CN102741461A - 用于获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备 - Google Patents

用于获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备 Download PDF

Info

Publication number
CN102741461A
CN102741461A CN201080057315XA CN201080057315A CN102741461A CN 102741461 A CN102741461 A CN 102741461A CN 201080057315X A CN201080057315X A CN 201080057315XA CN 201080057315 A CN201080057315 A CN 201080057315A CN 102741461 A CN102741461 A CN 102741461A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ruhmkorff coil
semiconductor material
wire turn
crucible
ruhmkorff
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201080057315XA
Other languages
English (en)
Inventor
发布里奇奥·杜吉罗
米歇尔·福尔赞
达里奥·齐斯卡托
马里奥力诺·切萨诺
发布里奇奥·克里韦洛
保罗·贝尔纳比尼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SAET SpA
Original Assignee
SAET SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SAET SpA filed Critical SAET SpA
Publication of CN102741461A publication Critical patent/CN102741461A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details peculiar to crucible or pot furnaces
    • F27B14/14—Arrangements of heating devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/24—Crucible furnaces
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/367—Coil arrangements for melting furnaces
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/44—Coil arrangements having more than one coil or coil segment

Abstract

本发明提供一种用于获取多晶硅的设备(1)，包括：至少一个由石英制成的用于硅的坩埚(1)，其可拆卸地嵌设在杯状石墨容器(4)中；流体密封罩壳(5)，包括固定的下半壳(6)和垂直移动的上半壳(7)；上感应线圈(12)，面对坩埚设置，在上感应线圈(12)与坩埚之间设有有石墨板(14)，侧感应线圈(16)，设置在石墨容器的侧壁(17)周围，下感应线圈(18)，面对石墨容器的下壁(19)设置，且可垂直移动用以改变其离下壁的距离(D)；装置(20)，用于彼此独立地为感应线圈提供交流电源；至少侧感应线圈(16)包括一个在另一个之上地设置的多个平面线匝(13a、…13e)，以及装置(25)，用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路、供电或不供电线匝，并用于同时全部或单独一次一个或多个地改变电源的频率。

