TW201447056A

TW201447056A - 定向凝固系統及方法

Info

Publication number: TW201447056A
Application number: TW103107739A
Authority: TW
Inventors: Abdallah Nouri; Alain Turenne
Original assignee: Silicor Materials Inc
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-12-16
Also published as: WO2014140901A2; KR102184571B1; CN105229206A; WO2014140901A3; KR20160026836A; US20160032482A1; JP2016513616A; US9663872B2; TWI643983B; EP2971272A2; JP6396931B2; CN105229206B; BR112015022715A2

Abstract

本發明係有關於一種使用快速定向凝固而用於純化材料的設備及方法。所示之設備及方法提供在定向凝固期間對溫度梯度以及冷卻速率之控制，從而獲得較高純度之材料。本發明之設備及方法可用以製造用於如太陽能電池之太陽能應用的矽材料。

Description

定向凝固系統及方法

【0001】

太陽能電池可以藉由應用其能力將日光轉換成電能而作為可用能源。矽為半導體材料及用於太陽能電池之製造的原始進料；電池的電性能，亦即轉換效率係主要取決於矽之純度。已有許多用於純化矽的技術。最廣為人知的技術稱為「西門子法(Siemens process)」。此技術幾乎可除去所有存在於矽中的任一雜質。然而，此技術需要將矽生產成氣態並重新沉積成固態以除去雜質。本專利所述之技術可非常有效地藉由將矽融化成液態並使用稱為「定向凝固」之技術將矽凝固而除去雜質。雖然此技術已廣為人所習知，本發明著重在以可大幅減少此製程所需經費之創新方式使用定向凝固。

【0002】

為製造用於太陽能電池之純矽晶的技術已為習知。這些技術大部分是根據自熔融矽溶液凝固矽晶時非期望雜質會殘留在熔融溶液中之原則而運作。第一實例技術，懸浮區技術，可使用移動液體以促使雜質朝向模具邊緣而除去以製造單晶矽錠。另一實例技術，切克勞斯基技術(Czochralski technique)，可使用緩慢地拉出熔融溶液之晶種以製造單晶矽錠，使矽之單晶柱形成而留下雜質於溶液中。進一步之實例技術，諸如布里奇曼法(Bridgeman)或熱交換技術，可使用以藉由控制冷卻速率產生溫度梯度而製造多晶矽錠，即為定向凝固。

100、500、600．．．系統

101．．．鏈

102．．．孔

103、112．．．垂直結構元件

104、113．．．水平結構元件

105．．．凸緣

106．．．屏蔽箱

110、300、520．．．上加熱器

111．．．隔熱體

120、200、501、602．．．模具

114、115．．．底部結構元件

502．．．側壁

202、512．．．層板

210．．．外部模具套

212、226、606．．．底部

214．．．含石墨層

216．．．碳化矽層

220．．．側壁隔熱結構

222、604．．．邊框

224．．．第一厚度

228．．．第二厚度

230．．．外露層

231．．．上表面

232．．．耐火磚

234．．．第二陶瓷纖維層

236．．．微孔耐火層

238．．．第一陶瓷纖維層

240．．．角落

242．．．厚度

302．．．通風孔

304．．．外部套

310．．．加熱元件

522．．．加熱部件

312、314．．．距離

503．．．熔融矽

504．．．基座

506．．．金屬傳熱層

508、614．．．鰭片

510．．．支撐結構

511、532．．．空間

524．．．界面

530、534．．．隔板

531、535．．．方向

538．．．循環裝置

540．．．通道

550．．．空氣循環系統

610．．．傳熱器

612．．．連接點

【0003】

在圖式中，許多視圖之相似參考符號可被用以描述相似元件。具有不同字母後綴的相似參考符號可被用以表示相似元件之不同視圖。圖式一般係利用舉例性方式而非以限制性方式說明本說明書中討論之各種實施例，。

