TW201319337A - 方向性固化系統及方法 - Google Patents

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TW201319337A
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TW101133710A
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Abdallah Nouri
Kamel Ounadjela
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Silicor Materials Inc
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Abstract

本發明有關一種使用一快速方向性固化來純化材料的裝置及方法。所示的裝置及方法會在方向性固化期間提供對一溫度梯度和冷却速率的控制，其會造成一較高純度的材料。本發明的裝置和方法可被用來製造供使用於套陽能用具譬如太陽能電池的矽材料。

Description

方向性固化系統及方法
本發明係有關於方向性固化系統及方法。
發明背景
太陽能電池可藉利用它們將陽光轉換成電能的能力而成為一種可用的能源。矽為一種半導體材料，且為使用於太陽能電池之製造的生進材料。該等電池的電性質即轉換效率關鍵地倚賴於該矽的純度。若干技術曾被用來純化矽。最為公知的技術係稱為“西門斯製法”(Siemens process)。此技術容許幾乎移除存在於矽中的每一單獨雜質。但是，此技術須要將矽製成一氣相並再沉積成一固相，俾可移除該等雜質。於本專利中所描述的技術可藉將矽熔化成一液相，再使用一稱為“方向性固化”的技術來固化該矽，而能非常有效率地移除雜質。雖此技術係非常泛知，但本專利聚焦於一種新的方式來使用該方向性固化，其會可觀地減少此製程的成本。
用以製造使用於太陽能電池之純化矽晶體的技術係已習知。大部份的此等技術會據如下的原理操作：當矽晶體正由一熔化的矽溶液中固化時，不要的雜質會保留在該溶化的溶液中。一第一例的技術為漂浮區技術，可使用一移動液體來驅使雜質朝向一移除模的邊緣，而被用來製造矽單晶錠塊。另一例的技術為卓克洛斯基(Czochralski)技術，可被用於使用一緩慢地拉出一熔化溶液的種晶來製 造矽單錠塊，以容許形成一矽的單晶柱而將雜質留在該溶液中。其它的技術例，譬如布利其門(Bridgeman)或熱交換器技術，可藉造成一溫度梯度及一受控的冷却速率以促成方向性固化，而被用來製造矽多晶碇塊。
發明概要
(縱覽)
用以製造太陽能電池之矽晶體的各種技術會在該熔化製造階段利用一模來容納矽。多晶錠塊的方向性固化之一挑戰係要由該模的底部至其頂部以一小偏差來保持一具有一平坦狀或凹曲之液體與固體介面的一致前進。若該液體與固體介面的前進未被控制，則雜質會變成困陷於該錠塊中，且一大量的該固化矽可能結果最後會具有較低的性能或不可接受的性能。
本發明的模、模系統，及相關的方法會提供使用方向性固化來純化矽的手段。該等模、模系統及相關的方法可在方向性結晶化期間容許對一溫度梯度的控制，其能造成較高純度的矽以供用於太陽能電池。一模可包含一外套，一基底襯墊著該外套之一底部，及一壁絕緣結構襯墊著該外套之一壁。該基底可包含一導熱材料。該壁絕緣結構的厚度可由該模之一具有一第一厚度的頂部推拔斜縮至該模之一底部，其具有一第二厚度係小於該第一厚度。該壁絕緣結構可包含一曝露層、耐火磚、陶瓷纖維，及一微孔耐火層之一或多者。
為更佳地說明所揭的模、模系統，及相關的方法等，一非限制性的舉例列表現會被提供：
在例1中，一用於方向性硬化的系統包含一外套，一基底襯墊著該外套之一底部，該基底包含一導熱材料，及一壁絕緣結構襯墊著該外套之一壁，該壁絕緣結構的厚度會由該模之一具有一第一厚度的邊緣推拔斜縮至該模之一底部，其具有一第二厚度係比該第一厚度更薄。
在例2中，該例2的系統係選擇地構製成使該壁絕緣結構的厚度由該模之一邊緣推拔斜縮至一與該基底的底部介面。
在例3中，例1~2之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該第二厚度比第一厚度更薄大約25%。
在例4中，例1~3之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該壁絕緣結構包含一耐火磚層，及一實質上連續的耐火材料之曝露層。
在例5中，例1~4之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該曝露層包含一Al2O3層。
在例6中，例1~5之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該曝露層為大於約98%純Al2O3。
在例7中，例1~6之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該耐火磚層係額定於大約1540℃至1430℃之間。
在例8中，例1~6之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該曝露層的厚度會由在該模的邊緣之一寬 部推拔斜縮至一在底部與該基底介面處的較薄部份，且該耐火磚層的厚度會由在該模的邊緣之一寬部推拔斜縮至一在底部與該基底界面處的較薄部份。
在例9中，例1~8之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該壁絕緣結構更包含一微孔耐火層。
在例10中，例1~9之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該微孔耐火層具有一一致的厚度。