Description

用于获取多晶半导体材料,特别是硅的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种通过半导体材料的熔化及其随后定向凝固获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备。
背景技术
对具有称为“太阳能纯度”的高纯度级别的半导体材料，特别是硅的需求越来越大，这是由于所述材料对生产高效光伏电池来说是必需的。
为了获取这种材料，需要先通过传统的冶金方法进行提炼，最后形成铸块，然后从中切割得到生产光伏电池所需的晶圆。所述铸块采用被称为“定向凝固系统”(DSS)的方法而形成，即，通过在坩埚中熔化半导体材料，然后使其定向凝固，以最终获取到多晶硅。
为了获取定向凝固，需要通过在正在形成的铸块中维持垂直热梯度，以获取适当的冷却速率，使得凝固前沿的发展速度1-2cm/h，这样在坩埚中产生所述凝固。这种技术的优势在于原始材料中存在的杂质优先地残留在被熔化的材料中，因此与凝固前沿一起向上升起。一旦铸块被凝固，除去铸块自身的顶端部分便足以获取被提炼的所需纯度级别的多晶硅。
为了获取该结果，需要能够对热流施加非常精确的控制，特别是阻止热量从坩埚中有任何横向泄露，即，阻止横穿凝固前沿的发展方向的热流，所述凝固前沿的发展方向是垂直的。在现有的DSS熔炉中，其通过电阻加热或感应加热，这是采用厚重的绝缘层获取到的，这些厚重的绝缘层增加了成本和熔炉的整个尺寸，因此增大了控制它的能耗水平。另外，待提炼的固态半导体材料的熔化步骤需要长时间以及高能耗水平。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，通过提供一种用于获取具有“太阳能”纯度级别的多晶半导体材料、典型地为硅的设备和方法，其实施简单且廉价，能够可靠且有效地控制热流，且能够降低必要器件的整体尺寸和能耗水平。
此处以及后续的“太阳能”纯度级别的意思是生产高效光伏电池所需的纯度级别。
因此，本发明涉及一种根据权利要求1的用于半导体材料的熔化和随后定向凝固的设备，以典型地获取具有太阳能纯度级别的多晶硅，以及一种根据权利要求9的获取具有太阳能纯度级别的多晶半导体材料，典型地为硅的方法，采用所述半导体材料的熔化步骤和所述半导体材料的定向凝固的随后步骤。
特别地，根据本发明该装置包括：至少一个下感应线圈，其可垂直移动的，以能够在使用中改变其离设置在坩埚上的杯状石墨容器的下壁的距离，半导体材料在该坩埚中被提炼获取到；至少一个侧感应线圈，包括多个共轴设置的线匝，各线匝沿垂直方向一个在另一个之上地设置；以及用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝、或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与交流供电装置连接或断开的装置；另外，至少侧感应线圈包括用于同时全部或单独一次一个或多个地在至少两个不同值之间改变线匝的供电电源的频率的装置，一旦半导体材料已达到传导温度，通过感应产生对石墨和/或包含在坩埚中的半导体材料的选择性加热。
用于改变线匝的供电电源的频率的装置包括第一电容电池和第二电容电池，其与用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与交流供电装置连接或断开的装置连接。该用于选择性短路线匝或分别与交流供电装置连接或断开的装置因此包括适当连接的一组开关。
根据本发明的方法，定向凝固的步骤通过下述步骤获取得到：
去激活至少一个下感应线圈，然而，保持下感应线圈的线匝中的冷却剂流的循环状态；
将下感应线圈靠近所述坩埚，直到其充分接触设置在坩埚下面的下电磁感受器；
选择性地且彼此单独地依次激活和去激活至少一个侧感应线圈的一个或多个线匝，线匝被制成在垂直方向上彼此共轴的线匝集合，以在使用中至少覆盖由熔融的半导体材料占据坩埚中的整个高度，以这种方式通过感应来实现设置在坩埚侧部的电磁感受器中的热量的区域化生成，以补偿坩埚自身的侧部热量泄露；以及
选择性地每次短路侧感应线圈中的至少一个线匝，以逐渐增高的次序从线匝集合中选择待被短路的一个或多个线匝，以便用它/它们形成基本上跟随所述半导体材料的凝固前沿的电磁场屏蔽。
另外，通过下述步骤来执行熔化步骤：
通过以第一预设频率(具有千赫兹级别)进行供电，激活设置在坩埚下部、上部和侧部的感应线圈，以通过电磁感应产生对电磁感受器的加热；
当半导体材料被电磁感受器加热到变成传导性的温度时，将至少一个侧感应线圈以及可能的下感应线圈中至少一些线匝的供电电源的频率降低到第二预设频率(具有几十赫兹至几百赫兹级别)，其中，电磁感应的至少部分开始直接影响半导体材料。
在这种方式下，熔化步骤以一种快速方式得到，且降低了能耗水平，以便在待熔化材料中直接产生至少部分所需能量，事实是通过电磁感受器还限制了由扩散产生的泄露。另外，特别通过对频率的适当控制，得到了对熔融的材料进行搅拌所产生的效果，使其更加均匀，将其达到理想条件后执行定向凝固。
在后面的步骤中，还可以通过采用合适的温度传感器，基于本发明的阅读，干预各感应线圈，特别是通过短路侧感应线圈中的线匝和/或为侧感应线圈中的线匝单独供电，并使用去激活的下感应线圈作为冷却元件，可以维持对热流的极其良好的控制。
