CN102197169A - 具有独立熔化和固化的铸造系统的设备及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二段式或三段式设备以及用来制造诸如用于太阳能板和/或光伏电池中的高纯度硅的方法。本发明的装置包括：熔化设备，该熔化设备具有传送装置；容纳设备，该容纳设备具有倾斜机构或转送机构；以及至少一个固化设备，该至少一个固化设备用于接收熔融原料。单个设备的最佳设计相结合地有效发挥作用，以制造高纯度硅。

Description

具有独立熔化和固化的铸造系统的设备及使用方法

本申请要求2008年8月27日提交的美国临时专利申请No.61/092,186的优先权权益，该美国申请的全部内容在此通过引用的方式明确并入。

技术领域

本发明涉及利用独立的熔化和固化来制造诸如用于太阳能模组的高纯度硅的设备和方法。

背景技术

光伏电池将光转化为电流。光伏电池的最重要特征之一是其在将光能转化为电能方面的效率。尽管光伏电池可以由各种半导体材料制造，但通常使用的是硅，因为硅容易以合理的成本购得，且因为硅在用于制造光伏电池的电气性质、物理性质和化学性质之间具有适当的平衡。

在已知的用于制造光伏电池的流程中，将硅原料掺杂有正导电型或负导电型的掺杂剂，使其熔化，然后通过将结晶硅从熔化区中拉出而使其结晶成单晶硅锭(通过直拉(CZ)法或区熔(FZ)法)。对于FZ法，固态材料被馈送通过熔化区，在进入该熔化区的一侧时熔化，并且在该熔化区的另一侧大致通过与籽晶接触而再次固化。

近来，已经发明了用于在坩埚固化工艺(即现场浇铸或铸造工艺)中制造单晶或几何多晶材料的新技术，该新技术公开于美国专利申请No.11/624,365和No.11/624,411，并且公布于2007年1月18日提交的美国专利申请公报No.20070169684A1和No.20070169685A1。在光伏技术领域中，用于制备多晶硅锭的铸造工艺是已知的。简单地说，在这类工艺中，熔融硅容纳在坩埚(例如石英坩埚)中且以受控方式冷却，以允许容纳在坩埚中的硅结晶。通常，所得到的铸造结晶硅块被切割成其横截面与用于制造光伏电池的晶圆的尺寸相同或相近的硅砖，并且这些硅砖被锯割或切割成所述晶圆。以这种方式制造的多晶硅由晶粒组成，其中在由其制成的晶圆内，晶粒相对于彼此的取向实际上是随机的。单晶硅或几何多晶硅具有专门选择的晶粒取向并(在后一种情况下)具有专门选择的晶粒边界，且能够按照上述专利申请中公开的新铸造技术、通过在坩埚中使固态硅熔化成与大籽晶层接触的液态硅而形成，所述大籽晶层在该过程期间部分地保持固态并且在固化期间通过所述大籽晶层提取热量，同时它们都保留在同一坩埚中。如本文中所使用的，术语“籽晶层”是指形成连续层的、具有期望的晶体取向的晶体或晶体组。为了进行铸造，可以使它们顺应于坩埚的一侧。

为了制造出高质量铸硅锭，应当满足几个条件：首先，尽可能多的硅锭应当具有期望的结晶度。如果硅锭要成为单晶的，则硅锭的整个可用部分应当是单晶的，对于几何多晶材料也是如此。其次，硅应当含有尽可能少的缺陷。这些缺陷可以包括：各种杂质，杂质的附聚物，硅晶格中的本征晶格缺陷和结构缺陷(例如位错和堆垛层错)。这些缺陷中的许多缺陷能够在由结晶硅制成的功能光伏电池中引起电荷载流子的快速复合。这能够导致电池效率降低。

许多年的发展已经使得在生长良好的CZ硅和FZ硅中存在最少量的缺陷。能够通过首先生长出细颈来实现无位错的单晶体，在该细颈中，籽晶中并入的所有位错都允许生长出来。通过维持籽晶相对于熔融物的相对旋转来避免夹杂物和次生相(例如氮化硅、氧化硅或碳化硅颗粒)的引入。如本产业中已知的，可以使用磁场CZ技术减少并使用FZ技术来最小化氧的引入。通常，通过将金属杂质隔离至扁尾形(tang)的末端或在使晶锭到达末端之后将金属杂质留在锅底料(potscrap)中来最小化金属杂质。然而，即使对于CZ工艺和FZ工艺中的上述改进来说，也需要而且希望制造出如下的高纯度结晶硅：与已知的CZ工艺和FZ工艺相比，该高纯度结晶硅按每单位体积计算比较便宜，需要较少的设备资本投资，需要较少的空间，并且/或操作起来复杂性较小。

发明内容

本发明涉及用于具有独立的熔化和固化的铸造系统的设备和方法。本发明的其它益处可以包括如下的高纯度结晶硅：与已知的CZ工艺和FZ工艺相比，该高纯度结晶硅按每单位体积计算比较便宜，需要较少的设备资本投资，需要较少的空间，并且/或操作起来复杂性较小。

根据第一实施例，本发明包括一种适于制造高纯度硅的熔化设备。该熔化设备包括：热源，该热源用于熔化固态原料；传送装置，该传送装置用于将所述固态原料供应至所述热源；以及捕集盘，所述捕集盘用于接收来自所述热源的熔融原料并使所述熔融原料流动到用于进一步加工的容纳设备。

根据第二实施例，本发明包括一种适于制造高纯度硅的、熔化固态原料的方法。该熔化方法包括：提供固态原料；利用传送装置将所述固态原料供应至热源；利用所述热源来熔化该固态原料；以及在捕集盘中接收来自所述热源的熔融原料，该捕集盘用于使所述熔融原料流动而进行进一步加工或阶段处理(staging)。

根据第三实施例，本发明包括一种适于制造高纯度硅的容纳设备。该容纳设备包括：容纳容器，该容纳容器用于接收熔融原料并具有出口；至少一个加热器；以及倾斜机构或转送机构，该倾斜机构或转送机构用于使所述熔融原料流动而进行进一步加工或阶段处理。

根据第四实施例，本发明包括适于制造高纯度硅的容纳设备的使用方法。该使用方法包括：将熔融原料接收到容纳容器中；将该熔融原料保持为处于原料熔点或高于原料熔点；以及经由出口转送所述熔融原料。

根据第五实施例，本发明包括一种适于制造高纯度硅的固化设备。该固化设备包括：坩埚或容器，该坩埚或容器用于接收来自槽的熔融原料；至少一个加热器；以及至少一个散热器。

根据第六实施例，本发明包括一种适于制造高纯度硅的、使熔融原料固化的方法。该固化方法包括：提供熔融原料；在坩埚中接收所述熔融原料；利用加热器加热所述熔融原料以控制坩埚内的温度；以及至少从底部冷却熔融原料以使该熔融原料结晶。

根据第七实施例，本发明包括一种适于制造高纯度硅的三段式设备。该三段式设备包括：熔化设备，该熔化设备用于将固态原料熔化成熔融原料；容纳设备，该容纳设备用于接收来自所述熔化设备的熔融原料；以及至少一个固化设备，该至少一个固化设备用于将所述熔融原料固化成固态产物。

根据第八实施例，本发明包括适于利用三段式设备来制造高纯度硅的方法。该制造方法包括：提供固态原料；将所述固态原料装载到熔化设备中；在该熔化设备中将所述固态原料熔化成熔融原料；将该熔融原料转送至容纳设备；使熔融原料从所述容纳设备流动到固化设备中；以及，在所述固化设备的坩埚中将所述熔融原料固化成固态产物。

根据第九实施例，本发明包括通过三段式方法制造的高纯度硅锭。该三个段包括熔化段、容纳段、以及固化段。用于制造该硅锭的方法包括：提供包括硅的固态原料；将所述固态原料装载到熔化设备中；在所述熔化设备中将固态原料熔化成熔融原料。用于制造该硅锭的方法还包括：将熔融原料转送至容纳设备；使所述熔融原料从容纳设备流动到固化设备中；以及，在固化设备的坩埚中将所述熔融原料固化成固态产物。

附图说明

并入本说明书并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且这些附图与书面描述一起用于说明本发明的特征、优点和原理。在附图中：

图1示出了根据一个实施例的、集成在一起的熔化设备、容纳设备和固化设备；

图2示出了根据一个实施例的熔化设备；

图3示出了根据一个实施例的熔化设备的局部侧视剖面图；

图4示出了根据一个实施例的容纳设备；

图5示出了根据一个实施例的固化设备；

图6示出了根据一个实施例的固化设备的局部侧视剖面图；并且

图7示出了一个实施例的熔化设备、容纳设备和固化设备的多种布局。

具体实施方式

本发明涉及一种用于制造诸如用于制造光伏电池或用于太阳能应用中的高纯度硅的设备和方法。太阳能应用包括太阳能面板、太阳能模组、太阳能电池阵列、太阳能电网，和/或任何其它的适于捕捉至少一部分电磁光谱(例如红外波长、可见光波长和/或紫外波长)的装置。希望的是，太阳能应用包括用于捕捉太阳能量的装置。