在例11中，例1~10之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該微孔耐火層會沿該外套的壁，及該外套之底部的至少一部份，提供一實質上一致的厚度。
在例12中，例1~11之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該壁絕緣結構更包含一陶瓷纖維層介於該微孔耐火層與該耐火硬層之間。
在例13中，例1~12之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該壁絕緣結構更包含一陶瓷纖維層介於該微孔耐火層與該外套之間。
在例14中，例1~13之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該基底包含一層碳化矽。
在例15中，例1~14之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該系統更包含一頂加熱器。
在例16中，例1~15之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該頂加熱器包含12個加熱元件。
在例17中，例1~16之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該等加熱元件係等間隔地分開於一大約 54吋的距離上。
在例18中，例1~17之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該等加熱元件之一下緣係被定位成以一大約1.9吋的距離相隔於一熔化物之一表面上方。
在例19中，例1~18之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該等加熱元件包含碳化矽加熱元件。
在例20中，例1~19之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該系統更包含一通風孔於該頂加熱器中。
在例21中，例1~20之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該通風孔包含一大約一吋直徑的孔在該頂加熱器之一中央處，且只有單一個通風孔在該頂加熱器中。
在例22中，一用於方向性固化的模包含一實質上矩形的壁結構，含有一長邊及一短邊，一導熱基底耦接於該實質上矩形的壁結構，且其中該實質上矩形的壁係被定尺寸為能提供一用於一指定量的熔化矽之壁接觸面積，其係小於一用於一圓筒狀模的壁接觸面積，該圓筒狀模具有一直徑實質上等於該模的短邊之一長度。
在例23中，例22的模係選擇地構製成使該矩形的壁結構在壁相交處包含一圓曲廓形。
在例24中，例22~23之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該矩形的壁結構與該底部之一相交處包含一圓曲廓形。
在例25中，一用於矽之方向性固化的系統包含一模用以容裝一體積的熔化矽，含有一熱絕緣壁結構，及 一導熱基底，一支撐結構將該模隔開於一地板表面上方，並在該模與該地板之間界定一空間，一或更多個流道用以移動該空間內的空氣，及一或更多個閥用以調整通過該一或更多個流道的流量。
在例26中，例25的模係選擇地構製成使該系統更包含一頂加熱器。
在例27中，例25~26之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成更包含一風扇用以移動該空間內的空氣。
在例28中，例25~27之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成更句許多個冷却突片熱耦接於該空間內的導熱基底。
在例29中，例25~28之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該導熱基底包含一金屬散熱層耦接於該多個冷却突片。
在例30中，例25~29之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該導熱基底包含一碳化矽層。
在例31中，例25~30之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該一或更多個閥包含一可動壁其大小能覆蓋該熱絕緣壁結構及該地板與該模之間的空間。
在例32中，例25~31之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該一或更多個閥包含一可動壁其大小能覆蓋該熱絕緣壁結構，及該模與該頂加熱器間之一介面，和該地板與該模之間的空間。
在例33中，一用於矽之方向性固化的系統包含一 外套，一碳化矽層襯墊著該外套之一底部，及一複合壁絕緣結構襯墊著該外套之一壁，其中該複合壁絕緣結構包含一第一陶瓷纖維層鄰接於該外套之一壁，一微孔耐火層鄰接於該第一陶瓷纖維層，一第二陶瓷纖維層鄰接於該微孔耐火層，一耐火磚層鄰接於該第二陶瓷纖維層，一實質上連續的氧化鋁層鄰接於該耐火硬層，該氧化鋁層形成該複合壁絕緣結構之一曝露的內表面，其中該複合壁絕緣結構的厚度會由一具有一第一厚度之該模的邊緣推拔斜縮至一與該碳化矽層的底部介面，其具有一第二厚度係小於該第一厚度，一頂加熱器用以配設於該模之一頂部上方，該頂加熱器包含多數個碳化矽加熱元件，一通風孔，及一真空泵耦接於該通風孔用以在一冷却操作時來由一矽表面移除氣體。
在例34中，例33的系統係選擇地構製成使該外套包含一不銹鋼外套。
