CN111527241A - 用于直拉晶体生长的合成衬里坩埚组件 - Google Patents

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Abstract

公开一种制造具有外壳和衬里的坩埚组件的方法。所述方法包含使用铸浆工艺形成所述外壳。所述外壳包含二氧化硅，且具有内表面和外表面。所述方法还包含在所述外壳的所述内表面上形成所述衬里。所述衬里由合成二氧化硅形成。

Description

用于直拉晶体生长的合成衬里坩埚组件
相关申请案的交叉引用
本申请案要求2017年12月29日申请的美国临时专利申请案第62/611,758号的权益，所述申请案全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及用于生产太阳能级或半导体材料的锭的系统和方法，且更具体地说，涉及包含用于这种系统和方法中的合成衬里的坩埚组件。
背景技术
晶体硅太阳能电池目前占光伏(PV)模块的总供应量的大部分。在标准直拉(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。随后将具有预定定向的籽晶降低到与熔体接触，且缓慢撤离。通过控制温度，籽晶-熔体界面处的硅熔体以与籽晶相同的定向固化在籽晶上。籽晶随后由熔体缓慢长出以形成一个生长晶锭。在称为批量CZ(BCZ)的传统CZ工艺中，在工艺开始时使生长硅锭所需的全部量的装料材料熔融，从单个坩埚装料中拉动晶体以基本上耗尽坩埚，且随后丢弃石英坩埚。以经济方式在一个熔炉循环中为多次拉动补充石英坩埚的另一种方法是连续CZ(CCZ)。在CCZ中，随着晶体生长，将固体或液体原料连续或周期性地添加到熔体中，且因此使熔体维持在恒定体积。除了将坩埚成本分摊到几个锭上之外，CCZ方法还提供沿生长方向的优异晶体均匀性。
因为较低等级天然二氧化硅具有较高总杂质含量，所以由较低等级天然二氧化硅形成的铸造二氧化硅坩埚一般不用于基于直拉的方法(CZ、BCZ和CCZ方法)。相反，归因于较高总杂质含量，通常在多晶二氧化硅光伏电池的制造中使用铸造坩埚或多晶硅铸造坩埚。较低等级天然二氧化硅的较高总杂质含量来自二氧化硅中天然存在的杂质和在铸造工艺期间添加到二氧化硅中以将二氧化硅粘合成铸造坩埚形式的杂质。铸造坩埚的较高总杂质含量增加坩埚对熔体和对最终产品的杂质贡献。
相比之下，在基于直拉的方法中使用的坩埚(如电弧熔凝坩埚)由更高等级、更昂贵的天然二氧化硅形成，与由较低等级的天然二氧化硅形成的铸造坩埚相比，天然二氧化硅具有更低总杂质含量。由这些坩埚形成的锭具有比由铸造坩埚形成的锭更低的杂质含量。因此，需要一种用于基于直拉的方法中的较低成本坩埚，以减少坩埚中的杂质贡献。
另外，用于基于直拉的方法中的已知坩埚遭受有限的设计灵活性，且具有有限的坩埚寿命。因此，需要一种使用基于直拉的方法的坩埚，所述坩埚具有改进的设计灵活性和提高的坩埚寿命，例如以延长熔炉循环的长度。
本背景技术章节旨在向读者介绍可能与本公开的各个方面相关的技术的各个方面，所述方面将在下文进行描述和/或要求。认为此讨论有助于为读者提供背景信息以促进对本公开的各个方面的更好理解。因此，应理解，应从这种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
第一方面是一种制造具有外壳和衬里的坩埚组件的方法。方法包含使用铸造工艺形成外壳。外壳包含二氧化硅，且具有内表面和外表面。方法还包含在外壳的内表面上形成衬里。衬里由合成二氧化硅形成。
另一方面是一种用于使用直拉工艺生长晶锭的坩埚组件。坩埚组件包含外壳和衬里。外壳由二氧化硅形成，且具有内表面和与内表面相对的外表面。衬里由合成二氧化硅形成，且在外壳的内表面上形成。衬里是热喷涂衬里，且外壳是铸造外壳。
关于上述方面提及的特征存在各种改进。其它特征同样也可并入上述方面中。这些改进和额外特征可单独存在或以任何组合存在。举例来说，以下关于任何所示出实施例讨论的各种特征可以单独或以任何组合并入到上述方面中的任一个中。
附图说明
图1是包含主体和衬里的坩埚组件的横截面视图。
图2是示出用于制造图1中所绘示的外壳的一种合适方法的流程图。
图3是热喷涂组件的方块图。
图4A到图4B是示出用于使用图3中所绘示的热喷涂组件的一种合适方法的流程图。
图5是示出用于制造图1中所绘示的坩埚组件的一种合适方法的流程图。
图6是示出用于使用直拉和图1中所绘示的坩埚组件拉动晶体锭的一种合适方法的流程图。
图7是包含主体和衬里的另一坩埚组件的横截面视图。
在图式的几个视图中，对应附图标号指示对应部件。
具体实施方式
