JP2014529571A - 不均一な熱耐性を有するるつぼから結晶性材料を製造する装置 - Google Patents

Abstract

方向性凝固によって結晶性材料を製造するるつぼ（１０）を形成する装置は、底（２）および少なくとも１つの側壁（４）を含む。底（２）は、第１の熱抵抗を有する第１の部分（２ａ）および第１の熱抵抗より低い第２の熱抵抗を有する第２の部分（２ｂ）を呈する。第２の部分（２ｂ）は、結晶性材料の製造用のシード（３）を受け入れるように設計される。底（２）および側壁（４）は、前記第１および第２の部分（２ａ、２ｂ）を規定するのに関与する、少なくとも１つの刻み目を含む密閉された部品（１）によって少なくとも部分的に形成される。第１の部分（２ａ）は、さらなる第１の熱抵抗を有する第１の抗付着層によって覆われる。第２の部分（２ｂ）は、第１の熱抵抗より低い、さらなる第２の熱抵抗を有する第２の抗付着層（９ｂ）によって覆われ得る。

Description

本発明は、底および少なくとも１つの側壁を備えた、方向性凝固によって結晶性材料を製造するるつぼを形成する装置に関する。

太陽電池産業において使用されるシリコンは大部分が、多結晶構造、すなわち、互いに対して一定の配向性のない単結晶粒子で、粒界によって囲まれている。この種の材料の成長は、ブリッジマン型の結晶化るつぼで行われる。図１に図示するように、るつぼ１０は、シード３によって部分的に覆われる底２を呈する。

得られた材料中の粒子の配向性を向上するために、シード、すなわち成長核が、るつぼの底に置かれる。次に、シリコン原料がるつぼに置かれ、シードが完全に融解しないように、原料は融解される。次いで、液浴の凝固は、その表面結晶配向から規定の方法で結晶化を開始するシードから行われる。

この技術は、シード上成長と呼ばれ、シリコンの成長状態をより良好に制御できるが、るつぼ中のシードの存在に関連して、さらなる制約がある。シードの完全な融解を防止するために、るつぼ内部の熱勾配が、完全に制御されなければならない。

したがって、結晶性材料のシードからの凝固は、少なくとも部分的に固体の状態にとどまっているシードと、融解浴が接触している場合にのみ起こることができる。この独特の性質は、るつぼ内部の熱勾配に、主にシードに関して大きな制約を強いる。

文献国際公開第２０１０／００５７０５号では、熱交換器が、７０に参照される逆るつぼ内部のシードの下方にのみ設置される。この特定の構造は、シードの融解のリスクを減じるようにシードを通して液浴の冷却を実行する。しかし、この特定の構造はまた、得られる結晶性材料の電気的性能に悪影響をもたらす、るつぼの底に平行でない等温線を生み出す。

文献米国特許出願公開第２０１１／０１８０２２９号には、熱伝達に関して異なる熱的特性をもつ領域を規定する複合底部表面を有するるつぼが記載されている。同様の教示が文献中国特許第１０１９７９７１８号（CN101979718）および中国特許第１０１９３５８６９号（CN101935869）にあり、それらの文献には、いくつかの刻み目を備えた底部表面を有するるつぼが記載されている。

発明の目的

本発明の１つの目的は、上記の欠点を少なくとも部分的に克服するるつぼを形成する装置を提供することである。

この目的は、添付の請求項に記載の装置を用いて達成される傾向にある。

るつぼを製造する方法を提供することが、本発明のさらなる目的である。

この目的は、添付の請求項に記載の方法を用いて達成される傾向にある。

さらに、るつぼの底にあるシードからの成長をより容易に制御することを可能にする結晶性材料を製造する方法を提供することが、本発明のさらなる目的である。

この目的は、添付の請求項に記載の方法を用いて達成される傾向にある。

他の利点および特長は、非制限的な例示目的でのみ与えられ、添付の図面中に示される本発明の特定の態様の以下の説明から、よりはっきりと明らかになるであろう。
図１は、既に説明されており、先行技術の例に係る、シードを含有するつぼの横断面の概略図を示す。 図２は、シードを含有する本発明の第１の態様に係るるつぼの異なる変形を横断面図に概略的に示す。 図３は、シードを含有する本発明の第１の態様に係るるつぼの異なる変形を横断面図に概略的に示す。 図４は、シードを含有する本発明の第１の態様に係るるつぼの異なる変形を横断面図に概略的に示す。 図５は、シードを含有する本発明の第１の態様に係るるつぼの異なる変形を横断面図に概略的に示す。 図６は、るつぼの底の内面に形成される円形のくぼみを備えたるつぼを上面図に概略的に示す。 図７は、るつぼの底の内面に形成される円形のくぼみを備えたるつぼを透視図に概略的に示す。 図８は、るつぼの底の内面に形成される縦のくぼみを備え、そのくぼみの横断面が長方形または三角形であるるつぼを、上面図に概略的に示す。 図９は、るつぼの底の内面に形成される縦のくぼみを備え、そのくぼみの横断面が長方形または三角形であるるつぼを、透視図に概略的に示す。 図１０は、るつぼの底の内面に形成される縦のくぼみを備え、そのくぼみの横断面が長方形または三角形であるるつぼを、透視図に概略的に示す。 図１１は、るつぼの底の内面に形成される縦のくぼみを備え、そのくぼみの横断面が長方形または三角形であるるつぼを、透視図に概略的に示す。 図１２は、図１１のるつぼの底の外面に形成された縦のくぼみと協働するように設計された縦の突起を備えた逆るつぼを透視図に概略的に示す。 図１３は、本発明の第２の態様にかかるるつぼを横断面図に概略的に示す。 図１４は、るつぼおよびシードを備えた、本発明にかかる凝固装置を横断面図に概略的に示す。 図１５は、るつぼの底に抗付着層を形成する方法の２つ工程を示す。 図１６は、るつぼの底に抗付着層を形成する方法の２つ工程を示す。