附图说明
本发明的进一步特点和优势将从实施例的下述非限制示例的描述中清楚地显示，参照附图以示例的方式完整地阐述本发明实施例，其中：
图1为根据本发明获取的设备的沿平行于其垂直对称轴方向的正视截面示意图，所述设备用于半导体材料的熔化和随后定向凝固，且以设计为能够装载待处理的半导体材料的结构来阐明；
图2为再一次以横截面和正视图的形式显示了图1中设备的运行工作结构，其中仅半个被示出，省略部分与其相对称；
图3和4再一次以横截面和正视图的示意图形式显示了图1和图2中设备的各结构细节的放大尺寸；以及
图5和6再一次以示意图的方式显示了图1和图2中设备的一些组件的放大尺寸。
具体实施方式
参照图1-图4，1整体指代的是用于半导体材料2的熔化和后续定向凝固的设备，典型地获取具有太阳能纯度级别的多晶硅。
设备1包括：至少一个用于半导体材料2的坩埚3，其优选地由石英或陶瓷材料制成，可拆卸地设置在杯状石墨容器4中；以及流体密封罩壳5，石墨容器4设置其中，该流体密封罩壳5由均为杯状的下半壳6和上半壳7界定；这些壳优选地由钢制成，通常彼此上下相对连接(图2)，它们的凹面彼此相对，各自的具有适当垫圈(未示出)的边缘8、9以流体密封的方式毗连在一起。
设备1还包括用于垂直地移动上半壳7远离下半壳6的装置10，如此情况下以这种方式使得罩壳5将呈现“开”结构，如图1所示，使得能够进入石墨容器4。根据本发明的一方面，下半壳6被垂直地固定安装在例如位于地面上的脚11上，同时，上半壳7以垂直移动的方式由支撑结构11来支撑，支撑结构11还支撑已知类型的移动装置10，以使得上半壳7能够朝远离或靠近下半壳6的方向移动。
根据本发明的一方面，设备1还包括：至少一个上感应线圈(或数个独立感应线圈组成的“块”)12，该感应线圈12包括各个线匝13，线匝13可做成例如基于平面螺旋的形状，其面对石墨容器4的口15设置，且在石墨容器4与上感应线圈12之间至少设置有石墨板14；至少一个侧感应线圈(或数个独立感应线圈组成的“块”)16，在使用中，当半壳6、7对合在一起(图2)时，侧感应线圈16围绕石墨容器4的侧壁17设置；以及下感应线圈18，直接面对石墨容器4的下壁19设置。
最后，设备1包括：交流供电装置20，其是现有的，因此通过方框简单示意表示，其用于为感应线圈12、16和18单独且彼此独立地供电；以及冷却装置21，其也是现有的，因此通过方框简单示意表示，其用于向感应线圈12、16和18的线匝13中提供制冷剂，其中，线匝13是中空的，因为它们可以由管状元件组成。
根据本发明，下感应线圈18是垂直移动的，以能够在使用中改变其离下壁19的距离D(图3)，同时，至少一个侧感应线圈16(图5和图6)包括多个线匝13a、...13e，每个线匝具有在同一平面位置的展开部，这些线匝与半壳6、7的对称轴A共轴，在垂直方向上一个设置在另一个之上，且彼此相互独立。
特别地，线匝13a、...13e每个由各自的铜管形成，其被弯成在同一平面内的环，且具有对称轴A，终止于两个相对端部22，这两个相对端部22毗邻设置，且被弯成一个角度，放射状地伸出到由线匝形成的环的外部。然后，具有相同尺寸的线匝13a、...13e沿垂直的轴A的延长方向一个压在另一个之上的设置，并且通过各个台钳23被一同保持在单个功能单元中。端部22具有连接器24，设计用于将其液压连接到冷却装置21(由现有的具有泵的液压电路来限定，为了简化未示出)，且电连接到供电装置20。
结合上述特征，所述至少一个侧感应线圈16(图5)还包括电连接装置25，在图5中整体以方框表示，在图6中以移动夹子表示，该夹子设计成与连接器24相作用，用以选择性地(根据本发明第一方面)同时全部或者单独一次一个或多个地短路线匝13a、...13e，和/或，根据本发明第二方面，使这些线匝同时全部或者单独一次一个或多个地与交流供电装置20连接或断开。
特别地，上述装置25在其功能方面能够被实施成包括一组开关25b，一旦其所分配的功能被定义，这些开关以本领域技术人员熟知的方式适当地进行连接，因此不再详细描述。事实上，开关25b显然既能够执行使线匝13中一次一个或多个短路的功能，在图6中通过夹子来示意性表示，又能够执行线匝13a、...13e的与供电装置20选择性连接/断开的功能。根据本发明的一方面，供电装置被显示为多于一个，因此线匝13a、...13e中的至少几个能够通过串联的(图5中示意表示)，或并联的，或彼此独立的方框25，采用不同的转换器20来供电，因此其能够以不同功率和频率为每个线匝13a、...13e限制性供电。在实践中，虽然感应线圈16由多个独立的单匝感应线圈组成，但其能够以任意形式连接彼此。
根据本发明的最后一个但并不是最不重要的方面，至少侧感应线圈16(以及也可能下感应线圈18)包括装置26(集成在图5中示意的方框25中)，该装置26用于在至少两个不同的值之间同时全部或者单独一次一个或多个地改变线匝13中供电电源的频率，由此一旦半导体材料2已达到传导温度，对于硅来说近似为900℃，通过感应产生对形成壁17和19的石墨和/或包含在坩埚3中的半导体材料2的选择性加热。
在恰当的情况下，用于改变线匝13a、...13e的供电电源的频率的装置26包括所示第一电容电池27以及第二电容电池28，与电连接装置25连接，且其特别地电连接到一组开关25b上。