广义上来说，高纯度硅包括如下的物质成分，该物质成分主要包括例如至少约95％重量百分比、至少约99％重量百分比、至少约99.999％重量百分比和/或任何其它适当量的硅。希望如此但并非必须地，高纯度硅还可以包括掺杂剂，以便改变材料的电气性质。高纯度硅包括如下材料，该材料已经被至少部分地精制并且/或具有比硅矿石(氧化硅)和/或冶金级硅少的污染物。高纯度硅可以包括半导体级材料。在可替代方案中，高纯度硅可以不包括半导体级材料，例如具有用于太阳能级硅的足够纯度。

此外，尽管在本文中已经描述了硅的铸造，但在不偏离本发明的范围和精神的情况下，也可以铸造其它半导体材料和非金属结晶材料。例如，本发明人已经构思出符合本发明实施例的其它材料的铸造，这些材料例如是锗、砷化镓、硅锗、氧化铝(包括其蓝宝石单晶形式)、氮化镓、氧化锌、硫化锌、砷化镓铟、锑化铟、锗、氧化钇钡、镧系元素氧化物、氧化镁、氧化钙、以及具有液相的其它半导体、氧化物和金属间化合物。另外，根据本发明的实施例，能够铸造许多其它III-V族或II-VI族材料，以及金属和合金。

铸硅包括多晶硅、近多晶硅、几何多晶硅和/或单晶硅。多晶硅是指大约具有厘米级晶粒尺寸分布的结晶硅，其中多个随机取向的晶体位于多晶硅主体内。

几何多晶硅或几何有序多晶硅是指具有非随机的有序的、厘米级晶粒尺寸分布的结晶硅，其中多个有序晶体位于多晶硅主体内。几何多晶硅可以包括通常具有平均约0.5厘米～约5厘米尺寸的晶粒，且几何多晶硅主体内的晶粒取向能够根据预定的取向、例如使用适当籽晶的组合来进行控制。

原生多晶硅是指具有微米至毫米级晶粒尺寸和位于结晶硅的给定主体内的多个晶粒取向的结晶硅。原生多晶硅可以包括如下晶粒，该晶粒通常具有平均约亚微米至微米的尺寸(例如，各个晶粒肉眼不可见)和随机分布的晶粒取向。

单晶硅是指具有非常少的晶粒边界的结晶硅，因为该材料具有大致相同和/或基本相同的晶体取向。单晶材料可以由一个或多个籽晶形成，例如是在固化期间与液态硅接触以启动晶体生长的一块结晶材料。近单晶硅是指大致上结晶的结晶硅，其晶粒边界比单晶硅多但基本上大致比多晶硅少。

本发明包括用于铸硅的系统，该系统在大大提高生产量和/或硅锭质量的同时，显著降低了熔炉的资本强度。相对于常规做法的优点可以包括：1.通过允许同时熔化和固化(即在固化当前装载物的同时熔化下一装载物)而缩短了循环时间；2.提高了硅锭质量，这是因为熔化过程和固化过程纯化了硅熔融物并使污染物最少；以及3.减小了占地面积，这是因为与相同数量的常规铸造站相比，容纳这些系统的模块化设计所需的工厂空间相当小。

本发明可以包括用于铸硅的三部分系统。硅原料厚块(chunk)能够装载到熔化区域中，被熔化、过滤并聚集在陶瓷容纳容器中，直到至少足够一个硅锭的量能够被加工。熔融硅能够经由室界面倒入固化室中，该固化室是分离的且独立于熔化装置和/或容纳装置而运转或完成固化循环。例如，根据功率输入，该熔化系统能够支持大约5～25个固化器。

希望的是，该三段式铸造系统包括熔化段、容纳容器和固化室。前两个段可以合并成单个单元，但固化室可以是独立的，并且，数个固化室例如可以由同一熔化和容纳系统维护。

熔化段可以包括将硅大致连续地供应至相对小、高功率熔化区域。精确的传送装置或机构能够采用多种形式，但该熔化区域可以由带有槽缝的平台构成，在该带有槽缝的平台处，熔融硅经由这些槽缝或指状部掉落到陶瓷捕集盘中，在该陶瓷捕集盘处，在液体经过加热的陶瓷导管进入容纳容器中之前，带有挡板的设计结构将沉降的碎屑和漂浮的碎屑过滤掉。该熔化区域的所述指状部可以是加热器(例如，套有石英管子的碳化硅或石墨热棒(glow bars))，或者这些加热器可以是单独的系统。希望的是，在正常工作期间，该熔化区域能够连续保持在硅的熔化温度或高于该熔化温度。

关于处于室温或环境温度下的硅向熔化区域的传送，可以采用如下解决方案。带有许多叉齿的叉子状平台能够装载有固态硅。该叉子平台能够由石墨或碳化硅制成并保持在长杆的末端。该叉子平台能够从室温下经过加热区并进入熔化区域，其中叉子的指状部能够降低而经过熔化区域的带有槽缝的指状部，由此转送该硅。该叉子平台然后能够缩回以装载下一批料。希望的是，熔化区域保持在正压力下，以防止和/或减少污染物。

在可替代方案中，步进梁能够将硅传送至熔化区域。硅厚块能够供应到倾斜的、旋转管中，并缓慢地前进至熔化区域。硅厚块和/或硅片能够竖直地装载在滑槽中并经由活板门掉入熔化区域中。在不偏离本发明范围的情况下，其它传送装置也是可以的。

为了使熔融硅从捕集盘到达容纳容器，可以使用重力供料式倾倒嘴，或可以使用更复杂的系统，例如，利用在熔化段与容纳容器之间的压差，能够驱动陶瓷虹吸管。在可替代方案中，在需要时，能够使用陶瓷柱塞来推动液体越过边缘。

能够确定该容纳容器的尺寸以容纳大于一个硅锭的量的硅，且该容纳容器可以具有加热器来使硅保持在液体状态以及提供所期望的过热量。该容纳容器可以包括熔融硅石容器，其经由液压系统而倾斜和/或旋转，以通过漏斗和与固化室连结的室壁中的端口来倾倒液态硅内容物。该容纳容器例如可以由多个熔化单元供料。

在可替代方案中，该熔化设备和/或固化设备可以具有过热能力。使用该熔化设备和/或固化设备的方法可以包括例如利用加热器来向原料提供过热。

固化室(或固化器)可以是移动式、自给自足的单元，具有其自己的用于电力、水、气体等的连接装置(hook-ups)。在熔融硅的制备过程中，能够将坩埚装载到固化器中，该坩埚可选地含有籽晶和/或掺杂剂，该坩埚容器能够处于受控气氛下并至少被加热到接近于硅的熔点。固化器可以在具有容纳容器的室下方移动或挨着该室移动，并通过例如气氛受控式联锁装置与该容纳室建立真空密闭的连结。固化器可以在脱离联接并移动至另一个位置之前、在其循环(冷却)的持续时间内接收大量硅，或者该熔化器/保持器可以继续前进至下一固化器。根据一个实施例，该固化器及其使用方法可以包括：在使熔融原料在该设备与容纳容器之间流动的同时，使该设备与容纳容器进行真空密闭的、气氛受控式连结。

固化器可以包括许多独特的特征。该固化器可以包括带有空槽的坩埚，使得在晶体生长的末端附近，固化器可以利用提升机构(例如液压技术)而倾斜，以便排去最后的液态硅。该固化器可以具有顶部加热器、底部加热器以及可选的侧面加热器。能够通过散热到该固化器的导热金属底部来产生和/或实现硅锭的冷却，能够通过隔热遮板(insulation shutter)来控制对该金属底部的观察。该金属底部可以不包括直接水冷却，但可以与完全独立的水冷却板接触来实现冷却。该金属底部可以包括铜、铝、不锈钢和/或任何其它适当的导热材料。电力、水和气体入口和/或连接件可以设计成用于即插即用功能以及热插拔。希望的是，移动软管和/或柔性引导系统允许这些固化器和/或其它设备的移动。固化器可以具有安装在顶部和/或侧面上的熔化物检测系统，该系统具有通向熔融物表面的观测口。该固化器可以具有独立的轮子，或者它可以安放在轨道系统上，可能由第三轨道装置提供动力。

根据一个实施例且如图1所示，三段式结晶设备8可以包括熔化设备10、容纳设备70、和/或固化设备104。熔化设备10可以包括用于托住固态硅原料的筛垫26。该原料可以放置在带有细长构件34的装载机构中，该装载机构由装载器支撑件36协助。该装载机构能够在第一位置38和第二位置40之间移动，在该第一位置38和第二位置40之间有中间位置42。该装载机构可以包括用于保持受控气氛的一个或多个闸门或环境闸46。

根据一个实施例且如图2和图3所示，熔化设备10可以包括热源12、传送装置14、以及捕集盘16。熔化设备10还可以包括惰性气体供给件44、环境闸46、贯通口64、滑槽66、室进出闸门68、和/或隔热体48。

热源12可以包括带有槽缝的平台18和多个棒20，在这些棒20之间具有槽缝22。热源12可以包括盖子24以及熔化区或熔化区域32。希望的是，热源12可以包括带有基座62的加热器60。

传送装置14可以包括布置在细长构件34上的叉子28，该叉子28具有多个叉齿30。希望的是，这些叉齿30能够在棒20之间下降到槽缝22中，以将原料搁置和/或放置在熔化区域32中。

