CN102741462A - 用于在定向固化炉中使用的坩埚 - Google Patents

Abstract

一种定向固化炉包括坩埚组件，该坩埚组件包括：用于容纳熔体的坩埚，该坩埚具有壁和基部，所述基部中具有开口；支承所述坩埚的坩埚支承件；覆盖所述坩埚的盖。板被接收在所述基部的开口中。所述板具有比所述基部更高的导热系数。所述基部可以包括具有添加物的复合物，使得复合物基部具有比无添加物的可比较基部高的导热系数。

Description

用于在定向固化炉中使用的坩埚

技术领域

本发明总体上涉及定向固化炉，更具体地涉及用于改进固化率的定向固化炉。

背景技术

诸如图1中所示的总体上标记为100的定向固化炉经常用于生产多晶硅晶锭。图1的定向固化炉包括由坩埚支承件103支承的坩埚102，坩埚支承件103具有石墨支承壁，该石墨支承壁为坩埚增加了结构刚性。坩埚102包括壁104（坩埚支承壁）和基部106。坩埚102典型地由石英或能够耐受高温并且同时基本保持惰性的其它合适材料制成。

坩埚102和坩埚支承件103与盖子112一起形成了内部组件105。该内部组件105还可以包括设置在基部106下面的热交换器107。围绕壁104并且在保护壳110内安放有加热器108。加热器108可以适当地为辐射加热器，该辐射加热器构造成施加熔化坩埚内的填料所必需的热。该实施方式的填料为硅，但也可以设想其他材料。

侧绝缘体109布置在坩埚周围并且可以例如通过竖直移动而部分地打开。一旦硅填料已经熔化，则可以将冷却介质引入热交换器107，并且/或者可以将绝缘体109升起以帮助硅的定向固化。可以调节加热器108的热输出，从而向熔体111施加较少的热。还可以通过将加热器108从坩埚102、特别是从坩埚基部106移开来相对于坩埚调节加热器108的位置。

在已向坩埚102填充硅之后，相对于外部周围环境密封围绕坩埚的区域。为了有助于将坩埚102与外部环境隔开，将坩埚安置在形成炉的一部分的保护壳110中。然后减小保护壳110中的压力。保护壳110中的气氛的含量也可被监测和控制。

然后，将坩埚102和填料加热到足以使硅熔化的温度。在填料已经完全熔化之后，以受控的速率冷却该填料以实现定向固化结构。受控的冷却速率是通过以下措施的任何组合来建立的：减少由加热器108施加的热的量和位置、移动或打开围绕坩埚102的绝缘体109中的排热孔、或使冷却介质在热交换器107（例如冷却板）中循环。这些方法中的任一种都从坩埚102的表面传走热。如果坩埚102的基部106的冷却速率大于坩埚的壁104的冷却速率，则生成具有占主导的轴向热梯度的相对平直的水平固化等温线。由此，晶锭在最接近坩埚102的较冷侧的区域中凝固，并且沿远离坩埚的该侧的方向继续。熔体111最后固化的部分通常位于晶锭的顶部。

在定向固化炉中生产多晶硅晶锭的一个重要问题是从原料硅生成晶锭所需的时间量。晶锭固化的速率直接影响从原材料形成晶锭所需的时间量。

该背景技术部分旨在给读者介绍现有技术的可能涉及下面描述和/或要求保护的当前公开内容的各个方面的各个方面。相信这部分的讨论有助于在给读者提供便于更好地理解当前公开内容的各个方面的背景信息。因此，应就此来阅读这些描述，而不是承认现有技术。

发明内容

本发明的第一方面是一种包括坩埚组件的定向固化炉。该坩埚组件包括用于容纳熔体的坩埚，该坩埚包括壁和基部，所述基部中具有开口。坩埚支承件支承所述坩埚，并且盖覆盖所述坩埚。所述基部的开口中接纳有板。所述板具有比所述基部高的热传导性（热传导率）。

本发明的另一方面是一种包括坩埚组件的定向固化炉。该坩埚组件包括用于容纳熔体的坩埚，所述坩埚包括壁和复合（合成）基部。坩埚支承件支承该坩埚，盖覆盖该坩埚。所述复合基部包括添加物，以使得该复合基部与没有该添加物的同类基部相比具有更高的热传导性。

