阱的第二实施例的剖面侧视图。诸如碳、氮气或是空气的某些微粒66的密度低于硅熔体10的密度。微粒66将会在微粒捕集阱64的上方漂浮，而熔体10会在方向63从熔体入口60经由微粒捕集阱64流至熔体出口61。因为压力差的关系，熔体10可以在方向63流动。微粒捕集阱64也会捕集在熔体10中的挥发物质。微粒捕集阱64也可包括勺斗(scoop)、斜面或是漏杓(skimmer)以从熔体10移除一些微粒。

图8是纯化系统的第一实施例的透视图。这个系统可以从熔体10中移除偏析系数(segregation coefficient)小于1的污染物，例如碳或是金属。在物质中，溶质的偏析系数(γ)是指邻近固液介面的固态与液态中的溶质平衡浓度的比例。当γ＜1，溶质从固态析出(rejected)而进入液态。当γ＞1，溶质由液态析出而进入固态。

装置80由无污染材料所组成，例如氮化硼、石英、碳化硅或氮化硅。熔体10经入口埠81填充装置80。在此特定实施例中，入口埠81位于装置80的顶部。熔体10使用出口埠82从装置80排出。在此特定实施例中，出口埠82位于装置80的底部。入口埠81与出口埠82可以位于装置80的同一侧或是图8中装置80以外的其他侧。出口埠82位在溶质块体(slug)83的上方，其中块体83在纯化制程中会形成在装置80的底部。块体83是溶质的高浓度冷冻块。

图9的A至图9的F为使用图8中纯化系统实施例的纯化制程的剖面正视图。图9的A至图9的F是根据时间先后而发生，但也可能是其他实施例与方法。熔体10经入口埠81填充装置80。装置80包括冷却器90与加热器91，冷却器90与加热器91至少在第一方向可以相对于装置80而转换(translate)。在一实施例中，转换是一致的(uniform)，并且转换的速度允许冷凝及熔化。冷却器90与加热器91的每一个可以具有防护与隔热。从冷却器90与加热器91转移出或转移进的热可以是传导性、对流性、辐射性或是上述三种热转移形式的任意结合。虽然显示两个冷却器90与两个加热器91，但冷却器90与加热器91的数目也可能是本领域技术人员所知的其他数目。

在一种情况下，冷却器90与加热器91为环绕装置80的带或环。在另一种情况下，冷却器90与加热器91为靠近装置80的平板或是区块。在此实施例中，冷却器90与加热器91可以使用转换机构以操作性连接；或者是彼此分开地或单独地转换。在又一种情况下，可以将冷却器90与加热器91嵌入装置80中，并且随着时间过去选择性地启动不同的加热或冷却区。

冷却器90与加热器91还有系统的其他部分之间有辐射的遮蔽，以减小温度的扰动。在一实施例中，在低于熔体10的冷凝温度的温度下操作冷却器90。因此，冷却器90与熔体10可以被冷却至低于熔体10的冷凝温度。加热器91包含欧姆加热器、感应线圈、或是热阻加热器，但是其他形式的加热也是可能的。在一实施例中，流至冷却器90的流体可以调节冷却器90的温度，不过其他冷却方法也是可能的。

在图9的A至图9的F的特定实施例中，冷却器90与加热器91相对于装置80转换，也可以从例如顶部到底部(图9的A至图9的F)来冷凝装置80内所有的熔体10。这会形成凝固熔体92(以阴影线显示)。

许多溶质在固体中比在熔体中具有较低的溶解度，所以溶质的浓度在固体中被降低。当所有的熔体10被冷凝而形成凝固熔体92时，在熔体10与凝固熔体92之间的界面将会形成较高浓度溶质区。这个界面缓慢地从装置80的一端移动到另一端，最后形成包含高溶质浓度的块体83。此制程可以与所有具有偏析系数的溶质一起进行。

γ＝C_s/C₁＜1

其中γ是偏析系数、C_s是在固态中的浓度、而C₁是在液态中的浓度。因此，这些处于固液界面的溶质在固态中比在液态中是比较不溶的。许多化合物例如银、铝、金、铜、碳、铁、锂、锰、镍、硫、与钽都可以以此种方式从熔体10移除。其他本领域技术人员所知的溶质也可以同样的方式从熔体移除。冷却器90与加热器91的参数经配置以移除至少一些氧或硼。例如，需要多次的过滤或是冷凝与熔化循环以移除氧或硼。