捕集盘16可以包括支撑结构50、隔热体48、倾斜的底部52、挡板54、堰56、槽或倾喷嘴58、和/或加热器60。

根据一个实施例且如图4所示，容纳设备70可以包括容纳容器72、至少一个加热器74、转送机构或倾斜机构76、惰性气体供给件88、槽或滑槽94(用于到达固化区)、联锁装置95、熔化器中的开口98、漏斗100、和/或防溅板102。希望的是，容纳设备70包括诸如用于辅助设施的柔性连接件或快速连接件96。

容纳容器72可以具有第一深度82、第二深度84、出口78、槽80、和/或盖子86。希望的是，容纳容器72可以由固定支腿90和/或可调支腿92支撑，该可调支腿92与倾斜机构76相组合。

根据一个实施例且如图5和图6所示，固化设备104可以包括坩埚或容器106、盖子108、输入口110、坩埚支撑件112、加热器114、站接入点(station access point)116、散热器118、和/或通道120。固化设备104还可以包括：倾斜机构或滗析装置122(例如用于向上和/或向下运动)、籽晶124、熔化物检测系统126、顶部加热器128、底部加热器130、金属板或底部132(例如铜)、热交换块(换热块)134、隔热遮板136、真空源138、和/或惰性气体供给件140。

根据一个实施例且如图7所示，三段式铸造设备8可以包括熔化设备10、容纳设备70、和/或一个或多个固化设备104，以便形成一个或多个生产线142。熔化设备10和容纳设备70可以组合成单个单元144。固化设备104可以处于放射状布置构型146和/或直线状布置构型148中。这些设备可以靠轮子和轨道来移动或滚动。这些设备例如可以由第三轨道150提供动力。

根据一个实施例，本发明包括用于制造高纯度硅的熔化设备。该设备可以包括：热源，该热源用于熔化固态原料；传送装置，该传送装置用于将固态原料供应至所述热源；以及捕集盘，该捕集盘用于接收来自所述热源的熔融原料并使该熔融原料流动到容纳设备和/或用于进一步加工。

该熔化设备可以包括用于与固态原料或熔融原料接触的表面，所述表面由高纯度成分制造和/或制成，以便减少污染物。该高纯度成分可以包括硅石、熔融硅石、和/或相对于熔融硅至少部分地呈惰性的任何其它物质。该熔化设备可以基本连续地和/或以任何其它适当的循环方式(cyclability)工作。

所述热源可以包括用于熔化固态原料的任何适当的装置，例如利用对流、传导、感应电阻和/或辐射。该热源可以包括电阻加热器、感应加热器、和/或用于提高材料(例如固态原料和/或熔融原料)的温度的任何其它机构。该热源可以具有任何适当的尺寸和/或形状，例如大致矩形和/或大致正方形形状。

根据一个实施例，该热源包括相对于该热源的顶部布置的电阻加热器。该热源可以包括带有槽缝的平台，例如该平台具有大致平行的敞口槽缝、细长孔口、和/或狭缝。希望的是，这些槽缝能够在一端敞口，以便允许和/或便于传送装置的移离。该热源可以在炉床区域周围包括诸如用于容纳原料的边缘或侧壁。该热源可以包括一个或多个加热器。可选地，所述带有槽缝的平台包括一个或多个加热器，例如碳电阻加热器。该热源可以包括处于大致平行构型中的多个棒，例如碳化硅热棒、石墨热棒和/或任何其它适当热棒型的材料。希望的是，这些棒是温度可控的，使得固态原料熔化并落入它们之间。这些棒可以在任何适当的位置受到支撑，例如在与传送装置大致相反的一端。

可选地，这些棒包括保护罩，例如石英、熔融硅石和/或任何其它适当的材料。可以存在任何适当数量的棒和/或槽缝，例如至少有大约6根棒。所述热源及其周围区域可以保持在硅的熔点和/或高于硅的熔点，例如大约为1420℃。希望的是，将该热源的至少一侧移去和/或降低，以便所述传送装置进入和/或使所述棒通过。

根据需要，该热源可以包括其它加热器，例如相对于所述熔化设备一个或多个侧面和/或底部布置的加热器。该热源可以包括诸如用于减少热损耗的任何适当的量、位置和/或类型的隔热体。适当的隔热体可以包括硬化的碳、碳纤维复合物、氧化铝或碳毡、石墨、熔融硅石、碳化硅、和/或希望相对于熔融硅至少部分呈惰性且具有足够热导率和/或热阻率的任何其它物质。所述热源可以包括一个或多个熔化区域，该熔化区域例如用于将固态原料加热成熔融原料。

固态原料可以包括硅和/或任何其它适当的材料。该固态原料可以包括任何适当的尺寸和/或形状。希望如此但并非必须地，该固态原料包括至少2厘米～约30厘米的平均颗粒尺寸(例如为大约5厘米)。可以将该固态原料制成粒，压碎至某一尺寸，分类和/或以其它方式筛选或挑选。该固态原料可以包括粉末，或者在可替代方案中，不包括粉末。

最常见的原料形式可以包括硅厚块，例如源自U形的原生多晶棒或源自定向固化的太阳能级硅的硅厚块。考虑到需要且希望使污染物和/或杂质最少，该硅厚块可能特别难以处理。与硅接触而保持纯度的适当材料例如可以包括：熔融硅石、石英、氮化硅和/或碳化硅。这些适当的材料可能是脆性的且难以形成适当的装置和/或工具。由于该原因，典型的硅熔炉操作涉及将硅厚块用手放置到易碎的坩埚中，在坩埚中，硅能够在装载到熔炉中之后熔化。根据用于熔化厚块硅的一个实施例，该工艺包括：首先将硅装载到叉子或装料托盘上，然后利用不损伤熔融物炉床和/或至少能够减少对熔融物炉床的可能损伤的轻柔放置来将所述硅转送到熔炉的热区中。该熔融物炉床可以包括平坦的炉床和/或起伏状的炉床，或者包括能够使原料暴露于热量下的地点。

用于原料引入的另一种选择是：首先将厚块材料压碎成较小的块，然后可以将这些较小的块装载到坩埚中，而不用过多关心陶瓷的完整性。不幸的是，对于以有成本有效的方式和以不引起污染的清洁方式完成来说，压碎可能是一种困难的过程。其它可能性是使用粉末原料或珠状原料，例如使用流化床反应器制造的粉末原料或珠状原料。该珠状原料和/或粉末原料可允许使用其他的材料处理装置和/或技术。然而，珠状原料和/或粉末原料的主要缺点例如可能包括：1)可获得性，2)由于高的表面氧化物与体积之比而造成的熔化困难。

根据一个实施例，一旦该材料被传送并熔化，就将通过纯化捕集托盘或捕集盘流到容纳容器中。希望的是，该捕集托盘或捕集盘发挥了至少两种功能。首先，当未熔化的硅溜出而进入捕集托盘中时，该捕集托盘可以包括堰(即屏障或挡板)，该堰容纳小体积的液态硅，例如低于约30kg。接下去，液态硅能够在该堰下流动。固态硅由于密度较低而浮在液态硅中。因而，任何固态硅均可以被该堰捕获直至固态硅熔化。类似地，也能够使低密度异物聚集在该捕集托盘中的液体表面上并防止其流过而到达容纳容器。

在液态硅从堰下经过之后，该液态硅然后能够液位上升并漫过该第二屏障，从而流到能够将液态硅输送至容纳容器的所述槽或中间流槽中。该第二屏障能够使捕集盘系统像池子一样，在捕集盘底部收集高密度颗粒并防止它们向前流入容纳容器中。希望的是，使熔融原料相对于溢出屏障流动可以排除沉降的颗粒或污染物。

因为杂质和异物颗粒随着时间而聚集，所以可能需要不定期地清洁该捕集盘以去除漂浮的物品和/或沉降的物品，这可以使用排出管或通过更换捕集盘来完成。该捕集盘排出管可以从侧面、底部和/或任何其它适当的位置抽吸材料。希望如此但并非必须地，该排出管可以在铸造过程期间工作。

可选地，所述设备可以包括用于固态原料的容纳区域或待用区域，例如用于容纳硅厚块的筛网。固态原料可以通过任何适当的方式(例如舀取、铲取、手动放置、通过机器人放置、堆叠、排列、和/或任何其它方法)装载到传送装置上，以转送硅原料。所述设备和相应的方法例如可以包括：在相对于热区连接的惰性气氛下，例如在没有环境闸的情况下，利用机器人装载所述叉子。

该传送装置可以包括用于向热源和/或相对于该热源来供应和/或传送固态原料的任何适当的设备和/或机构。该传送装置可以包括步进梁、旋转管、回转式给料器、振动给料器、滑槽和闸门机构、移动托盘、推杆和/或任何其它计量系统。希望的是，该传送装置具有诸如用于向热源供应另外固态原料的可变速度。

