CN111511965A - 用于提拉晶体生长的混合坩埚组件 - Google Patents

用于提拉晶体生长的混合坩埚组件 Download PDF

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CN111511965A CN201880070138.5A CN201880070138A CN111511965A CN 111511965 A CN111511965 A CN 111511965A CN 201880070138 A CN201880070138 A CN 201880070138A CN 111511965 A CN111511965 A CN 111511965A
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Abstract

一种用于使用提拉工艺生长晶锭的坩埚组件包含外坩埚和内坩埚。所述内坩埚安置在所述外坩埚内，并具有经配置以用于在所述外坩埚与所述内坩埚之间流体连通的通道。所述内坩埚是电弧熔融坩埚，且所述外坩埚是浇铸坩埚。

Description

用于提拉晶体生长的混合坩埚组件
相关申请的交叉引用
本申请要求在2017年9月8日提交的美国临时专利申请第62/555,900号的优先权，其全部公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及用于产生太阳能级或半导体材料的锭的系统和方法，并且更具体地，涉及包含供用于这种系统和方法中的两种类型的坩埚的坩埚组件。
背景技术
晶体硅太阳能电池目前占光伏(photovoltaic，PV)模块的总供应量的大部分。在标准的提拉(Czochralski，CZ)方法中，首先使多晶硅在坩埚(如石英坩埚)中熔融，以形成硅熔体。然后降低预定定向的籽晶，使其与熔体接触并缓慢取出。通过控制温度，晶种-熔体界面处的硅熔体以与晶种的定向相同的定向凝固在籽晶上。然后将晶种从熔体中缓慢提起，以形成生长的晶锭。在称为批处理CZ(batch CZ，BCZ)的常规CZ工艺中，生长硅锭所需的全部装料在工艺开始时都会熔融，从单种坩埚装料中拉出晶体以基本上耗尽坩埚，并且然后丢弃石英坩埚。
经济地补充石英坩埚以在一个熔炉周期中进行多次拉拔的另一种方法是连续CZ(continuous CZ，CCZ)。在CCZ中，随着晶体生长，固态或液态原料连续或定期地添加到熔体中，并且因此将熔体保持在恒定体积。除了将坩埚成本分布在数个锭上之外，CCZ方法还沿生长方向提供优良的晶体均匀性。而且，通过使熔体体积保持恒定，可以达成稳定的热和熔体流动条件，这在结晶前沿提供了最佳生长条件。使用CCZ方法生长大直径锭所需的大直径坩埚组件具有仅次于多晶硅材料的第二高成本因素，并且它们的寿命决定了熔炉周期的长度。
用于多个坩埚组件中的具有足够直径的已知坩埚价格昂贵，设计灵活性有限，并且坩埚寿命有限。由此，需要一种廉价的多坩埚组件，其具有提高的设计灵活性和改进的坩埚寿命，例如，以延长熔炉周期的长度。
此背景技术部分旨在向读者介绍可能与本公开的各个方面有关的本领域的各个方面，下文将对这些方面进行描述和/或要求保护。相信此论述有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应理解，应从此角度来阅读这些陈述，而不是作为对现有技术的承认。
发明内容
在一个方面，一种用于使用提拉工艺生长晶锭的坩埚组件包含外坩埚和内坩埚。内坩埚安置在外坩埚内，并具有经配置以用于在外坩埚与内坩埚之间流体连通的通道。内坩埚是电弧熔融坩埚，且外坩埚是浇铸坩埚。
在另一方面，一种通过提拉工艺生长单晶锭的方法包含在坩埚组件中熔融半导体或太阳能级材料以形成熔体。坩埚组件包含安置在外部浇铸坩埚内的内部电弧熔融坩埚。所述方法进一步包含从内坩埚内的熔体中拉出半导体或太阳能级材料的单晶。
在另一方面，一种制造具有安置在外坩埚内的内坩埚的坩埚组件的方法包含：使用电弧熔融工艺形成第一坩埚，以及使用浇铸工艺形成第二坩埚。第二坩埚具有大于第一坩埚的外径的内径。所述方法进一步包含将第一坩埚定位在第二坩埚内。
在另一方面，一种组装坩埚组件的方法包含提供电弧熔融坩埚和提供浇铸坩埚。浇铸坩埚具有大于电弧熔融坩埚的直径的直径。所述方法进一步包含将电弧熔融坩埚定位在浇铸坩埚内并将电弧熔融坩埚固定到浇铸坩埚。
存在关于上述方面所提到的特征的各种改进。其它特征也可以并入上述方面中。这些改进和额外的特征可以单独地或以任何组合形式存在。举例来说，下文关于任何所示出实施例论述的各种特征可以单独地或以任何组合形式并入任何上述方面中。
附图说明
图1是包含内坩埚和外坩埚的坩埚组件的截面图。
