CN203187772U - 用于长晶的坩埚单元 - Google Patents

Abstract

一种用于长晶的坩埚单元，是用于成长多晶晶锭。多晶晶锭是依序经纵向切割成数个晶砖并横向切片成数个晶片，各晶片表面具预定形状及预定尺寸。该用于长晶的坩埚单元包含底壁及围绕底壁的围壁。底壁具二维的平台区阵列。二维的平台区阵列具多个第一、二平台区。各第一、二平台区的形状与尺寸等于各晶片的预定形状与预定尺寸。第一、二平台区沿第一方向依序轮流设置并沿第二方向依序轮流设置，各第一、二平台区沿底壁的厚度方向各具第一、二厚度T₁、T₂，T₁＞T₂。借各第一、二平台区的厚度差异以使晶锭的晶核均匀分布，并借各第一、二平台区的尺寸、形状是与各晶片相对应，以避免晶锭于纵向切割时产生崩裂并提升晶锭的有效使用率。

Description

用于长晶的坩埚单元

技术领域

本实用新型涉及一种坩埚单元(crucible unit)，特别是涉及一种用于长晶的坩埚单元。

背景技术

多晶硅(polycrystalline Si)的晶粒尺寸(grain size)及形态影响到太阳能电池(solar cell)的性能。晶粒尺寸适中(如约10mm)且均一的多晶硅晶片(Si wafer)有助于提高太阳能电池的光电转化效率(photon-to-current conversion efficiency；PCE)。然而，此技术领域的相关技术人员皆知，欲得到晶粒尺寸适中且均一的晶粒，主要是取决于晶锭(ingot)在成长过程中，其初始的成核(nucleation)是否控制得当。

就成长一多晶硅晶锭的技术简单地来说，主要是先将一硅原料放置在一石英(quartz)坩埚内并高温加热该硅原料，使石英坩埚内的硅原料因高温而融解成一硅熔汤；进一步地，通过该石英坩埚下方所设置的一定向取热块来对该硅熔汤进行吸热，使该硅熔汤自该石英坩埚底部朝上渐渐地凝固以成长出该多晶硅晶锭。

此技术领域的相关技术人员当知，由于晶体的法向生长速率(normal growth rate，Rn=c．ΔT)是与熔汤的过冷度(undercooling，ΔT)呈线性关系。所谓熔汤的过冷度(ΔT)，指的是晶锭在定向凝固成长的成核期，晶核(nucleus of crystalline)在石英坩埚底部内外的温度差。一旦石英坩埚底部的厚度相同时，晶核在石英坩埚底部内外的温度差便相同。因此，多晶硅晶锭在定向凝固成长过程中的成核期，石英坩埚底部便会不均匀地随机形成出一层杂乱分布的晶核。也正因为晶核的杂乱分布以致于晶核在晶粒成长的过程中，往往会受到周围其他相似晶粒的束缚，因而没有充分自由的成长空间，使得晶粒的成长受到限制，导致最终得到的晶粒尺寸不均。为解决晶粒尺寸不均的问题，此技术领域的相关技术人员近几年来也提出了一些解决的方案。

参图1与图2，中国授权公告号CN201962402U实用新型专利案公开一种多晶硅铸锭用石英坩埚1。该多晶硅铸锭用石英坩埚1包括：一个底壁11及一个围绕该底壁11的围壁12，并由该底壁11与该围壁12共同界定出一个容置硅原料的容置空间10。该底壁11形成有多个自该底壁11的一上表面朝下相间隔地凹陷的圆锥形凹坑111。该多晶硅铸锭用石英坩埚1的各圆锥形凹坑111设计的主要目的是在于，形成粗大且均匀的硅晶粒，进而提高多晶硅太阳能电池片的光电转换效率。

然而，该底壁11中的圆锥形凹坑111设计大多为尖锐轮廓；因此，该底壁11的应力集中因子(stress concentration factor)高。采用该多晶硅铸锭用石英坩埚1来制造成长硅晶铸锭时，该底壁11容易因其本身材质与硅熔汤两者间的高热膨胀系数(thermal expansioncoefficient)差而诱发裂缝，进而使得该多晶硅铸锭用石英坩埚1破裂，并导致硅熔汤溢流的风险。