现参考图1，一个实例实施例的坩埚组件100包含外壳110和定位在外壳110内的衬里120，以使得仅衬里120接触熔体。外壳110使用铸造工艺由相对较低等级天然二氧化硅制成，且衬里120使用热喷涂工艺由相对较高等级天然或合成二氧化硅制成。较高等级天然或合成二氧化硅比较低等级天然二氧化硅对熔体贡献更少杂质，且比较低等级天然二氧化硅更昂贵。与完全由较高等级天然或合成二氧化硅形成的坩埚组件相比，这提供了坩埚组件100的减少的总成本，同时维持和/或提高熔体的品质。
在实例坩埚组件100中，外壳110具有内表面122和外表面124，且衬里120也具有内表面126和外表面128。衬里120在外壳110的内表面122上形成，以使得衬里120的外表面128与外壳110的内表面122共形。衬里120由超高纯度天然砂或合成石英制成，而包含外壳110和外表面124的坩埚组件100的其余部分由较低纯度的材料制成。溶体材料在由衬里120限定的生长区130内熔融，且仅接触衬里120的内表面126。如此，衬里120防止熔体接触外壳110内的较低纯度材料，并提高熔体品质。
外壳110和衬里120是碗状的，且衬里120热喷涂在外壳110内。坩埚组件100具有在衬里120的内表面126之间延伸的直径132。在一些实施例中，直径132是至少二十英寸、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。
图1中示出的坩埚组件100通过首先利用铸造工艺或非铸造工艺形成外壳110来形成。随后，通过热喷涂工艺在外壳110的内表面122上形成衬里120。铸造工艺包含注浆铸造工艺和凝胶铸造工艺，且非铸造工艺包含电弧熔凝工艺。在本实施例中，外壳110由注浆铸造工艺形成。然而，在替代实施例中，外壳110可以由凝胶铸造工艺或电弧熔凝工艺形成。
在所示出的实施例中，外壳110适当地是注浆铸造外壳，但可以是另一种类型的铸造外壳或坩埚。适用于形成铸造坩埚的铸造工艺一般包含将液体或半液体化合物倒入模具中，并通过从化合物中去除水分使化合物固化。用于形成铸造外壳110的化合物可包含例如且不限于陶瓷粉末的含水浆料，如二氧化硅粉末。用于形成铸造坩埚的合适的铸造工艺包含例如且不限于注浆铸造和凝胶铸造。注浆铸造包含使用陶瓷粉末(例如二氧化硅)的含水浆料，称为注浆。陶瓷粉末可与分散剂、粘合剂、水和/或其它组分混合。将浆料和/或浆料混合物(例如浆料)倒入模具中。举例来说，模具适当地由熟石膏制成，例如CaSO4:2H2O。来自浆料中的水开始通过毛细作用(或借助真空干燥)流出，且团块沿模具壁构筑。当达到干燥团块的所需厚度时，将剩余浆料从模具中倒出。随后将生陶瓷从模具中移除，干燥且烧制。烧制工艺包含在高温下烧结，或在二氧化硅的情况下熔凝。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。
在替代实施例中，外壳110使用凝胶铸造工艺或其它铸造工艺制成。在凝胶铸造工艺中，将例如天然砂、合成石英或SiO2的陶瓷粉末进行研磨，且/或与水、分散剂以及凝胶形成有机单体混合。将混合物置于部分真空下以从混合物中去除空气。这增加干燥速率且/或减少凝胶铸造产品中气泡的形成。将催化剂(例如聚合引发剂)添加到混合物中。聚合引发剂在混合物内开始凝胶形成化学反应。通过将混合物倒入具有所需形状的模具中以形成产品(例如坩埚)来铸造浆料混合物。模具可由例如金属、玻璃、塑料、蜡或其它材料制成。由浆料混合物通过在固化炉中加热模具和浆料混合物来形成凝胶。热量和催化剂促使混合物中的单体形成交联聚合物，所述交联聚合物将水捕集在混合物中，以形成聚合物-水凝胶。凝胶将陶瓷颗粒粘合并固定在凝胶内。将陶瓷从模具中移除。将陶瓷干燥。可对干燥陶瓷进行机械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颗粒。在其它替代实施例中，使用其它铸造、机械加工或生产工艺来制造外壳110。
在另一替代实施例中，外壳110通过非铸造工艺形成。举例来说，外壳110使用电弧熔凝工艺形成。所述工艺一般包含用电弧熔凝前体材料(例如高纯度石英砂)。在一个实施例中，通过将高纯度石英砂倒入旋转模具中，且随后使用由两个或超过两个石墨电极产生的电弧从内向外熔凝来形成外壳110。将高纯度石英砂定义成含有不超过按重量计百万分之(ppmw)30杂质的砂。高纯度石英的行业标准由美国北卡罗来纳州云杉松树市的尤尼明公司开采的作为IOTA出售的产品定义，所述产品用作高纯度石英市场的高纯度基准。在本实施例中，高纯度石英砂具有不超过20ppmw的总杂质含量。模具可包含真空孔，通过所述真空孔去除捕集在砂粒之间的空气以及在熔凝工艺中产生的气体物质，以便避免在最终熔凝的坩埚中形成气泡。在室温下，取决于气泡密度，所得电弧熔凝坩埚基本上是透明或半透明的。