【0004】

第1圖係顯示根據本發明之至少一實施例之系統的等角視圖。

【0005】

第2圖係顯示根據本發明之至少一實施例之模具的剖面圖。

【0006】

第3圖係顯示根據本發明之至少一實施例之加熱器的俯視圖。

【0007】

第4圖係顯示根據本發明之至少一實施例之加熱器的側視圖。

【0008】

第5圖係顯示根據本發明之至少一實施例之系統的側視圖。

【0009】

第6圖係顯示根據本發明之至少一實施例之模具的側視圖。

【0010】

第7圖係顯示根據本發明之至少一實施例之模具之基座部分之等角視圖。

【0011】

在以下實施方式中參考附圖圖式。圖式形成部分敘述內容並提供為說明方式，而非為限制性。所繪示之實施例係詳加闡述足以使所屬領域之通常知識者據以實施本發明標的。可應用其他實施例並可進行機械、結構或材料之改變而不背離本專利說明書之範疇。

【0012】

將詳細參考所揭露標的之特定實施例，其中一些係繪示於附圖中。雖然所揭露標的將大部分搭配附圖而描述，其應將理解為這樣的描述不意在限制所揭露之標的於那些圖式。相反地，所揭露標的係意在包含所有替代、修改及等效變更，其可包含於由發明申請專利範圍定義之所揭露之標的之範疇內。

【0013】

在說明書中之參考「實施例」、「實例」或「例示性實施例」等表示所述實施例可包含具體特徵、結構或性質，但所有實施例可不必包含該具體特徵、結構或性質。另外，該詞彙不必用以指相同實施例。進一步地，當具體特徵、結構或性質被描述相關於實施例時，所屬領域之通常知識者明瞭可提交作用這樣的特徵、結構或性質搭配其他實施例，無論是否有明確地描述。

【0014】

在本說明書中，詞彙「一(a)」或「一(an)」係被用作包含一個或多個且詞彙「或」係用以指稱非排他性之「或」，除非另有指示。另外，應被理解為本說明書所採用且未另外定義的措辭或詞彙，係僅用以描述性之目的而非為限制性者。

【0015】

本標的是有關於一種模具、模具系統及使用定向凝固技術以純化矽的相關方法，而在整個模具中維持其固液界面的一致進展。由定向凝固所獲得之純化矽可被用於太陽能電池。已發現藉由控制模具內的溫度梯度，可實現高度可控制之定向凝固。雖然以下實施例大部分詳細描述對矽之凝固法，所述系統及方法也可被用於定向凝固其他如藍寶石(sapphire)材料之純化。

【0016】

定向凝固一般從底部進行至頂部，因此期望的溫度梯度在底部具有較低溫而在頂部具有較高溫。高度控制溫度梯度及對應之定向凝固可具優勢地以較具效率之定向凝固獲得高純度矽。

【0017】

第1圖係顯示用於矽之定向凝固之模具系統100之特定實施例的示意圖。該系統可包含位於模具120之上或接近上部分之上加熱器110。上加熱器110可藉由一或多個鏈101而支撐，鏈101係於第一端點銜接垂直結構元件103之孔102。本實施例中的鏈101形成吊索(bridle)，使上加熱器110藉由使用起重機或其他升降系統而移動。舉例而言，也可在留置上加熱器110在模具120上方時藉由將模具120放置於堆高機或剪式升降機而移動系統100。屏蔽箱106可封住上加熱器110之突出於外模具套的加熱元件之端點上，保護使用者於這些元件內部及靠近端點處所產生的熱能及電能。

【0018】

垂直結構元件103可從上加熱器110之底部邊緣延伸到上加熱器110之頂部邊緣。垂直結構元件103可位於上加熱器110的外模具套之外表面上並可沿著垂直於外表面之方向而朝外延伸。上加熱器也可包含水平結構元件104位於上加熱器110的外模具套之外表面上並可沿著垂直於外表面之方向而朝外延伸。

【0019】

上加熱器110可包含形成加熱器的外模具套之一部分的凸緣105。凸緣可突出於外模具套並可朝上加熱器110之中心軸而向內延伸，使得凸緣覆蓋任何隔熱體之厚度。另外，凸緣105僅可朝內延伸，足以覆蓋上加熱器110的外模具套之底部邊緣。