此制程的效果显示在图12中。在图12中，当冷却器90与加热器91在装置80中(在x轴方向)转换时，凝固熔体92中的溶质浓度(C)增加。

接着凝固熔体92使用加热器91重新被熔化而再一次形成熔体10(显示在图9的C至图9的D中)。这将会在装置80的底部留下具有高浓度溶质的块体83。在一实施例中，可以重复此制程以获得所要的熔体10纯度。这需要重新熔化块体83或是以多次的冷凝及熔化循环来长成块体83。在图9的E中，经由出口埠82移除熔体10。在图9的F中，从装置80移除块体83。上述的移除可以从装置80滴下(dropping)、通过重新熔化块体并且从装置80排出或是泵抽、或是通过一些其他的移除方法。

较高纯度的熔体10可以降低熔体10中结构性过冷的可能性。熔体的冷凝温度可以因为溶质的存在而降低。当熔体10被冷凝时，此结构性过冷会产生枝状结晶(dendrites)。高纯度的熔体10也会降低沉淀的可能性或是小晶片(platelet)的形成，或是任何沉淀或是小晶片附着在凝固熔体10的可能性。此外，由于减少杂质，高纯度的熔体10可以制造出高效率的太阳能电池。所以，在一实施例中，熔体10具有低于10^-8的溶质质量分率(mass fraction)。

虽然在图9的A至图9的F中的制程显示为垂直组态，其使用重力与固态硅漂浮在液态硅上的特性，但是此制程也可以用水平的方式实施。为了要以水平的方式执行此制程，装置80的尺寸要被缩小如此重力效应才不会干扰此制程。在图11中替代的实施例中，在任何给定的时间只有液态熔体10的小区域形成凝固熔体92。这样形成了凝固区110。当冷却器90与加热器91相对装置80而转换时，凝固区110沿着装置80的长度进行。当凝固区110从装置80的一端进行到另一端时，凝固区110的顶部被重新熔化至熔体10。为了防止凝固熔体92往上漂浮，设置可移动的锯齿壁以防止凝固熔体92从装置80的一端移动到另一端。

为了较大产量，多个装置80可以串接(in tandem)操作。图10是纯化系统的第二实施例的剖面正视图。在此特定实施例中，冷却器90与加热器91一起被转换，但是对个别装置80的冷却器90与加热器91也可以单独地被转换。通过错开每个装置80的时间点，这样可以允许产量增加。

图13是板形成系统的第一实施例的方块图。系统132包括坩埚130与送料闸(load-lock)131、泵133、以及具有至少一装置80的纯化系统134、泵135与136、与板形成装置137。系统132可以形成板13。泵133、135、136可以对应泵30或是一些其他的泵。板形成装置137可以对应装置21、装置23、或是本领域技术人员所知的其他垂直或水平的板形成系统。系统132还包括过滤器51、微粒捕集阱62、或微粒捕集阱64，其例如在纯化系统134的上游、或在泵135、136与板形成装置137之间。在此实施例中，在没有接触到空气的情况下，提供纯化的熔体10给板形成装置137，因此避免了直接添加原料(feedstock)至板形成装置137的方法中的氧化。

在一实施例中，一开始可以使用坩埚130形成熔体10。然后从坩埚130中泵抽熔体10。在一实施例中，坩埚130是由无污染的材料组成，例如氮化硼或是氮化硅。在另一实施例中，坩埚130由包括碳的材料例如碳化硅或石墨组成。然而，利用包括碳的材料可能需要接着把熔体10过滤或是纯化。坩埚130也可以由含氧的化合物组成，例如硅土(silica)或石英。坩埚130可以包括加热器。这些可以例如是感应式的、热阻式的、或欧姆加热器。在一特定的实施例中，坩埚130是热隔绝的，可以维持在熔体10中高于熔体10的冷凝温度以上的均匀温度，并降低熔化熔体10所需的功率。

坩埚130可以包括送料闸131以允许添加原料材料至熔体10。送料闸131可以合并在坩埚130内或是与坩埚130分开的单元。在引入原料材料例如硅后，送料闸131与坩埚130会关闭及排空。然后使用气体源138于坩埚130内填充钝气，例如氩气或是其他惰性气体，并且加热以熔化原料材料至熔体10中。