图2是图1中所示的坩埚组件的平面图。
图3是图1中所示的坩埚组件的详细截面图。
图4是图1中所示的坩埚组件的截面图，其包含在坩埚组件内所含的熔融材料。
图5是示出了一种用于制造供用于图1中所示的坩埚组件中的坩埚的合适方法的流程图。
图6是示出了一种用于制造图1中所示的坩埚组件的合适方法的流程图。
图7是示出了一种使用图1中所示的坩埚组件生长晶锭的合适方法的流程图。
图8是包含内坩埚、中间坩埚以及外坩埚的替代坩埚组件的截面图。
图9是图8中所示的坩埚组件的平面图。
在附图中的几幅图中，对应的附图标记指示对应部件。
具体实施方式
现参考图1，一个实例实施例的坩埚组件100包含多个坩埚。坩埚组件100包含外坩埚110和内坩埚120。坩埚组件100包含具有两种不同类型且通过不同工艺制成的坩埚。与仅具有单一类型的坩埚的坩埚组件相比，这种情况提供了坩埚组件100的降低的总体成本、增加的设计灵活性以及延长的坩埚寿命。
内坩埚120是由电弧熔融工艺形成的电弧熔融坩埚。工艺大体上包含用电弧使前体材料(例如高纯度石英砂)熔融。在一个实施例中，通过将高纯度石英砂倒入旋转模具中，并且然后使用由两个或更多个石墨电极产生的电弧从内向外熔融而形成内坩埚120。高纯度石英砂定义为含有不超过按重量计百万分之30的杂质的砂。高纯度石英的行业标准由尤尼明公司(Unimin Corporation)在美国北卡罗来纳州斯普鲁斯派恩开采的作为IOTA出售的产品定义，该产品用作高纯度石英市场的高纯度基准。在此实施例中，高纯度石英砂具有不超过按重量计百万分之20的总杂质含量。模具可以包含真空孔，通过所述真空孔移除夹在砂粒之间的空气以及在熔融工艺期间产生的气态物质，以便避免在最终的如所熔融的坩埚中形成气泡。取决于气泡密度，所得的电弧熔融坩埚在室温下是基本上透明或半透明的。
在分批或再装填的提拉工艺中，超高纯度天然砂或合成石英(例如Si02)可用于内坩埚的内壁，所述内壁与生长区域内的熔融硅接触，而坩埚壁的其余部分由较低纯度的砂制成。此配置也可以用于连续提拉工艺。超高纯度天然砂具有比高纯度天然砂更高的纯度，如不超过按重量计百万分之10。合成石英具有比超高纯度天然砂更高的纯度，如不超过按重量计百万分之5，或不超过按重量计百万分之1。
在替代实施例中，内坩埚的内壁和外壁都可以由超高纯度天然砂或合成石英形成。在另外的替代实施例中，整个内坩埚由单一材料或主要由单一材料制成。举例来说，内坩埚可以完全由具有按重量计小于百万分之20的杂质的超高纯度天然砂或合成石英制成。
在实例坩埚组件100中，内坩埚120具有内壁124和外壁122。内壁124由超高纯度天然砂或合成石英制成。坩埚壁的包含外壁122的其余部分由较低纯度的材料制成。内坩埚120具有限定在其中的至少一个通道126，所述通道径向地延伸穿过内坩埚120。通道126经配置以允许熔体材料从内坩埚120的外部(例如从外坩埚110与内坩埚120之间)流到由内坩埚120限定的空腔内。通道126是内坩埚120的壁内的开口。通道126的开口延伸穿过外壁122和内壁124。在操作期间，熔融材料从由外坩埚110限定的空腔通过通道126流入由内坩埚120限定的空腔中。举例来说，当将晶锭从内坩埚120内拉出时，熔融材料从由外坩埚110限定的空腔流入由内坩埚120限定的空腔中，以补充在拉出晶锭时移除的材料。可以将额外的材料添加到外坩埚110，以补充已经通过通道126进入内坩埚120的材料。在一些实施例中，添加到外坩埚110的额外的材料是在通道126的对面添加的。
在一些实施例中，内坩埚120具有单一通道126。在替代实施例中，内坩埚120包含多个通道126。举例来说，内坩埚120可具有两个、四个或任何其它数量的通道126。
内坩埚120安置在外坩埚110内。在所示出的实施例中，内坩埚120与外坩埚110同心(即，位于所述外坩埚中央)。在一些实施例中，内坩埚120固定(即，不可移动地附接)到外坩埚110。举例来说，通过使用二氧化硅纳米粒子将内坩埚120结合到外坩埚110，所述二氧化硅纳米粒子将内坩埚120结合到外坩埚110。
外坩埚110合适地是注浆浇铸坩埚，但可以是另一种类型的浇铸坩埚。浇铸坩埚是通过除电弧熔融以外的工艺(如浇铸工艺)形成的坩埚。适用于形成浇铸坩埚的浇铸工艺大体上包含将液态或半液态化合物倒入模具中，并通过从化合物中移除水分来使化合物固化。用于形成浇铸坩埚的化合物可以例如包含但不限于陶瓷粉末(如二氧化硅粉末)的含水浆料。用于形成浇铸坩埚的合适浇铸工艺例如包含但不限于注浆浇铸和凝胶浇铸。注浆浇铸包含使用陶瓷粉末(例如二氧化硅)的含水浆料，称为注浆。陶瓷粉末可以与分散剂、粘合剂、水和/或其它组分混合。将注浆和/或注浆混合物(例如浆料)倒入模具中。举例来说，模具合适地由熟石膏制成，例如CaS04:2H20。来自浆料的水开始通过毛细作用(或借助真空干燥)移出，且块沿模具壁堆积。当达到干燥块的所需厚度时，将浆料的其余部分从模具中倒出。然后将生陶瓷从模具中移除，进行干燥并烧制。在二氧化硅的情况下，烧制工艺包含在高温下烧结或熔融。最终产品在室温下是不透明的，但取决于烧结条件和温度可以是透明的。