根据一个实施例，该传送装置包括布置在一个或多个细长构件或细长杆末端的叉子或叉子状装载器。该叉子和/或耙子包括诸如用于支撑一块或多块固态原料的多个大致平行的叉齿。该叉子可以具有任何适当数量的叉齿并具有任何适当的长度。希望如此但并非必须地，每个叉齿均对应于热源中的一个槽缝。例如，这些叉齿的间隔可以允许这些叉齿在所述热源的一个或多个槽缝间经过。所述叉子的叉齿可以包括任何适当的构型，例如在大约叉齿长度一半处的弯曲，以形成大致凹状的部位。该大致凹状的部位可以促进和/或帮助将原料容纳或搁置在装载机构上，例如在移动期间防止原料从叉子上滚落。

该传送装置可以包括两个细长构件，以便防止和/或减少横向倾斜和/或扭转。该传送装置可以包括装载器支撑件，例如用于原料的传送。

该传送装置例如可以具有前后移动和/或上下移动的能力。所述叉子能够在第一位置或第一地点与第二位置或第二地点之间移动和/或定位，该第一位置或第一地点例如用于装载固态原料，该第二位置或第二地点例如用于将固态原料传送至热源。希望如此但并非必须地，所述叉子可移至中间位置或中间地点，该中间位置或中间地点例如用于将固态原料加热至高于环境温度或用于将固态原料干燥、预热和/或脱气。

根据一个实施例，所述熔化设备包括用于从该设备中置换出污染物的至少一个惰性气体供应。希望的是，通过惰性气体从该系统中置换出氧，以便减少和/或防止硅和/或隔热体的氧侵蚀。希望的是，熔化器能够以两种正常工作方式中的一种而工作。能够将任一材料引入到装载室(load lock)，该装载室被泵抽吸至合理的真空(例如大约低于0.1毫巴)，然后用惰性气体回填，或者，能够把该材料倾倒入惰性密闭体中，通过机器人或自动装置装载到传送装置上，然后在惰性气体从中流出的情况下经过一通道进入热区。该惰性气体能够包括任何适当的物质，例如氮气、氩气、氙气、氦气和/或相对于熔融硅和/或其它铸造材料或隔热材料相对稳定的任何其它分子。

该传送装置可以包括环境闸和/或联锁装置闸门，例如一个或多个闸门或屏障，以保持和/或维持惰性的或受控的气氛。希望的是，该环境闸包括至少两个闸门，在两个闸门之间有一定区域。

所述捕集盘可以具有任何适当的尺寸和/或形状。希望的是，该捕集盘至少与热源的底部大致对准和/或顺应于该热源的底部。捕集盘可以是大致上矩形和/或正方形的。捕集盘可以包括倾斜的底部，例如用于排出熔融原料。希望的是，该捕集盘包括例如用于过滤未熔化原料和/或防止未熔化原料流动到下一加工步骤的至少一个挡板、堰和/或其它流动改变装置，在它们之后包括用于阻止重的沉淀物前进的溢出屏障。在可替代方案中，该挡板和/或堰单独和/或组合地提供了所需的停留时间和/或容积。该挡板例如可以在底部包括一个或多个排出孔，以便防止在铸造操作的末端形成固态的原料块。

根据一个实施例，该捕集盘包括倾倒嘴、槽、虹吸管、柱塞、中间流槽和/或任何其它适当的转送装置。该槽可以是末端开口的，例如可从该末端直接流出。在可替代方案中，该槽可以在底部中包括端帽和布置在该端帽附近的孔或孔口，例如可通过该孔流出。该捕集盘可以包括诸如位于捕集盘或接收碟的底部上的一个或多个室进出闸门。希望的是，设计成从捕集盘和任何槽或托盘流出，使得出口孔口允许该排出流的塞流条件，而不是可预料性较低的片流或滴流条件。

捕集盘可以包括例如位于侧面上的、任何适当的隔热体和/或支撑结构。捕集盘还可以包括任何适当的加热器，例如布置在捕集盘的倾斜表面下方的加热器，以使原料保持熔融状态。例如，该捕集盘也可以包括贯通口，例如该贯通口穿过或经过隔热体和/或滑槽而通向容纳容器。

根据一个实施例，本发明包括用于熔化固态原料来获得高纯度硅的方法。该熔化方法可以包括如下步骤：提供固态原料；利用传送装置将该固态原料供应至热源；利用该热源来熔化所述固态原料；以及在捕集盘中接收来自所述热源的熔融原料，所述捕集盘用于使所述熔融原料流动而进行进一步加工或阶段处理。

“熔化”包括：使材料温度升高到材料熔点或高于该材料熔点。“熔化”可以包括实质软化的状态和/或由大致上固态或非流动状态变成大致上液态或流动状态。所述固态原料可以包括任何适当的材料，例如已经由氧化物原材料至少部分地精制而成的硅。所述熔化步骤可以包括：使用电阻加热器、感应加热器、和/或任何其它适当的装置。所述熔化步骤可以包括：使固态原料与多个棒接触并使熔融原料流经至少一个槽缝。

“提供”是指预先供应和/或制备。根据一个实施例，所述提供步骤或供应步骤包括：在第一位置处，将一块或多块固态原料放置在叉子上；通过细长构件将所述叉子移动至相对于热源的第二位置。该叉子可以布置在细长构件的末端。所述方法可以包括：使所述叉子的至少一个叉齿下降到所述热源的一个或多个槽缝中，以将固态原料放置在热源的指状部上，从而将原料搁置在所述指状部和/或所述棒上。所述方法可以包括从热源撤回或拉回所述叉子，例如以大致上向后和/或组合的向后向上运动来撤回或拉回。可选地，该叉子可以用来接触固态原料和/或推动该固态原料与所述棒接触，例如通过从顶部轻拍。

所述移动步骤可以包括经过和/或打开一个或多个环境闸和/或闸门。所述方法可以包括：在中间位置使固态原料变暖至高于环境温度，以便除去水分含量。希望的是，所述方法包括使惰性气体流动和/或供应至所述设备的至少一部分，以置换氧和/或避免杂质。

在可替代方案中，所述方法可以包括如下构造：其中，所述传送装置包括步进梁(周期性大致直线移动)、旋转管(可以包括鼓式抄板(drum flights)和/或挡板)、回转式给料器(气塞)、振动给料器(磁力驱动)、滑槽和闸门机构(可选地具有锯齿形构型的活板门)、移动托盘、推杆、和/或任何其它适当的装置。

所述方法可以包括如下步骤：在捕集盘中接收来自热源或加热器的熔融原料或大致液态的材料，所述捕集盘例如用于使所述熔融原料流动而进行进一步加工或阶段处理，包括容纳、固化或铸造。希望的是，所述接收步骤包括沿着斜坡向下流动。所述接收步骤可以包括：使熔融硅相对于挡板或堰流动，以过滤或拦住漂浮的未熔化原料的块，例如可能从槽缝中滑落的未熔化原料。在可替代方案中，所述方法包括：将来自所述捕集盘的熔融原料转送至一个或多个容纳容器。

根据一个实施例，所述转送步骤包括：使熔融原料流动和/或引导该熔融原料经过和/或穿过倾倒嘴、虹吸管、柱塞、槽、中间流槽和/或任何其它适当的装置，以便到达容纳设备。

根据一个实施例，本发明包括作为高纯度硅的制造部件的容纳设备。该容纳设备可以设计成将在高纯度环境中聚集熔融硅，将该溶液维持在特定温度，然后在少量时间内将整批的硅传送至固化设备。该容纳设备可以包括：容纳容器，该容纳容器用于接收熔融原料并具有出口；至少一个加热器；以及倾斜机构或转送机构，该倾斜机构或转送机构用于使所述熔融原料流动而进行进一步加工或阶段处理。

该容纳容器可以具有任何适当的尺寸和/或形状，其设计成包含容纳坩埚，允许材料从熔化器流入并允许该材料流出至其他地点或进一步加工。该容纳容器或容纳坩埚可以包括任何适当的材料，例如熔融硅石。该容纳坩埚可以包括具有一定深度的第一端和具有增加的深度的第二端，且还可以具有相关联的盖子以帮助减少污染物。例如，该深度可以是任何适当的尺寸，而且该增加的深度也可以是任何适当的尺寸，例如至少约为第一端深度的两倍。在可替代方案中，就该容纳容器内的任何位置而言，该容纳坩埚和/或容纳容器具有同一深度。该容纳坩埚可以是大致矩形、正方形、椭圆形、橄榄球形和/或至少稍微呈蛋形。希望的是，它应当具有喷嘴或排出孔，以允许其材料的受控倒出，且它应当受到充分支撑(例如通过碳复合物支撑结构)，以确保该坩埚的机械完整性。

所述容纳容器可以包括一个或多个出口，例如漏斗、喷嘴、槽、中间流槽、穿过该容纳容器壁的端口、和/或用于移除或排出熔融原料的任何其它适当的装置。该容纳设备可以包括例如用于从该工艺中置换出氧的至少一个惰性气体供应。该容纳设备可以包括例如与熔化设备和/或捕集盘流体连通的开口。

所述转送机构或倾斜机构可以包括任何适当的装置，例如液压升降器、气动升降器、机械升降器、螺杆、剪式千斤顶构造和/或任何其它机构，以升高和/或降低该容纳设备的至少一侧。根据一个实施例，该倾斜机构包括第一大致固定的支腿和用于改变所述容纳容器的末端高度的第二可调支腿，例如通过降低和/或升高一端来改变高度。这些支腿可以架起和/或以其它方式支撑该容纳容器。在可替代方案中，可以使用整个容纳设备来排空所述容纳容器，例如通过使整个组件侧倾和/或倾斜。