由于氧化硅的气化，在坩埚130中可以从熔体10移除氧。氧化硅在硅熔化温度以下的温度是挥发性的。在一特定的实施例中，一次或多次地以氩气与氧化硅净化(purge)并且重新一次或多次地以氩气填充，以移除来自送料闸131或坩埚130的氧。如果送料闸131或坩埚130的壁含有碳，例如在碳化硅表面或石墨加热器，可能会形成一氧化碳。一氧化碳需要被泵抽出以防止污染熔体10。在一实施例中，添加例如氢至送料闸131或坩埚130来作为还原剂或是提升从熔体10中移除的氧。

在一种情况下，原料例如硅被添加至坩埚130的送料闸131。硅在等级上以及形状或形式上可以有所变化。在一特定的实施例中，使用具有大氧化面积的硅小球颗粒(pellets)。然后送料闸131关闭、排空与被泵抽至真空以移除氧或其他气体。原料被运送至坩埚130，送料闸131与坩埚130填充钝气例如氩气，并且原料被熔化形成熔体10。当有需要时，以氩气净化以移除氧化硅与一氧化碳的污染。然后泵133泵抽熔体10至纯化系统134。在进入纯化系统134之前，经由过滤器51、微粒捕集阱62、或是微粒捕集阱64泵抽熔体10。在图9的A至图9的F中显示装置80填充熔体10并且开始纯化熔体10。纯化的熔体10填充至少泵135、136的其中之一，并且以控制的速率被泵抽至板形成装置137。此控制的速率与形成板13的板形成装置137中结晶化的速率相同。

在一种情况下，当熔体10从例如泵135被泵抽出，填充泵136的熔体10在纯化系统134中被纯化。计时(timed)此纯化制程，使得当原本填充的泵135变成空的或之前，泵136准备好泵抽至板形成装置137，以允许熔体10持续输送至板形成装置137。

图14是板形成系统的第二实施例的方块图。系统140包括从板形成装置137至泵136的回收141。如此可以允许在板形成装置137中熔体10的持续循环。

图15是板形成系统的第三实施例的方块图。系统150包括从板形成装置137至纯化系统134与泵136的回收151(以虚线显示)。在另一实施例中，此回收只与纯化系统134流体交流(in fluidcommunication)。这样允许熔体10在板形成装置137中持续循环，并且纯化添加至板形成装置137或系统150其他地方中的任何溶质熔体10。因此，熔体10不会因为溶质或杂质而强化(intensify)。如果板13是由板形成装置137所制成，根据下列的方程式，偏析系数小于1的溶质将会在熔体10中强化：

$\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{(\mathrm{dV}/\mathrm{dt})}{V_0}{x}_0-\frac{(\mathrm{dV}/\mathrm{dt})}{V_0}\mathrm{kx}\left(t\right)$

其中V₀是坩埚130或板形成装置137的体积，x是在熔体10中的溶质浓度，k是溶质偏析系数，而V是凝固体积速率(在一种情况下，可以等于熔体10至板形成装置137的输入速率)。在例如坩埚130中，x(t)会从x₀变动。

例如，在具有1.6L尺寸的熔体10制作系统中，其制作10m²/h的100μm的厚板13，偏析系数小于0.01的溶质浓度会在大约16小时内以数量级(order of magnitude)增加。当在板形成装置137中制作板13，纯化系统134中纯化熔体10的相同现象会造成溶质的强化。因此，在板形成装置137中制作板13所“产生”的这些溶质，这些所有的溶质会以相同的速率被移除。当板13被制作时，这样允许纯熔体10或在熔体10中低溶质浓度的连续状态。

在另一实施例中，另一相似于纯化系统134的纯化系统只与板形成装置137相连接。如此只会流回至板形成装置137。这样允许回收流中溶质的移除，此回收流与来自纯化系统134的流是分离的。

图16是从熔体中分离板的装置的第一实施例的上视平面图。此实施例的装置21包括泵160。虽然在图16中显示两个泵160，其他实施例可以使用一个或两个以上的泵160。这些泵160对应图3的泵30。泵160使熔体10以方向162以及方向161流入壁163附近并且流过溢道12。泵160可以在装置21中提供不间断的熔体10流。熔体10可以利用泵160泵抽至较高的垂直位置。