（発明の好ましい態様の説明）
本発明による、るつぼ１０（これ以降、るつぼと称する）を形成する装置は、底２および少なくとも１つの側壁４を含む。るつぼ１０は、いかなる形状であってもよい。例示目的として、横断面、すなわちるつぼの底２によって生じる形状は、正方形、長方形、またはシリンダー状であることができる。

横断面が正方形または長方形であるるつぼである場合、るつぼは、底２とともに、凝固が方向性凝固によって起こる際に材料を受け入れるように設計されたるつぼの内部空間を線引きするように、２つずつ連結する数個の側壁４を含む。シリンダー状、例えば円筒状の横断面のるつぼの場合、るつぼ１０、底２とともに、るつぼの内部空間を線引きするように、底の周囲にそって広がる単一の側壁４を含む。側壁４は、るつぼ１０の底２に垂直であるか、または底２に実質的に垂直である。

るつぼ１０の底２および側壁４は、るつぼ１０の密閉された部品１の一部を形成する。

密閉された部品１は、融解段階および凝固段階の間に受ける高温に耐えることができる材料から作られる。優先的には、るつぼ１０の密閉された部品１は、シリカから作られる。また、密閉された部品１は、グラファイト、または樹脂および炭素繊維などの強化繊維の混合物を含む複合材料から作られることができる。

機械的強度を高めるために、好ましくはるつぼ１０は、単一部品で作られるが、るつぼ１０はまた、他の追加の要素の密閉された部品をさらに含むことができる。

るつぼ１０は、その密閉された部品１を用いて、融解材料に対する密閉機能を果たすものであり、すなわち、底２および側壁４により、融解材料はるつぼから抜けることができない。

るつぼ１０の底２は、第１の熱抵抗値をもつ第１の部分２ａ、および第１の値より低い第２の熱抵抗値をもつ第２の部分２ｂを呈する。熱抵抗は、るつぼの底の内面と外面との間の熱伝達を制限する能力を意味する。第２の部分２ｂは、第２の結晶性材料から作られたシードを受け入れるように設計され、結晶性材料の製造に役立つ。第２の結晶性材料は、凝固される材料と同じであるか、または異なることができる。

るつぼ１０のこの特殊性により、熱を第１の部分２ａを通すのに比して、第２の部分２ｂを通して、より容易に取り出すことが可能となる。第２の部分は、いかなる形状、例えば正方形、円形、または長方形であることができる。熱抵抗の値は、るつぼの内面とるつぼ外面との間で内外面にほぼ垂直な方向に測定される。

さらにそのうえ、本発明によれば、密閉された部品１は、第１および第２の部分２ａおよび２ｂを規定するのに関与する、少なくとも１つの刻み目を含む。１つ又は複数の刻み目は、密閉された部品１の底に配置され、刻み目は、密閉された部品の内面の高さまたは外面の高さで位置することができる。密閉された部品１の内面は、凝固される材料を受け入れるように設計されたものである。

るつぼを形成する装置の底２および側壁４は、少なくとも部分的に、密閉された部品１によって形成され、好ましくはモノブロックであり、さらにより好ましくはモノリシックであり、すなわち単一材料から作られる。モノリシック統合の場合、密閉された部品１は、るつぼ１０を形成する。モノブロック統合の場合、密閉された部品１は、１つ以上のさらなる要素と結合してるつぼ１０を形成する。

第１の好ましい態様によれば、るつぼ１の密閉された部品の底２における刻み目は、るつぼの底の第２の部分２ｂを規定または含有する。

図２に示されるように、密閉された部品１は、底２の内面に位置する刻み目を含む。刻み目は、第２の部分２ｂを規定する。

第１の部分２ａは、ここで、側壁４に対して、密閉された部品１の底２の中心に実質的に位置する第２の部分２ｂを完全に囲むことができる。第１の部分２ａは、第２の部分２ｂの輪郭全体に広がる。

るつぼ内部の熱交換における最大対称を保つために、密閉された部品１の底２は、第２の部分２ｂの周りに、環を形成し、好ましくは、るつぼの底に垂直な対称軸を呈する第１の部分２ａを含むことができる。

代替的な態様では、密閉された部品１の底２は、複数の第１の部分２ａおよび第２の部分２ｂを含む。例示目的として、底２は、第１の部分２ａによって完全に囲まれる、複数の第２の部分２ｂを含む（図６および７）。

好ましい態様では、第１および第２の部分２ａ、２ｂは、るつぼの底２の側面に接続される。２つの表面は、２つの連続した側壁または２つの対向する側壁であることができる。この場合、第１の部分２ａは、少なくとも部分的に第２の部分２ｂを囲み、すなわち第１の部分２ａは、第２の部分２ｂの輪郭の少なくとも一部に広がる（図８〜１１）。