使用注浆浇铸工艺或其它浇铸工艺形成的外坩埚110可以具有大于二氧化硅注浆浇铸坩埚的最大理论密度的百分之九十到百分之九十五的密度。通过注浆浇铸工艺形成并由二氧化硅制成的外坩埚110具有与非晶形电弧熔融坩埚的耐热冲击属性相似的耐热冲击属性。在外坩埚110由二氧化硅制成的实施例中，外坩埚110包含二氧化硅壁。
与通常是透明或半透明的电弧熔融坩埚相反，此实施例的浇铸坩埚在室温下是不透明的。注意，例如，取决于在烧制浇铸坩埚时使用的烧结条件，其它实施例的浇铸坩埚可以是透明的。
与电弧熔融坩埚相比，浇铸坩埚通常需要额外的输入功率和时间来使含于其中的材料熔融，这是由于与透明或半透明的电弧熔融坩埚相比，通过不透明浇铸坩埚的红外透射率减小。然而，与电弧熔融坩埚相比，浇铸坩埚的红外透射率的降低可能导致在融化之后来自熔体的辐射热量损失更少。因此，与电弧熔融坩埚相比，浇铸坩埚在整个运行中的总功耗可能不会变化。浇铸坩埚具有低于电弧熔融坩埚的溶解速率的溶解速率。另外，与电弧熔融坩埚相比，注浆浇铸坩埚通常具有更高含量的杂质。注浆浇铸坩埚包含基本上均匀的材料壁。这与电弧熔融坩埚相反，所述电弧熔融坩埚可以包含具有内壁部分和外壁部分两者的壁，所述内壁部分具有超高纯度天然砂或合成石英中的至少一种，所述外壁部分与内壁相比具有较低纯度的砂或石英。
与电弧熔融坩埚相比，使用注浆浇铸工艺或其它浇铸工艺形成的外坩埚110提供了比电弧熔融坩埚的设计灵活性更大的设计灵活性，并且提高了显著的成本降低。与电弧熔融工艺相比，在注浆浇铸工艺中使用模具和浆料允许更低成本的设计更改。外坩埚110的大小和/或形状可以使用注浆浇铸工艺进行更改，其中由于与电弧熔融工艺中所使用的设备相比注浆浇铸模具和浆料的灵活性和较低成本，因此与电弧熔融相比，减少了资本支出。电弧熔融制造工艺中所使用的资本设备的高成本以及高纯度石英砂(例如具有小于百万分之30的杂质)的成本使在提拉晶体生长工艺中所使用的电弧熔融坩埚成为昂贵的消耗品。随着通过电弧熔融工艺制成的坩埚的大小增加，成本同样增加。因此，使用注浆浇铸坩埚或其它浇铸坩埚作为坩埚组件100中的外坩埚110降低了成本，同时提供了外坩埚110的大小和几何形状的增加的灵活性。
通常，外坩埚110包含比使用电弧熔融工艺制成的坩埚更大量的杂质。换句话说，内坩埚120由比外坩埚110更高纯度的材料(例如石英砂)形成。这是用于制造坩埚的注浆浇铸工艺或其它浇铸工艺的结果。在替代实施例中，通过注浆浇铸工艺或其它浇铸工艺形成的外坩埚110具有少量的杂质。例如，外坩埚110具有按重量计百万分之20或更少的杂质。杂质(如铝)对晶体中的低注入少数载流子的寿命有重大影响，并降低了由晶体制成的太阳能电池的效率。高纯度浇铸外坩埚110减少了杂质并产生了更有效的太阳能电池。
在一些实施例中，坩埚组件100中的浇铸外坩埚110和/或其它浇铸坩埚具有大于按重量计百万分之50(parts per million by weight，ppmw)、大于100ppmw、大于200ppmw、在50ppmw与1,000ppmw之间、在50ppmw与500ppmw之间、在100ppmw与1,000ppmw之间、在100ppmw与500ppmw之间、在100ppmw与400ppmw之间、在200ppmw与300ppmw之间、大于1000ppmw的杂质含量，或具有大于电弧熔融坩埚的杂质含量(例如具有小于20ppmw的杂质含量)的其它杂质含量。在坩埚的总杂质含量中测量或说明的杂质的实例包括例如Al、B、Ba、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、P、Ti、Zn以及Zr。举例来说，浇铸坩埚可以具有小于230ppmw的总杂质含量，以及以下特定杂质含量：100ppmw Al、1ppmw B、10ppmw Ba、20ppmwCa、小于1ppmw Cu、20ppmw Fe、15ppmw K、10ppmw Li、9ppmw Mg、23ppmw Mn、10ppmw Na、10ppmw Ti以及小于1ppmw Zr。