在例35中，例33~34之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該第二厚度係比該第一厚度更薄大約25%。
在例36中，例33~35之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該實質上連續的氧化鋁層包含一大於約98%的純層Al2O3層。
在例37中，一種方向性固化系統包含一外套，一基底襯墊著該外套之一底部，該基底含有一導熱材料，一壁絕緣結構襯墊著該外套之一壁，其中該壁絕緣結構的厚 度會由一具有一第一厚度之該模的邊緣推拔斜縮至一與該基底的底部介面，其具有一第二厚度係比該第一厚度更薄，其中該模的形狀為矩形，並有一壁的尺寸係能提供一用於一指定量之熔化矽的壁接觸面積，其係小於一圓筒狀模的壁接觸面積，該圓筒狀模具有一直徑實質上等於該模的短邊之一長度，一可移除的頂加熱器，一支撐結構將該模相隔於一地板表面上方，並在該模與地板之間界定一空間，一或多個流道用以移動該空間內的空氣，及一或多個閥用以調整通過該一或多個流道的流量。
在例38中，例37系統係選擇地構製成使該模的基底包含一金屬散熱層耦接於許多個冷却突片，它們係伸入該模與地板之間的空間內。
在例39中，一用於方向性固化的系統包含一外套，一基底襯墊著該外套之一底部，該基底含有一導熱材料，一壁絕緣結構襯墊著該外套之一壁，及一可移除的散熱器耦接於該外套的底部。
在列40中，例39的系統係選擇地構製成使該壁絕緣結構的厚度由一具有一第一厚度之該模的邊緣推拔斜縮至該模之一底部，其具有一第二厚度係小於該第一厚度。
在例41中，例39~40之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成更包含許多個冷却突片耦接於該可移除的散熱器。
在例42中，例39~41之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該外套係實質上呈圓筒形狀。
在例43中，例39~42之任一者或任何組合的系統係選擇地構製成使該外套係實質上呈長方形。
本發明之模、模系統與相關的方法之這些和其它例及特徵等將有部份會在以下詳細說明中被描述。此縱覽係意圖提供本主題內容之非限制例，而非意要提供一排它性或徹底的說明。以下的詳細說明係被包含來提供有關本發明之模、模系統和方法的更多資訊。
圖式簡單說明
在該等圖中，類似的編號可被用來標示若干圖中之類似的元件。具有不同附加字母的類似編號可被用來代表類似元件的不同視圖。該等圖式係概括地舉例而非限制性地示出本文件中所述的不同實施例。
圖1示出一依據本發明之至少一實施例的系統之一立體圖。
圖2示出一依據本發明之至少一實施例的模之一截面圖。
圖3示出一依據本發明之至少一實施例的加熱器之一頂視圖。
圖4示出一依據本發明之至少一實施例的加熱器之一側視圖。
圖5示出一系列使用一依據本發明之至少一實施例的模之矽的模製冷却廓形。
圖6示出一依據本發明之至少一實施例的矩形系統一頂視圖。
圖7示出一依據本發明之至少一實施例的圓筒狀系統之一頂視圖。
圖8示出一依據本發明之至少一實施例的矩形系統之一頂視圖。
圖9示出圖8的系統之一側視圖。
圖10示出一依據本發明之至少一實施例的系統之一側視圖。
圖11示出一依據本發明之至少一實施例的系統。
較佳實施例之詳細說明
在以下詳細說明中，會參照所附圖式。該等圖式形成本說明書的一部份，且係以舉例說明而非限制的方式來被提供。圖中的實施例會被充分詳細地描述以使精習於該技術者能實施本主題內容。其它的實施例可能被利用，且機械上、結構上或材料的改變亦可能被作成而不超出本專利文件的範圍。
現將對所揭主題內容的特定範例，其有些被示於所附圖式中，來詳細地說明。雖所揭主題內容將會大部份配合所附圖式來被描述，但請瞭解該等描述並非要將所揭主題內容限制於該等圖式。相反地，所揭主題內容係意圖涵蓋所有的變化、修正和等效物等，它們係可被包含在所揭主題內容的範圍內，如申請專利範圍所界定者。
在本說明書中對“一實施例”。“一個實施例”，“一種實施例”等之用語係表示該所述實施例可包含一特定的 特徵、結構、或特性，但每一實施例可不必然包含該特定的特徵、結構、或特性。且，當一特定特徵、結構、或特性被相關於一實施例來描述時，乃表示其是在一精習於該技術者能相關於其它實施例來運用該特徵、結構、或特性的常識內，不論有否被明白地描述。
在本文件中，“一”或“一個”等詞語係被用來包含一個或一個以上，而“或”係用來指一非排它的“或”，除非有不同的指示。此外，應請瞭解於此所用的特殊用語或專門術語，若未有另外的定義，則係只為說明而非限制的目的。
本主題內容係有關使用方向性硬化技術，而遍及一模保持一固體與液體介面的一致前進來純化矽之模、模系統及相關方法等。由於方向性固化造成的純化矽可被使用於太陽能電池。已發現控制該模內的溫度梯度，則一高度受控的方向性固化將能被達成。雖矽的純化係在以下之例中被最詳細地說明，但所述的系統與方法亦可被用於其它材料例如藍寶石的方向性固化和純化。
方向性結晶化一般會由底部向頂部進行，故所需的溫度梯度會在底部有一較低溫度且在頂部有一較高溫度。對該溫度梯度及對應的方向性結晶化之高度地控制能有利地容許一更有效的方向性固化，而造成較高純度的矽。
圖1示出一用於矽的之方向性固化的模系統100之一特定實施例。該系統可包含一頂加熱器110設在或靠近一模120之一頂部。該頂加熱器110可被一或更多的鏈條101 支撐，其係以孔102銜接於垂直結構件103的第一端處。該等鏈條101在本例中形成一韁轡，而容許該頂加熱器110能藉使用一起重機或其它的揚升系統來被移動。該系統100亦可例如藉將該模120置於一叉式或剪式堆高機上，而使該頂加熱器110之由一外套突出的加熱構件之末端，以保護使用者避開存在於及靠近該等構件末端的熱和電。