第１および第２の部分は有利には、平行な縦軸を呈する。さらにより優先される態様では、密閉された部品１の底において第１および第２の部分は、交互になっている。

数個の第２の部分２ｂが使用される場合、密閉された部品１の底において、前述のさまざまな態様を合わせることが可能である。

図２に示されるように、密閉された部品１の底２における熱抵抗の差を得るように、第１の部分２ａの厚さは、第２の部分２ｂの厚さを超える。

図２に示される態様では、密閉された部品１の底２の外壁は平坦であり、それによって、溶融浴によってかけられる負荷を分散でき、後者（溶融浴）を使用中の密閉された部品１の急激な変形を防止する。刻み目または凹部領域は、密閉された部品の底２の内面の高さで存在し、第２の部分２ｂを規定する。刻み目は、凹部または止まり穴などの、密閉された部品における厚さが減少した領域である。刻み目は、底および少なくとも１つの側壁を含む。

この刻み目は、融解材料浴に由来する熱をより良く除去できるので、シード３を置くのに優先的な領域である。優先的には、シード３は、シードの破損を引き起こし得る一連の圧力を生じさせるいかなる重複を防ぐように、刻み目の横寸法と比して小さい横寸法を有する。

図３に示される第１の態様の変形では、密閉された部品１の底２の内壁は平坦であり、それによって密閉された部品１の実装が容易になる。刻み目または凹部領域は、密閉された部品１の底の外面の高さで存在し、第２の部分２ｂを規定する。融解材料浴からのより良好な熱除去を利用するために、シード３は、少なくとも部分的に第２の部分２ｂの上方に置かれる。シード３は、密閉された部品１の底において突出し、優先的には、第２の部分２ｂを超えて広がることができる。密閉された部品１の底を薄くすることは、外面から行われ、それは達成しやすく、結晶化される材料を受け入れる必要がある内面の損傷を回避する。

図４に示される第１の態様の別の変形では、第２の部分２ｂは、密閉された部品１の底２の内外面上の刻み目または凹部領域の存在を反映している。これら２つの凹部領域は、互いに対向する。優先的には、２つの刻み目は、同一の模様を有する。しかし、一方がもう一方より大きい模様を有したり、または中間の抵抗値をもつさまざまな領域を形成するように完全な重複を防ぐ補正を有することを除外しない。

興味深いのは、熱抵抗の減少を利用し、凝固された材料中の結晶配向をより良好に制御するために、１つ以上のシード３を底２の内面の刻み目の内部に置くことである。

前述のさまざまな態様では、密閉された部品１は、るつぼ１０を形成する。優先的には、密閉された部品１はモノリシックであり、すなわちそれは単一材料から作られ、熱膨張応力を減少させる。

図５に示される第１の態様のさらに別の変形では、るつぼ１０を形成する装置は、付加的な部品８Ａと結合する密閉された部品１を含むことができる。よって、るつぼ１０の底は、密閉された部品１の底および部品８Ａを含む。密閉された部品１の底の外面は、刻み目を含み、付加的な部品８Ａは、この刻み目に収納されるように構成される。刻み目に入り込むように、部品８Ａの寸法は刻み目の寸法より小さい。るつぼ１０は、第１の熱抵抗値を有する第１の部分２ａおよび第１の値より低い第２の熱抵抗値を有する第２の部分２ｂを含む。刻み目は、るつぼ１０の底における２つの部分を規定するのに関与し、ここでは第２の部分２ｂは、刻み目が付けられた領域に対応する。

付加的な部品８Ａは、その熱抵抗と第２の部分２ｂの密閉された部品１の熱抵抗との合計が、第１の部分２ａの密閉された部品１の熱抵抗値より常に低くなるように構成される。第２の熱抵抗は、第２の部分２ｂの高さで部品８Ａと直列に配置されている密閉された部品１に由来する。第１の熱抵抗は、第１の部分２ａの高さで密閉された部品１によって形成される。付加的な部品８Ａは、密閉された部品１の底の熱伝導抵抗と比べて低い熱伝導抵抗を呈する材料から作られ、例えば、密閉された部品がシリカから作られている密閉された部品場合、グラファイトまたはモリブデンから作られる。

部品８Ａが刻み目の表面より小さい表面を呈する場合、刻み目によって線引きされた表面内部に２つの異なる熱抵抗値を有する２つの部分を規定することが可能である。第２の部分は、部品８Ａとの接触域によって規定され、第１の部分は相補的な表面を占める。

上述の態様と組み合わせることができる特定の態様において、興味深いのは、るつぼ１０を、高温でのるつぼ１の変形を減らすために逆るつぼの役割を果たす補強要素５と対にすることである。一般的には、るつぼ１０の底および逆るつぼ５の底が、異なる材料から作られる場合、るつぼから周囲への良好な熱伝達を担保するように、逆るつぼ５の底を形成する材料はるつぼ１０の底２を形成する材料の熱伝導抵抗より低い熱伝導抵抗を呈する。優先的な態様では、逆るつぼ５は、グラファイトまたは炭素繊維複合（ＣＦＣ）材料から作られる。

特定の態様では、逆るつぼ５の底およびるつぼ１０の底は、るつぼ１および逆るつぼに溶融浴槽の重量によってかかる応力を、良好に分散することを可能にする相補的な形状を呈する。またこれは、るつぼ１と逆るつぼ５との間に捕えられる気体の容積を制限することを可能にする。

密閉された部品１に、凝固される材料が入れられ、使用される材料は汚染を制限するように選ばれる。融解材料は逆るつぼ５と直接接触しないので、逆るつぼ５は異なる材料および／または表面品質の低い材料から作られることができる。

図２に示される態様では、逆るつぼ５の底を形成する材料の厚さが一定であるので、逆るつぼ５の底の熱抵抗は一定である。その結果、密閉された部品１および逆るつぼ５によって形成される組立部品の底には２つの異なる熱抵抗値が存在する。前述のように、総熱抵抗差は、密閉された部品１中、ひいてはるつぼ１０中に存在する熱抵抗差に関連する。