【0020】

在第1圖描述的實施例中，模具120之隔熱體111可延伸於上加熱器110與模具120之間。在各種實施例中，模具120之一或多個隔熱體111的至少一部分可延伸於模具的外部套之高度上。相似於上加熱器110，模具120可包含垂直結構元件112。垂直結構元件112可位於模具120的外部套之外表面上並可沿著垂直於外表面的方向朝外延伸。垂直結構元件112可從模具120之底部邊緣延伸到模具120之頂部邊緣。模具120也可包含一或多個水平結構元件113。水平結構元件113係顯示於模具120之外部套之外表面上，從外模具套朝外延伸。水平結構元件113可水平地圍繞圓柱模具120之圓周或沿著非圓柱模具之一或多側而延伸。模具120也可包含縱橫交錯的底部結構元件114、115。底部結構元件114、115可延伸越過模具120的底部。一些底部結構元件115可調整形狀及調整大小，以允許堆高機或剪式升降機或其他機器物理性地操控(例如移動)系統100。

【0021】

第2圖係顯示根據本發明之實施例之模具200的示意圖。模具200包含含有側壁201及層板202之外部模具套210，外部模具套210封住底部212及側壁隔熱結構220。在一實施例中，側壁201及層板202為一體成形的。在另一實施例中，側壁201及層板202為用螺栓固定的，或著另外機械性地連接在一起以形成外模具套210。

【0022】

模具200定義模具200中的內部部分201以容納一定量之熔融矽。在一實施例中，側壁隔熱結構220為包含一些位於彼此相鄰處之不同材料的複合式結構。複合式側壁隔熱結構220之優點包含能夠藉由選擇複合式結構之單一成分之材料及幾何形狀以控制熱梯度。複合式側壁隔熱結構220之另一優點包含能夠減少模具之成本。在熔融矽將接觸的顯露表面上使用較高成本的高耐熱性材料，在遠離熔融矽進展處層疊較低成本之低耐熱性材料而作為複合式結構。

【0023】

在一實施例中，側壁隔熱結構220厚度從具有第一厚度224之模具200之邊框222漸縮而到具有薄於第一厚度224的第二厚度228之底部212之底部226之表面。在一實施例中，第二厚度約較第一厚度薄了25%。在操作中，側壁隔熱結構220之錐狀在定向凝固期間的矽中提供給予期望固液界面之進展的熱梯度。在一實施例中，當較少的隔熱體設置於接近底部212之底部界面時，側壁隔熱結構220之錐狀提供較多隔熱體於熔融體之頂部附近以使熔融體之表面維持為液態，以促使模具200之底部冷卻。

【0024】

在一實施例中，側壁隔熱結構220包含外露層230，其將在定向凝固作業中直接接觸熔融矽。在一實施例中，外露層230實質上係為連續的(與此相反則為組裝之磚層等)以容納熔融矽。具有良好熱性質的材料包含形式如Al₂O₃之氧化鋁。在一實施例中，氧化鋁實質上係為純Al₂O₃，其將從外露層230到熔融矽中之雜質最少化。在一實施例中，Al₂O₃係為大於98%的純Al₂O₃。在一實施例中，外露層230包覆側壁隔熱結構220之上表面231。此結構之特徵包含對在側壁隔熱結構220之不具有如同外露層230對於溫度之高耐熱性之內部結構或層的保護。此結構之另一特徵包含將熔融矽隔絕於存在於側壁隔熱結構220中之其他層之潛在汙染物。

【0025】

在一實施例中，側壁隔熱結構220更包含以外露層230形成界面之耐火磚232的層。在一實施例中，耐火磚232之層包含Al₂O₃。耐火磚232可提供給側壁隔熱結構220期望的結構特性諸如硬度。在一實施例中，耐火磚232之層包含額定溫度至1540℃或以下的磚。在一實施例中，耐火磚232之層包含額定溫度至1430℃或以下的磚。在耐火磚232的選擇中，需考量一些組合性質，如為熔融矽之期望梯度之所需厚度及耐熱性，以及其他性質諸如成本、強度及韌度。

【0026】

在一實施例中，側壁隔熱結構220進一步包含微孔耐火層236。在一實施例中，微孔耐火層236係額定至1000℃或以下。在微孔耐火層236中的孔隙提供良好的隔熱性。所選擇的陶瓷纖維隔熱體之實施例層係進一步包含於所選擇層之間。在一實施例中，第一陶瓷纖維層238係包含於外部模具套210與微孔耐火層236之間。在一實施例中，第二陶瓷纖維層234係包含於微孔耐火層236與耐火磚232之層間。陶瓷纖維層之實施例包含平板(boards)、可撓性布料或其他結構物。