該垂直結構件103可由該頂加熱器110之一底緣延伸至該頂加熱器110之一頂緣。該垂直結構件103可被設在該頂加熱器110的外套之一外表面上，並能以一垂直於該外表面的方向朝外伸出。該頂加熱器亦可包含一水平結構件104設在該頂加熱器110的外套之該外表面上，並能以一垂直於該外表面的方向朝外伸出。
該頂加熱器110可包含一唇緣105，其形成該加熱器之外套的一部份。該唇緣可由該外套向外突出，並能朝該頂加熱器110之一中心軸線向內延伸，而使其會覆蓋任何存在的絕緣體之一厚度。或者，該唇緣105只能向內延伸，而足以覆蓋該頂加熱器110的外套之底緣。
在圖1所示的實施例中，與該模120的絕緣體111可延伸於該頂加熱器110和該模120之間。在不同之例中，該模120之一或更多絕緣層111的至少一部份可延伸於該模的外套之高度上方。類似該頂加熱器110，該模120亦可包含垂直結構件112等。該等垂直結構件112可被設在該模120的外套之一外表面上，並能以一垂直於該外表面的方向朝外延伸。該等垂直結構112可由該模120的底緣延伸至該模 120的頂緣。該模112亦可包含一或多個水平結構件113。該等水平結構件113係被示出在該模120的外套之外表面上，而由該外套向外延伸。該等水平結構件113可繞一圓筒狀模112的圓周，或沿一非圓筒狀模的一或多個測邊水平地延伸。該模112亦可包含交叉的底結構件114、115。該等底結構件114、115能延伸橫過該模112的底部。有些該等底結構件115能被成形且定尺寸為可容許一叉式或剪式堆高機或其它機具來實體地操縱(例如移動)該系統100。
圖2示出一依據本發明之一實施例的模200。該模200包含一外套210其含有側壁201等及一底板202，而會包圍一底部材料212及一壁絕緣結構220。在一例中，該等側壁201和該底板202係一體地形成。在另一例中，該等側壁201與該底板202係被螺接或機械地連接在一起來形成該外套210。
該模200會在該模200內界定一內部201以容裝一數量的熔化矽。在一例中，該壁絕緣結構220是一複合結構，包含多種不同的材料依序設置。一複合壁絕緣結構220之一優點係包含可藉選擇該複合結構之個別部件的材料和形狀而來控制一熱梯度的能力。一複合壁絕緣結構220的另一優點係包含可減少該模之成本的能力。較高成本之高耐熱性的材料係被用於將會接觸熔化矽的曝露表面，而具有較低耐熱性的較低成本材料會在該複合結構逐離該熔化矽時分層疊設。
在一例中，該壁絕緣結構220的厚度會由一具有 一第一厚度224之該模200的邊緣222推拔斜縮至一與該基底210的底部介面226，其具有一第二厚度228係小於該第一厚度224。在一例中該第二厚度係比該第一厚度更薄大約25%。於操作時，該壁絕緣結構220的推拔斜縮會提供一熱梯度，其在方向性固化期間能提供該矽中的液體與固體介面之一所需的前進。在一例中，該壁絕緣結構220的推拔斜縮會在靠近該熔化物之一頂部處提供更多的絕緣來使該熔化物的表面保持在一液態，而在靠近與該基底212的底部介面處提供較少的絕緣，以促進該模200之底部的冷却。該熱梯度之更詳細的成果會參照圖5論述於後。
在一例中，該壁絕緣結構220包含一曝露層230，其將會在一方向性固化操作時與該熔化矽直接接觸。在一例中，該曝露層230係實質上連續的(相對於一組合的磚層或類似物)以容裝該熔化矽。一種含有優良熱性質的材料包括氧化鋁，譬如呈Al2O3的形式。在一例中，該氧化鋁係實質上為純Al2O3，其會使由該曝露層230進入該熔化矽中的雜質最少化。由於Al2O3中之鍵結構的離子本性，鋁會留在曝露層230中，而不會被釋放成一雜質進入該熔化物中。在一例中，該Al2O3是大於98%的Al2O3。在一例中，該曝露層230會包覆在該壁絕緣結構220之一頂面231上。此構造之一特徵乃包含對該壁絕緣結構220內之各內結構物或層的保護，它們對溫度可能沒有如該曝露層230那麼高的耐熱性。
在一例中，該壁絕緣結構220更包含一耐火磚層232形成一與該曝露層230的介面。在一例中，該耐火磚層 232包含Al2O3。耐火磚232能提供所須的結構性質譬如韌性給該壁絕緣結構220。在一例中，該耐火磚層232包含額定為1540℃或較低的磚。在一例中，該耐火磚層232包含額定為1430℃或較低的磚。在選擇耐火磚232時，一特性的組合會被納入考量，譬如該熔化矽之適當梯度所需的厚度和熱性質，及其它的性質，比如成本、強度和韌性。
在一例中，該壁絕緣結構220更包含一微孔耐火層236。在一例中，該微孔耐火層236係額定為1000℃或較低。在該微孔耐火層236中的細孔會提供良好的絕緣性質。在所擇之例中，陶瓷纖維絕緣層更被包含於選擇的層之間。在一例中，一第一陶瓷纖維層238係被包含於該外套210與該微孔耐火層236之間。在一例中，一第二陶瓷纖維層234係包含於該微孔耐火層236與該耐火磚層232之間。陶瓷纖維層之例包括板、可撓織物，或其它構造物。
在一例中，於該壁絕緣結構220中的一或更多層會由該壁絕緣結構220之一邊緣222推拔斜縮至該壁絕緣結構220之一底部226，在該處該壁絕緣結構220會形成一與該基底212的介面。在圖2所示之例中，該曝露層230和該耐火磚層232皆由該邊緣222推拔至該底部226，而該微孔耐火層236會保持一不變的厚度242。在一例中，該微孔耐火層236會沿該外套210保持一固定厚度242，且亦會在該外套210之底部的至少一部份上之一邊角240附近保持一固定厚度。此構造會提供該矽之冷却速率的精確控制。
在一例中，該基底212包含一碳化矽材料。碳化 矽含有高導熱性，及高耐熱性等所需的性質。其會將熱由該熔化矽導出該模200的底部外，而不會熔化自身，或污染該矽。利用熱流出該模的底部來開始該方向性固化，壁絕緣結構220的設計選擇比如厚度、材料選擇和推拔斜度等會一起合作來提供該液體與固體介面由該模的底部至頂部之妥當的一致前進。