相比之下，本公开的电弧熔融坩埚可以具有小于注浆坩埚的杂质含量的杂质含量，如小于50ppmw、小于30ppmw、小于20ppmw、小于15ppmw、小于10ppmw、小于1ppmw、小于0.5ppmw、在0.01ppmw与50ppmw之间、在0.01ppmw与30ppmw之间、在0.01ppmw与20ppmw之间、在5ppmw与50ppmw之间、在10ppmw与30ppmw之间，或小于注浆浇铸坩埚的杂质含量的其它杂质含量。举例来说，电弧熔融坩埚可以具有小于13ppmw的总杂质含量，以及以下特定杂质含量：8ppmw Al、小于0.05ppmw B、0.7ppmw Ca、0.006ppmw Cr、0.002ppmw Cu、0.3ppmw Fe、0.4ppmw K、0.2ppmw Li、0.06ppmw Mg、0.013ppmw Mn、1ppmw Na、0.002ppmw Ni、小于0.05ppmw P、1.3ppmw T以及0.01ppmw Zn。在其它实施例中，浇铸坩埚和/或电弧熔融坩埚具有各种总杂质含量、各种特定杂质含量和/或其它类型的杂质。
与电弧熔融坩埚相比，使用注浆浇铸工艺或其它浇铸工艺形成的外坩埚110具有较低的溶解速率。在操作中，在外坩埚110内的熔融硅与外坩埚110的内壁114之间在无熔体表面处发生溶解反应。熔融硅使内壁114逐渐溶解，从而在无熔体表面处形成凹槽，所述凹槽的深度随着工艺的进行而增加。此反应限制了坩埚组件100的寿命。在多坩埚组件中，外坩埚110的寿命限制了整个系统的寿命，这是因为例如外坩埚110暴露于一个或多个加热元件，并且额外的材料被添加到熔体。针对外坩埚110，与使用电弧熔融坩埚相比，使用例如使用注浆浇铸或凝胶浇铸工艺制成的浇铸外坩埚110增加了坩埚组件100的寿命，这是由于浇铸坩埚具有低于电弧熔融坩埚的溶解速率。
在替代实施例中，外坩埚110通过非浇铸工艺形成。举例来说，外坩埚110使用电弧熔融工艺形成。
现参考图2，示出了图1中所示的坩埚组件100的平面图。外坩埚110和内坩埚120是圆形的。内坩埚120嵌套在外坩埚110内。举例来说，内坩埚120位于外坩埚110中央。外坩埚110具有大于内坩埚120的直径230的直径240。在一些实施例中，外坩埚110具有至少二十英寸、小于四十英寸、在二十四英寸与三十二英寸之间、在二十八英寸与三十四英寸之间或在三十英寸与三十六英寸之间的外径240。内坩埚120具有至少十八英寸、小于三十英寸、在十八英寸与二十二英寸之间、在二十二英寸与二十六英寸之间或在二十六英寸与三十英寸之间的外径230。
在替代实施例中，内坩埚120和/或外坩埚110具有其它配置。在一些实施例中，内坩埚120和/或外坩埚110可具有不同的直径。举例来说，内坩埚120可具有十英寸或更小的直径，或可替代地大于二十四英寸。外坩埚110可以具有小于二十二英寸或可替代地大于四十英寸的直径。外坩埚110可以使用除注浆浇铸以外的浇铸工艺来浇铸。举例来说，可以使用凝胶浇铸工艺或其它浇铸工艺来浇铸外坩埚110。
外坩埚110和内坩埚120限定了非生长区域220。通过提拉工艺产生的晶锭未从非生长区域220中拉出。非生长区域220从外坩埚110的内壁114延伸到内坩埚120的外壁122。内坩埚120限定生长区域210。通过提拉工艺产生的晶锭从生长区域210中拉出。生长区域210在内坩埚120的内壁124内延伸。非生长区域220进一步提供了将额外的材料添加到熔体的区。
现参考图3，示出了图1中所示的坩埚组件100的详细截面图。内坩埚120通过电弧熔融工艺形成。坩埚壁包含两个部分。高纯度部分310由高纯度砂或合成石英制成，并形成限定生长区域210的内壁124。坩埚壁的较低纯度部分320由较低纯度的砂制成，并形成坩埚的外壁122。外壁122部分地限定了非生长区域220。
在操作中，含于内坩埚120和外坩埚110内的熔体使坩埚壁114、122和124逐渐溶解。此溶解反应将材料从坩埚壁114、122和124引入熔体中。来自外坩埚110的内壁114的材料将杂质引入熔体中。基本上没有从内部电弧熔融坩埚120的内壁124和外壁122引入杂质。来自外坩埚110的杂质进入坩埚组件100的非生长区域220。
现参考图4，示出了图1中所示的坩埚组件100的截面图，所述坩埚组件包含坩埚组件100内所含的熔融材料。熔体410包含从外坩埚110的内壁114引入熔体410中的杂质420。熔体410进一步包含从内坩埚120的外壁122和较低纯度部分320引入熔体410中的杂质430。杂质420和杂质430通过内坩埚120与生长区域210分离。杂质420和杂质430基本上含于非生长区域220内。杂质420和/或杂质430中的至少一种高分压物质的至少一部分通过蒸发440离开熔体410。这发生在高分压物质到达生长区域210并且由此降低了来自从生长区域210中拉出的晶锭的高分压物质的浓度之前。举例来说，一种高分压物质是锂。