在本实施例中，与电弧熔凝坩埚相比，外壳110使用注浆铸造工艺或另一种类型的铸造工艺形成，以减少坩埚的成本。与电弧熔凝工艺相比，因为使用注浆铸造工艺制造的坩埚由更便宜、较低等级天然二氧化硅制成，而不是由更昂贵、较高等级天然或合成二氧化硅制成，所以注浆铸造工艺或其它类型的铸造工艺为外壳110提供了成本更少的设计变化(且增加设计灵活性)。另外，因为电弧熔凝制造工艺具有比注浆铸造制造工艺显著更高的操作温度，且需要专用设备来实现较高操作温度，所以注浆铸造制造工艺比电弧熔凝制造工艺更便宜。因此，在坩埚组件100中使用注浆铸造或铸造坩埚作为外壳110减少坩埚组件100的成本。
使用注浆铸造工艺或其它铸造工艺形成的外壳110可具有大于二氧化硅注浆铸造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。通过注浆铸造工艺形成并由二氧化硅制成的外壳110拥有与由其它工艺形成的坩埚(如非晶电弧熔凝坩埚)类似的耐热冲击特性。与通常为透明或半透明的其它类型的坩埚(如电弧熔凝坩埚或热喷涂坩埚)相比，本实施例的铸造坩埚在室温下是不透明的。注意，例如取决于在烧制铸造坩埚中使用的烧结条件，其它实施例的铸造坩埚可以是透明的。因为与透明或半透明电弧熔凝坩埚相比，不透明铸造坩埚的红外线透射率较小，所以与其它类型的坩埚(如电弧熔凝坩埚)相比，铸造坩埚通常需要额外输入功率和时间来熔融其中含有的材料。然而，与电弧熔凝坩埚相比，铸造坩埚的红外透射率减小可能导致在熔融之后熔体的辐射热损失更少。因此，与电弧熔凝坩埚相比，铸造坩埚在整个运行过程中的总功耗可能不会变化。铸造坩埚的溶解速率低于电弧熔凝坩埚的溶解速率。
另外，与热喷涂衬里相比，注浆铸造坩埚通常具有更高的杂质含量。铸造坩埚的高杂质含量可能源于用以粉碎熔凝石英原料的球磨介质、用于形成铸造坩埚的模具材料中的杂质以及粘合剂和分散剂。注浆铸造坩埚包含基本均匀材料的壁，所述壁由较低等级天然二氧化硅形成，所述天然二氧化硅包含较高杂质含量。这与由超高纯度天然砂或合成石英制成的热喷涂衬里相反，所述热喷涂衬里通常具有比注浆铸造坩埚显著更低的杂质含量。
一般来说，外壳110比热喷涂衬里包含更多量的杂质。这是用于制造坩埚的注浆铸造工艺或其它铸造工艺的结果。在替代实施例中，通过注浆铸造工艺或其它铸造工艺形成的外壳110具有少量的杂质。举例来说，外壳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寿命产生显著影响，且降低由晶体制成的太阳能电池的效率。高纯度铸造外壳110减少杂质且产生更高效的太阳能电池。
因为较低等级天然二氧化硅具有较高总杂质含量，所以由较低等级天然二氧化硅形成的铸造二氧化硅坩埚(如外壳110)一般不用于基于直拉的方法中。通常开采低等级天然二氧化硅，且所述低等级天然二氧化硅具有99重量％的二氧化硅和1重量％的杂质。归因于较高总杂质含量，通常在多晶二氧化硅光伏电池的制造中使用铸造坩埚或多晶硅铸造坩埚。较高总杂质含量来自天然存在的杂质和在铸造工艺期间添加到二氧化硅中以将二氧化硅粘合成铸造坩埚形式的杂质。天然二氧化硅的较高总杂质含量增加坩埚对熔体和最终产品的杂质贡献。铸造坩埚或多晶硅铸造坩埚通常是不透明的，且具有方形底部。相比之下，较高等级天然二氧化硅通常是杂质含量足够低的精制的较低等级天然二氧化硅，以使得其可用于形成在基于直拉的方法中使用的坩埚。由较高等级天然或合成二氧化硅制成并在基于直拉的方法中使用的坩埚通常是半透明或透明的，且具有碗状底部。
在一些实施例中，铸造外壳110具有大于50ppmw、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、在200ppmw与300ppmw之间、大于1000ppmw的杂质含量，或大于由超高纯度天然砂或合成石英制成的热喷涂衬里(例如具有小于0.13ppmw的杂质含量)的杂质含量的其它杂质含量。在外壳110的总杂质含量中测量或说明的杂质的实例包含例如Al、B、Ba、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Ρ、Ti、Zn以及Zr。举例来说，外壳110可具有小于230ppmw的总杂质含量，且具有以下具体杂质含量：100ppmw Al、1ppmwB、10ppmw Ba、20ppmw Ca、小于1ppmw Cu、20ppmw Fe、15ppmw K、10ppmw Li、9ppmwMg、23ppmw Mn、10ppmw Na、10ppmw Ti以及小于1ppmw Zr。