本发明的再一方面是一种在定向固化炉中生产晶锭的方法。该方法包括在该炉的坩埚中熔化硅填料以形成液态熔体。所述坩埚包括基部，所述基部具有第一部分和第二部分。所述第一部分具有比所述第二部分高的热传导性。热则从该熔体通过该坩埚的基部传递。与所述第二部分相比，热以增加的（较大的）速率通过所述基部的第一部分传递。从熔体传递热导致所述熔体固化而制成晶锭。

关于上述方面所述的特征存在各种细化。同样也可以将其他特征结合在上述方面中。这些细化和附加特征可以单独或以任何组合的方式存在。例如，下面关于任一图示实施方式讨论的各个特征可以单独地或以任意组合的方式结合到上述任一方面中。

附图说明

图1是公知的定向固化炉的部分示意性截面图；

图2是在图1的定向固化炉中使用的坩埚的第一实施方式的俯视图；

图3是图2的坩埚沿着图2中的线3-3截取的截面图；

图4是图3的放大部分；

图5是在图1的定向固化炉中使用的坩埚的第二实施方式的俯视图；

图6是图5的坩埚沿着图5中的线6-6截取的截面图；

图7是在图1的定向固化炉中使用的坩埚的第三实施方式的俯视图；

图8是图7的坩埚沿着图7中的线8-8截取的截面图；

图9是在图1的定向固化炉中使用的坩埚的第四实施方式的俯视图；

图10是图9的坩埚沿着图9中的线10-10截取的截面图；

图11是图10的放大部分；

图12是描述了使用图2-11中所示的任一个坩埚在定向固化炉中生产晶锭的方法的流程图；

在所有附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图2、3和4示出用于在任何定向固化炉、例如图1所示的炉100中使用的坩埚200的俯视图、截面图和放大图。坩埚200具有基部206（概括为“第二部分”）和从该基部向上延伸的四个壁204。基部206和壁204可以一体地形成在一起或结合在一起，从而将熔体111（图1）容纳于其中。基部206具有上表面208和下表面210以及在上表面和下表面之间延伸的开口220。

开口220由形成在坩埚200中的、被四个侧面220界定的空隙限定。在其他实施方式中，开口220可以具有矩形之外的形状，例如圆形、卵形或任何其他合适的形状，并且安置在其中的板250也具有相应的形状。开口220可以通过机加工或以其他方式移除一部分基部206而形成在坩埚200中。在其他实施方式中，开口220可以在坩埚200的制造过程中形成。

开口220具有邻近基部206的上表面208的长度L和宽度W以及邻近下表面210的长度L’和宽度W’。每个侧面222都以背离坩埚200的壁204的方向向内倾斜，从而长度L大于长度L’，宽度W大于宽度W’。在一些实施方式中，长度L、长度L’、宽度W和宽度W’可以在50mm和630mm之间。如在图4中更清楚地看到的，侧面222相对于基部206的下表面210成大约45度的角。然而，在不脱离所述实施方式的范围的情况下，侧面222也可以以不同的角度定向。例如，在一些实施方式中，侧面222可以相对于基部206的下表面210以大约35度定向。

具有四个侧面252的板250（概括为“第一部分”）的尺寸设计成可定位在开口220内。尽管这里的实施方式公开了将板250安置在坩埚200的基部206中，但也可以将附加的板安置在壁204中的任一个壁或所有壁内。而且，在一些实施方式中，可以不使用板250，而是将与板250类似的板安置在壁204中的任一个壁或所有壁内。

板250由具有比坩埚200的基部206更高的导热系数的材料形成。在一个实施方式中，板250可以由熔融石英形成。在一些实施方式中，与基部206的1

的典型导热系数相比，板250具有大约3

的导热系数。在其他实施方式中，板250由导热系数大于坩埚200的基部206并且熔点高于熔体111的任何材料形成。例如，板250可以由MgO、AlN、SiC、石墨或MgO和SiC的复合物形成。根据一些实施方式，板250仅可以使用一次，之后板250被移除并修复或丢弃。在其他实施方式中，板250可在移除之前多次使用。

板250具有厚度T₁，该厚度与坩埚200的与板250相邻的基部206的厚度T₂基本相同。在一些实施方式中，T₁可以等于5mm和25mm之间的值，T₂可以等于5mm和25mm之间的值。在其他实施方式中，板250的厚度T₁可以大于或小于基部206的厚度T₂。如在图4中看到的，板250具有四个侧面252，这四个侧面252具有与开口220的侧面222对应的倾斜轮廓，从而所述板与开口的侧面对齐。该开口的倾斜侧面222形成第一角，该第一角与由板250的四个侧面252的倾斜轮廓形成的第二角互补。开口220的侧面222以及板250的侧面252的几何形状因而致使熔体111的重量将板的侧面挤压在开口的侧面上。可以使用粘合剂以进一步将板250固定在开口220的侧面222内，从而使得熔体111不能在开口和板之间穿过。