図３および４に示される態様では、逆るつぼ５の底の熱抵抗は一定ではない。逆るつぼ５の底を形成する材料の厚さが可変であるので、２つの異なる熱抵抗値が存在する。逆るつぼ５の底は、平坦な外面を呈し、厚さの変動によって、密閉された部品１の外面にある刻み目を満たすことができる。逆るつぼ５の余分の厚みによって、密閉された部品１および逆るつぼ５が相補的な形を有することができる。この余分の厚みによって、第１の領域２ａ’に隣接した第２の領域２ｂ’が規定される。

逆るつぼ５の第２の部分２ｂ’の熱抵抗は、後者（逆るつぼ５）の第１の部分２ａ’の熱抵抗より高い。

その結果、密閉された部品１および逆るつぼ５によって形成される組立部品の底には２つの異なる熱抵抗値がある。前記組立部品の底における総熱抵抗差は、密閉された部品１に存在する熱抵抗差、および逆るつぼ５の存在する熱抵抗差に関連する。２つの第１の領域２ａおよび２ａ’は、密閉された部品１の内面と逆るつぼ５の外面との間の熱系に置かれる。２つの第２の領域２ｂおよび２ｂ’に関しても同様である。

これらの態様では、密閉された部品１の底および逆るつぼ５の底を形成する材料の深さ、ならびに該当する場合、刻み目の深さは、第２の領域２ｂおよび２ｂ’の累積された熱抵抗が、第１の領域２ａおよび２ａ’の累積された熱抵抗より低くなるように選択される。より正確には、逆るつぼの底の材料は、密閉された部品１の底の材料の抵抗力より低い抵抗力を呈する。るつぼは、第１の熱抵抗値を有する第１の領域２ａおよび第１の値より低い第２の熱抵抗値を有する第２の領域２ｂをもつ底を含む。これら２つの領域は、密閉された部品に形成された刻み目を用いて規定される。シード３は、るつぼおよび逆るつぼを通して高められた熱除去を生かすために、第２の領域に対向して置かれる。

図５に示される第１の態様のさらに別の変形では、密閉された部品１および逆るつぼ５が、相補的な形ではない場合、付加的な部品８Ａを組立部品に付け加えることが好ましい。部品８Ａは、逆るつぼ５と密閉された部品１との間に位置する空隙領域を満たし、るつぼ１０の第２の部分を介した熱抽出を高めるように構成される。よって、部品８Ａの材料は、密閉された部品の底の熱伝導抵抗より低く、有利には、逆るつぼ５の底の熱伝導抵抗以下の熱伝導抵抗を呈する。

この付加的な部品８Ａは、密閉された部品１の底２の外面、および場合により、逆るつぼ５の底の内面に存在する刻み目を満たすために、密閉された部品１と逆るつぼ５との間に設置される。

上述の態様に関して、２つの異なる熱抵抗値は、逆るつぼ５およびるつぼ１０によって形成される組立部品の底に存在する。前記組立部品の底の総熱抵抗差は、付加的な部品８Ａを備えた密閉された部品１によって形成されるるつぼ１０に存在する熱抵抗差に本質的に関連する。

逆るつぼ５の内面は、刻み目を含み、付加的な部品８Ａの位置合わせを容易にすることができる。また、付加的な部品８Ａは、部品８Ａが、密閉された部品１および逆るつぼ５に沈み込む場合（図示せず）、その熱抵抗と、密閉された部品１および逆るつぼ５の第２の部分の熱抵抗との合計は、密閉された部品１および逆るつぼ５の第１の部分の熱抵抗の合計より低くなるように構成されることができる。

例えば、この態様は、その外面に刻み目を備えた密閉された部品１および底に対して平坦な内面を有する逆るつぼ５を使用することを可能にする。

付加的な部品８Ａが、密閉された部品１および逆るつぼ５に沈み込む場合、第１の部分２ａの高さでの密閉された部品／逆るつぼによって形成される一対の熱抵抗と比して、より低い第２の部分２ｂの高さでの密閉された部品／部品８Ａ／逆るつぼによって形成される積み重ね（スタック）の熱抵抗を有するように、部品８Ａの材料の選択には注意を要する。

図６は、内面の円形の刻み目によって形成される複数の第２の部分２ｂを備えた密閉された部品１の上面図を示す。図７は、複数の円形の空洞を備えた密閉された部品１の底の透視図を示す。円形の空洞は、シードを受け入れるように設計される。理解しやすいように、概略的に、側壁４は全く厚さが無いように示されている。

図８は、複数の長方形の第２の部分２ｂを備えたるつぼ１０の上面図を示す。第１および第２の部分２ａおよび２ｂは、１つの側壁から対向する側壁に広がり、この例では、第１および第２の部分の間で交互であることを規定する。図示された例では、上面図において第１の部分２ａも長方形である。

図９および１０は、棒の形状を有するシードを受け入れるように構成された、複数の長方形の空洞を備えたるつぼの底の透視図を示す。概略的に、側壁は全く厚さが無いように示されている。図９の場合、空洞は、相補的な形の横断面を有するシードを受け入れるために、長方形または正方形の横断面を有する。図１０の場合、空洞は、三角形の横断面を有するシードを優先的に受け入れるために、三角形の横断面を有する。