希望的是，所述转送机构包括联锁装置，以便防止在未与固化容器适当连接和/或流体连通的情况下被致动(actuation)。

所述容纳设备还可以包括喷嘴、漏斗、防溅板、槽、和/或用于转送熔融原料和/或使其流动(例如从该容纳容器转送和/或流动至固化设备)的任何其它适当的装置。该容纳设备可以包括掺杂剂源。

根据一个实施例，为了降低硅在这些各种不同的熔化、容纳、固化和转送过程期间溢出或溜出的可能性，希望使用捕集贮槽、托盘和/或衬垫的系统，该捕集贮槽、托盘和/或衬垫位于整个系统的潜在溢出路径下方。优选地，该捕集贮槽将由如下材料构成：该材料不溶于熔融硅、在高温下不排放气体且能够制成为不漏水的。一种此类材料可以包括碳-纤维复合物，其能够成型为适于围堵溢出物的形状。所述熔化设备、容纳设备和/或固化设备可以包括任何适当数量、尺寸和/或形状的捕集贮槽或溢出物垫。本发明设备的使用方法可以包括：捕获超出普通加工路径之外的熔融原料或熔融硅的溢出物和/或释放物，例如利用捕集贮槽。本发明的任何设备可以包括碳纤维复合物捕集贮槽，该碳纤维复合物捕集贮槽用于容纳熔融原料的溢出物。

根据一个实施例，所述容纳设备和/或熔化设备包括一个或多个便携式装置和/或移动装置，从而使它能够利用用于辅助设施的柔性连接件、快速连接件和/或快速断开件而在多个位置之间移动。该快速连接件基本不需要另外的工具来实现连接，例如无泄露地连接。该快速连接件可以包括手动和/或自动断流阀，以在断开时防止溢出。快速连接件广义上可以包括电装置、冷却水、惰性气体、液压装置、气动装置、仪器、和/或任何其它适当的辅助设施和/或工艺连接件。

可替代地，该设备的任何移动部件的连接件均能够以柔性方式构建，从而允许该设备在不断开其辅助设施的情况下移动。一些实施例描述了快速连接件的使用，其思想是固化器能够通过与其辅助设施短时间断开而工作，同时该固化器移动至熔化器以接收硅的一次装载。理想地，断开时间例如应当持续不超过约5分钟，以防止容器过热。当设计要求固化器有很大的行进距离时，断开辅助设施可以很方便。如果仅涉及小的行进距离，则可以使用柔性连接件。同样，在熔化器和保持器可以作为一个单元(单元化的设备)而移动以供应静止固化器的实施例中，可能希望供应具有处于柔性构型中的辅助设施的熔化器/容器，从而允许它在工作期间被连续供应。该柔性构型可以利用用于动力的第三轨道构型(假定它沿着两个其它轨道滑行)、柔性的供水管线、管道、和/或软管，以及固有的真空泵(例如在包括所述容器的移动平台上)来实现。

根据一个实施例，本发明包括作为高纯度硅的制造部件的容纳设备的使用方法。该容纳设备的使用方法可以包括如下步骤：将熔融原料接收到容纳容器中；使熔融原料保持为处在原料熔点或高于该原料熔点；和/或经由出口转送所述熔融原料。

希望如此但并非必须地，所述保持步骤包括：使所述熔融原料过热。该过热包括将材料的内能(显热)增加和/或提高至高于熔点，例如至少比熔点高约5度但在该熔点之上不超过约100度。当经由温度低于硅熔点的通道或区域被放置或转送时，对于随后的转送和/或加工来说，过热的材料是有用的，以最大化产出率和/或防止阻塞。在可替代方案中，过热的材料可以使固化设备中的籽晶的一部分熔化。

根据一个实施例，所述接收步骤至少大致连续地发生，而所述转送步骤至少大致周期性地发生。

所述转送步骤例如可以包括：利用倾斜机构使所述容纳容器倾斜。如上所述，所述方法可以包括如下步骤：使惰性气体流动以从容纳设备中除去污染物。具体地，新鲜供应的惰性气体优选在容纳容器的一端供应并在熔融体的表面上流动。希望的是，该容纳容器上的盖子有助于容纳并引导该流，从而防止周围气体的混合。最后，希望在扫过该硅表面的惰性气体从坩埚的远侧离开之后，尽可能快速而直接地排出该惰性气体，以便捕获从熔融物中蒸发出的任何SiO分子。移除SiO可以是有利的，这是因为SiO分子将与其它熔炉成分反应，从而降低它们的寿命，且又产生对硅来说可能是杂质源的其它气体。在固化器中，可能希望有相同的气体控制构造。

根据一个实施例，本发明涉及一种用于制造高纯度硅的固化设备。该固化设备可以包括：铸造坩埚或铸造容器，该铸造坩埚或铸造容器用于接收来自槽的熔融原料；至少一个加热器；和/或至少一个散热器。

该坩埚可以具有任何适当的尺寸和/或形状，例如大致正方形形状、大致矩形形状和/或大致圆形形状。该铸造坩埚的尺寸可以是成品铸硅锭的尺寸。可选地，该坩埚或容器可以包括用于在固化期间(例如在顶部部分变成固体之前)滗析和/或去除载有杂质的材料的、槽和/或通道。在可替代方案中，该坩埚包括喷嘴和/或具有V形形状，以倾倒和/或滗析载有杂质的材料，例如倾倒和/或滗析到废料容器中。利用诸如跨越和/或相对于结晶材料表面移动的刮拭器和/或耙子，可以进一步辅助该滗析过程。

在载有杂质的材料固化之前将其滗析和/或倾倒掉可以减少成品硅锭的杂质，例如通过在冷却期间防止已经被隔离至顶部处的快速扩散的杂质向下移动到固态硅产物中。杂质分离(硅纯化)成液相能够是良好定向固化的一个自然的部分，因为大多数杂质(金属、碳、氮和一些掺杂剂)在结晶硅中具有低的溶解度且在其余熔融相中聚集和/或集中。一旦这些杂质移动至顶部，有利于的是去除一部分熔融材料，例如去除总的硅体积的0.1％～10％，其中该去除材料中的杂质相对于整个硅锭中的杂质之比可以为大约2倍至大约10,000,000倍。

所述固化设备可以包括滗析装置，以在固化期间使坩埚或容器倾斜。该滗析装置可以包括大致如上文针对倾斜机构论述的装置。在可替代方案中，该滗析机构包括使固化设备和/或固化站滚上斜面或斜坡，以改变该坩埚的角度并引起滗析，例如进入到通道中。该固化设备可以包括真空密闭的联锁入坞/出坞件(interlock dock/undock)。

根据一个实施例，该固化设备可以包括相对于坩埚的表面布置的至少一个籽晶，例如布置在底部和/或一个或多个侧面上。可选地，该籽晶例如可以具有一个大致上均匀的取向和/或可以包括平铺的排列或不同的取向。

根据另一个实施例，用于固化硅的方法涉及利用结晶硅籽晶材料覆盖坩埚底部和坩埚的至少一个壁，以制造具有有利的结晶度的硅锭。希望的是，所有四个壁均能够与底部一起内衬有籽晶。能够将带有籽晶材料的坩埚装载到固化容器中并形成硅杯(silicon cup)。一旦连接至液态硅源，就能够将液态硅倒入到该硅杯中。例如，以这种方式，使液态硅与坩埚剥离涂层的接触最小化，同时消除了随机晶粒的成核，从而产生改进的和/或接近完美的结晶硅锭。能够切断该硅锭的侧面和底部并放置在新坩埚中用于多种用途。例如在固化开始之前，液态硅的过热反过来熔化一小部分的籽晶材料。通过从坩埚的一个或多个侧面除去热量，可以继续进行固化。所述方法可以包括：放置籽晶以至少基本上覆盖该坩埚的底部或至少一个侧面。所述方法可以包括：放置籽晶以至少基本上覆盖该坩埚的底部和所有内侧面。

根据一个实施例，所述熔化器、容纳容器和/或固化设备可以包括一个或多个检测系统或测量观察端口，例如用于光学检查铸造过程、热电偶、温度探针、便携式热电偶、红外照相机、液位装置、浸渍棒、浮标、温度计、摄影机、激光检测装置和/或任何其它适当装置的端口。希望的是，所述固化设备包括能在多个位置之间移动的便携式装置，并且如上文针对容纳设备所论述的，该固化设备包括用于辅助设施的柔性连接件或可快速拆开的连接件。可选地，本发明的任何设备均可以具有移动构造，例如具有可能需要或不需要轨道或导轨的轮子。本发明的设备可以包括适当的驱动力，例如用于使这些轮子移动的电动机。

所述固化设备和/或固化站可以包括任何适当数量的加热器，例如，其中至少一个加热器包括顶部加热器、底部加热器、和/或侧面加热器。例如，从安全性和操作简单的角度考虑，优选采用电阻加热元件。所述固化设备可以包括任何适当的坩埚支撑件和/或隔热体。所述固化设备可以包括掺杂剂源和/或机构。所述固化设备可以包括一个或多个入口和/或输入口，例如位于该固化设备的顶部和/或侧面的入口和/或输入口。