相比之下，由本公开的热喷涂较高等级天然或合成二氧化硅形成的衬里可具有小于注浆铸造外壳110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，或小于注浆铸造坩埚的杂质含量的其它杂质含量。举例来说，较高等级天然或合成二氧化硅衬里可具有小于5ppmw、小于4ppmw、小于3ppmw、小于2ppmw、小于1ppmw或小于0.13ppmw的总杂质含量，具有以下具体杂质含量：0.01ppmw Al、小于0.01ppmw B、0.01ppmw Ca、0.01ppmwCr、0.01ppmw Cu、0.02ppmw Fe、0.01ppmw K、0.01ppmw Li、0.01ppmw Mg、0.01ppmwMn、0.01ppmw Na、0.01ppmw Ni、小于0.01ppmw P、0.01ppmw Ti以及0.01ppmw Zn。在其它实施例中，热喷涂衬里具有各种总杂质含量、各种具体杂质含量和/或其它类型的杂质。
通过直拉产生的晶锭从生长区130拉出。生长区130在衬里120的内表面126内延伸。在操作中，包含在衬里120和外壳110内的熔体逐渐溶解衬里120的内表面126。这种溶解反应将材料从衬里120的内表面126引入到熔体中，并将杂质引入到熔体中。然而，因为衬里120由较高等级天然或合成二氧化硅形成，所以基本上没有杂质从衬里120的内表面126引入。坩埚组件100通过防止至少一些杂质进入生长区130并通过防止这些杂质并入到晶锭中来产生更高纯度的晶锭。坩埚组件100受益于铸造外壳110提供的增加的设计灵活性、减少的成本以及增加的坩埚寿命，同时减少铸造外壳110中杂质的影响。
现参考图2，流程图示出用于使用注浆铸造工艺制造用于图1中所绘示的坩埚组件100中的坩埚的实例方法200。这一工艺和/或其它工艺用于制造外壳110。方法200一般包含：混合202二氧化硅和其它组分以形成浆液；将浆液铸造204到模具中；干燥206浆液和/或模具以形成生坯；从模具中移除208生坯；烧制210生坯，以及冷却212生坯。
将二氧化硅与其它组分混合202以形成浆液的步骤包含将二氧化硅与分散剂、粘合剂和/或水混合以形成浆液。混合的二氧化硅可以是湿磨的熔凝二氧化硅。将浆液铸造204到模具中包含将浆液混合物倒入到模具中。模具通常由熟石膏制成。在使用凝胶铸造而不是注浆铸造的实施例中，模具是例如不锈钢。干燥206浆液和/或模具以形成生坯的步骤包含在具有或不具有真空干燥的辅助下，水通过毛细作用从浆料中流出。生坯是一种未烧制的粉末形式。在浆液的干燥期间，干燥团块沿模具壁形成。当达到干燥团块的所需厚度时，倒出剩余液体浆料。烧制210生坯包含在高温下烧结或熔凝干燥团块，例如干燥团块中的二氧化硅。
衬里120是通过热喷涂工艺形成的热喷涂衬里。所述工艺大体上包含将液体或半液体化合物喷涂到外壳110上，且使所述化合物在外壳110的内表面122上固化。在一个实施例中，通过熔融较高等级天然或合成二氧化硅或高纯度石英砂，并将熔融的较高等级天然或合成二氧化硅喷涂在外壳110的内表面122上而形成衬里120。将高纯度石英砂定义成含有不超过30ppmw杂质的砂。高纯度石英的行业标准由美国北卡罗来纳州云杉松树市的尤尼明公司开采的作为IOTA出售的产品定义，所述产品用作高纯度石英市场的高纯度基准。在本实施例中，较高等级天然或合成二氧化硅或合成石英具有不超过0.13ppmw的总杂质含量。在一些实施例中，较高等级天然或合成二氧化硅或合成石英具有小于5ppmw、小于4ppmw、小于3ppmw、小于2ppmw、小于1ppmw或小于或等于0.13ppmw的总杂质含量。
在分批或再填充直拉工艺中，超高纯度天然砂或合成石英(例如SiO2)可用于衬里120，衬里120与生长区130内的熔融硅接触，而外壳110由较低纯度砂制成。这种配置也可用于连续直拉工艺。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0.13ppmw。合成石英具有比超高纯度天然砂更高的纯度，如不超过0.13ppmw。
在替代实施例中，衬里120和外壳110都可由超高纯度天然砂或合成石英形成。在又其它替代实施例中，整个坩埚组件100由单一材料制成，或主要由单一材料制成。举例来说，坩埚组件100可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。
如本文中所描述，热喷涂工艺一般描述大致分成三个热喷涂工艺类别的许多工艺：火焰热喷涂工艺、电热喷涂工艺以及动态热喷涂工艺。每一类别的热喷涂工艺都以独特的方式熔融或推进涂层化合物。举例来说，火焰热喷涂工艺通常用火焰熔融涂层化合物，而电热喷涂工艺使用电流来熔融涂层化合物。动态热喷涂工艺通常以极高的速度推进涂层化合物，以使得化合物在冲击时变形且粘合。所有热喷涂工艺一般需要喷炬、涂层化合物以及能量来熔融或推进涂层化合物。