図１１は、図１０のるつぼと同じ内部空洞を備えたるつぼを示す。るつぼは、るつぼ１の底２の外面に形成される空洞をさらに含む。外面の空洞は、第２の部分２ｂにおける熱抽出を容易にするように、内面の空洞に対向して、すなわちすぐ下方に配置される。

上述の通り、逆るつぼ５はまた、るつぼ１の底２の外面にある凹部領域に埋め込むように設計された突出領域を呈する。図１２は、図１１に示されるるつぼに埋め込まれることができる逆るつぼ５の透視図を示す。

図１３に示される第２の態様では、るつぼ１０を形成する装置は、付加的な部品８Ｂと結合した密閉された部品１を含む。密閉された部品１の底の外面は、刻み目を含み、付加的な部品８Ｂは、この刻み目に収納されるように構成される。部分８Ｂの寸法は、刻み目に入り込むように刻み目の寸法より小さい。るつぼ１０の底は、第１の熱抵抗値を有する第１の部分２ａおよび第１の値より低い第２の熱抵抗値を有する第２の部分２ｂを含む。刻み目は、密閉された部品１の底に２つの部分２ａおよび２ｂを規定するのに関与する。

付加的な部品８Ｂは、その熱抵抗と第２の部分２ｂの高さでの密閉された部品１の熱抵抗との合計が、第１の部分２ａの高さでの密閉された部品１の熱抵抗値を超えるように構成される。このように、るつぼ１０の底は、第１の熱抵抗値をもつ第１の部分２ａおよび第１の値より低い第２の熱抵抗値をもつ第２の部分２ｂを呈する。るつぼ１０の第１の熱抵抗は、第２の部分２ｂの高さでの部分８Ｂと直列に置かれている密閉された部品１に起因する。第１の部分２ａの高さで、るつぼ１０の第２の熱抵抗は、密閉された部品１によってのみ形成される。

第２の態様では、部分８Ｂは、密閉された部品１の底より断熱性がある材料から形成される。すなわち、部分８Ｂの材料は、密閉された部品１の底の材料の熱伝導抵抗より高い熱伝導抵抗を呈する。第２の態様では、密閉された部品１の刻み目は、るつぼ１０の第１の部分２ａ以外のるつぼ１０の第２の部分２ｂを規定するという目的をもはや担わない。

この第２の態様は、刻み目を含む部分２ａの高さで、高い熱抵抗をもつ領域が形成することを可能にする。シードは、より低い熱抵抗の領域に対向して、ここでは、刻み目に対向する部分２ａの外部に、第２の部分２ｂの高さで置かれる。

例示を目的として、るつぼが、グラファイト、ＳｉＣから作られるか、炭素繊維／ＳｉＣ複合材から作られる場合、刻み目における断熱を提供する付加的な部品８Ｂは、埋められる刻み目の厚さの範囲における著しい熱抵抗差を有するように、好ましくは、低密度、例えば０．２５ｇ／ｃｍ^３未満、優先的には０．１４〜０．２０／ｃｍ^３のグラファイト繊維から作られる。しかし、他の材料、例えば、窒化ホウ素、アルミナ、窒化ケイ素、イットリア安定化ジルコニア、ジルコニア、クオーツ、およびシリカも考えられる。

示されていないある態様では、逆るつぼ５はまた、るつぼの外面に相補的ではない刻み目を呈することができる。これらの刻み目は、より高い熱抵抗の領域を形成するために、るつぼの底および／または逆るつぼの底を形成する材料より断熱性がある材料によって埋められることができる。

記載されているさまざまな変形が可能なように、上記で扱われたさまざまな態様は、同一のるつぼに互いに組み合わせることができる。

上述の態様と組み合わせられることができる、図２に示される特定の態様では、密閉された部品１の底２は、抗付着層９によって部分的または完全に覆われる。第１の例では、密閉された部品１の底の第２の部分２ｂは、抗付着層９を持たず、第１の部分２ａは、抗付着層９によって覆われる。抗付着層９の特定の配置によって、より良好な熱抽出が、第１の部分２ａと比較して第２の部分２ｂの高さで維持できる。図３に示される第２の例では、２つの異なる抗付着層９ａおよび９ｂが、密閉された部品１の底に設置される。第１の抗付着層９ａは、第１の部分２ａに設置される一方で、第２の抗付着層９ｂは、第２の部分２ｂに設置される。第１および第２の抗付着層の熱的特性は、２つの部分２ａおよび２ｂの間の熱抵抗差を増すように選ばれる。したがって、第２の抗付着層９ｂは、第１の抗付着層９ａの熱抵抗より低い熱抵抗を有する。第１の抗付着層９ａと第２の抗付着層９ｂとの間、または抗付着層９を含む領域と抗付着層９を持たない領域との間の熱導電率の差は、有利には５００μｍの厚さに対して０．５〜５Ｗ／ｍＫの間に含まれる。この熱導電率の差異は、熱伝導性が非常に良いグラファイトのるつぼにとって、特に重要な効果を有する。

換言すれば、第１の部分２ａは、さらなる第１の熱抵抗を有する第１の抗付着層９によって覆われ、第２の部分２ｂは、第１の熱抵抗より低いさらなる第２の熱抵抗を有する第２の抗付着層９ｂによって覆われ得る。

第１の抗付着層９ａは、第２の抗付着層９ｂより厚くてもよい。特定の態様では、第１の抗付着層９ａは、第２の抗付着層９ｂと同じ材料から作られる。

図１５に示されるように、抗付着層９を持たない第２の部分２ｂを形成するために、第２の部分２ｂに適用されたマスク１１を使用することが可能である。特定の態様では、マスク１１は、抗付着層９を形成するように設計されたコーティングの堆積の前に形成される。そのマスクは、抗付着層９を形成するように設計された材料の堆積の後、例えば、噴霧工程の後に除去される。マスク１１は、抗付着層９の形成のアニーリング工程の前に除去される。特定の態様では、マスク１１は１枚の紙である。