根据一个实施例，所述散热器包括相对于坩埚的底部布置和/或定位的导热金属板。希望的是，该散热器与坩埚和/或熔融原料导热连通，以便从原料中除去熔化热。所述固化设备可以包括热交换块(换热块)、金属底部、气体循环换热器、和/或隔热遮板。

所述固化设备还可以包括真空源和/或惰性气体供应。希望的是，例如可以在转送过程和/或工作期间应用该真空源。希望的是，例如可以在固化期间应用该惰性气体供应。所述固化设备可以包括一个或多个站接入点和/或所述固化设备可以安装在轮子和轴上。

根据一个实施例，本发明包括用于制造高纯度硅的、使熔融原料固化的方法。该固化方法可以包括如下步骤：提供熔融原料；在坩埚中接收该熔融原料；利用加热器向该熔融原料提供热量，以控制所述坩埚内的温度；以及，至少从底部冷却该原料以使该熔融原料结晶。该冷却还可以经由一个或多个侧面和/或经由顶部而进行。

所述接收步骤包括：使熔融原料例如从熔化设备或容纳设备流动、倾倒和/或转送至坩埚或容器。该熔融原料可以处于熔点下和/或包括足够程度的过热。例如，该过热包括比固体熔点的能量高的能量量。

所述固化方法可以包括：例如在使熔融原料在容器之间流动和/或加入惰性气体的同时，将所述固化设备与容纳容器的至少一部分真空连结。

所述固化方法可以包括：将所述固化设备从容纳设备或熔化设备移动至用于固化的地点。希望如此但并非必须地，所述方法可以包括：用掺杂剂掺杂所述熔融原料，例如用掺杂剂源和/或机构来掺杂。可替代地，所述硅可以已经被掺杂过。所述固化方法还可以包括如下步骤：在存在籽晶的情况下，使固化产物结晶，以便产出和/或制造多晶硅、单晶硅、近单晶硅、几何多晶硅、多晶硅和/或任何其它适当的形式或取向。

根据一个实施例，本发明包括一种用于制造高纯度硅的设备，例如三段式装置。该设备可以包括：熔化设备，该熔化设备用于将固态原料熔化成熔融原料；容纳设备，该容纳设备用于接收来自所述熔化设备的熔融原料；以及至少一个固化设备，该至少一个固化设备用于将熔融原料固化成固态产物。本发明可以包括集成式设备，该集成式设备至少包括单独的熔化段、单独的固化段和/或可选的、单独的容纳段。本发明包括二段式工艺，且更希望的是包括用于铸造材料(例如高纯度硅)的三段式装置和工艺。

根据一个实施例，所述熔化设备包括叉子状传送装置，该叉子状传送装置用于将固态原料放置在热源中的槽缝上。根据一个实施例，所述容纳设备包括容纳容器以及转送机构或倾斜机构。根据一个实施例，所述固化设备包括坩埚、加热器和散热器。该集成式设备可以包括至少一个惰性气体供应，例如用于从该设备中置换出污染物。

在可替代方案中，所述熔化设备和容纳设备组合成单个单元或装置。根据一个实施例，所述熔化设备、容纳设备或至少一个固化设备中的至少一个包括能在多个位置之间移动的便携式装置和/或包括用于辅助设施的快速连接件。希望的是，所述熔化设备和/或容纳设备包括单个移动装置。在可替代方案中，所述固化设备包括移动装置。多于一个熔化设备能够将熔融原料供应至同一容纳设备。希望的是，至少五个固化设备能够从同一容纳设备装料。任何适当数量的和/或组合的设备都在本发明的范围内。

根据一个实施例，所述熔化设备以大致连续的模式工作，所述容纳设备以大致半分批的模式工作，而所述固化设备以大致分批的模式工作。该“连续”包括：以至少相对恒定的流动来制造材料。该“半分批(semi-batch)”包括：以至少相对周期性的流动来制造材料，例如具有均匀和/或不均匀的流动。例如，材料可以被连续接收但被分散地分发，或者反过来。该“分批(batch)”包括：具有相对间歇性的流动，例如具有按需流动。

根据一个实施例，每个固化设备均能够移动或能够相对于熔化设备或容纳设备移动。在可替代方案中，所述熔化设备和/或容纳设备能够移动或能够相对于每个固化设备移动，例如其中每个固化设备均保持大致固定，而所述熔化设备或容纳设备移动以对每个固化设备进行供应。

根据一个实施例，所述熔化设备、容纳设备和每个固化设备包括与其它装置不同的装置，例如具有用于结晶工艺的三个离散的段。在可替代方案中，所述熔化设备与容纳设备相组合而形成单元化装置。

希望如此但并非必须地，所述容纳设备中的容纳容器的容积超过或大于所述固化设备中的坩埚的容积，例如至少为其约1.5倍、至少为2.0倍、至少为5.0倍和/或至少为10.0倍。

所述熔化设备、容纳设备和/或固化设备的布置结构可以包括各个装置的一个或多个的任何适当构造。根据一个实施例，各个固化设备能够相对于熔化设备和/或容纳设备大致呈放射状或成圆形地布置和/或排列。在可替代方案中，各个固化设备能够相对于熔化设备和/或容纳设备大致呈直线状或成行地布置和/或排列。排成直线、行或列的固化设备例如可以一次一个地向前移动和/或分度前进(index)，从而由所述容纳设备装料。各种装备件和/或设备的其它串联和/或并联构型的布置结构均在本发明的范围内。

根据一个实施例，本发明包括在三段式设备中制造高纯度硅的方法。该方法可以包括如下步骤：提供固态原料；将该固态原料装载到熔化设备中；在该熔化设备中将所述固态原料熔化成熔融原料；和/或将熔融原料转送、流动和/或倾倒至容纳设备。该方法可以包括如下步骤：使熔融原料从容纳设备流动、转送和/或倾倒至固化设备中；和/或在该固化设备的坩埚中将所述熔融原料固化成固态产物。

所述方法可以包括：使惰性气体流动或吹送经过所述熔化设备、容纳设备和/或固化设备中的至少一个，以便置换出杂质。所述方法和/或所述设备可以包括新鲜的惰性气体，该新鲜的惰性气体扫过暴露区域中的硅表面，然后从所述设备中排出。可替代地，该惰性气体可以被捕获和/或再循环。

根据一个实施例，该熔融原料的流动利用在容纳设备和固化设备之间的真空密封的通道而进行。

所述方法可以包括：移动所述固化设备，以允许第二固化设备接收熔融原料(例如从容纳设备接收)。在可替代方案中，所述方法可以包括：相对于多个固化设备来移动所述熔化设备或容纳设备中的至少一个，例如基本上旋转到多个呈放射状布置的固化设备。所述方法可以包括：相对于多个固化设备来移动所述熔化设备或容纳设备中的至少一个，其中所述移动步骤可以包括：基本上相对于多个大致呈直线状布置的固化设备而定位。

所述熔化设备可以例如通过传送装置、周期性地和/或相对连续地装载有固态原料。在热量被输入至该固态原料的情况下，该熔化能够以相对恒定的方式发生。所述容纳设备可以为熔融原料的流动提供缓冲和/或浪涌容积。所述容纳设备可以例如以大致按比例的容量和/或流量、对一个或多个固化设备进行供应。本发明的专用设备可以提供更纯的固态产物，同时具有更高的生产量或生产能力。

根据一个实施例，所述方法可以包括：在辅助设施供应与熔化设备、容纳设备和/或固化设备之间形成辅助设施连接。例如，所述方法可以包括：例如通过将顶部的熔融剩余物滗析到通道中来从坩埚内的熔融原料中除去杂质。希望的是，该顶部的熔融剩余物包括较高浓度的杂质，且例如能够在冷却期间、在该较高浓度的杂质扩散和/或迁移到固态产物中之前被去除。

根据一个实施例，所述方法可以包括利用第三轨道或电源为所述熔化设备、容纳设备和/或固化设备中的至少一个提供动力和/或充电。希望的是，该第三轨道允许所述设备移动至一个或多个位置。所述方法可以包括：在利用软管和/或其它适当的可盘绕的、可弯曲导管连接至例如用于辅助设施的柔性供应件和/或工艺连接件的同时，使设备移动。

根据一个实施例，本发明包括通过三段式方法(熔化、容纳和固化)制造的高纯度硅锭。该方法包括如下步骤：提供固态原料；将该固态原料装载到熔化设备中；在该熔化设备中将所述固态原料熔化成熔融原料；将该熔融原料转送至容纳设备；使该熔融原料从所述容纳设备流到固化设备中；以及，在该固化设备的坩埚中将所述熔融原料固化成固态产物。

所述制造硅锭的方法可以排除例如常规CZ或FZ工艺所进行的、对硅的拉拔、牵引、自旋和/或旋转。该硅锭可以主要包括含有多晶硅、单晶硅、近单晶硅、几何多晶硅和/或任何其它适当结构的硅。希望的是，该硅锭可以基本上没有呈放射状分布和/或取向的杂质和/或缺陷。根据一个实施例，该硅锭包括约2×10¹⁶个原子/cm³～约5×10¹⁷个原子/cm³的碳浓度、不超过7×10¹⁷个原子/cm³的氧浓度、以及至少1×10¹⁵个原子/cm³的氮浓度。