线匝13的电源的频率变化产生了磁场的选择性且局部性变化，这在使用时影响石墨元件17、19以及半导体材料2本身。由感应线圈16产生的磁场的进一步或可选的局部变化作为整体，能够通过引发其总体感应的变化而获取到，例如，通过从交流供电装置20断开一个或多个线匝13。
在优选实施例中，下半壳6采用热绝缘元件29以及下感应线圈18和装置30支撑其中的石墨容器4，装置30以方框形式示意表示，用于垂直地将下感应线圈18远离和靠近石墨容器4的下壁19。装置30能够由任意现有的发动机组成，用于柄31的垂直平移，柄31固定地支撑位于其顶端的平面感应线圈18，且在其中载入液压线路和电线，用于连接冷却装置21以及连接专用于感应线圈18的交流供电装置20。
可替换地，上感应线圈12与石墨板14、侧感应线圈16以及其他绝缘元件29一起，相对于上半壳7固定，以便当半壳6、7彼此连接时(图2)围绕石墨容器4，而当半壳6、7彼此远离(图1)时暴露石墨容器4。根据现有技术，石墨容器4的侧壁17和下壁19以及石墨板14具有构成电磁感受器的组分和尺寸，电磁感受器分别用于可操作的关联的至少一个侧感应线圈16、至少一个下感应线圈18以及至少一个上感应线圈12。
特别地，需要注意的是，当半壳6、7连接时，绝缘元件29限定一个隔间，设置在该隔间中的至少一个下感应线圈18因此直接面对与其关联的电磁感受器19；同时绝缘元件29围绕电磁感受器14、17、19，因此感应线圈12和16被优选地设置在所述隔间外部，因此绝缘元件29设置在感应线圈12，16和与它们其关联的电磁感受器14、17之间。
在现有方式中，所述设备1还包括现有的装置32，通过方框(图2)来指代，用于当半壳6、7连接时在以流体密封方式密封的罩壳5中产生真空；所述设备1还包括现有的装置33，通过方框(图2)来指代，用于在半壳6、7连接时在罩壳5界定的工作腔中循环惰性气体，优选地为氩气；根据本发明的一方面，石墨容器4的侧壁17具有多个贯穿的垂直狭缝34(图3，图4)，以促使惰性气体的循环，因此有助于在罩壳5中由绝缘支撑元件29定义的隔热腔中的热流平衡。
根据本发明的最后一方面，冷却装置21可以这样配置，使得其使用的在至少一个感应线圈12、16、18，例如线匝18的中空线匝13中循环的制冷剂，可以是导热油以代替水。在这种方式下，在熔化或定向凝固过程中，在罩壳5中的制冷剂发生泄露的任意情况下，或者如果坩埚3出现故障而随之发生下半壳6中的熔融硅2的泄露，均无爆炸风险以及随之发生的硅与水的可能化学反应。
基于上述描述，显然地，采用设备1能够有效执行获取具有太阳能纯度级别的多晶半导体材料、典型地硅的方法，采用半导体材料2的熔化步骤，以及通过采用至少三个感应线圈获得的半导体材料2本身的定向凝固的随后步骤，所述至少三个感应线圈在恰当的情况下为感应线圈12、16和18，其被单独供电且在交流电中彼此独立，并且分别设置在包含半导体材料2的坩埚3的上部、下部和侧部，且在坩埚3与感应线圈12、16、18之间设置有石墨电磁感受器14、17和19。特别地，根据本发明的方法，凝固的步骤通过下述步骤得到：
去激活下感应线圈18，然而，保持下感应线圈的线匝13中的冷却剂流的循环状态；
将该下感应线圈18靠近坩埚3，直到其充分接触设置在坩埚3下面的下电磁感受器19；
选择性地且彼此单独地依次激活和去激活侧感应线圈16的一个或多个线匝13a、...13e，所述线匝被制成在垂直方向上彼此共轴的线匝集合，以在使用中至少覆盖由熔融的半导体材料2占据坩埚3中的整个高度，以这种方式通过感应来实现设置在坩埚3侧部的电磁感受器17中的热量的区域化生成，以补偿坩埚3自身的侧部热量泄露；以及
选择性地每次短路侧感应线圈16中的至少一个线匝13a、...13e，以逐渐增高的次序从线匝集合(即，13e、...13a)中选择待被短路的一个或多个线匝，以便用它/它们形成电磁场屏蔽，该屏蔽基本跟随半导体材料2的凝固前沿。
再一次根据本发明的但并不是次重要的一方面，熔化步骤采用下述步骤得到：
通过以第一预设频率进行供电，激活感应线圈12、16和18，以通过电磁感应产生对电磁感受器14、17、19的加热；
当半导体材料2被电磁感受器14、17、19加热到变成传导性的温度(例如，对于硅来说近似为900℃)时，将侧感应线圈16以及可能的下感应线圈18中至少一些线匝13的供电电源的频率降低到第二预设频率，其中，电磁感应的至少部分开始直接影响半导体材料2。
第一预设频率在千赫兹范围内选择，典型地大约近似为2kHz，第二预设频率在几赫兹到几百赫兹范围内选择，典型地近似为500Hz。当硅达到传导温度时，据观察500Hz频率确保由供电装置20提供的电力中的近似30％被直接供给硅；而在频率为50Hz时，供电装置20提供的所有电力均供给硅。
最后，根据本发明的方法，至少在执行定向凝固的步骤之前，搅动处于熔融状态和/或在初始熔化状态的半导体材料2，通过在半导体材料2中引起频率和/或磁场强度的区域变化而使其均匀化，从而在材料2自身中产生对流运动。所述磁场的区域变化通过以合适的频率来为侧感应线圈16中线匝13a、...13e中的至少一些线匝供电而得到，该频率的数量级低于用作加热电磁感受器14、17、19的频率的数量级，和/或通过不为侧感应线圈16中线匝13a、...13e中的至少一些线匝供电而得到，以改变其电感值。