第１の堆積段階の後には、抗付着層を形成するように設計された材料の第２の堆積段階を続けることができる。第１の堆積段階は、第１の模様を規定し、第２の堆積段階は、第１の抗付着層９ａおよびより少ない厚さを有する第２の抗付着層９ｂを形成するために、底の全体への、すなわち第１および第２の部分への堆積であることができる。両段階において同一の材料が堆積される場合、同一の抗付着材料が、第１および第２の部分２ａおよび２ｂの上方に異なる厚さで存在する。２つの材料が異なる場合、第１の抗付着層９ａと第２の抗付着層９ｂとの間で厚さおよび組成が異なる。

換言すれば、抗付着層９または第１の抗付着層９ａの選択的な形成は、次の方法で行われることができる。
− マスク１１によって覆われる領域および覆いのない領域を規定するように、るつぼ１０の底２にマスク１１を形成すること、
− 抗付着層９を形成するように設計されたコーティング１２を堆積すること、
− マスク１１を除去すること、
− コーティング１２をアニーリングして、第１の抗付着層９ａまたは抗付着層９を形成すること。

この製造方法は、特に実装しやすく、平坦または凹凸加工されたるつぼの底のさまざまな模様を規定する。

シード３のその後の位置の下方の抗付着層９を取り除くことにより、るつぼ１０が抗付着層９より純粋である場合、シード３の汚染を減らすことが可能となる。

有利には、抗付着層９は、凝固されたシリコンが抗付着層９との弱い付着を呈するように、シリコン（特に融解した状態）によって浸透されないかまたはほとんど浸透されない多孔性の層である。

例示目的として、抗付着層９の抗付着の性質は、一滴のシリコンの抗付着層９への堆積、および時間内のその容積の変動を調査することで分析される。一滴のシリコンの容積の変動が大きいほど、より多くのシリコンが抗付着層９中に浸透する。これは、容積の変動が大きいほど、調べられた層９の抗付着の性質が良くない結果を有する。従来のやり法では、調べられた抗付着層９は、実際の使用状態にできるだけ近づけるために、るつぼ１０を形成する材料の層上に堆積される。

特定の態様では、抗付着層９は、その後のシリコン原料との接触面で有利に酸化される窒化ケイ素から作られる。

例示目的として、５０μｍ〜１０００μｍに含まれる厚さを有する抗付着層９は、良好な実験結果を生む。

特に有利な方法では、抗付着層９は、噴霧コーティングによって堆積される。好ましくは、噴霧堆積の後には、抗付着層を形成する材料に伴う溶媒、例えば、水を取り除くように構成されるアニーリング工程が続く。このアニーリングは、溶媒の蒸発温度より高い第１の温度で一定になった状態によって達成されることができる。

噴霧堆積の後には、多孔性の層を形成するために抗付着層９の材料を反応させるように構成された第２のアニーリングが続く。有利には、この第２のアニーリングは、８７５℃を超える温度で行われる。有利な方法では、アニーリングは、抗付着層９を形成する材料が酸化できる、例えば窒化ケイ素粉末が酸化できる、酸化気体下で行われる。

るつぼ／逆るつぼ組立部品は、るつぼ１０の底の第１の部分２ａまたはるつぼ１０の底の第２の部分２ｂに対向するか否かに依存して、可変の熱抵抗を呈する。逆るつぼ５がるつぼの底の第２の部分２ｂに対向する厚くなった部分を含む場合でも、第１の部分２ａの高さでのるつぼおよび逆るつぼの全体的な熱抵抗は、第２の部分２ｂの高さでのるつぼおよび逆るつぼの全体的な熱抵抗より大きい。

るつぼの底の異なる部分の間の熱抵抗差が、より顕著で、その結果より効率的であり得るので、逆るつぼ５の底と比較すると、るつぼ１０の底２において熱抵抗差を設けることは特に有利である。

るつぼ１０についてと同様に、逆るつぼ５は、異なる熱抵抗をもつ第１および第２の部分を呈することができる。優先的には、るつぼ１０および逆るつぼ５の第１および第２の部分は、それぞれ互いに対向している。

上述の態様と組み合わせられることができる優先的な態様では、逆るつぼ５の底の外壁は平坦であり、支えおよび伝導による伝熱への逆るつぼ５の影響を向上する。

有利には、るつぼ１０は、方向性凝固装置に使用されるように設計され、結晶化された材料のインゴットを得る。その装置は、るつぼ１０の内部に熱勾配を発生させる手段を含む。熱勾配を発生させる手段は、例えば、るつぼ１０の上方またはるつぼ１０の両側に位置することができる熱源６を含む。また、熱勾配を発生させる手段は、るつぼ１０の下方に配置される熱抽出器７を含む。そのような装置は、例示目的で図１４に示される。

熱源６によって放出され、熱抽出器７によって吸収される熱の量を調節することによって、るつぼ１０中の温度を調節し、るつぼ１０の内部の熱勾配を形成することができる。

好ましい態様では、熱抽出器７は、るつぼ１０の底の第１の部分２ａおよび第２の部分２ｂに対向して位置する。その結果、熱抽出器７は、るつぼの第１の部分２ａを介して熱を吸収するが、るつぼの第２の部分２ｂを介しても熱を吸収する。これにより、より平坦で、るつぼ１０の底により平行な等温線が維持できる。得られた粒子は、先行技術と比して、るつぼの底により垂直である。優先的には、熱抽出器７は、極めて平坦で、るつぼの底に平行である等温線をるつぼ全体に渡って有するために、るつぼ１０の底の表面の全体に対向して位置する。