在一些实施方式中，所述粘合剂是粉浆浇注硅胶化合物256。图4中所示的接缝254的尺寸以及容纳在其中的粉浆浇注硅胶化合物256的量为了说明而被极大地夸大。在使用坩埚200之前，可以利用胶带或其他材料密封板250和基部206的下表面210之间的接缝254。将流体状态的粉浆浇注硅胶256倒入与基部206的上表面208相邻的接缝254内。该流体的粉浆浇注硅胶256中的溶剂然后蒸发，从而硅胶保留为接缝填料。然后可以焙烧坩埚200以使接缝254中的粉浆浇注硅胶256固化。

图5和图6分别示出用于在任何定向固化炉、例如图1所示的炉100中使用的坩埚300的第二实施方式的俯视图和截面图。坩埚300具有基部306（概括为“第二部分”）和从基部向上延伸的四个壁304。基部306和壁304可以一体地形成在一体或结合在一起，从而将熔体111（图1）容纳在其中。基部306具有上表面308和下表面310。凹部320从下表面310朝向上表面308向上延伸，但是没有穿过基部306的上表面308。

具有四个侧面352的板350（概括为“第一部分”）的尺寸设计成可定位在凹部320内。在其他实施方式中，凹部320和板350可以不是矩形的，而是可以是圆形的、椭圆形的、或任何其他合适的形状。尽管这里的实施方式公开了将板350安置在坩埚300的基部306中的凹部320内，但也可以将附加的板安置在壁204中的任一个壁或所有壁内。而且，可以不使用板350，而是将板安置在壁304中的任一个壁或所有壁内。

基部306的部分360将板350与放置在坩埚中的熔体分隔开。该部分360防止熔体损坏、磨损或腐蚀板350。根据一些实施方式，部分360可以具有在1mm和20mm之间的厚度T_部分，而板350可以具有在1mm和20mm之间的厚度T_板，基部306可以具有在1mm和20mm之间的厚度T_基部。而且，尽管将板的厚度T_板和部分的厚度T_部分示出为均匀的，但该厚度可以是变化的。由于板350通过基部306的部分360而不受熔体111的影响，因而可以在更换之前多次使用所述板。

板350通过任何结合机构、例如粘合剂或紧固件附装至基部306。在一些实施方式中，使用粉浆浇注硅胶将板350紧固到凹部320。在其他实施方式中，凹部320和板350间的摩擦配合将所述板保持在所述凹部中。

板350由具有比坩埚300的基部306更高的导热系数的材料形成。在一个实施方式中，板350可以由熔融石英形成。在这些实施方式中，与基部306的1

的典型导热系数相比，板350和基部306的部分360具有直到大约10的组合有效导热系数。

在其他实施方式中，板350由导热系数大于坩埚300的基部306的任何材料形成。例如，板350可以由MgO、AlN、SiC、石墨或MgO和SiC的复合物、SiO₂和AlN的复合物、SiO₂和MgO的复合物、以及SiO₂和TiO₂的复合物形成。而且，由于板350通过部分360而不受熔体111的影响，因此在其他情况下不适用于与熔体接触的材料（例如TiO₂）也可以在该构造中使用。

表1

T基部	T部分	T板	K部分	K板	Keff
						20	5	15	1	3	2
20	10	10	1	3	1.5
						20	15	5	1	3	1.2
20	5	15	1	50	3.77
						20	10	10	1	50	1.96
20	15	5	1	50	1.32
						20	2	18	1	50	8.47

如上表1所示，基部306的有效导热系数（k_eff）取决于部分360的导热系数（K_部分）和板350的导热系数（K_板）及其厚度T_部分和T_板。板350和部分360的组合有效导热系数（K_eff）取决于板的成分以及板和所述部分的厚度。基部306的组合导热系数（K_eff）表示为：

图7和8分别示出用于在定向固化炉、例如图1所示的炉100中使用的坩埚400的第三实施方式的俯视图和截面图。坩埚400具有基部406（概括为“第二部分”）和从该基部向上延伸的四个壁404。基部406和壁404可以一体形成在一起或结合在一起，从而将熔体111（图1）容纳于其中。基部406具有上表面408和下表面410。