现参考图3，示出对所有热喷涂工艺有用的热喷涂组件300的方块图。热喷涂组件300一般包含喷炬或喷枪302、能量源304、涂层化合物源306、加速介质源308以及任选地冷却介质源310。涂层化合物源306向喷枪302提供涂层化合物。在本实施例中，涂层化合物是较高等级天然或合成二氧化硅。在替代实施例中，涂层化合物是超高纯度天然砂、高纯度天然砂或使得坩埚组件100能够如本文中所描述来操作的任何涂层化合物。能量源304提供能量以在将涂层化合物喷涂到外壳110上之前将涂层化合物熔融成熔融颗粒。加速介质源308提供一种合适的介质，以用于将涂层化合物的熔融颗粒朝向外壳110加速。在一些实施例中，将能量源304和加速介质源308组合成单个能量源和加速介质。在一些实施例中，冷却介质源310提供冷却介质(一般是水)以在操作期间冷却喷枪302。
现参考图4，流程图示出用于将衬里120热喷涂到外壳110上的方法400。方法400大体上包含：提供402热喷涂组件300；预处理404外壳110的内表面122；由涂层化合物源306提供406涂层化合物；由能量源304提供408能量；使用来自能量源304的能量熔融410涂层化合物以形成涂层化合物的熔融颗粒；由加速介质源308提供412加速介质；使用来自加速介质源308的加速介质朝向外壳110加速414涂层化合物的熔融颗粒；使用喷炬302朝向外壳110的内表面122喷涂416涂层化合物和加速介质的熔融颗粒，从而在内表面122上形成涂层化合物的涂层312；在方向314上移动418喷炬302以形成更多涂层312；将涂层312粘合420到内表面122上以形成衬里120；以及在具有或不具有等离子体射流的情况下对衬里120和/或外壳110的内表面126进行后处理422。方法400还可以任选地包含由冷却介质源310提供424冷却介质。提供402热喷涂组件200大体上包含：提供喷炬302、能量源304、涂层化合物源306、加速介质源308以及冷却介质源310。由涂层化合物源306提供404涂层化合物包含：提供较高等级天然或合成二氧化硅。
对外壳110的内表面122进行预处理404是可改善衬里120到外壳110的粘合、沉积和/或喷涂和/或衬里120的品质的预处理工艺。预处理404可包含预加热外壳110的内表面122、化学预处理外壳110的内表面122、在外壳110的内表面122上进行粗糙度预处理和/或提高衬里120对外壳110的粘附性的任何工艺。上文列出的任何预处理工艺可单独使用或与任何其它预处理工艺结合使用。
预加热预处理工艺大体上包含在将衬里120热喷涂到外壳110上之前预热外壳110的内表面122。预加热器件(如炉或吹炬)可用于预加热外壳110的内表面122。另外，当火焰热喷涂工艺用于热喷涂衬里120时，热喷涂组件300可用于预加热外壳110的内表面122。确切地说，热喷涂组件300可在没有任何涂层化合物的情况下预喷涂外壳110的内表面122，以使得将通常用于熔融涂层化合物的火焰替代地用于预加热外壳110的内表面122。预加热工艺可包含预加热外壳110的内表面122以提高衬里120对外壳110的粘附性的任何工艺或器件。
化学预处理工艺大体上包含在将衬里120热喷涂到外壳110上之前，对外壳110的内表面122进行化学预处理。化学预处理器件(如喷涂器件或其它化学施加器件)可用于预处理外壳110的内表面122。另外，热喷涂组件300可用于对外壳110的内表面122进行化学预处理。确切地说，热喷涂组件300可用于喷涂预处理涂层，所述涂层提高衬里120对外壳110的粘附性。预处理涂层可包含提高衬里120对外壳110的粘附性的糊剂或溶剂。化学预处理工艺可包含预处理外壳110以提高衬里120对外壳110的粘附性的任何工艺或器件。
粗糙度预处理工艺大体上包含在将衬里120热喷涂到外壳110上之前，机械地改变外壳110的内表面122的粗糙度。粗糙度预处理器件(如砂磨器件或其它机械表面处理器件)可用于预处理外壳110的内表面122。机械表面处理器件可用于增加或减少外壳110的内表面122的粗糙度，以提高衬里120对外壳110的粘附性。粗糙度预处理工艺可包含预处理外壳110以提高衬里120对外壳110的粘附性的任何工艺或器件。
在已将衬里120热喷涂到外壳110上之后，衬里120冷却并固化以形成玻璃状二氧化硅层。为确保形成玻璃状非晶二氧化硅层，控制或优化冷却和固化工艺。确切地说，对衬里120和/或外壳110的内表面126的后处理422是控制或优化冷却和/或固化工艺的任选后处理工艺。后处理422可包含冷却速率后处理工艺、化学后处理工艺、等离子体射流后处理工艺和/或提高衬里120对外壳110的粘附性的任何工艺。上文列出的任何后处理工艺可单独使用或与任何其它后处理工艺结合使用。