第２の部分２ｂの熱抵抗が第１の部分２ａの熱抵抗より低いことで、るつぼ１０の底２のより良好な冷却が、第２の部分２ｂにおいて達成される。第１の部分２ａと接触する凝固される材料は、液体状態であってもよい一方で、第２の部分２ｂと接触する場合、同じ材料は固体状態のままで残る。るつぼの底の温度は、簡単かつ経済的な方法で、例えば融解および／または凝固の間の熱勾配の制御を容易にする、るつぼの底全体を覆う単一の熱抽出器を用いて調節できる。

この構造はまた、使用されることができる方法の範囲におけるより大きな柔軟性を可能にする。よって、同じ凝固装置において、シード３からの成長を促すために、従来のるつぼおよび逆るつぼならびに可変の熱抵抗をもつるつぼ１０および逆るつぼ５を使用することが可能である。また、前記で想定されている態様にかかる従来の逆るつぼ５をもつ改変されたるつぼ１０を結合することが可能である。優先的には、シード３は密閉された部品の底を部分的に覆い、さらに優先的には、最も低い熱抵抗をもつ領域を部分的に覆う。特に、これにより、融解／凝固方法の間中、シードがより容易に固体状態に保たれることができる。

るつぼ１０に置かれる凝固される材料は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウムなどである。るつぼ１０の底２に使用されるシード３は、単結晶または多結晶のシードであることができる。

第１の例示的態様では、るつぼは、例えば８４０×８４０ｍｍ^２型の正方形の基部を有する。るつぼの底２は、１２５ｍｍに等しい直径を有する円形のくぼみをもつ、少なくとも１つの領域を形成するように機械加工される。くぼみの深さは、８ｍｍに等しい。るつぼの壁の厚さは、２０ｍｍである。

るつぼの内壁は、結晶化されるシリコンとシリカから作られたるつぼ１０との間の直接的な接触を防ぐために、窒化ケイ素から作られた抗付着層によって覆われる。第２の部分２ｂは、抗付着層を含まない。

＜１００＞配向を有する単結晶のシリコンシード３は、第２の部分２ｂの各々に置かれる。

実質的に４００ｋｇに等しい太陽電池級シリコン原料は、るつぼ１０に置かれる。原料を融解し、単結晶のシード３と接触させる。凝固は、要求される結晶配向を付するために、単結晶のシード３から開始される。１つ以上の熱電対が、るつぼ１０の底に関して、るつぼ中のシリコンの融点の位置を決定するために、るつぼ１０の下方に置かれる。

従来は、るつぼ１０内部の熱勾配は垂直であり、温度はるつぼ１０の最上部から底２に向かって減少する。よって、るつぼ１０内部の材料の凝固は、るつぼ１０の底に垂直な粒界の形成をもたらす。この形状は、光起電装置中での使用に有利である。

るつぼ１０内部の熱調節は、るつぼ１０中の熱勾配を安定かつ垂直に保つように、任意公知の手段によって行われる。

優先的には、凝固段階の初めにシードの部分的な融解における若干の動作余裕度を有するように、シードは、５〜２５ｍｍに含まれる厚さを有する。さらにより優先的には、るつぼ１０における等温線に対して大きすぎる影響を及ぼすことなく、るつぼの刻み目にシードを取り入れることが可能であるために、シードは８〜１２ｍｍに含まれる厚さを有する。

るつぼ１０の厚さは、好ましくは１２〜４０ｍｍに含まれる。特定の態様では、るつぼの厚さは、２０〜３０ｍｍに含まれる。るつぼが薄いほど、熱抽出がより良好であるが、るつぼはより壊れやすい。しかし、この温度範囲では、るつぼの固体性を大きく減じることなく、異なる部分間の良好な熱抵抗差をもつるつぼを形成することができる。さらにより特定の態様では、るつぼの厚さは２０〜２２ｍｍに含まれる。この範囲は、熱抽出、るつぼの固体性、および熱抵抗差の間の最良の折り合いをもたらす。

好ましくは、逆るつぼ５の厚さは、良好な機械的強度と適度な熱抵抗の両方を有するように、５〜２００ｍｍに含まれる。好ましい態様では、逆るつぼ５の厚さは、後者（逆るつぼ）がグラファイトから作られる場合、１０〜６０ｍｍに含まれる。逆るつぼの厚さを増やすことによって、その機械的強度を増やすことができる。別の態様では、逆るつぼ５の厚さは、後者（逆るつぼ）が炭素繊維複合材ＣＦＣから作られる場合、１０〜３０ｍｍに含まれる。

Claims (21)