参图3与图4，中国台湾证书号M444886新型专利案公开一种用于制造硅晶铸锭的铸造模2。该用于制造硅晶铸锭的铸造模2，包括：一个底壁21及一个围绕该底壁21的围壁22，并由该底壁21与该围壁22共同界定出一容置硅熔汤(图未示)的容置空间20。该底壁21形成有多个自该底壁21的一上表面朝下相间隔地凹陷的弧形凹坑211；其中，各弧形凹坑211的尺寸是介于5mm至10mm间，且两相邻弧形凹坑211间距是介于0.1mm至10mm间。该用于制造硅晶铸锭的铸造模2主要是利用该底壁21的各弧形凹坑211，以避免该底壁21于硅晶铸锭的制造时诱发出裂缝，进而降低硅熔汤溢流的风险。

然而，所述弧形凹坑211布满于该铸造模2的底壁21；相对地，最终所完成的硅晶铸锭的底部也会在各弧形凹坑211对应处，形成有多个外观互补于各弧形凹坑211的弧形凸块(图未示)。因此，所述布满于硅晶铸锭底部的弧形凸块也导致该硅晶铸锭在纵向垂直切割(squaring)过程中，因各弧形凸块所残存的内应力而导致硅晶铸锭崩裂。因此，所述弧形凹坑211的设计无形中也降低了硅晶铸锭的有效使用率。

经上述说明可知，改良长晶用的坩埚结构以使得晶锭于成核期所形成的晶核得以较为均匀地分布于坩埚底部，并提高晶核在晶粒成长过程中的成长空间，以避免晶粒的成长受到限制，同时也提升晶锭的有效使用率，是此技术领域的相关技术人员所待突破的课题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于长晶的坩埚单元，使得晶锭于成核期所形成的晶核可均匀地分布，并提升晶锭的有效使用率。

本实用新型用于长晶的坩埚单元，是用于成长一多晶晶锭。该多晶晶锭是依序经纵向切割成多个晶砖(brick)并横向切片(slicing)成多个晶片，各晶片表面具有一预定形状且各预定形状具有一预定尺寸。该用于长晶的坩埚单元包含一个底壁及一个围壁。该底壁具有一个二维的平台区阵列。该二维的平台区阵列具有多个第一平台区，及多个第二平台区。各第一平台区与各第二平台区的形状与尺寸等于各晶片表面的预定形状与预定尺寸。所述第一平台区与所述第二平台区是沿一第一方向依序轮流设置，并沿一第二方向依序轮流设置，且各第一平台区与各第二平台区沿该底壁的一厚度方向分别具有一第一厚度T₁与一第二厚度T₂，T₁＞T₂。该围壁自该底壁的一周缘向上延伸以围绕该底壁，并与该底壁共同界定出一容置空间。

本实用新型所述用于长晶的坩埚单元，T₁＞19mm，T₂＜19mm。

本实用新型所述用于长晶的坩埚单元，T₁是介于20mm至24mm间，T₂是介于14mm至18mm间。

本实用新型所述用于长晶的坩埚单元，该底壁还具有一个围绕区，该围绕区环围该二维的平台区阵列，以使该二维的平台区阵列至该围壁间的距离是介于25mm至28mm间。

本实用新型所述用于长晶的坩埚单元，该底壁的围绕区沿该底壁的厚度方向具有一第三厚度T₃，T₁＞T₃＞T₂。

本实用新型所述用于长晶的坩埚单元，该第二方向正交于该第一方向，且该二维的平台区阵列的各第一平台区与各第二平台区的形状分别为一正方形。

本实用新型所述用于长晶的坩埚单元，该正方形的一边长是介于155mm至160mm间。

本实用新型所述用于长晶的坩埚单元，该正方形的一边长是介于77.5mm至80.0mm间。

本实用新型所述另一种用于长晶的坩埚单元，包含一个底壁及一个围壁。该底壁具有一个二维的平台区阵列。该二维的平台区阵列具有多个第一平台区及多个第二平台区。所述第一平台区与所述第二平台区是沿一第一方向依序轮流设置，并沿一第二方向依序轮流设置，该第二方向正交于该第一方向，且该二维的平台区阵列的各第一平台区与各第二平台区的形状分别为一正方形。该正方形的一边长是介于155mm至160mm间。各第一平台区与各第二平台区沿该底壁的一厚度方向分别具有一第一厚度T₁与一第二厚度T₂，T₁＞T₂。该围壁自该底壁的一周缘向上延伸且围绕该底壁，并与该底壁共同界定出一容置空间。