熔体410通过通道126从非生长区域220流入生长区域210。熔体410中的至少一些杂质420、430并未到达生长区域210，这是因为它们在熔体410行经通道126之前从非生长区域220蒸发440。来自浇铸外坩埚110的杂质420在非生长区域220中蒸发440，并防止所述杂质进入生长区域210。因此，杂质420从被从生长区域210中拉出的晶锭中排除。这允许使用浇铸坩埚作为外坩埚110，所述浇铸坩埚通常具有较高的杂质含量，例如大于50ppmw，如在200ppmw与500ppmw之间。浇铸坩埚的高杂质含量可能来自用于粉碎熔融二氧化硅原料的球磨介质、用于产生浇铸坩埚的模具材料中的杂质以及粘合剂和分散剂。坩埚组件100通过防止至少一些杂质进入生长区域210并且通过防止那些杂质并入晶锭中来产生更高纯度的晶锭。坩埚系统100受益于浇铸外坩埚110所提供的增加的设计灵活性、降低的成本以及增加的坩埚寿命，同时减少了浇铸外坩埚110中的一些杂质的影响。
通过进料器450将额外的熔体材料(例如多晶硅)添加到熔体410。进料器450定位成在非生长区域220中向熔体410添加额外的熔体材料。这允许将坩埚组件100用在连续提拉工艺中。进料器450也定位于通道126的对面。这防止了固体材料(例如多晶硅)在材料熔融之前进入生长区域210。另外，通过内坩埚120防止来自额外的熔体材料的杂质进入生长区域210。这些杂质可从熔体410蒸发440。因此，坩埚组件100通过防止来自添加到熔体410的额外的材料的至少一些杂质进入生长区域210来产生更高纯度的晶锭
现参考图5，流程图示出了用于使用注浆浇铸工艺制造用于图1中所示的坩埚组件100中的坩埚的实例方法500。此工艺和/或其它工艺用于制造外坩埚110。方法500大体上包含：混合502二氧化硅和其它组分以形成注浆；将注浆浇铸504到模具中；使注浆和/或模具干燥506以形成生坯；从模具中移除508生坯；烧制510生坯；以及冷却512生坯。
混合502二氧化硅和其它组分以形成注浆的步骤包含将二氧化硅与分散剂、粘合剂和/或水混合以形成注浆。经混合的二氧化硅可以是经湿磨的熔融二氧化硅。将注浆浇铸504到模具中包含将注浆混合物倒入模具中。模具通常由熟石膏制成。在使用凝胶浇铸而不是注浆浇铸的实施例中，模具是例如不锈钢。干燥506注浆和/或模具以形成生坯的步骤包含在有或没有真空干燥的帮助下，水通过毛细作用从浆料中移出。生坯是未烧制状的粉末形式。在注浆的干燥期间，干燥块沿模具壁形成。当达到干燥块的所需厚度时，将剩余液态浆料倒出。烧制510生坯包含在高温下烧结或熔融干燥块，例如干燥块内的二氧化硅。
在替代实施例中，外坩埚110使用凝胶浇铸工艺或其它浇铸工艺制成。在凝胶浇铸工艺中，将陶瓷粉末(例如天然砂、合成石英或Si02)研磨和/或与水、分散剂和形成凝胶的有机单体混合。将混合物置于部分真空下以从混合物中移除空气。这提高了干燥速率和/或减少了气泡在凝胶浇铸产品中的形成。将催化剂(例如聚合引发剂)添加到混合物。聚合引发剂在混合物内开始形成凝胶的化学反应。通过将混合物倒入具有所需形状的模具中来浇铸浆料混合物以用于产生产品(例如坩埚)。模具可以由例如金属、玻璃、塑料、蜡或其它材料制成。通过在固化炉中加热模具和浆料混合物，由浆料混合物产生凝胶。热量和催化剂使得混合物中的单体形成交联聚合物，这些交联聚合物将水捕集在混合物中，以好的聚合物-水凝胶。凝胶将陶瓷粒子结合并固定在凝胶内。从模具中移除陶瓷。使陶瓷干燥。可以对经干燥陶瓷进行机器加工以进一步使陶瓷成形。烧制陶瓷以烧尽陶瓷内的聚合物并烧结陶瓷粒子。在其它替代实施例中，其它浇铸、机器加工或生产工艺用于制造外坩埚110。
现参考图6，流程图示出了用于制造图1中所示的坩埚组件的方法600。方法600大体上包含：使用电弧熔融工艺形成602第一坩埚；使用注浆浇铸工艺形成604第二坩埚；将第一坩埚安置606在第二坩埚内；以及将第一坩埚固定或紧固608到第二坩埚。使用电弧熔融工艺形成的第一坩埚用作坩埚组件100中的内坩埚120。使用注浆浇铸工艺形成604第二坩埚包含根据图5中所示出的方法500形成坩埚。使用注浆浇铸工艺形成的第二坩埚用作坩埚组件100中的外坩埚110。在替代实施例中，使用如凝胶浇铸的替代工艺来形成外坩埚110。
将第一坩埚安置606在第二坩埚内可以包含使第一坩埚位于第二坩埚中央。将第一坩埚紧固608到第二坩埚可以包含使用二氧化硅纳米粒子将第一坩埚连接到第二坩埚。在替代实施例中，将第一坩埚紧固608到第二坩埚包含使用第二坩埚的几何形状将第一坩埚紧固在第二坩埚内。举例来说，第二坩埚可包含脊、凹陷和/或紧固第一坩埚的其它特征。