Claims (14)

1.一种用于半导体材料(2)的熔化和随后定向凝固的设备，典型地获取具有太阳能纯度级别的多晶硅，包括：至少一个用于所述半导体材料的坩埚(3)，优选地由石英或陶瓷材料制成，可拆卸地嵌设在杯状石墨容器(4)中；至少一个上感应线圈(12)，其面对所述石墨容器(4)的口(15)设置，并且在所述石墨容器(4)与上感应线圈(12)之间设置有与其有效关联的至少一个石墨板14；至少一个侧感应线圈(16)，在使用中围绕所述石墨容器的侧壁(17)设置；至少一个下感应线圈(18)，直接面对所述石墨容器的下壁(19)；交流供电装置(20)，用于为所述感应线圈(12、16、18)单独且彼此独立地供电；以及冷却装置(21)，用于向所述感应线圈中的各自中空线匝(13)中提供制冷剂；所述装置的特征在于：
所述至少一个侧感应线圈(16)包括：多个线匝(13a、…13e)，沿垂直方向一个在另一个之上地设置；以及装置(25)，用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝，或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与所述交流供电装置(20)连接或断开；
至少所述至少一个侧感应线圈(16)包括装置26，用于同时全部或单独一次一个或多个地在至少两个不同值之间改变所述线匝(13)的供电电源的频率，一旦半导体材料(2)已达到传导温度，通过感应产生对该石墨和/或包含在所述坩埚(3)中的所述半导体材料(2)的选择性加热。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其还包括：
流体密封罩壳(5)，所述石墨容器(4)设置其中，且其由均为杯状的下半壳(6)和上半壳(7)界定，所述下半壳(6)和上半壳(7)彼此上下相对连接，它们的凹面彼此面对；以及
装置(10)，用于垂直地移动所述上半壳(7)远离所述下半壳(6)，以能够进入所述石墨容器。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述至少一个下感应线圈(18)是垂直移动的，以能够在使用中在改变其离所述下壁(19)的距离(D)；
所述下半壳(6)采用热绝缘元件(29)以及所述至少一个下感应线圈(18)和装置(30)支撑其中的石墨容器(4)，所述装置(30)用于垂直地将所述至少一个下感应线圈(18)远离和靠近所述石墨容器(4)的下壁(19)。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述下半壳(6)垂直固定安装，同时所述上半壳(7)通过支撑结构(11)垂直移动支撑，以使其能够远离或靠近下半壳(6)的方向移动；
所述至少一个上感应线圈(12)和至少一个侧感应线圈(16)均被所述上半壳(7)承载固定，以这样的方式，在所述两半壳连接时，围绕所述石墨容器(4)，在所述石墨容器(4)与所述至少一个上感应线圈(12)和至少一个侧感应线圈(16)之间设置有绝缘元件(29)，且在两半壳(6，7)远离彼此时，将所述石墨容器被打开。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的设备，其特征在于，其包括：
装置(32)，用于在所述两半壳连接时在所述罩壳(5)中产生真空；以及
装置(33)，用于在在所述两半壳连接时在所述罩壳(5)中循环惰性气体，优选地为氩气；
所述石墨容器(4)的所述侧壁(17)具有多个贯穿的垂直狭缝(34)，以促使惰性气体的循环。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述石墨容器(4)的所述侧壁(17)和下壁(19)以及所述石墨板(14)具有构成电磁感受器的组分和尺寸，所述电磁感受器分别用于所述至少一个侧感应线圈(16)、下感应线圈(18)和上感应线圈(12)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，用于改变所述线匝的供电电源的频率的所述装置(26)包括第一电容电池(27)和第二电容电池(28)，其与用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与所述交流供电装置(20)连接或断开的所述装置(25)连接；所述装置(25)因此包括适当连接的一组开关(25b)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，在所述感应线圈(18；16)的至少一个的中空线匝(13)中循环的所述制冷剂为导热油。
9.一种获取具有太阳能纯度级别的多晶半导体材料(2)，典型地为硅的方法，采用所述半导体材料的熔化步骤以及采用至少三个感应线圈(12、16、18)获得的所述半导体材料的定向凝固的随后步骤，所述至少三个感应线圈(12、16、18)被单独供电且在交流电中彼此独立，并且分别设置在包含所述半导体材料的坩埚(3)的上部、下部和侧部，在坩埚(3)与所述至少三个感应线圈(12、16、18)之间设置有石墨电磁感受器(14、17、19)；其中，所述凝固步骤通过下述步骤得到：
去激活所述至少一个下感应线圈(18)，然而，保持所述下感应线圈的线匝(13)中的冷却剂流的循环状态；
选择性地且彼此单独地依次激活和去激活所述至少一个侧感应线圈(16)的一个或多个线匝(13a、...13e)，所述线匝被制成在垂直方向上彼此共轴的线匝集合，以在使用中至少覆盖由熔融的半导体材料(2)占据坩埚(3)中的整个高度，以这种方式通过感应来实现设置在所述坩埚侧部的电磁感受器(17)中的热量的区域化生成，以补偿所述坩埚(3)自身的侧部热量泄露；以及
选择性地每次短路所述至少一个侧感应线圈(16)中的至少一个线匝(13a、...13e)，以逐渐增高的次序从线匝集合中选择待被短路的一个或多个线匝，以便用它/它们形成基本上跟随所述半导体材料(2)的凝固前沿的电磁场屏蔽。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述熔化步骤采用下述步骤得到：
通过以第一预设频率进行供电，激活所述至少一个下感应线圈、上感应线圈和侧感应线圈(18、14和16)，以通过电磁感应产生对所述电磁感受器(14、17、19)的加热；
当所述半导体材料(2)被所述电磁感受器加热到变成传导性的温度时，将所述至少一个侧感应线圈(16)以及可能的至少一个下感应线圈(18)中至少一些线匝(13a、...13e)的供电电源的频率降低到第二预设频率，其中，电磁感应的至少部分开始直接影响所述半导体材料(2)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一预设频率在千赫兹范围内选择，而所述第二预设频率在几赫兹到几百赫兹范围内选择。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，至少在执行所述定向凝固的步骤之前，搅动处于熔融状态和/或在初始熔化状态的半导体材料(2)，通过在半导体材料中引起频率和/或磁场强度的区域变化而使其均匀化，从而在半导体材料中产生对流运动。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述磁场的区域变化通过以合适的频率来为所述至少一个侧感应线圈(16)中线匝(13a、...13e)中的至少一些线匝供电而得到，所述频率的数量级低于用作加热所述电磁感受器的频率的数量级，和/或通过不为所述侧感应线圈(16)中至少一个线匝供电而得到，以改变其电感值。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其特征在于，在所述去激活所述至少一个下感应线圈(18)，然而，保持所述下感应线圈的线匝(13)中的冷却剂流的循环状态之后，将所述下感应线圈(18)靠近所述坩埚(3)，直到其充分接触设置在所述坩埚(3)下面的下电磁感受器(19)。
CN201080057315XA 2009-10-21 2010-10-20 用于获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备 Pending CN102741461A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ITTO2009A000793 2009-10-21
ITTO2009A000793A IT1396761B1 (it) 2009-10-21 2009-10-21 Metodo e dispositivo per l'ottenimento di un materiale semiconduttore multicristallino, in particolare silicio
PCT/IB2010/002685 WO2011048473A1 (en) 2009-10-21 2010-10-20 Method and device for obtaining a multicrystalline semiconductor material, in particular silicon