本实用新型所述又一种用于长晶的坩埚单元，包含一个底壁及一个围壁。该底壁具有一个二维的平台区阵列。该二维的平台区阵列具有多个第一平台区及多个第二平台区。所述第一平台区与所述第二平台区是沿一第一方向依序轮流设置，并沿一第二方向依序轮流设置，该第二方向正交于该第一方向，且该二维的平台区阵列的各第一平台区与各第二平台区的形状分别为一正方形。该正方形的一边长是介于77.5mm至80.0mm间。各第一平台区与各第二平台区沿该底壁的一厚度方向分别具有一第一厚度T₁与一第二厚度T₂，T₁＞T₂。该围壁自该底壁的一周缘向上延伸以围绕该底壁，并与该底壁共同界定出一容置空间。

本实用新型的有益效果在于：借该底壁的二维的平台区阵列的各第一平台区与各第二平台区的厚度差异，以使得晶锭于成核期所形成的晶核可均匀地分布，且各第一平台区与各第二平台区的尺寸、形状是与各晶片相对应，可避免晶锭于纵向切割时产生崩裂，并提升晶锭的有效使用率。

附图说明

图1是一立体图，说明中国授权公告号CN201962402U实用新型专利案所公开的一种多晶硅铸锭用石英坩埚；

图2是图1的一局部剖视示意图，说明该多晶硅铸锭用石英坩埚内部的圆锥形凹坑；

图3是一俯视示意图，说明中国台湾证书号M444886新型专利案所公开的一种用于制造硅晶铸锭的铸造模；

图4是沿图3的直线IV-IV所取得的一局部剖视示意图，说明该用于制造多晶铸锭的铸造模内部的弧形凹坑；

图5是一俯视示意图，说明本实用新型用于长晶的坩埚单元的一第一较佳实施例；

图6是沿图5的直线VI-VI所取得的一局部剖视示意图，说明本实用新型该第一较佳实施例的一底壁所分布的多数第一平台区与多数第二平台区；

图7是一立体图，说明采用本实用新型该第一较佳实施例的坩埚单元所制得的一多晶硅晶锭，其依序经纵向垂直切割成硅晶砖并横向切片成硅晶片后的外观形状；

图8是一俯视示意图，说明本实用新型用于长晶的坩埚单元的一第二较佳实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明。

在本实用新型被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

参阅图5、图6与图7，本实用新型用于长晶的坩埚单元的第一较佳实施例，是用于成长一多晶硅晶锭6。如图7所示，该多晶硅晶锭6是依序经纵向垂直切割成多个硅晶砖61，并横向切片成多个硅晶片611。各硅晶片611表面具有一预定形状，且各预定形状具有一预定尺寸。本实用新型该第一较佳实施例的用于长晶的坩埚单元包含一个底壁3及一个围壁4。

该底壁3具有一个二维的平台区阵列31及一个围绕区32。该二维的平台区阵列31具有多个第一平台区311，及多个第二平台区312。各第一平台区311与各第二平台区312的形状与尺寸，是实质等于各硅晶片611表面的预定形状与预定尺寸。所述第一平台区311与所述第二平台区312是沿一第一方向X依序轮流设置，并沿一第二方向Y依序轮流设置，且各第一平台区311与各第二平台区312沿该底壁3的一厚度方向Z分别具有一第一厚度T₁与一第二厚度T₂，T₁＞T₂。该围绕区32环围该二维的平台区阵列31，该底壁3的围绕区32沿该底壁3的厚度方向Z具有一第三厚度T₃，且T₁＞T₃＞T₂。较佳地，T₁＞19mm，T₂＜19mm。

该围壁4自该底壁3的一周缘向上延伸以围绕该底壁3，并与该底壁3共同界定出一容置空间40。此技术领域的相关技术人员也可了解，本实用新型该第一较佳实施例还包含一氮化硅(Si₃N₄)涂层(图未示)。该氮化硅涂层是覆盖于该底壁3的一上表面与该围壁4的一内表面，其主要目的是在于，协助该多晶硅晶锭6脱模。该氮化硅涂层并非本实用新型的技术重点，于此不再多加赘述。