冷却后处理工艺大体上包含控制或优化衬里120和/或外壳110的冷却速率，以提高衬里120对外壳110的粘附性。后处理冷却工艺可包含使用冷却器件(如风扇或鼓风机)冷却衬里120和/或外壳110，以增加衬里120和/或外壳110的冷却速率，从而提高衬里120对外壳110的粘附性。后处理冷却工艺还可包含通过将低温气体引向衬里120的内表面126来冷却衬里120和/或外壳110，以增加衬里120和/或外壳110的冷却速率，从而提高衬里120对外壳110的粘附性。后处理冷却工艺还可包含使用加热器件(如炉或吹炬)加热衬里120和/或外壳110，以减小衬里120和/或外壳110的冷却速率，从而提高衬里120对外壳110的粘附性。后处理冷却工艺可包含控制、优化、增加和/或减小衬里120和/或外壳110的冷却速率的任何工艺或器件，以改善衬里120到外壳110的粘合、沉积和/或喷涂和/或衬里120的品质。
化学后处理工艺大体上包含在将衬里120热喷涂到外壳110上之后，对衬里120和/或外壳110进行化学后处理。化学后处理器件(如喷涂器件或其它化学施加器件)可用于对衬里120和/或外壳110进行化学后处理。另外，热喷涂组件300可用于对衬里120和/或外壳110进行化学后处理。确切地说，热喷涂组件300可用于将后处理涂层喷涂于衬里120和/或外壳110上，以提高衬里120对外壳110的粘附性。后处理涂层可包含提高衬里120对外壳110的粘附性的糊剂或溶剂。化学后处理工艺可包含后处理外壳110以提高衬里120对外壳110的粘附性的任何工艺或器件。
热后处理工艺大体上包含在将衬里120热喷涂到外壳110上之后，热处理衬里120的内表面126。热处理器件(如等离子体喷炬)可用于热处理衬里120的内表面126。另外，当等离子喷涂工艺用于热喷涂衬里120时，热喷涂组件300可用于热处理衬里120的内表面126。确切地说，热喷涂组件300可在没有任何涂层化合物的情况下喷涂衬里120的内表面126，以使得将通常用于熔融涂层化合物的等离子体射流替代地用于热处理衬里120的内表面126。热后处理工艺可包含对外壳110的内表面122进行热处理以提高衬里120对外壳110的粘附性的任何工艺或器件。
另外，上文列出的任何后处理工艺可与任何其它后处理工艺结合使用，以确保衬里120形成为非晶玻璃而不是结晶玻璃。确切地说，如果热喷涂衬里120的温度过高，且冷却速率过低，那么衬里120将形成结晶玻璃衬里120而不是非晶形玻璃衬里120。如此，可使用后处理工艺的组合来控制衬里120的冷却速率。举例来说，在热喷涂工艺结束时，可使用热后处理工艺来维持衬里120的高温，直到启动冷却后处理工艺来控制衬里120的冷却速率。确切地说，热喷涂组件300可用等离子体射流喷涂衬里120的内表面126，以在已将衬里120热喷涂到外壳110上之后立即维持衬里120的温度。热喷涂组件300维持衬里120的温度，直到启动冷却后处理工艺以控制衬里120的冷却速率。冷却后处理工艺可包含冷却表面，所述冷却表面定位在外壳110下方，或将低温气体引向衬里120的内表面126，以增加衬里120的冷却速率。
可在方法400的任何步骤之间插入一或多个中间步骤，以提高衬里120对外壳110的粘附性。中间步骤可包含提高衬里120与外壳110的粘附性的任何工艺或器件。
较高等级天然或合成二氧化硅具有高熔点(约1710℃)。如此，熔融合成二氧化硅需要大量的能量，且使用小型热喷涂器件(如热喷涂组件300)难以使二氧化硅软化到足以形成涂层。因此，能量源304必须提供足够的能量以将合成二氧化硅软化并熔融成熔融颗粒。
另外，在热喷涂工艺期间，污染物可通过热喷涂组件300引入涂层化合物的熔融颗粒中。热喷涂组件300可设计或配置成减少或消除在热喷涂工艺期间由热喷涂组件300引入到涂层化合物的熔融颗粒中的污染物。
在火焰热喷涂工艺中，由能量源304提供406能量大体上包含提供能够由氧化反应提供能量的处于蒸汽状态的化学物质。也就是说，火焰热喷涂工艺一般通过在氧气或压缩空气的存在下燃烧碳氢化合物(如但不限于乙炔、煤油或天然气)来提供能量并熔融涂层化合物。火焰热喷涂工艺一般包含爆炸喷涂工艺、火焰丝喷涂工艺、火焰粉末喷涂工艺、高速氧燃料(HVOF)喷涂工艺以及高速空气燃料(HVAF)喷涂工艺。
在爆炸喷涂工艺中，由涂层化合物源306提供粉末状合成二氧化硅，并将粉末合成二氧化硅注入到喷炬302的长筒中。长筒利用冷却介质源310提供的水进行水冷。将氧气和碳氢化合物燃料(如乙炔)也注入到长筒中，且使用点火机构引爆。爆炸使粉末状合成二氧化硅熔融，且加速熔融合成二氧化硅连同产生的燃烧气体一起离开长筒并到达内表面122上。爆炸每秒重复多次。
在火焰丝喷涂工艺中，将呈丝形式的合成二氧化硅馈入到喷炬302中，同时燃烧氧气和碳氢化合物燃料(如乙炔)以熔融合成二氧化硅。还提供压缩空气以雾化合成二氧化硅的熔融颗粒，并将熔融二氧化硅朝向内表面122加速。