根据一个实施例，本发明可以包括直接电阻熔化的熔化设备，例如连续熔化器。电能能够直接施加至待熔化的材料，从而在保持高熔化效率的同时，容易并入到连续熔化系统中，简化了加热器设计和/或材料供应。希望的是，在保持高纯度的同时，电弧熔化允许任意尺寸的硅厚块被装载和熔化。熔化器可以包括通过一定间隙或绝缘材料(例如SiO₂)分离的两块导电材料(例如石墨或SiC)板。这两块板可以连接至电路，使得所述板处于相反极性。所述板能够相互成角度地布置，从而当从侧面观察时形成“V”字形状。该V形的开口端能够利用电绝缘材料封闭，或者能够在电绝缘块内几乎完全安装电活性元件，其中每个仅暴露一个面。可替代地，其它熔化设备的指状部可以放置成与硅直接接触并以如下方式被偏压：即，使电流经过桥接这些指状部的硅。

根据一个实施例，本发明可以包括用于所述容纳容器和/或坩埚的支撑件，该支撑件含有碳-碳(C-C)、强化的碳-碳(RCC)、碳-纤维-碳(CFC)、高温复合物、合金、陶瓷、金属和/或其它适当的物质。希望的是，即使所述容纳容器或坩埚在升高的温度下、在含有熔融原料(例如在大约1420℃或高于约1420℃下含有至少约500千克液态硅)的同时变形或变软，该支撑件也具有足够的结构构件。该支撑件还可以具有足够的结构性能以允许机械化，例如使所述容纳容器倾斜以转送熔融原料。希望的是，该支撑结构包括对顺应于坩埚形状的薄C-C壳或衬垫进行支撑的、具有肋条的龙骨。

根据一个实施例，所述固化设备可以包括气体再循环换热器。该气体再循环换热器可以充当对流冷却系统，其中冷的惰性气体被引入到与硅锭导热连通的导热块。可以强迫该气体经过扩散板，并基于与冷却块的导热接触而将被加热，例如加热到高达几百度。然后将该热气体引出并使之经过换热器，其中热能可以得到转换而用于其它应用。例如，来自该换热器的冷气体然后能够再循环经过该系统。气体再循环换热器使得不需要将热量辐射至水冷室壁，且可以降低液态硅到达水冷壁的风险。如果发生硅裂口和/或溢出，则气体再循环换热器可以提高安全系数。通过改变气体(在主要情况下是氩)的质量流量、通过经可变频率驱动来改变鼓风机速度等，可以实现温度缓和。

室壁中的传统水冷却将水温至多提高90℃，这表示难以回收的低等级能量。作为非水的主要传热介质的该气体再循环换热器可以允许高质量的热量回收，其能够用于传递至其它介质和/或用于其他用途，例如用作二次发电和/或废热回收的蒸气或高温传热流体。

根据一个实施例，本发明中使用的加热器可以包括任何适当的设计，例如由小直径石墨块形成的加热器主体，所述小直径石墨块能够机械加工成有效率的辐射加热器形状且容易插入到用于加热气氛受控式高温熔炉的电连接件中。希望如此但并非必须地，加热器设计消除了由大块件机械加工出的单个大的蛇管元件。另外，希望如此但并非必须地，该加热器设计消除了许多螺栓连接。每个加热器或加热器元件能够滑动配合到水冷母线(例如由铜制成)中以提供锥面锁定(taper-lock)式电力连接件，且能够在不进入铸造站和/或铸造设备的情况下直接除去。

根据一个实施例，本发明的设备中使用的惰性气体和相关系统可以包括再循环系统，以便减小补足气的体积。惰性气体供给物可以流动到需要的区域和/或由真空和/或喷射器协助，以建立和/或保持受控的气氛。该惰性气体系统可以包括换气器、压缩机、鼓风机、蓄存器、气囊和/或任何其它适当的装置，以便降低工作成本。

对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，能够在所公开的结构和方法中做出各种修改和变化。特别地，对任何一个实施例的说明均能够与其它实施例的说明自由结合，从而产生两种或更多种元件或限定的组合和/或变化。对于本领域的技术人员来说，通过考虑本文所公开的本发明的说明书和实践，本发明其它实施例应将是显而易见的。本说明书和实例旨在被认为仅是示例性的，本发明的真正范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (101)

1.一种适于制造高纯度硅的熔化设备，所述设备包括：

热源，所述热源用于熔化固态原料；

传送装置，所述传送装置用于将所述固态原料供应至所述热源；以及

捕集盘，所述捕集盘用于接收来自所述热源的熔融原料并使所述熔融原料流动到容纳设备，用于进一步加工。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于与所述固态原料或所述熔融原料接触的表面包括高纯度成分。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述熔化设备基本连续地工作。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热源包括带有槽缝的平台。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热源包括平坦的炉床或起伏状的炉床。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述热源包括处于大致平行构型中的多个棒。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个棒包括保护罩。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热源含有碳化硅或石墨。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传送装置包括布置在细长构件的末端的叉子，所述叉子包括用于支撑所述固态原料的多个大致平行的叉齿。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括叉齿的间隔，所述间隔用于使所述叉齿在所述热源中的一个或多个槽缝间经过。

11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述叉子能够在第一位置和第二位置之间移动，所述第一位置用于装载所述固态原料，所述第二位置用于将所述固态原料传送至所述热源。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述叉子能够移动至中间位置，所述中间位置用于将所述固态原料加热至高于环境温度。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传送装置选自由如下项组成的组中的一种：步进梁、旋转管、回转式给料器、振动给料器、滑槽和闸门机构、移动托盘、推杆、及其组合。

14.根据权利要求1所述的设备，还包括用于从所述设备中置换出污染物的惰性气体供应。

15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传送装置包括环境闸。

16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述捕集盘包括用于排出所述熔融原料的倾斜的底部。

17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述捕集盘包括挡板或堰。

18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述捕集盘包括倾倒嘴、槽、虹吸管、柱塞、或其组合。

19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热源包括相对于槽缝开口的顶部布置的加热器。

20.一种适于制造高纯度硅的、熔化固态原料的方法，所述方法包括：

提供固态原料；

利用传送装置将所述固态原料供应至热源；

利用所述热源来熔化所述固态原料；以及

在捕集盘中接收来自所述热源的熔融原料，以便使所述熔融原料流动而进行进一步加工或阶段处理。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述供应包括：

在第一位置处，将一块或多块所述固态原料放置在叉子上；

通过细长构件将所述叉子移动至相对于所述热源的第二位置，其中所述叉子布置在所述细长构件的末端；

使所述叉子的叉齿下降到所述热源的一个或多个槽缝中，以将所述固态原料放置在所述热源的指状部上；以及

从所述热源撤回所述叉子。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述移动包括：穿过环境闸。

23.根据权利要求21所述的方法，还包括：在相对于热区连接的惰性气氛下，利用机器人装载所述叉子。

24.根据权利要求21所述的方法，还包括：在中间位置，使所述固态原料变暖至高于环境温度。

25.根据权利要求20所述的方法，还包括：使惰性气体流动以避免杂质。

26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述传送装置选自由如下项组成的组中的一种：步进梁、旋转管、回转式给料器、振动给料器、滑槽和闸门机构、移动托盘、推杆、及其组合。

27.根据权利要求20所述的方法，其中，所述熔化包括：使用电阻加热器、感应加热器、或其组合。

28.根据权利要求20所述的方法，其中，所述熔化包括：使所述固态原料与多个棒接触并使所述熔融原料流经至少一个槽缝。

29.根据权利要求20所述的方法，其中，所述接收包括沿着斜坡向下流动。

30.根据权利要求20所述的方法，其中，所述接收包括：使所述熔融原料相对于挡板、堰、或其组合而流动，以拦住漂浮的未熔化原料的块。

31.根据权利要求20所述的方法，其中，所述接收包括：使所述熔融原料相对于溢出屏障而流动，以排除沉降的颗粒或污染物。

32.根据权利要求20所述的方法，还包括：将来自所述捕集盘的所述熔融原料转送至容纳容器。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述转送包括：流经倾倒嘴、虹吸管、柱塞、槽、或其组合。

34.一种适于制造高纯度硅的容纳设备，所述设备包括：

容纳容器，所述容纳容器用于接收熔融原料并具有出口；

至少一个加热器；以及

转送机构或倾斜机构，所述转送机构或倾斜机构用于使所述熔融原料流动而进行进一步加工或阶段处理。

35.根据权利要求34所述的设备，其中，所述容纳容器含有熔融硅石。

36.根据权利要求34所述的设备，其中，所述出口包括漏斗、喷嘴、槽、或穿过所述容纳容器的壁的端口。

37.根据权利要求34所述的设备，其中，所述容纳容器包括：

具有一深度的第一端和具有增加的深度的第二端；以及

盖子。

38.根据权利要求34所述的设备，还包括惰性气体供应。

39.根据权利要求34所述的设备，其中，所述倾斜机构包括第一固定支腿和第二可调支腿，所述第二可调支腿用于改变所述容纳容器的末端高度。

40.根据权利要求34所述的设备，还包括喷嘴、漏斗、槽、或其组合，以将熔融原料从所述容纳容器转送至固化设备。

41.根据权利要求34所述的设备，其中，所述设备包括能在多个位置之间移动的便携式装置，且包括用于辅助设施的柔性连接件或快速连接件。

42.根据权利要求34所述的设备，还包括掺杂剂源。

43.根据权利要求34所述的设备，还包括用于所述容纳容器的支撑件，其中所述支撑件含有碳-碳。

44.一种适于制造高纯度硅的容纳设备的使用方法，所述方法包括：

将熔融原料接收到容纳容器中；

将所述熔融原料保持为处在原料熔点或高于所述原料熔点；以及

经由出口转送所述熔融原料。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述保持包括：使所述熔融原料过热。