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102741461A true CN102741461A (zh) 2012-10-17

Family

ID=41809193

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080057315XA Pending CN102741461A (zh) 2009-10-21 2010-10-20 用于获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20120297580A1 (zh)
EP (1) EP2491169B1 (zh)
JP (1) JP5694341B2 (zh)
KR (1) KR20120093968A (zh)
CN (1) CN102741461A (zh)
IT (1) IT1396761B1 (zh)
WO (1) WO2011048473A1 (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103614772A (zh) * 2013-12-13 2014-03-05 光为绿色新能源股份有限公司 一种多晶硅铸锭加热方法及应用该方法的多晶硅铸锭炉
CN103696002A (zh) * 2013-12-16 2014-04-02 英利集团有限公司 电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构及使用方法
CN103966657A (zh) * 2014-04-17 2014-08-06 江苏盎华光伏工程技术研究中心有限公司 一种多晶硅和准单晶硅铸锭炉及其使用方法
CN104131342A (zh) * 2014-07-17 2014-11-05 大连理工大学 电磁扰动多晶硅除杂装置及其方法
CN104674342A (zh) * 2015-03-20 2015-06-03 重庆大全新能源有限公司 一种铸锭炉
CN106702472A (zh) * 2015-07-20 2017-05-24 茂迪股份有限公司 长晶炉设备
CN108441939A (zh) * 2018-03-23 2018-08-24 孟静 稳态晶体生长方法
CN109379797A (zh) * 2018-12-07 2019-02-22 安徽金月节能科技有限公司 一种节能控温型加热台
CN110803705A (zh) * 2018-08-06 2020-02-18 贵州中水材料科技有限公司 一种硅粉的回收方法及其制备的硅锭
CN110999046A (zh) * 2017-06-10 2020-04-10 格林电子技术有限公司 用于感应加热电机的电枢或定子的方法和装置
CN116440533A (zh) * 2023-06-19 2023-07-18 东莞市瑞辉新材料技术有限公司 一种附带循环控温功能的双酚芴重结晶分离装置