现参考图7，流程图示出了用于使用图1中所示的提拉方法和坩埚组件100来拉出晶锭的方法700。方法700大体上包含：提供702包含内坩埚120和外坩埚110的坩埚组件100；在坩埚组件100中使半导体材料和/或太阳能级材料熔融704；蒸发706来自熔体的至少一种高分压杂质物质；从坩埚组件100中拉出708半导体和/或太阳能级材料的单晶；以及将半导体和/或太阳能级材料进料710到坩埚组件100中(例如进料到外坩埚110中)。
提供用于方法700中的坩埚组件100包含如图1中所示安置在外坩埚110内的内坩埚120。坩埚组件100进一步包含通道126，所述通道经配置以允许熔体材料从外坩埚110流入内坩埚120。在坩埚组件100中使半导体材料和/或太阳能级材料熔融704包含使外坩埚110和内坩埚120两者中的材料熔融。举例来说，材料在外坩埚110和内坩埚120两者中均被加热。在替代实施例中，材料仅在外坩埚110中被加热，并通过通道126流入内坩埚120。在使材料熔融704之后，熔融材料至少部分地填充外坩埚110和内坩埚120两者。从熔体蒸发706至少一种高分压杂质物质包含从外坩埚110与内坩埚120之间的非生长区域220中所含的熔体蒸发杂质。从坩埚组件100中拉出708半导体和/或太阳能级材料的单晶包含从内坩埚120内的生长区域210中拉出708单晶。将半导体和/或太阳能级材料进料710到坩埚组件100中包含在非生长区域220中向外坩埚110添加额外的材料。
现参考图8，示出了坩埚组件100的替代实施例的截面图。坩埚组件100包含内坩埚120、中间坩埚810和外坩埚110。坩埚组件100包含至少两种不同类型的坩埚。与仅具有单一类型的坩埚的坩埚组件相比，这种情况提供了坩埚组件100的降低的总成本、增加的设计灵活性以及延长的坩埚寿命。
内坩埚120是图1中所示的坩埚组件100中所描述的类型的电弧熔融坩埚。中间坩埚810是图1中所示的坩埚组件100中所描述的类型的注浆浇铸坩埚。外坩埚110是图1中所示的坩埚组件100中所描述的类型的注浆浇铸坩埚。在替代实施例中，中间坩埚810和/或外坩埚110通过除注浆浇铸之外的工艺形成。举例来说，使用凝胶浇铸工艺形成中间坩埚810和/或外坩埚110。在其它替代实施例中，中间坩埚810和/或外坩埚110通过如电弧熔融工艺的非浇铸工艺形成。在一些实施例中，例如，中间坩埚810和/或外坩埚110是电弧熔融坩埚。
内坩埚120(电弧熔融坩埚)安置在中间坩埚810和外坩埚110内。内坩埚120位于中间坩埚810中央。通过将内坩埚120结合到中间坩埚810，将内坩埚120固定或紧固到中间坩埚810。举例来说，二氧化硅纳米粒子用于将内坩埚120结合到中间坩埚810。内坩埚120包含图1中所示的坩埚组件100中所描述的类型的通道126。通道126经配置以允许熔体材料在中间坩埚810与内坩埚120之间流动。在一些实施例中，内坩埚120的内壁和/或外壁由超高纯度天然砂或合成石英形成，而内坩埚120的其余部分由较低纯度的砂(例如高纯度石英)形成。
中间坩埚810(注浆浇铸坩埚或其它类型的浇铸坩埚)安置在外坩埚110内。中间坩埚810位于外坩埚110中央。通过将中间坩埚810结合到外坩埚110，将中间坩埚810固定或紧固到外坩埚110。举例来说，二氧化硅纳米粒子用于将中间坩埚810结合到外坩埚110。中间坩埚810包含图1中所示的坩埚组件100中所描述的类型的通道826。通道826经配置以允许熔体材料在中间坩埚810与外坩埚110之间流动。
外坩埚110和中间坩埚810均使用注浆浇铸工艺或另一种类型的浇铸工艺形成，以提供比电弧熔融坩埚的设计灵活性更大的设计灵活性，并且与在使用电弧熔融坩埚的情况下相比，产生更便宜的坩埚。与电弧熔融工艺相比，注浆浇铸工艺或其它类型的浇铸工艺为中间坩埚810和外坩埚110提供了更低成本的设计更改。外坩埚110和/或中间坩埚810的大小和/或形状可以使用注浆浇铸工艺或另一浇铸工艺来更改，其中与电弧熔融相比，减少了资本支出。这是与电弧熔融工艺中所使用的设备相比注浆浇铸或其它浇铸、模具和浆料的灵活性和较低的成本的结果。随着通过电弧熔融工艺制成的坩埚的大小增加，成本同样增加。因此，使用注浆浇铸或以其它方式浇铸的坩埚作为坩埚组件100中的外坩埚110和中间坩埚810降低了成本，同时提供了外坩埚110和中间坩埚810的大小和几何形状的增加的灵活性。
在替代实施例中，中间坩埚810和外坩埚110中的一个或两个是电弧熔融坩埚。另外或可替代地，在一些实施例中，中间坩埚810和外坩埚110的内壁和/或外壁由超高纯度天然砂或合成石英形成。