此处需补充说明的是，该第一较佳实施例的底壁3上所分布的各第一平台区311与各第二平台区312的形状与尺寸，主要根据目前常见于各家长晶厂厂内所产出的硅晶片611表面的预定形状与预定尺寸来设计。就目前各家长晶厂厂内所常用的硅晶片611表面的预定形状与预定尺寸而言，其较佳是边长介于155mm至160mm的正方形，更具体是边长介于157mm至158mm间的正方形，且所述硅晶砖61是呈5×5的二维阵列正交排列。因此，在本实用新型该第一较佳实施例中，T₁是介于20mm至24mm间；T₂是介于14mm至18mm间；该底壁3的围绕区32使该二维的平台区阵列31至该围壁4间的距离是介于25mm至28mm间；该第二方向Y是实质正交于该第一方向X，该二维的平台区阵列31的所述第一平台区311与所述第二平台区312，是呈5×5的二维阵列轮流地正交排列于该底壁31；且各第一平台区311与各第二平台区312的形状较佳分别为一边长介于155mm至160mm间的正方形，更具体分别为边长介于157mm至158mm间的正方形。

参图8，本实用新型用于长晶的坩埚单元的一第二较佳实施例，大致上是相同于该第一较佳实施例，其不同处是在于，本实用新型该第二较佳实施例的该二维的平台区阵列31的所述第一平台区311与所述第二平台区312，是呈10×10的二维阵列轮流地正交排列于该底壁31；且各第一平台区311与各第二平台区312的形状较佳分别为一边长介于77.5mm至80.0mm间的正方形，更具体分别为边长介于78.5mm至79mm间的正方形。

于实际使用本实用新型所述较佳实施例的坩埚单元来成长该多晶硅晶锭6时(以下只以图6举例说明，有关于长晶炉、硅原料、定向取热块与硅熔汤等元件，于以下说明中皆未显示于图6)，一硅原料是预先放置在各坩埚单元的容置空间40中，并将各坩埚单元放置于一长晶炉内，利用该长晶炉内的一加热单元来对该硅原料升温以使该硅原料融解成一硅熔汤。进一步地，通过各坩埚单元下方的一定向取热块来使该硅熔汤沿着垂直方向(就是，该底壁3的厚度方向Z)，构成定向凝固成长。

本实用新型所述较佳实施例一方面利用各底壁3的所述第一平台区311与所述第二平台区312的厚度差异，以对成核期的硅晶核提供不同的过冷度(ΔT)，促使硅晶核均匀地分布形成于该底壁31，使得不同晶向(crystallographic direction)的硅晶粒能有不同的成长速率以相互竞争，且紧邻该底壁31中央的硅晶粒多数是尺寸均匀且较小的硅晶粒(＜10mm)。然而，此处需补充说明的是，晶粒较小的晶体，相对地，其晶体具有较高的晶界密度(grain boundary)。对于晶粒成长而言，高密度的晶界能以其本身的应力场吸引缺陷(defect)集中，诱使差排(dislocation)通过滑移(slip)或爬升(climb)的机制以抵销掉差排的形成并借此释放热应力(thermal stress)。经前述说明可知，该多晶硅晶锭6于定向凝固的成长过程中，分布在该多晶硅晶锭6底部的所述尺寸均匀且较小的硅晶粒有助于抑制差排的生成，以致于所述尺寸较小且均匀的硅晶粒上方所成长的晶体，可取得尺寸较大(约10mm)且均匀的硅晶粒。因此，有助于提升太阳能电池的光电转换效率。

另一方面，本实用新型所述较佳实施例使其底壁3上的所述第一平台区311与所述第二平台区312的形状与尺寸，分别对应于各硅晶片611表面的预定形状与预定尺寸，以使得该多晶硅晶锭6底部对应至各第一平台区311(各为一正方形凸起区)处与各第二平台区312(各为一正方形凹陷区)处，是分别对应形成正方形凹陷区与正方形凸起区。因此，该多晶硅晶锭6于纵向垂直切割时，可使该多晶硅晶锭6避免掉残留内应力所衍生的晶锭崩裂问题，从而提升该多晶硅晶锭6的有效使用率。