基部406具有导热系数增加的部分450（概括为“第一部分”）。尽管这里的实施方式公开了将部分450设置在坩埚400的基部406中，但可以将附加部分安置在壁404中的任一个壁或所有壁中。而且，可以不使用部分450，而是将导热系数增加的部分安置在所述壁404中的任一壁或所有壁中。

部分450包括与形成基部406的材料混合在一起的一个或更多种添加材料452以形成复合物。图8中所示的添加材料452的数量为了清晰起见而极大地减少，添加材料的相对尺寸同样为了清晰起见而被极大地增加。添加材料452具有比形成基部406的材料大的导热系数。具有增加导热系数的基部406的部分450的导热系数因而大致为坩埚400的壁404和基部的其余部分的导热系数的三倍到十倍。部分450中的添加材料452可以选自能在基部的构造过程中与形成基部406的材料混合的任何材料。例如，添加材料452可以是MgO、SiC、AlN或TiO₂中的任一种或它们的组合。

图9、10和11分别示出用于在定向固化炉、例如图1所示的炉100中使用的坩埚500的第四实施方式的俯视图、截面图和放大图。坩埚500具有基部506（概括为“第二部分”）和从基部向上延伸的四个壁504。基部506和壁504可以一体地形成在一起或结合在一起，从而将熔体111（图1）容纳在其中。基部506具有上表面508和下表面510。开口520在上表面508和下表面510之间延伸。

开口520由形成在坩埚500中并被四个侧面522界定的空隙限定。开口520可以通过机加工或以其他方式移除基部506的一部分而形成在坩埚500中。在其他实施方式中，开口520可以在制造坩埚500的过程中形成，从而不移除基部的一部分而形成所述开口。

基部506的部分530从开口520的侧面522向内远离壁504延伸。部分530具有从底表面510测量的厚度T₃，该厚度T₃小于基部506的厚度T₄。部分530因而从基部506向外延伸而形成突出结构。

板550（概括为“第一部分”）的尺寸设计成可安置在开口520中。在其他实施方式中，开口520和板500可以不是矩形，而是圆形、椭圆形或任何其他适当形状。尽管这里的实施方式公开了将板550安置在坩埚500的基部506中，但可以将附加板安置在壁504中的任一个壁或所有壁中。而且，可以不使用板550，而是将板安置在壁504中的任一个壁或所有壁中。

板550由导热系数高于坩埚500的基部506的材料形成。在一个实施方式中，板550可以由熔融石英形成。在一些实施方式中，与基部506的典型导热系数1相比，板550具有大约为3

的导热系数。在其他实施方式中，板550由导热系数大于坩埚500的基部506的任何材料形成，该基部506具有比熔体111高的熔点。例如，板550可以由MgO、AlN、SiC、石墨、或MgO和SiC的复合物形成。

板550具有沿着板的周边从板的其余部分向外延伸的唇缘部552。该唇缘部具有与从基部506的侧面522延伸的部分530的宽度W₂近似相等的宽度W₁。在使用过程中，唇缘部552位于基部506的部分530的直接上方。唇缘部552和基部506的部分530因而一起形成了重叠（部分重叠，搭接）式接缝。板550和基部506的重叠式接缝因而导致熔体111的重量挤压板而与基部接触。可以使用结合剂以进一步将板550固定在开口520中，从而使得熔体111不能在开口和板之间穿过。在一些实施方式中，结合剂是粉浆浇注硅胶化合物556。在使用坩埚500之前，可以利用胶带或其他材料密封板550与基部506的下表面510之间的接缝554。粉浆浇注硅胶在流体状态下倒入与基部506的上表面508相邻的接缝554中。粉浆浇注硅胶556中的溶剂然后蒸发，从而硅胶保留为接缝填料。然后可以焙烧坩埚500以使接缝554中的粉浆浇注硅胶固化。

上面在图2至图11中描述的坩埚的基部的导热系数的增加导致相应基部的热流量（即热能量的流动）增加。通过坩埚的基部的热流量的增加导致容纳在坩埚内的熔体的固化率增加。在一些实施方式中，固化率可以增加为所示传统坩埚的两倍至三倍。

熔体固化率的增加因而减少熔体冷却并形成固化晶锭所需的时间量。形成熔体所需时间量的减少增加了在利用上述那些坩埚在定向固化炉中生产晶锭的速率（即产量）。

图12示出了在使用图2至图11中所示的任一个坩埚在定向固化炉中生产晶锭的示例性方法600。如上所述，该炉包括具有基部的坩埚，该基部具有第一部分（例如板250、板350、部分450或板550）和第二部分（例如基部206、基部306、基部406或基部506）。第一部分具有比第二部分高的导热系数。在该示例性实施方式中，第一部分具有至少为第二部分的两倍的导热系数。