圖3示出一頂加熱器300，其可更方便使一熔化矽的頂面保持在一液態，於當固化由該模的底部向頂部妥當地前進時。該頂加熱器300可包含一或多個加熱構件310。每一該等加熱構件可獨立地包含任何適當的材料。例如，每一該等加熱構件310可獨立地包含一加熱元件，其中該加熱元件可包含碳化矽、二矽化鉬、石墨、銅、或其之一組合物；且每一該等加熱構件亦可另擇地獨立包含一感應加熱器。在一實施例中，該一或多個加熱構件310係被設在大致相同的高度。在另一實施例中，該一或多個加熱構件係被設在不同的高度。
在一例中，該頂加熱器300包含12個加熱構件310。在一例中，該12個加熱構件310係大致等距地相隔分開遍佈一距離312。在一例中，該距離312係約為54吋。各種變數譬如該等加熱構件的定位和加熱構件的數目對該矽在處理時所產生的熱梯度是很重要的。在方向性固化期間於該熱梯度中的小變化可能會造成該矽中的部份液體與固體介面之不良的前進。例如若有該熔化矽之一表面固化且困陷一熔融的內部於該錠塊中時乃是不佳的。矽之一困陷 的熔化部份可能含有一不良標度的雜質，其會負面地影響所造成之矽材料的性能。
除了多個加熱構件310及加熱構件310之一橫向間隔之外，在一例中，該多個加熱構件310係被設在一熔化物之一表面的上方大約1.9吋的距離314處。在一例中，該等加熱構件310的直徑係約為2吋。若以一所擇數目的加熱構件310和加熱構件310的橫向間隔，所擇的尺寸譬如該等加熱構件310的直徑和在一熔化物之一表面上方的距離，已被揭述於本揭露中來提供方向性固化時在該矽中之液體與固體介面的部份之一妥當的前進。
在一例中，一通風孔302係設在該頂加熱器300中來由該加熱構件310和該熔化矽之一表面移除氣體，譬如氧。在一例中，一真空泵(未示出)係耦接於該通風孔302用以經由該通風孔302移除不要的氣體。在一例中，只有一個通風孔302被用於該頂加熱器300中，其直徑係在大約1至2吋之間。在一例中，該單一通風孔302的直徑係大約1吋。已揭述某些變數譬如一適當尺寸的通風孔會有效地移除不要的氣體，而不會導致該熔化矽之一表面的不當冷却。
在一例中，該等加熱元件包含碳化矽，其具有某些優點。例如，碳化矽加熱元件在有氧存在時不會在高溫腐蝕。含有可腐蝕材料的加熱元件之氧腐蝕可藉使用一真空腔室而被減少，但碳化矽加熱元件能不用一真空腔室而避免腐蝕。此外，碳化矽加熱元件能被使用而不必水冷式導管，且可有多個工作區，譬如一冷區在邊緣，及一熱區 在該加熱元件的中央。在一實施例中，該加熱元件係使用於一真空腔室中，或具有水冷式導管，或兩者皆是。在另一實施例中，該等加熱元件會被使用而不用一真空腔室，或沒有水冷式導管，或兩者皆無。
在一實施例中，該一或多個加熱構件310係為感應加熱器。該等感應加熱器能被鑄成於一或更多的耐火材料中。含有該等感應加熱線圈的耐火材料嗣可被設於該模上。該耐火材料可為任何適當材料。例如，該耐火材料可包含氧化鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化矽、石墨，或其之一組合物。在另一實施例中，該等感應加熱器並未被鑄入於一或多種耐火材料中。
該頂加熱器可包含絕緣體，例如圖4中所示的頂加熱器300包含絕緣體310。該絕緣體可包含任何適當的絕緣材料。該絕緣體可包含一或多種絕緣材料。例如，該絕緣體可包含一絕緣磚，一耐火物，一耐火物混合物，絕緣板，陶瓷紙，高溫羊毛，鑄造絕緣材料，或其之一混合物。絕緣板可包含高溫陶瓷板。在一例中，該絕緣體316係環繞該等加熱構件310鑄成，而使它們更牢固，且耐抗熱衝擊，以避免在該等加熱構件310附近的部件變形。一適當的鑄造材料包含來自Morgan Thermal Ceramics公司的Kaolite® 3300。
該頂加熱器可包含一外套，例如圖3中所示的頂加熱器300包含外套304。該外套可包含任何適當材料。例如，該外套可包含鋼或不銹鋼。在另一實施例中，該外套 包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、一耐火材料、一耐火材料混合物，或其之一組合物。該絕緣體316係至少部份設在該一或多個加熱構件與該外套之間。在圖4中，該外套304的底緣係被示出大約與該絕體的底緣齊平。
該頂加熱器中的變化是可能的，亦在本發明的範圍內。例如，該外套304的邊緣可延伸至該絕緣體316和該一或多個加熱構件310的邊緣下方。在另一例中，該外套304的邊緣可延伸至該絕緣體316的邊緣下方，或該一或多個加熱構件下方，或為其之一組合。在一例中，該外套304可延伸至該絕緣體316的底緣下方，並連續地橫越而完全或部份地覆蓋該絕緣體的底緣。在某些實施例中，該外套304覆蓋該絕緣體邊緣的部份可包含一具有一相對較低傳導性的材料，譬如一適當的耐火物，比如氧化鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化矽、石墨，或其之一組合物。在另一例中，該外套304不會延伸至該絕緣體的底緣下方，或該一或多個加熱構件的高度下方。在另一實施例中，該外套304會延伸至該一或多個加熱構件310的高度下方，但仍在該絕緣體316的底緣上方。
如上所述，藉著控制該裝置中的溫度梯度，一高度受控的方向性固化能被達成。對該溫度梯度和對應的方向性結晶化之高度控制能容許一更有效的方向性固化，而提供一高純度的矽。在本發明中，該方向性結晶化會大約由底部前進至頂部，故所需的溫度梯度會在底部具有一較低溫度且在頂部有一較高溫度。在具有一頂加熱器的實施 例中，該頂加熱器是一種由該方向性固化模的頂部來控制熱的加入或喪失的方式。