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1396762B1 (it) * 2009-10-21 2012-12-14 Saet Spa Dispositivo per l'ottenimento di un materiale semiconduttore multicristallino, in particolare silicio, e metodo per il controllo della temperatura nello stesso
US20120248286A1 (en) 2011-03-31 2012-10-04 Memc Singapore Pte. Ltd. (Uen200614794D) Systems For Insulating Directional Solidification Furnaces
EP2739771A4 (en) 2011-08-01 2014-11-19 Gtat Corp LIQUID-COOLED HEAT EXCHANGERS
US9254589B2 (en) 2011-08-19 2016-02-09 Lg Innotek Co., Ltd. Reaction container and vacuum heat treatment apparatus having the same
FR2979357B1 (fr) * 2011-08-31 2015-04-24 Commissariat Energie Atomique Systeme de fabrication d'un materiau cristallin par cristallisation dirigee muni d'une source de chaleur additionnelle laterale
TWI627131B (zh) * 2012-02-01 2018-06-21 美商希利柯爾材料股份有限公司 矽純化之模具及方法
ITTO20120571A1 (it) * 2012-06-27 2013-12-28 Alessandro Crescenzi Elemento di avvolgimento, e avvolgimento per un forno elettrico ad induzione
KR101411275B1 (ko) * 2012-09-06 2014-06-25 주식회사수성기술 태양전지용 다결정 실리콘 제조장치 및 그 제조방법
ES2499140B1 (es) * 2013-03-26 2015-08-05 Universidad Autónoma de Madrid Aparato y método para la producción de lingotes de silicio porsolidificación direccional
ITTO20130258A1 (it) * 2013-03-28 2014-09-29 Saet Spa Dispositivo e metodo per produrre un blocco di materiale multicristallino, in particolare silicio, mediante solidificazione direzionale
US20150023866A1 (en) * 2013-07-22 2015-01-22 Rubicon Technology, Inc. Method and system of producing large oxide crystals from a melt
US9988740B1 (en) * 2016-08-16 2018-06-05 Northrop Grumman Systems Corporation Shaped induction field crystal printer
US10711367B2 (en) 2017-10-30 2020-07-14 Raytheon Technoiogies Corporation Multi-layer susceptor design for magnetic flux shielding in directional solidification furnaces
US10337121B2 (en) * 2017-10-30 2019-07-02 United Technologies Corporation Separate vessel metal shielding method for magnetic flux in directional solidification furnace
US10589351B2 (en) 2017-10-30 2020-03-17 United Technologies Corporation Method for magnetic flux compensation in a directional solidification furnace utilizing an actuated secondary coil
US10760179B2 (en) * 2017-10-30 2020-09-01 Raytheon Technologies Corporation Method for magnetic flux compensation in a directional solidification furnace utilizing a stationary secondary coil
FR3075672B1 (fr) * 2017-12-21 2019-12-27 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Creuset pour solidification dirigee
KR102583211B1 (ko) * 2021-07-27 2023-09-25 윤승환 가열막대를 포함하는 유도전기 가열장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7197061B1 (en) * 2003-04-19 2007-03-27 Inductotherm Corp. Directional solidification of a metal
CN101109602A (zh) * 2007-08-23 2008-01-23 浙江精工科技股份有限公司 多晶硅铸锭炉的热场结构
FR2909990A1 (fr) * 2006-12-13 2008-06-20 Efd Induction Sa Sa Procede et installation de fabrication de blocs d'un materiau semiconducteur
CN101323972A (zh) * 2008-07-14 2008-12-17 大连理工大学 一种多晶硅定向凝固设备

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3335084A (en) * 1964-03-16 1967-08-08 Gen Electric Method for producing homogeneous crystals of mixed semiconductive materials
US3669178A (en) * 1969-06-09 1972-06-13 Continental Ore Corp Direct reduction process and simultaneous continuous casting of metallic materials in a crucible to form rods
JP2630417B2 (ja) * 1988-04-15 1997-07-16 住友シチックス株式会社 シリコン鋳造装置
JP2002080215A (ja) * 2000-09-04 2002-03-19 Sharp Corp 多結晶半導体インゴットの製造方法
JP2004342450A (ja) * 2003-05-15 2004-12-02 Kokusai Electric Semiconductor Service Inc 高周波誘導加熱装置及び半導体製造装置
KR100955221B1 (ko) * 2007-10-05 2010-04-29 주식회사 글로실 힌지를 이용한 도어 개폐장치가 구비된 태양전지용 다결정실리콘 주괴 제조 장치
JP5490707B2 (ja) * 2007-11-03 2014-05-14 インダクトサーム・コーポレイション サセプタ容器内の材料を誘電加熱及び溶融するための電力システム
TW200928018A (en) * 2007-12-21 2009-07-01 Green Energy Technology Inc Crystal-growing furnace with convectional cooling structure
WO2010025397A2 (en) * 2008-08-31 2010-03-04 Inductotherm Corp. Directional solidification of silicon by electric induction susceptor heating in a controlled environment

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7197061B1 (en) * 2003-04-19 2007-03-27 Inductotherm Corp. Directional solidification of a metal
FR2909990A1 (fr) * 2006-12-13 2008-06-20 Efd Induction Sa Sa Procede et installation de fabrication de blocs d'un materiau semiconducteur
CN101109602A (zh) * 2007-08-23 2008-01-23 浙江精工科技股份有限公司 多晶硅铸锭炉的热场结构
CN101323972A (zh) * 2008-07-14 2008-12-17 大连理工大学 一种多晶硅定向凝固设备