坩埚首先加载硅填料。该方法600然后以方框610开始，其中将硅填料熔化以形成液态熔体。在方框620中，热从熔体至少通过坩埚的基部传递。与热通过第二部分传递的速率相比，热以增加的速率通过第一部分传递。热从熔体的传递使该熔体固化成晶锭。

尽管已经就各种实施方式描述了本发明，但将认识到在权利要求的精神和范围内可以以修改例来实践本发明。

当介绍本发明的元件或其实施方式时，词语“一”、“该”和“所述”用来表示有一个或更多个所述元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是指包含性的，并且指可能有除了所列出的元件之外的附加元件。使用表示具体定向的术语（例如“顶”、“底”和“侧面”）是为了方便描述，并不需要所描述项目的任何具体定向。

由于在不脱离所述公开的范围的情况下可以在上述结构中进行各种改变，在上述描述中包含和在附图中示出的所有内容都应解释为示例性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种定向固化炉，包括：

坩埚组件，该坩埚组件包括：

用于容纳熔体的坩埚，该坩埚包括壁和基部，该基部中具有开口；

支承该坩埚的坩埚支承件；

覆盖该坩埚的盖；以及

容纳在该基部的开口中的板，该板具有比该基部高的热传导性。

2.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述开口延伸穿过所述基部，该开口具有第一角度的倾斜壁，该板具有第二角度的倾斜壁，该第二角度与该第一角度互补。

3.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述开口延伸穿过所述基部，该开口由基部中的具有四个侧面的空隙限定，所述基部的一部分从所述侧面向内延伸而形成突出结构。

4.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述板具有基本上等于所述基部的厚度的厚度。

5.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述板通过粘合剂固定至所述基部。

6.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述板具有为所述基部的至少两倍的热传导性。

7.根据权利要求1所述的定向固化炉，它进一步包括：

布置在所述坩埚支承件的基部下面的热交换器。

8.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述坩埚由石墨制成。

9.根据权利要求1所述的定向固化炉，它进一步包括：

可移除地布置在所述坩埚支承件周围的一个或更多个可移动加热器。

10.根据权利要求1所述的定向固化炉，它进一步包括：

布置所述坩埚周围的可移除绝缘体。

11.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述坩埚的壁包括结合在一起从而将液态熔体容纳在其中的四个壁。

12.根据权利要求1所述的定向固化炉，其特征在于，所述基部具有上表面和下表面，所述开口未延伸穿过所述基部，所述开口布置在所述下表面中并形成位于所述下表面中的凹部的一部分。

13.根据权利要求12所述的定向固化炉，其特征在于，所述板布置在所述凹部中，并且通过所述基部而与坩埚中的熔体分隔开。

14.一种定向固化炉，包括：

坩埚组件，该坩埚组件包括：

用于容纳熔体的坩埚，该坩埚包括壁和复合基部；

支承该坩埚的坩埚支承件；

覆盖该坩埚的盖；以及

该复合基部包括添加物，从而使得该复合基部具有比无添加物的类似基部高的热传导性。

15.根据权利要求14所述的定向固化炉，其特征在于，所述添加物选自包括MgO、SiC、AIN和TiO₂的组。

16.根据权利要求14所述的定向固化炉，其特征在于，所述坩埚的壁的至少一部分包括添加物，以使得该坩埚的壁部分具有比无添加物的壁部分高的热传导性。

17.根据权利要求16所述的定向固化炉，其特征在于，所述添加物选自包括MgO、SiC、AIN和TiO₂的组。

18.一种在定向固化炉中生产晶锭的方法，该方法包括：

熔化该炉的坩埚中的硅填料以形成液态熔体，所述坩埚包括基部，所述基部的至少第一部分具有比所述基部的第二部分高的热传导性；以及

至少通过该坩埚的基部从该熔体传递热，其中与所述第二部分相比，热以增加的速率通过所述基部的第一部分传递；

其中，从所述熔体传递热导致所述熔体固化而制成晶锭。

19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：在熔化硅填料之前，向该坩埚加载该硅填料。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，热通过该基部的第一部分传递，该第一部分具有至少为该基部的第二部分的两倍的热传导性。

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