在火焰粉末喷涂工艺中，将呈粉末形式的合成二氧化硅馈入到喷炬302，同时燃烧氧气和碳氢化合物燃料(如乙炔)以熔融合成二氧化硅。将压缩空气与粉末状合成二氧化硅混合以将二氧化硅输送到火焰中。通过压缩空气使合成二氧化硅的所得燃烧气体和熔融颗粒朝向内表面122加速。
在HVOF喷涂工艺中，喷炬302包含燃烧室和喷嘴。将氧气和碳氢化合物燃料(如丙烯)馈入到燃烧室并点燃。产生的燃烧气体通过喷嘴馈入以形成超音速火焰，所述超音速火焰又以高速馈入到喷炬302的筒中。在一些实施例中，超音速火焰从筒的射出速度超过声速。呈粉末形式的合成二氧化硅夹带在运载气体(通常是氮气)中，且用超音速火焰注入到喷炬302的筒中。超音速火焰将合成二氧化硅熔融成合成二氧化硅的熔融颗粒，且将合成二氧化硅的熔融颗粒朝向内表面122加速。通常提供冷却水来冷却喷炬302。
除了将压缩空气而不是氧气馈入到燃烧室中并点燃，从而产生较低温度的超音速火焰以外，HVAF喷涂工艺类似于HVOF喷涂工艺。
在电热喷涂工艺中，由能量源304提供能量406一般包含提供用于直接或间接熔融合成二氧化硅的电流。电热喷涂工艺一般包含等离子喷涂工艺和电弧丝喷涂工艺。
在等离子喷涂工艺中，喷炬302包含彼此相邻定位以使得在其间形成高频或高压电弧的电极和喷嘴。惰性气体(通常是氩气)在电极与喷嘴之间流动，并由电弧电离。惰性气体的电离形成具有增加的温度和速度的等离子体。呈粉末形式的合成二氧化硅夹带在等离子体中，在等离子体中将合成二氧化硅熔融成合成二氧化硅的熔融颗粒，并朝向内表面122加速。
在电弧丝喷涂工艺中，将两根合成二氧化硅丝馈入到喷炬302中，且向每根丝馈入电流。这些丝彼此非常接近，以使得两根丝中的电流短路，从而升高丝的温度。升高的温度熔融丝的尖端，且将压缩空气或惰性气体引导通过丝的熔融尖端，以雾化合成二氧化硅的熔融颗粒，且使其朝向内表面122加速。
在动态热喷涂工艺中，由能量源304提供能量一般包含提供高速雾化气流以将涂层化合物加速到非常高的速度。动态热喷涂工艺一般包含冷气喷涂工艺的变型。在冷气喷涂工艺中，呈粉末形式的合成二氧化硅夹带在高速雾化气流中。将雾化气体加热并部分熔融合成二氧化硅。一旦夹带，高速雾化气体便以超过每秒1,000米的速度将粉末状合成二氧化硅朝向内表面122加速。极高的速度导致粉末状的、部分熔融的合成二氧化硅变形，且在与内表面122碰撞时与内表面122机械粘合，从而形成衬里120。
现参考图5，流程图示出用于制造图1中所绘示的坩埚组件的方法500。方法500大体上包含使用注浆铸造工艺形成502外壳110以及使用热喷涂工艺形成504衬里120。使用注浆铸造工艺形成502外壳110包含根据图2中所示出的方法200形成外壳110。使用热喷涂工艺形成504衬里120包含根据图4中所示出的方法400形成衬里120。在替代实施例中，外壳110使用替代工艺形成，如凝胶铸造。
现参考图6，流程图示出用于使用图1中所绘示的直拉方法和坩埚组件100拉动晶锭的方法600。方法600大体上包含：提供602坩埚组件100，所述坩埚组件100包含衬里120和外壳110；在坩埚组件100中熔融604半导体材料和/或太阳能级材料；从坩埚组件100中拉出606半导体和/或太阳能级材料的单晶；以及将半导体和/或太阳能级材料馈入608到坩埚组件100中。
如图1中所绘示，提供用于方法600的坩埚组件100包含形成在外壳110内的衬里120。在坩埚组件100中熔融604半导体材料和/或太阳能级材料包含熔融生长区130中的材料。在材料熔融604之后，熔融的材料至少部分地填充生长区130。从坩埚组件100拉出606半导体和/或太阳能级材料的单晶包含从衬里120内的生长区130拉出606单晶。将半导体和/或太阳能级材料馈入608到坩埚组件100中包含将额外材料添加到生长区130。
现参考图7，示出作为坩埚组件100的替代实施例的坩埚组件700的横截面视图。坩埚组件700包含热喷涂在外壳710的部分上的衬里720。与坩埚组件100相比，衬里720仅热喷涂在坩埚组件700的润湿表面上。与坩埚组件100相比，减小衬里720的面积减少坩埚组件700的成本。
根据本公开制造的坩埚组件使得成本减少、设计灵活性提高、坩埚寿命延长，且从坩埚组件抽出的单晶锭中引入的杂质有限。在一些实施例中，坩埚组件通过使用注浆铸造外壳来减少成本。与电弧熔凝相比，注浆铸造的成本减少，且其用于更大的外壳，使得成本减少。因为用于生产铸造坩埚的资本设备比电弧熔凝坩埚的资本设备更便宜，且生产铸造坩埚所需的能量比电弧熔凝坩埚所需的能量更少，所以生产铸造坩埚的成本少于生产电弧熔凝坩埚的成本。另外，外壳由高杂质、较便宜的天然二氧化硅制成，而不是用于制造高质量锭所需的较低杂质、较高成本的合成二氧化硅。使用较便宜的材料来形成坩埚的大部分显著减少成本。