现参考图9，示出了图8中所示的坩埚组件100的平面图。外坩埚110、中间坩埚810以及内坩埚120是圆形的。内坩埚120嵌套在中间坩埚810内，并且中间坩埚810嵌套在外坩埚110内。举例来说，内坩埚120位于中间坩埚810中央，并且中间坩埚810位于外坩埚110中央。外坩埚110具有大于中间坩埚810的直径910的直径240。中间坩埚810具有大于内坩埚120的直径230的直径910。在一些实施例中，外坩埚110具有至少二十英寸、小于四十英寸、在二十四英寸与三十六英寸之间、在二十八英寸与三十八英寸之间或在三十英寸与四十英寸之间的外径240。在一些实施例中，中间坩埚具有至少二十英寸、小于四十英寸、在二十四英寸与三十二英寸之间、在二十八英寸与三十四英寸之间或在三十英寸与三十六英寸之间的外径910。在一些实施例中，内坩埚120具有至少十八英寸、小于三十英寸、在十八英寸与二十二英寸之间、在二十英寸与二十四英寸之间、在二十二英寸与二十六英寸之间、在二十四英寸与二十八英寸之间或在二十六英寸至三十英寸之间的外径230。
在替代实施例中，内坩埚120、中间坩埚810和/或外坩埚110具有其它配置。举例来说，内坩埚120、中间坩埚810和/或外坩埚110可具有不同的形状，如但不限于正方形或矩形。在一些实施例中，内坩埚120、中间坩埚810和/或外坩埚110可具有不同的直径。举例来说，内坩埚120可具有十八英寸或更小、大于三十英寸或中间值的直径230。中间坩埚810可具有小于二十英寸、大于四十英寸或中间值的直径910。外坩埚110可具有小于二十英寸、大于四十英寸或中间值的直径240。
外坩埚110和中间坩埚810限定了非生长区域220。非生长区域220在外坩埚110与中间坩埚810之间延伸。非生长区域220提供了通过蒸发从熔体中移除杂质的区。非生长区域220进一步提供了将额外的材料添加到熔体的区。中间坩埚810和内坩埚120限定了中间非生长区域930。中间非生长区域930在中间坩埚810与内坩埚120之间延伸。中间非生长区域930提供了通过蒸发从熔体中移除杂质的区。非生长区域220和中间非生长区域930与参考图2到图4所描述的非生长区域220起相同作用。内坩埚120限定生长区域210。使用提拉工艺生长的晶锭从生长区域210中拉出。生长区域210如参考图2到图4所描述的生长区域210一样起作用。
包含电弧熔融内坩埚120和注浆浇铸或以其它方式浇铸的外坩埚110的坩埚组件100导致降低了成本，提高了设计灵活性，延长了坩埚寿命，并且限制了将杂质引入到从坩埚组件100中抽出的单晶锭中。坩埚组件100通过使用注浆浇铸外坩埚110来降低成本。与电弧熔融相比，注浆浇铸的降低的成本和其在较大外坩埚110中的使用导致成本降低。产生浇铸坩埚的成本低于产生电弧熔融坩埚的成本，这是因为用于产生浇铸坩埚的资本设备比电弧熔融坩埚的资本设备更便宜。坩埚组件100具有由包含浇铸外坩埚110而产生的提高的设计灵活性。与用于产生电弧熔融坩埚的设备(例如旋转模具、电极等)相比，用于产生浇铸坩埚的模具可以更容易且更便宜地改变以产生不同的坩埚几何形状，例如更大或更小直径的坩埚。由于浇铸外坩埚110，坩埚系统100具有延长的坩埚寿命。浇铸外坩埚110具有比电弧熔融坩埚更低的溶解速率。这增加了外坩埚110的寿命。尽管浇铸外坩埚110比电弧熔融坩埚包含更多的杂质，但是坩埚系统100的几何形状限制了将杂质引入到从坩埚系统100中抽出的单晶锭中。来自外坩埚110的至少一些杂质在它们进入内坩埚120之前从外坩埚110中的熔体蒸发，从所述内坩埚中拉出单晶锭。
当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一(a/an)”、和“所述(the/said)”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且表示除所列元件之外可能还有其它元件。指示特定定向的术语(例如“顶部”、“底部”、“侧面”、“向下”、“向上”等)的使用是为了方便描述，并且不需要所描述的项的任何特定定向。
由于可以在不脱离本发明的范围的情况下对以上构造和方法进行各种更改，因此，应将以上描述中所含有的并且在附图中所示的所有情况理解为是说明性的，而不应具有限制性意义。

Claims (26)

1.一种使用提拉工艺生长晶锭的坩埚组件，所述组件包括：
外坩埚；以及
内坩埚，所述内坩埚安置在所述外坩埚内，所述内坩埚具有经配置以用于在所述外坩埚与所述内坩埚之间流体连通的通道，其中所述内坩埚是电弧熔融坩埚，并且所述外坩埚是浇铸坩埚。
2.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中所述内坩埚结合到所述外坩埚。
3.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中所述外坩埚具有小于所述内坩埚的溶解速率的溶解速率。
4.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中与所述外坩埚相比，所述内坩埚由更高纯度石英砂形成。