圖5示出一使用類似上述之模200和頂加熱器300等實施例的模550及頂加熱器554之方向性固化的熱模型。有一量的矽係被示出裝在該模550內，該矽具有一液體部份502，一固體部份504，及一液體與固體部份506較好如上所述地在該模550中向上前進。
圖5中的圖510示出該矽進入一方向性固化操作2小時。圖5中的圖520示出該矽進入該方向性固化操作7小時。該液體與固體介面506係被示出向上前進至該液體部份502中，圖5的圖530示出該矽進入該方向性固化操作15小時。該液體與固體介面506仍然向上前進至該液體部份502中，且該液體部份502之一頂面508仍妥當地呈一液態，在該處雜質能集中，且稍後被移除，例如可由所造成的錠塊鋸除，或在一適當量的時間之後掠除該液體部份502以容許該固體部份504之一塊體形成。
圖6示出一依據本發明之另一實施例的模600。該模600的頂視圖示出一壁結構601，包含長側壁602和短側壁604等。在一例中，該等長側壁602和短側壁604皆由熱絕緣材料形成，譬如一耐火材料。如在以上實施例中所述，該耐火材料包含氧化鋁，實質上呈Al2O3的形式。
許多個加熱元件606係被示出呈一構形，而被包含於一矩形頂加熱器中以在一方向性固化製程期間覆蓋該模600。在一例中，該矩形頂加熱器能以一類似於圖3和4中 所述之頂加熱器的方式來被使用。模600和對應的頂加熱器之構形具有一實質上呈矩形的形狀會具有一改良一方向性固化製程之效率及可標度性的優點。
加熱元件606可包含如在以上實施例中所述的碳化矽加熱元件。碳化矽包含所需的性質比如導電性和高耐熱性能阻抗加熱，而不會熔化或損壞該等加熱元件本身。加熱元件606通常係被製成直線狀片段。該加熱元件606之一普遍的直線尺寸包含2米長度。
實質上呈矩形的模可藉增加該等長側壁602的長度603來提供增加該模600之容量的能力。該等短側壁604的寬度605可保持在一標準尺寸(在所擇之例中例如為2米)，而額外的加熱元件606可被添加於該模及頂加熱器構造來適配增加的長度603。此構造會提供一容易的方法來擴大一製程規模，並能以減少的製造成本和時間來製成較大的矽塊。在一例中，一矩形模會提供一5~6米噸的單批容量，而一使用類似尺寸之加熱元件(如圖7中所示)的圓筒模會提供一大約1.4米噸的單批容量。
此外，該模600之實質上呈矩形的形狀會較佳地匹配該等加熱元件606的面積式樣。圓筒模設計具有一圓形頂面積會較困難覆以直線狀的加熱元件606。圖7示出間隙612等其會導致圓筒模610中的熔化矽之一表面之較不一致的熱控制。
此外，該模600之實質上矩形的形狀會提供可在該方向性固化製程中調整該錠塊與該模600之側壁接觸之 量的能力。在某些製程中，來自一模之側壁的污染會減低該錠塊的品質。一例包含一鋁污染物係來自一模的氧化鋁耐火壁。藉著使用一實質上矩形構形將該模600製得更長，則該錠塊能被製成與該模之一底具有增多的接觸，而與該模600的側壁有較少的接觸。在一例中，該模600之一底係由一材料製成，譬如碳化矽，其會對該矽的污染有一更低甚多或不存在的投注。
例如，一2米直徑的圓筒模會提供一π．(r2)=π．(d/2)2=π的表面積。因為壁接觸面積係直接相關於該熔化矽之一高度(h)，就一指定的矽體積而言(一圓筒模為π．h，一矩形模為x．y．h)，一實質上矩形模具有一表面積(x．y)大於或等於π者將會有一壁接觸面積，其係小於該圓筒模的壁接觸面積。就一具有一尺寸等於2米之實質上矩形模而言，一大於π/2米的第二尺寸會提供一比具有一等於2米之直徑的圓筒模更小的壁接觸面積。
圖8示出一依據本發明之另一實施例的模700。該模700的頂視圖示出一壁結構701，包含長側壁702和短側壁704等。在一例中，該等長側壁702和短側壁704皆由熱絕緣材料形成，譬如一耐火材料。如先前實施例中所述，在一例中，該耐火材料包含氧化鋁，實質上呈Al2O3的形式。許多個加熱元件706係被示出呈一構形能被包含於一矩形頂加熱器中用以在一方向性固化製程期間覆蓋該模700。圖8中的模在邊角708處包含一圓曲廓形。
在一例中，圓曲邊角的添加會提供邊角處的應力 集中之一減少。當在一方向性固化製程時，例如矽的熱膨脹和收縮之力能形變該模700。添加圓曲的邊角708會減少該模中的裂痕或其它損壞，其通常包含如先前實施例中所述的易碎耐火材料，譬如氧化鋁等。
圖9示出圖8的模700之一側視圖。除了該圓曲的邊角708之外，在一實施例中，該模700在該矩形的壁結構701與一底703的交會處包含一圓曲廓形710。在一例中，該模700之一高度707係約為40公分，而在該模700內之一錠塊高度為大約33公分。
圖10示出一依據本發明之一實施例的方向性固化系統800。一模801係由一壁結構802與一基底804所界定。該模801係可適於容裝一體積的熔化矽803，且能在一方向性固化製程中冷却該熔化矽803。該系統800亦包含一頂加熱器820用以控制該熔化矽801的熱梯度和冷却速率。該頂加熱器820係被示出具有多數個加熱元件822，類似於前述其它實施例中的頂加熱器。類似於前述之例，在一構形中該壁結構801包含一厚度會由該模801之一邊緣推拔斜縮至一與該底804的介面。
一支撐結構810係被示出將該模801固持於一地板表面812上方一距離處而界定一空間811。在一例中，一空氣流或其它冷却媒體會被控制於該空間811內來控制該模801之基底804處的冷却速率。在一例中，一或多個流道會被提供來移動該空間811內的空氣或其它冷却媒體。在圖8中，有一第一流道840及一第二流道842係被示出。雖有二 流道(例如入口和出口)被使用於所擇之例中，但其它之例可包含多於二個流道，或只有一個流道。單一流道可同時作為一入口和一出口。