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103614772A (zh) * 2013-12-13 2014-03-05 光为绿色新能源股份有限公司 一种多晶硅铸锭加热方法及应用该方法的多晶硅铸锭炉
CN103696002A (zh) * 2013-12-16 2014-04-02 英利集团有限公司 电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构及使用方法
CN103696002B (zh) * 2013-12-16 2016-06-15 英利集团有限公司 电磁与电阻混合加热的铸锭炉热场结构及使用方法
CN103966657A (zh) * 2014-04-17 2014-08-06 江苏盎华光伏工程技术研究中心有限公司 一种多晶硅和准单晶硅铸锭炉及其使用方法
CN103966657B (zh) * 2014-04-17 2017-04-19 江苏盎华光伏工程技术研究中心有限公司 一种多晶硅和准单晶硅铸锭炉及其使用方法
CN104131342A (zh) * 2014-07-17 2014-11-05 大连理工大学 电磁扰动多晶硅除杂装置及其方法
CN104674342A (zh) * 2015-03-20 2015-06-03 重庆大全新能源有限公司 一种铸锭炉
CN106702472A (zh) * 2015-07-20 2017-05-24 茂迪股份有限公司 长晶炉设备
CN110999046A (zh) * 2017-06-10 2020-04-10 格林电子技术有限公司 用于感应加热电机的电枢或定子的方法和装置
US11626782B2 (en) 2017-06-10 2023-04-11 Gehring Technologies Gmbh + Co. Kg Method and device for inductively heating a stator or armature of an electric machine
CN108441939A (zh) * 2018-03-23 2018-08-24 孟静 稳态晶体生长方法
CN110803705A (zh) * 2018-08-06 2020-02-18 贵州中水材料科技有限公司 一种硅粉的回收方法及其制备的硅锭
CN109379797B (zh) * 2018-12-07 2021-05-25 安徽金月节能科技有限公司 一种节能控温型加热台
CN109379797A (zh) * 2018-12-07 2019-02-22 安徽金月节能科技有限公司 一种节能控温型加热台
CN116440533A (zh) * 2023-06-19 2023-07-18 东莞市瑞辉新材料技术有限公司 一种附带循环控温功能的双酚芴重结晶分离装置
CN116440533B (zh) * 2023-06-19 2023-08-29 东莞市瑞辉新材料技术有限公司 一种附带循环控温功能的双酚芴重结晶分离装置

Also Published As

Publication number Publication date
IT1396761B1 (it) 2012-12-14
KR20120093968A (ko) 2012-08-23
WO2011048473A1 (en) 2011-04-28
EP2491169A1 (en) 2012-08-29
JP2013508251A (ja) 2013-03-07
JP5694341B2 (ja) 2015-04-01
US20120297580A1 (en) 2012-11-29
ITTO20090793A1 (it) 2011-04-22
EP2491169B1 (en) 2015-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102741461A (zh) 用于获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备
JP5344919B2 (ja) 結晶成長のための装置及び方法
CN102753736B (zh) 一种用于获得多晶硅半导体材料,特别是硅的设备,以及一种控制其温度的方法
KR101956914B1 (ko) 잉곳의 전자기 주조에 사용하기 위한 바닥부 개방형 전기 유도식 저온 도가니
CN102191542B (zh) 制备高纯定向结晶多晶硅的设备及其制备方法
WO2007148988A1 (en) Crystallization furnace
CN103966657B (zh) 一种多晶硅和准单晶硅铸锭炉及其使用方法
WO2012020462A1 (ja) シリコンの電磁鋳造装置
CN107964681A (zh) 硅晶体的连续生长方法
CN201962406U (zh) 一种双开拉板式散热的感应熔炼多晶硅铸锭炉
CN105861849B (zh) 一种电渣重熔炉
JP4664967B2 (ja) シリコン鋳造装置およびシリコン基板の製造方法
CN102630256B (zh) 单晶制造装置
CN201885564U (zh) 双溶沟液面增压搅拌三体合金熔炼炉
KR20130006166A (ko) 태양전지용 고순도 다결정 실리콘 제작 장치 및 방법
JP5371701B2 (ja) 多結晶シリコンインゴットの製造装置及び多結晶シリコンインゴットの製造方法
CN103409789B (zh) 一种多晶硅定向凝固装置
CN102022911B (zh) 双溶沟液面增压搅拌三体合金熔炼炉
CN203382842U (zh) 一种多晶硅定向凝固装置
CN206970740U (zh) 一种铜电极安装结构
CN202204284U (zh) 电感应多功能熔铸炉
CN117647113A (zh) 一种用于棕刚玉接包的余热回收装置及方法
JP2012117792A (ja) 電気炉電極昇降マストの冷却方法
JP2013112564A (ja) 多結晶シリコンの連続鋳造方法および連続鋳造装置
JP2013056812A (ja) 多結晶シリコンインゴットの製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121017