图17是从熔体中分离板的装置的第二实施例的上视平面图。除了包括泵160，此实施例的装置21包括单元170。单元170可以对应例如图5至7中的过滤器51、微粒捕集阱62、或微粒捕集阱64。单元170也可以是本领域技术人员所知的过滤系统。

图18是板形成系统的第四实施例的方块图。系统180包括坩埚130与送料闸131、气体源138、泵133与181、以及板形成装置137。系统180可以形成板13。泵133与181对应泵30或一些其他的泵。板形成装置137对应装置21、装置23，或本领域技术人员所知的垂直或水平的板形成系统。系统180可以还包括过滤器51、微粒捕集阱62、或微粒捕集阱64，其例如在板形成装置137或泵181上游。

系统180还包括阀182与出口管路183。在此实例中，熔体10是电子等级的硅。熔体10使用泵181经板形成装置137持续地循环。当熔体10中溶质浓度的程度高出某个临界值或是在板13上发生枝状结晶成长之前，阀182开启并且熔体10使用出口管路183从板形成装置137被排出。在一种情况下，此临界值为溶质质量比率大于10^-8。此溶质质量比率足够造成熔体10的结构性不稳定以及在板13成长枝状结晶。

坩埚130会制作用于板形成装置137的新熔体10，其使用泵133被泵抽至板形成装置137。泵抽允许板形成装置137的持续操作。在一种情况下，新熔体10可以具有溶质质量比率约为10^-10。在这种情况下，使用出口管路183排出的熔体10是较低等级的硅并且可以用作其他用途。例如，使用出口管路183排出的熔体10可以作为太阳能等级的硅。

在一特定的实施例中，系统180还包括低溶质浓度熔体10用的储存器。当使用出口管路183排出熔体10时，储存器可以允许板形成装置137的持续操作。储存器位于泵133的下游以及板形成装置137的上游。

本发明的范畴不受本文所描述的具体实施例限制。事实上，本领域技术人员从前面的描述内容及附图将明白除本文所述的实施例及修改之外的本发明的其他各种实施例及修改。因此，其他实施例及修改意欲属于本发明的范畴。此外，尽管本文已出于特定目的在特定环境中的特定实施方案的上下文中描述本发明，但本领域技术人员将认识到，本发明的有用性不限于此，且可出于任何数目的目的，在任何数目的环境中有益地实施本发明。因此，应鉴于如本文所述的本发明的完整范围及精神来解释本文所陈述的申请专利范围。

Claims (8)

1.一种用以形成板的装置，包括：

坩埚，经配置以形成熔体；

第一泵，与所述坩埚流体交流；

纯化系统，与所述第一泵流体交流，所述纯化系统包括：

腔室，界定空腔、入口及出口；

冷却器；

加热器；以及

转换机构，经配置以沿所述腔室在第一方向转换所述冷却器及所述加热器；

第二泵，与所述纯化系统流体交流；以及

板形成装置，经配置以冷凝所述熔体以形成板，所述板形成装置沿第一路径与所述第二泵流体交流，所述板形成装置包括容器及冷却平板，所述容器界定经配置以容纳所述熔体的通道，所述冷却平板配置在所述熔体上方。

2.根据权利要求1所述的用以形成板的装置，其中所述板形成装置包括溢道，且所述熔体及所述板在所述通道内流向所述溢道。

3.根据权利要求1所述的用以形成板的装置，还包括过滤器。

4.根据权利要求1所述的用以形成板的装置，还包括微粒捕集阱。

5.根据权利要求1所述的用以形成板的装置，还包括第三泵，所述第三泵与所述纯化系统流体交流，其中所述板形成装置与所述第三泵流体交流。

6.根据权利要求1所述的用以形成板的装置，还包括所述板形成装置及所述第二泵之间的第二路径，所述第二路径经配置以允许所述熔体循环至所述板形成装置。

7.根据权利要求1所述的用以形成板的装置，其中所述板形成装置与所述纯化系统流体交流。

8.根据权利要求1所述的用以形成板的装置，其中所述第一泵及所述第二泵包括：

腔室，界定经配置以容纳所述熔体的空腔；

气体源，与所述腔室流体交流；

第一管路，与所述腔室流体交流；

第二管路，与所述腔室流体交流；

第一阀，配置在所述第一管路与所述腔室之间；以及

第二阀，配置在所述腔室及所述第二管路之间。

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