圖10亦包含一循環裝置838，譬如一風扇或其它的空氣或其它冷却媒體的作動驅移器。又在圖10中亦示出一第一閥830與一第二閥834。該第一閥係可沿方向831移動來調整一空間832，並提供至該模801底下的空間811之計量通路。同樣地，該第二閥834係可沿方向835移動來調整一空間836，並提供至該模801底下的空間811之計量通路。在操作時，一或多個閥比如閥830和834會被移動以改變該空間811內的循環及冷却狀況。在一例中，該循環裝置838之一速率亦可隨著該一或多個閥比如閥830和834而被改變。
在一例中，多數個冷却結構物(例如突片等)會被設於該空間811內並耦接於該模801的基底804。該等冷却結構物會增加由該模的基底804將熱導除的能力。但是，若該空間811被閥830和834等封閉，則在該基底804處將會發生較少的冷却。
在一例中，一金屬散熱層806更被包含於該基底804內。在一例中，該基底804包含一碳化矽層用以與該熔化矽803接觸，且該金屬散熱層806係被設成與該熔化矽803分開。在操作時，一金屬散熱層806，譬如一鋼層，會比碳化矽更快地導熱，而被包含來加強該基底804處的冷却過程。在一例中，該金屬板散熱層806包含一大約3公分厚的層。一厚金屬散熱層806會提供一良好的路徑來由該基底 804導除熱，並以一所需的固化廓形來促進方向性固化，譬如圖5中的舉例廓形。
如圖10中所示，在一例中該等閥830和834包含絕緣壁等會覆蓋該模801之壁802，並選擇地蓋住通至該模801底下之空間811的通路。鄰近於該模801之壁802的添加覆蓋會進一步絕緣在對抵該等壁802之區域中的熔化矽，並防止該等壁區於該基底804處固化之前的不當固化。在一例中，該等閥830和834的絕緣壁亦會覆蓋一介於該模801與該頂加熱器820之間的介面824。此構造會提供對抗此介面824處之熱損失的額外保護。閥的材料之例包括耐火材料或其它熱絕緣材料，譬如在先前實施例中所述者。
在操作時，該等閥830和834能被以許多方法來控制。在一例中，該等閥830和834會提供一可調的空間832、804，其係在該方向性固化製程時被一次設定。在一實施例中，一或多個閥830和834會被設定以一連續速率朝方向831、835移動來漸進地開啟該等流道840、842。該等閥830和834的移動可被設成各閥皆為相同速率，或該等閥可以不同速率操作。該等閥830和834的速率可為線性的，或該速率可在該方向性固化製程期間改變。
藉著使用可變裝置，譬如該循環裝置838，該等閥830和834，該頂加熱器820，該推拔式壁結構802，該金屬散熱器806，及突片808等，該熔化矽803的冷却速率和廓形可被精確地控制。冷却的速率和廓形之控制會提供許多優點，譬如增加的雜質分離效率。使用上述的構造和方法， 矽能被以較少的方向性固化步驟來處理，且較大批的矽能被處理並以一較快的處理速率來製成具有較高純度的較大錠塊。
圖11示出一系統900包含一模902及一可移除的散熱器910。該模902包含一邊緣906及一底906。在某些方向性固化操作中，該模902所經歷的大熱梯度會使被設在該模902之一底上的散熱結構物造成扭曲和損壞。假使一具有一體之散熱器的扭曲之模須要修理，則該整個模在被修理時必須被取出先產線外。在11圖所示的構造例中，一扭曲或受損的可移除散熱器910能被移除以供修理，且一備用的可移除散熱器910能被迅速地附裝，俾當該扭曲或受損的可移除散熱器910在修理時，能保持該模902可用於生產。
在該可移除散熱器910的底視圖中。在一例中，多數個冷却突片914會被包含。在一例中，一傳輸系統，譬如用於叉式堆高機的槽孔，或其它的傳輸系統會被包含於該可移除散熱器910上。附接點912等可被用來將該可移除散熱器910耦接於該模902的底906。耦接方法之例包括使用閂鎖，固緊硬體，或其它的固緊系統。固緊硬體之例包括但不限於：螺栓、螺絲、螺帽、鉚釘或其它適當的固緊物，而該可移除散熱器910係可由該模的底906分開地移除。在一例中，一犧牲式固緊物譬如鉚釘會被使用，其中該可移除散熱器910會藉切斷或毀壞該犧牲式固緊物而被移除，且新的犧牲式固緊物會被用來再附裝該可移除散熱器910。使用一犧牲式固緊物的構造會比一焊接的一體散熱器更容易 移除，而能確保將該可移除散熱器910固定於該模902的底906。
除了能夠迅速地更換一扭曲或損壞的可移除散熱器910之外，因該可移除散熱器910係只在一所擇數目的附接點912處附接於該模902，故該可移除散熱器910在熱應變下容許有一定的自由脹縮量，而獨立於該模902，其會減少扭曲的造成。在所擇之例中，該等接點912包含槽隙狀或超尺寸的開孔，其容許該可移除散熱器910在固緊物(閂鎖、固緊硬體等)的周圍有增多的移動自由能獨立於該模902來膨脹和收縮。
許多不同形狀的可移除散熱器910和模902係在本發明的範圍內。例如，一實質上圓筒狀模及對應的散熱器可被使用。在另一例中，一矩形的可移除散熱器可被耦接於一矩形模，類似於前述之模600、700或801。
雖有許多本主題內容的實施例已被描述，但上述實施例並非意要成為排它的。精習於該技術者將會瞭解任何構製成能使用方向性固化技術來達到矽的純化，而能遍及一模保持一固液介面的一致前進之措施皆能被替代用於所示的特定實施例。上述實施例的組合，及其它實施例等，將可為精習於該技術者研讀以上說明後輕易得知。本申請案係欲予涵蓋本主題內容的任何修正或變化。應請瞭解以上描述係意要作為舉例說明而非限制性的。
100‧‧‧模系統
101‧‧‧鏈條
102‧‧‧孔
103，112‧‧‧垂直結構件
104，113‧‧‧水平結構件
105‧‧‧唇緣
106‧‧‧屏罩盒
110，300，554，820‧‧‧頂加熱器
111，316‧‧‧絕緣體
114，115‧‧‧底結構件
120，200，550，600，700，801，902‧‧‧模
201‧‧‧側壁
202‧‧‧底板