46.根据权利要求44所述的方法，其中，所述接收大致连续地发生，而所述转送大致周期性地发生。

47.根据权利要求44所述的方法，其中，所述转送包括：利用倾斜机构使所述容纳容器倾斜。

48.根据权利要求44所述的方法，还包括：使惰性气体流动，以从所述容纳设备中除去污染物。

49.一种适于制造高纯度硅的固化设备，所述设备包括：

坩埚或容器，所述坩埚或容器用于接收来自槽的熔融原料；

至少一个加热器；以及

至少一个散热器。

50.根据权利要求49所述的设备，还包括真空密闭的联锁入坞/出坞件。

51.根据权利要求49所述的设备，其中，所述坩埚或容器包括用于在固化期间滗析载有杂质的材料的槽。

52.根据权利要求49所述的设备，还包括滗析装置，所述滗析装置用于在固化期间使所述坩埚或容器倾斜。

53.根据权利要求49所述的设备，还包括相对于所述坩埚或容器的内表面布置的至少一个籽晶。

54.根据权利要求49所述的设备，还包括熔化物检测系统。

55.根据权利要求49所述的设备，其中，所述设备包括能在多个位置之间移动的便携式装置，并包括用于辅助设施的柔性连接件或快速连接件。

56.根据权利要求49所述的设备，其中，所述至少一个加热器包括顶部加热器和底部加热器。

57.根据权利要求56所述的设备，还包括至少一个侧面加热器。

58.根据权利要求49所述的设备，其中，所述设备包括掺杂剂源。

59.根据权利要求49所述的设备，其中，所述散热器包括相对于所述坩埚的底部布置的金属板。

60.根据权利要求49所述的设备，还包括真空源和惰性气体供应。

61.一种适于制造高纯度硅的、使熔融原料固化的方法，所述方法包括：

提供熔融原料；

在坩埚中接收所述熔融原料；

利用加热器向所述熔融原料提供热量，以控制所述坩埚内的温度；以及

从底部或从至少一个侧面冷却所述熔融原料，以使所述熔融原料结晶。

62.根据权利要求61所述的方法，其中，所述接收包括：在使熔融原料在所述设备与容纳容器之间流动的同时，使所述设备与所述容纳容器进行真空密闭的气氛受控式连结。

63.根据权利要求61所述的方法，还包括：将所述固化设备从容纳设备或熔化设备移动至用于固化的地点。

64.根据权利要求61所述的方法，还包括：用掺杂剂掺杂所述熔融原料。

65.根据权利要求61所述的方法，还包括：利用籽晶来对固化产物进行定向。

66.根据权利要求61所述的方法，其中，固化产物选自由如下项组成的组：多晶硅、单晶硅、近单晶硅、几何多晶硅、及其组合。

67.根据权利要求61所述的方法，还包括：放置籽晶以至少基本上覆盖所述坩埚的底部或至少一个侧面。

68.根据权利要求61所述的方法，还包括：放置籽晶以至少基本上覆盖所述坩埚的底部和所有内侧面。

69.一种适于制造高纯度硅的设备，所述设备包括：

熔化设备，所述熔化设备用于将固态原料熔化成熔融原料；

容纳设备，所述容纳设备用于接收来自所述熔化设备的所述熔融原料；以及

至少一个固化设备，所述至少一个固化设备用于将所述熔融原料固化成固态产物。

70.根据权利要求69所述的设备，其中，所述熔化设备包括叉子状传送装置，所述叉子状传送装置用于将所述固态原料放置在热源中的槽缝上。

71.根据权利要求69所述的设备，其中，所述容纳设备包括容纳容器和倾斜机构。

72.根据权利要求69所述的设备，还包括用于从所述设备中置换出污染物的惰性气体供应。

73.根据权利要求72所述的设备，其中，新鲜的惰性气体扫过暴露区域中的硅表面，然后从所述设备中排出。

74.根据权利要求69所述的设备，其中，每个固化设备均包括坩埚、加热器和散热器。

75.根据权利要求69所述的设备，其中，所述熔化设备和所述容纳设备组合成单个单元。

76.根据权利要求69所述的设备，其中，所述熔化设备、所述容纳设备、或所述至少一个固化设备中的至少一个包括能在多个位置之间移动的便携式装置，且包括用于辅助设施的柔性连接件或快速连接件。

77.根据权利要求69所述的设备，其中，多于一个的熔化设备将熔融原料供应至同一容纳设备。

78.根据权利要求69所述的设备，其中，至少五个固化设备由一容纳设备装料。

79.根据权利要求69所述的设备，其中，所述熔化设备以大致连续的模式工作，所述容纳设备以大致半分批的模式工作，而所述固化设备以大致分批的模式工作。

80.根据权利要求69所述的设备，其中，每个固化设备均相对于所述熔化设备或所述容纳设备移动。

81.根据权利要求69所述的设备，其中，每个固化设备均保持大致固定，而所述熔化设备或所述容纳设备移动以对每个固化设备进行供应。

82.根据权利要求69所述的设备，其中，所述熔化设备、所述容纳设备和每个所述固化设备包括与其它装置不同的装置。

83.根据权利要求69所述的设备，其中，所述容纳设备中的容纳容器的容积超过所述固化设备中的坩埚的容积。

84.根据权利要求69所述的设备，其中，各个固化设备相对于所述熔化设备或所述容纳设备大致呈放射状地布置。

85.根据权利要求69所述的设备，其中，各个固化设备相对于所述熔化设备或所述容纳设备大致呈直线状布置。

86.根据权利要求69所述的设备，还包括碳纤维复合物捕集贮槽，所述碳纤维复合物捕集贮槽用于容纳所述熔融原料的溢出物。

87.一种适于制造高纯度硅的方法，所述方法包括：

提供固态原料；

将所述固态原料装载到熔化设备中；

在所述熔化设备中将所述固态原料熔化成熔融原料；

将所述熔融原料转送至容纳设备；

使所述熔融原料从所述容纳设备流动到固化设备中；以及

在所述固化设备的坩埚中将所述熔融原料固化成固态产物。

88.根据权利要求87所述的方法，还包括：使惰性气体流经所述熔化设备、所述容纳设备、或所述固化设备中的至少一个。

89.根据权利要求87所述的方法，其中，所述流动通过在所述容纳设备和所述固化设备之间的气氛受控式联锁装置而实现。

90.根据权利要求87所述的方法，还包括：移动所述固化设备以允许第二固化设备接收熔融原料。

91.根据权利要求87所述的方法，还包括：相对于多个固化设备来移动所述熔化设备或所述容纳设备中的至少一种。

92.根据权利要求91所述的方法，其中，移动所述熔化设备或所述容纳设备中的至少一种包括：基本上旋转到多个呈放射状布置的固化设备处。

93.根据权利要求91所述的方法，其中，移动所述熔化设备或所述容纳设备中的至少一种包括：基本上相对于多个大致呈直线状布置的固化设备而定位。

94.根据权利要求87所述的方法，还包括：在辅助设施供应与所述熔化设备、所述容纳设备、或所述固化设备之间形成辅助设施连接。

95.根据权利要求87所述的方法，还包括：通过滗析顶部的熔融剩余物来从坩埚中除去杂质。

96.根据权利要求87所述的方法，还包括：使所述设备在至少两个轨道上移动，同时利用第三轨道为所述熔化设备、所述容纳设备、或所述固化设备中的至少一种提供动力。

97.通过三段式方法制造的高纯度硅锭，所述方法包括：

提供包括硅的固态原料；

将所述固态原料装载到熔化设备中；

在所述熔化设备中将所述固态原料熔化成熔融原料；

将所述熔融原料转送至容纳设备；

使所述熔融原料从所述容纳设备流动到固化设备中；以及

在所述固化设备的坩埚中将所述熔融原料固化成固态产物。

98.根据权利要求97的硅锭，其中，所述方法排除了对硅进行拉拔或旋转。

99.根据权利要求97的硅锭，其中，所述硅锭主要包括选自由如下项组成的组中的硅：多晶硅、单晶硅、近单晶硅、几何多晶硅、及其组合。

100.根据权利要求97的硅锭，其中，所述硅锭基本没有呈放射状分布的缺陷。

101.根据权利要求97的硅锭，其中，所述硅锭包括约2×10¹⁶个原子/cm³～约5×10¹⁷个原子/cm³的碳浓度、不超过7×10¹⁷个原子/cm³的氧浓度、以及至少1×10¹⁵个原子/cm³的氮浓度。

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