5.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中所述外坩埚包括二氧化硅壁。
6.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中所述内坩埚包含：
超高纯度天然砂或合成石英中的至少一种的内壁部分；以及
纯度比所述内壁部分低的砂或石英的外壁部分，所述外壁部分熔融到所述内壁部分。
7.根据权利要求6所述的坩埚组件，其中所述内坩埚限定生长区域，在所述提拉工艺期间从所述生长区域中拉出晶锭，其中所述外坩埚和所述内坩埚在所述外坩埚与所述内坩埚之间限定非生长区域，并且其中所述非生长区域经配置以从所述生长区域中分离出杂质，所述杂质从所述外壁部分引入到熔体中。
8.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中所述内坩埚限定生长区域，在所述提拉工艺期间从所述生长区域中拉出晶锭，其中所述外坩埚和所述内坩埚在所述外坩埚与所述内坩埚之间限定非生长区域，并且其中所述非生长区域经配置以允许高分压物质在所述提拉工艺期间从熔体蒸发。
9.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中所述外坩埚是注浆浇铸坩埚。
10.根据权利要求1所述的坩埚组件，其中所述外坩埚是凝胶浇铸坩埚。
11.根据权利要求1所述的坩埚组件，其进一步包括安置在所述外坩埚与所述内坩埚之间的中间坩埚。
12.根据权利要求11所述的坩埚组件，其中所述中间坩埚是不透明浇铸坩埚。
13.根据权利要求11所述的坩埚组件，其中所述中间坩埚是透明电弧熔融坩埚。
14.一种通过提拉工艺生长单晶锭的方法，所述方法包括：
在坩埚组件中熔融半导体或太阳能级材料以形成熔体，所述坩埚组件包含安置在外部浇铸坩埚内的内部电弧熔融坩埚；以及
从所述内坩埚内的所述熔体中拉出半导体或太阳能级材料的单晶。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括从所述内坩埚与所述外坩埚之间的所述熔体中蒸发至少一种高分压杂质物质，其中通过使所述外坩埚溶解来将所述至少一种高分压杂质引入所述熔体中。
16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括将半导体材料或太阳能级材料进料到所述外坩埚中。
17.一种制造具有内坩埚的坩埚组件的方法，所述内坩埚安置在外坩埚内，所述方法包括：
使用电弧熔融工艺形成第一坩埚；
使用浇铸工艺形成第二坩埚，所述第二坩埚具有大于所述第一坩埚的外径的内径；以及
将所述第一坩埚定位在所述第二坩埚内。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括将所述第一坩埚结合到所述第二坩埚。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述浇铸工艺是凝胶浇铸工艺。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述浇铸工艺是注浆浇铸工艺。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述注浆浇铸工艺包含：
将熔融二氧化硅、水、分散剂以及粘合剂混合以形成浆料；
将所述浆料浇铸到模具中；
使所述浆料干燥；
从所述经干燥浆料中移除所述模具以形成生坯；以及
烧制所述生坯。
22.一种组装坩埚组件的方法，所述方法包括：
提供电弧熔融坩埚；
提供浇铸坩埚，其中所述浇铸坩埚具有大于所述电弧熔融坩埚的直径的直径；
将所述电弧熔融坩埚定位在所述浇铸坩埚内；以及
将所述电弧熔融坩埚固定到所述浇铸坩埚。
23.根据权利要求22所述的方法，其中将所述电弧熔融坩埚固定到所述浇铸坩埚包含使用二氧化硅纳米粒子将所述电弧熔融坩埚熔融到所述浇铸坩埚。
24.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括：
提供中间坩埚；
将所述中间坩埚定位在所述浇铸坩埚内；以及
将所述电弧熔融坩埚定位在所述中间坩埚内。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述中间坩埚是浇铸坩埚。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述中间坩埚是电弧熔融坩埚。
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