210‧‧‧外套
212‧‧‧底部材料
220‧‧‧壁絕緣結構
222‧‧‧邊緣
224‧‧‧第一厚度
226‧‧‧底部介面
228‧‧‧第二厚度
230‧‧‧曝露層
231‧‧‧頂面
232‧‧‧耐火磚層
234‧‧‧第二陶瓷纖維層
236‧‧‧微孔耐火層
238‧‧‧陶瓷纖維層
240‧‧‧邊角
242‧‧‧厚度
302‧‧‧通風孔
304‧‧‧外套
310‧‧‧加熱構件
312，314‧‧‧距離
502‧‧‧液體部份
504‧‧‧固體部份
506‧‧‧液體與固體介面
508‧‧‧液體頂面
510，520，530‧‧‧各圖
601，701，802‧‧‧壁結構
602，702‧‧‧長側壁
603‧‧‧長度
604，704‧‧‧短側壁
605‧‧‧寬度
606，706‧‧‧加熱元件
610‧‧‧圓筒模
612‧‧‧間隙
703，906‧‧‧底
707‧‧‧高度
708‧‧‧邊角
710‧‧‧圓曲廓形
800，900‧‧‧方向性固化系統
803‧‧‧熔化矽
804‧‧‧基底
806‧‧‧金屬散熱層
808，914‧‧‧突片
810‧‧‧支撐結構
811，823，836‧‧‧空間
812‧‧‧地板表面
822‧‧‧加熱元件
824‧‧‧介面
830，834‧‧‧閥
831，835‧‧‧移動方向
838‧‧‧循環裝置
840，842‧‧‧流道
904‧‧‧邊緣
910‧‧‧可移除的散熱器
912‧‧‧附接點
圖1示出一依據本發明之至少一實施例的系統之一立 體圖。
圖2示出一依據本發明之至少一實施例的模之一截面圖。
圖3示出一依據本發明之至少一實施例的加熱器之一頂視圖。
圖4示出一依據本發明之至少一實施例的加熱器之一側視圖。
圖5示出一系列使用一依據本發明之至少一實施例的模之矽的模製冷却廓形。
圖6示出一依據本發明之至少一實施例的矩形系統一頂視圖。
圖7示出一依據本發明之至少一實施例的圓筒狀系統之一頂視圖。
圖8示出一依據本發明之至少一實施例的矩形系統之一頂視圖。
圖9示出圖8的系統之一側視圖。
圖10示出一依據本發明之至少一實施例的系統之一側視圖。
圖11示出一依據本發明之至少一實施例的系統。
200‧‧‧模
201‧‧‧側壁
202‧‧‧底板
210‧‧‧外套
212‧‧‧底部材料
220‧‧‧壁絕緣結構
222‧‧‧邊緣
224‧‧‧第一厚度
226‧‧‧底部介面
228‧‧‧第二厚度
230‧‧‧曝露層
231‧‧‧頂面
232‧‧‧耐火磚層
234‧‧‧第二陶瓷纖維層
236‧‧‧微孔耐火層
238‧‧‧陶瓷纖維層
240‧‧‧邊角
242‧‧‧厚度

Claims (12)

  1. 一種用於方向性固化的系統，包含：一整體的模，含有：一外套；一基底襯墊著該外套之一底部，該基底包含一導熱材料；及一壁絕緣結構襯墊著該外套之一壁，該壁絕緣結構的厚度會由該整體模之一具有一第一厚度的邊緣推拔斜縮至該模之一底部，其具有一第二厚度係比該第一厚度更薄。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該壁絕緣結構的厚度會由該整體模之該邊緣推拔斜縮至一與該基底的底部介面。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該第二厚度係比該第一厚度更薄大約25%。
  4. 如以上申請專利範圍之任一項的系統，其中該整體模為一實質上矩形的壁結構，包含：一長邊和一短邊；一導熱基底，耦接於該實質上矩形的壁結構；其中該實質上矩形的壁係定寸成能為一指定量的熔化矽提供一壁接觸面積，其係小於一圓筒狀模的壁接觸面積，該圓筒狀模具有一直徑實質上等於該矩形模之短邊的長度。
  5. 一種用於矽之方向性固化的系統，包含： 一模用以容裝一體積的熔化矽，包含一第一熱絕緣壁結構，及一導熱基底；一頂加熱器；一第二熱絕緣壁結構相隔於該第一熱絕緣壁結構外部，且實質上覆蓋該模與該頂加熱器間之一介面；一支撐結構將該模隔開於一地板表面上方，且在該模與該地板間界定一空間；一或多個流道用以移動該空間內的空氣；及一或多個閥係藉上下移動該第二可動熱絕緣壁所形成，用以調整一通過該一或多個流道的流量。
  6. 如申請專利範圍第5項之系統，更包含一頂加熱器。
  7. 如申請專利範圍第6項之系統，更包含一風扇用以移動該空間內的空氣。
  8. 如申請專利範圍第7項之系統，更包含許多個冷却突片熱耦接於該空間內的導熱基底。
  9. 如申請專利範圍第8項之系統，其中該導熱基底包含一金屬散熱層耦接於該多個冷却突片。
  10. 一種方向性固化系統，包含：一整體的模，包含：一外套；一基底襯墊著該外套之一底部，該基底包含一導熱材料；一壁絕緣結構襯墊著該外套之一壁，其中該壁絕緣結構的厚度會由該模之一具有一第一厚度的邊緣 推抜斜縮至一與該基底的底部介面，其具有一第二厚度係比該第一厚度更薄；其中該模的形狀為矩形，有一壁係定寸成能為一指定量的熔化矽提供一壁接觸面積，其係小於一圓筒狀模的壁接觸面積，該圓筒狀模具有一直徑實質上等於該矩形模之短邊的長度；一可移除的頂加熱器；一第二熱絕緣壁結構相隔於該壁絕緣結構外部，且實質上覆蓋該模與該可移除的頂加熱器間之一介面；一支撐結構將該模隔開於一地板表面上方，且在該模與該地板間界定一空間；一或多個流道用以移動該空間內的空氣；及一或多個閥用以調整一通過該一或多個流道的流量。
  11. 如申請專利範圍第10項之系統，其中該模的基底包含一金屬散熱層耦接於許多個冷却突片，它們會伸入該模與該地板之間的空間內。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中金屬散熱層和冷却突片等係可移除的。
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