1. 底（２）および少なくとも１つの側壁（４）を含む、方向性凝固によって結晶性材料を製造するるつぼを形成する装置であって、該底（２）が、
   − 第１の熱抵抗を呈する第１の部分（２ａ）、および該第１の熱抵抗より低い第２の熱抵抗を呈し、前記結晶性材料を製造する第２の結晶性材料から作られたシード（３）を受け入れるように設計される第２の部分（２ｂ）を含み、
   前記底（２）および前記少なくとも１つの側壁（４）が、前記第１および第２の部分（２ａ、２ｂ）を規定するのに関与する少なくとも１つの刻み目を含む密閉された部品（１）によって少なくとも部分的に形成され、
   前記第１の部分（２ａ）が、さらなる第１の熱抵抗を有する第１の抗付着層（９、９ａ）によって覆われること、および前記第２の部分（２ｂ）が前記第１の熱抵抗より低いさらなる第２の熱抵抗を有する第２の抗付着層（９ｂ）によって覆われるか、または前記第２の部分（２ｂ）が、抗付着層を有していないことを特徴とする、装置。
2. 前記第１の抗付着層（９ａ）が、前記第２の抗付着層（９ｂ）より厚いことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の抗付着層（９ａ）が、前記第２の抗付着層（９ｂ）と同じ材料で作られることを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載の装置。
4. 前記第１の部分と前記第２の部分との間に、第１の側壁（４）から、対向する第２の側壁（４）に向かって、複数の第１および第２の部分（２ａ、２ｂ）を交互に含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記密閉された部品（１）の前記底（２）の内壁が、前記第２の部分（２ｂ）を代表する刻み目を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記密閉された部品（１）の前記底（２）の内壁が平坦であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記密閉された部品（１）の前記底（２）の外壁が、前記第１の部分（２ａ）を代表する刻み目を含むこと、および前記第１の部分（２ａ）を代表する前記刻み目に位置する付加的な部品（８Ｂ）を含むことを特徴とし、その熱抵抗と前記第１の部分（２ａ）の高さでの前記密閉された部品（１）の熱抵抗との合計が、前記第２の部分（２ｂ）の高さでの前記密閉された部品（１）の前記熱抵抗値より大きくなるように、前記付加的な部品（８Ｂ）が構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記付加的な部品（８Ｂ）が、前記密閉された部品（１）の底の熱伝導抵抗より高い熱伝導抵抗を呈する材料から作られることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 底（２）および少なくとも１つの側壁（４）を含む、方向性凝固に向けた、請求項１〜８のいずれか一項に記載のるつぼを製造する方法であって、
   − マスク（１１）によって覆われた領域、および覆いのない領域を規定するように、前記るつぼ（１０）の前記底（２）に該マスク（１１）を形成する工程、
   − 抗付着層を形成するように設計されたコーティング（１２）を堆積する工程、
   − 前記マスク（１１）を取り除く工程、
   − 前記コーティング（１２）をアニーリングして、前記第１の抗付着層（９）を形成する工程、
   を含むことを特徴とする、方法。
10. 前記マスク（１１）が１枚の紙であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記コーティング（１２）が、噴霧することによって堆積されることを特徴とする、請求項９および１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記表面に酸化された第１の抗付着層（９、９ａ）を形成するように、前記コーティング（１２）が酸化アニーリングに供されることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記第１の部分（２ａ）および前記第２の部分（２ｂ）への付加的なコーティングの堆積を含むことを特徴とし、前記アニーリングが、前記第１の部分（２ａ）に前記第１の抗付着層（９ａ）を形成し、前記第２の部分（２ｂ）に前記第２の抗付着層（９ｂ）を形成する、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 結晶性材料を凝固するシステムであって、
    − 請求項１〜８のいずれか一項に記載のるつぼ（１０）を形成する装置、
    − 前記るつぼ（１０）を形成する装置内部に熱勾配を発生させる手段、および
    − 前記るつぼ（１０）を形成する装置の前記底（２）を形成する材料より低い熱伝導抵抗を呈する材料から作られた逆るつぼ（５）、
    を含む、システム。
15. 前記逆るつぼ（５）が、前記るつぼ（１０）を形成する装置の前記底（２）の外面に対して位置することを特徴とし、前記逆るつぼ（５）が、前記るつぼ（１０）を形成する装置の前記底（２）の外面に対して相補的な形を有する内面をもつ底を呈する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記逆るつぼ（５）の底が一定の厚さを有することを特徴とする、請求項１４および１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記るつぼ（１０）を形成する装置の前記底（２）の外面が平坦であることを特徴とする、請求項１４および１５のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記るつぼ（１０）を形成する前記装置の前記底（２）の前記第１の部分（２ａ）および前記第２の部分（２ｂ）に対向する熱抽出器を含むことを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記逆るつぼ（５）と凹部領域の熱伝導を遂行するように、前記逆るつぼ（５）と、前記るつぼ（１０）を形成する装置の前記底（２）の外面に形成された該凹部との間に配置されるさらなる熱抵抗を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。
20. 請求項１４〜１９のいずれか一項に記載のシステムのるつぼ（１０）を形成する装置中で液相における材料の方向性凝固によって結晶性材料を製造する方法であって、
    − 前記るつぼ（１０）を形成する前記装置の底の前記第２の部分（２ｂ）を少なくとも部分的に覆うように配置された結晶性材料から作られたシード（３）を備えた、請求項１〜８のいずれか一項に記載のるつぼ（１０）を形成する装置を提供し、前記るつぼ（１０）を形成する装置が凝固される材料の原料によって少なくとも部分的に満たすこと、
    − 凝固される前記材料を融解するように、前記るつぼ（１０）を形成する前記装置において第１の熱勾配を発生させ、前記シード（３）を、少なくとも部分的に固体の状態のまま残すこと、
    − 前記シード（３）から融解した状態にある前記材料を凝固するように、前記るつぼ（１０）を形成する前記装置において第２の熱勾配を発生させること、
    を含むことを特徴とする、方法。
21. 前記シードが、前記るつぼを形成する装置（１）の前記底（２）の刻み目に配置されることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。

Images