归因于使用铸造外壳，一些实施例的坩埚组件具有提高的设计灵活性。与用于生产电弧熔凝坩埚(例如旋转模具、电极等)的设备相比，用于生产铸造坩埚的模具可以更容易且更便宜地予以更改以产生不同的坩埚几何形状，例如更大或更小直径的坩埚。最终，本文中公开的衬里充当熔体与高杂质外壳之间的低杂质屏障。这限制将杂质引入到使用衬里从坩埚组件抽出的单晶锭中。
当介绍本发明的元件或其实施例时，冠词“一(a/an)”、“所述(the/said)”旨在意指存在所述元件中的一或多个。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在是包含性的，且意指除了列出的元件之外，还可以存在额外元件。使用指示特定定向的术语(例如，“顶部”、“底部”、“侧”、“向下”、“向上”等)是为了便于描述，且不要求所描述项目的任何特定定向。
由于在不脱离本发明的范围的情况下，可以在以上结构和方法中进行各种改变，因此以上描述中所含有以及随附图式中所绘示的所有内容应被视为说明性而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种制造具有外壳和衬里的坩埚组件的方法，所述方法包括：
使用铸浆工艺形成所述外壳，所述外壳包含二氧化硅，且具有内部表面和外部表面；
在所述外壳的所述内表面上形成所述衬里，所述衬里由合成二氧化硅形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述铸造工艺是注浆铸造工艺。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述注浆铸造工艺包含：
将熔凝二氧化硅、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；
干燥所述浆料；
从干燥浆料中移除所述模具以形成生坯；以及
烧制所述生坯。
4.根据权利要求3所述的方法，其中烧制所述生坯包含在高温下烧结所述生坯。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述模具包含熟石膏。
6.根据权利要求3所述的方法，其中干燥所述浆料包含真空干燥所述浆料。
7.根据权利要求1所述的方法，在所述外壳的所述内表面上形成所述衬里包含通过热喷涂工艺在所述外壳的所述内表面上形成所述衬里，所述热喷涂工艺包含在高温下在所述外壳的所述内表面上喷涂合成二氧化硅。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述热喷涂工艺包含：
熔融所述合成二氧化硅以形成所述合成二氧化硅的熔融颗粒；
使用加速介质将所述合成二氧化硅的所述熔融颗粒朝向所述外壳加速；
使用喷炬朝向所述外壳的所述内表面喷涂所述合成二氧化硅和所述加速介质的所述熔融颗粒；
在所述外壳的所述内表面上形成所述合成二氧化硅的涂层；以及
将合成二氧化硅的所述涂层粘合到所述外壳上以形成所述衬里。
9.根据权利要求8所述的方法，更包括在第一方向上移动所述喷炬以形成更多所述涂层。
10.根据权利要求8所述的方法，更包括提供冷却介质以冷却所述喷炬。
11.根据权利要求8所述的方法，更包括由加速介质源提供所述加速介质。
12.根据权利要求8所述的方法，更包括提供呈粉末状合成二氧化硅形式的所述合成二氧化硅。
13.根据权利要求8所述的方法，更包括提供呈合成二氧化硅丝形式的所述合成二氧化硅。
14.根据权利要求8所述的方法，其中熔融所述合成二氧化硅以形成所述合成二氧化硅的熔融颗粒包含用火焰熔融所述合成二氧化硅。
15.根据权利要求8所述的方法，其中熔融所述合成二氧化硅以形成所述合成二氧化硅的熔融颗粒包含用电流熔融所述合成二氧化硅。
16.根据权利要求8所述的方法，其中熔融所述合成二氧化硅以形成所述合成二氧化硅的熔融颗粒包含用离子化等离子体熔融所述合成二氧化硅。
17.根据权利要求8所述的方法，其中熔融所述合成二氧化硅以形成所述合成二氧化硅的熔融颗粒包含用加热的加速介质熔融所述合成二氧化硅。
18.根据权利要求17所述的方法，其中使用加速介质将所述合成二氧化硅的所述熔融颗粒朝向所述外壳加速包含用所述加热的加速介质将部分熔融的合成二氧化硅以高速朝向所述外壳加速。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述铸浆工艺是凝胶铸浆工艺。
20.一种用于使用直拉工艺生长晶锭的坩埚组件，所述组件包括：
外壳，所述外壳由二氧化硅形成且具有内表面和与所述内表面相对的外表面；和
衬里，所述衬里由合成二氧化硅形成且在所述外壳的所述内表面上形成，其中所述衬里是热喷涂衬里，且所述外壳是铸造外壳。
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