综上所述，本实用新型用于长晶的坩埚单元，一方面利用该底壁3的二维的平台区阵列31的各第一平台区311与各第二平台区312间的厚度差异，使该多晶硅晶锭6的硅晶核可均匀地分布于该底壁3，并使得不同晶向的硅晶粒能有不同的成长速率以相互竞争，以致于该多晶硅晶锭6具有晶粒尺寸适中且均匀的硅晶粒，另一方面，本实用新型使各第一平台区311与各第二平台区312的尺寸、形状对应于各硅晶片611，可避免该多晶硅晶锭6于纵向垂直切割时产生崩裂问题，并提升该多晶硅晶锭6的有效使用率，所以确实能达成本实用新型的目的。

Claims (10)

1.一种用于长晶的坩埚单元，是用于成长一多晶晶锭，该多晶晶锭是依序经纵向切割成多个晶砖并横向切片成多个晶片，各晶片表面具有一预定形状且各预定形状具有一预定尺寸，该用于长晶的坩埚单元包含：一个底壁及一个围壁；其特征在于：

该底壁具有一个二维的平台区阵列，该二维的平台区阵列具有多个第一平台区及多个第二平台区，各第一平台区与各第二平台区的形状与尺寸等于各晶片的预定形状与预定尺寸，所述第一平台区与所述第二平台区是沿一第一方向依序轮流设置，并沿一第二方向依序轮流设置，且各第一平台区与各第二平台区沿该底壁的一厚度方向分别具有一第一厚度T1与一第二厚度T2，T1＞T2；

该围壁自该底壁的一周缘向上延伸以围绕该底壁，并与该底壁共同界定出一容置空间。

2.如权利要求1所述的用于长晶的坩埚单元，其特征在于：T₁＞19mm，T₂＜19mm。

3.如权利要求2所述的用于长晶的坩埚单元，其特征在于：T₁是介于20mm至24mm间，T₂是介于14mm至18mm间。

4.如权利要求3所述的用于长晶的坩埚单元，其特征在于：该底壁还具有一个围绕区，该围绕区环围该二维的平台区阵列，以使该二维的平台区阵列至该围壁间的距离是介于25mm至28mm间。

5.如权利要求4所述的用于长晶的坩埚单元，其特征在于：该底壁的围绕区沿该底壁的厚度方向具有一第三厚度T₃，T₁＞T₃＞T₂。

6.如权利要求1至权利要求5任一项所述的用于长晶的坩埚单元，其特征在于：该第二方向正交于该第一方向，且该二维的平台区阵列的各第一平台区与各第二平台区的形状分别为一正方形。

7.如权利要求6所述的用于长晶的坩埚单元，其特征在于：该正方形的一边长是介于155mm至160mm间。

8.如权利要求6所述的用于长晶的坩埚单元，其特征在于：该正方形的一边长是介于77.5mm至80.0mm间。

9.一种用于长晶的坩埚单元，包含一个底壁及一个围壁；其特征在于：

该底壁具有一个二维的平台区阵列，该二维的平台区阵列具有多个第一平台区及多个第二平台区，所述第一平台区与所述第二平台区是沿一第一方向依序轮流设置，并沿一第二方向依序轮流设置，该第二方向正交于该第一方向，且该二维的平台区阵列的各第一平台区与各第二平台区的形状分别为一正方形，该正方形的一边长是介于155mm至160mm间，各第一平台区与各第二平台区沿该底壁的一厚度方向分别具有一第一厚度T₁与一第二厚度T₂，T₁＞T₂；

该围壁自该底壁的一周缘向上延伸以围绕该底壁，并与该底壁共同界定出一容置空间。

10.一种用于长晶的坩埚单元，包含一个底壁及一个围壁；其特征在于：

该底壁具有一个二维的平台区阵列，该二维的平台区阵列具有多个第一平台区及多个第二平台区，所述第一平台区与所述第二平台区是沿一第一方向依序轮流设置，并沿一第二方向依序轮流设置，该第二方向正交于该第一方向，且该二维的平台区阵列的各第一平台区与各第二平台区的形状分别为一正方形，该正方形的一边长是介于77.5mm至80.0mm间，各第一平台区与各第二平台区沿该底壁的一厚度方向分别具有一第一厚度T₁与一第二厚度T₂，T₁＞T₂；

该围壁自该底壁的一周缘向上延伸以围绕该底壁，并与该底壁共同界定出一容置空间。

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