【0027】

在一實施例中，側壁隔熱結構220的一或多個層從側壁隔熱結構220之邊框222漸縮到其中側壁隔熱結構220形成底部212之界面的側壁隔熱結構220之底部226之處。在第2圖顯示之一實施例中，在微孔耐火層236維持在一致的厚度242時，外露層230與耐火磚232之層二者從邊框222漸縮至底部226。在一實施例中，微孔耐火層236沿著外部模具套210而維持在一致的厚度242，並且亦圍繞至少一部分之外部模具套210之底部之角落240。此結構提供矽之冷卻速率之精確控制。

【0028】

在一實施例中，底部212包含一或多個熱傳導層。在第2圖所示之實施例中，顯示二熱傳導層。顯示含石墨層214以及顯示碳化矽層216。如碳化矽及石墨之材料擁有期望的高熱傳導及高耐熱之性質。在所示實施例中，底部212從熔融矽將熱能傳導到模具200之底部之外，而不會使其本身融化，或汙染到矽。雖然僅顯示二層之含石墨層214、碳化矽層216，其他實施例可包含二個以上的層，或僅有一層。

【0029】

在一實施例中，含石墨層214包含半石墨，雖然本發明不限於此。在一實施例中，含石墨層214包含緻密石墨。含石墨層214包含雙緻密石墨。在一實施例中，含石墨層214係使用一些石墨磚組合成一層而形成。其他實施例包含一連續石墨薄板或澆鑄石墨層。在一實施例中，含石墨層214之厚度係在大約1至2吋之間。在一實施例中，含石墨層214之厚度大約為2吋。

【0030】

在一實施例中，碳化矽層216使用一些碳化矽磚組合成一層而形成。在一實施例中，碳化矽層216為連續碳化矽薄板。在一實施例中，碳化矽層216係以澆鑄代之。在一實施例中，碳化矽層216之厚度在大約2至3吋之間。在一實施例中，碳化矽層216之厚度為大約2.5吋。在一實施例中，碳化矽層216包含大約具80%重量之澆鑄碳化矽於耐火黏合材料。

【0031】

在第2圖所示之實施例中，碳化矽層216形成於含石墨層214上方。在此結構中，碳化矽層216可提供可包含在後續層如含石墨層214中的潛在雜質之屏障。

【0032】

在第2圖所示的實施例中，含石墨層214位在相鄰於外部模具套210之底部處。在此結構中，含石墨層214可提供外部模具套210以及位於外部模具套210上的冷卻鰭片增加之熱傳導性，如下方較詳細之描述。在一實施例中，描述於本說明書所揭露之模具及模具系統之結構係能夠以大約每小時1至2公分之速率移動凝固界面。在一實施例中，描述於本說明書所揭露之模具及模具系統之結構係能夠以約每小時10公分以上之速率移動凝固界面。

【0033】

當凝固化如期望地從模具之底部朝頂部進行時，第3圖顯示可進一步促使矽之上表面融化成液態的上加熱器300。上加熱器300可包含一或多個加熱元件310。各一或多個加熱元件可單獨包含任一合適材料。舉例而言，各一或多個加熱元件310可單獨包含加熱部件，該加熱部件可包含碳化矽、二矽化鉬、石墨、銅或以上組合；並且，各一或多個加熱元件可另外單獨包含感應加熱器。在一實施例中，一或多個加熱元件310係位在大約相同高度。在另一實施例中，一或多個加熱元件係在不同高度。

【0034】

在一實施例中，上加熱器300包含12個加熱元件310。在一實施例中，12個加熱元件310係以大約相同距離312而間隔放置。在一實施例中，距離312大約為54吋。諸如加熱元件之位置及加熱元件之數量的變數對於在過程中產生於矽中的熱梯度而言是很重要的。熱梯度中的微小改變可能導致非期望之定向凝固過程期間之矽的部分固液界面之發展。舉例來說，不期望具有熔融矽表面固化並限制(trap)晶錠內之熔融內部。矽受限制之熔融部分可能包含非期望程度之雜質，其不利地影響了所生成之矽材料之性能。

【0035】

除了一些加熱元件310及側向間隔之加熱元件310外，在一實施例中，一些加熱元件310係位於熔融體之表面上大約1.9吋之距離314處。在一實施例中，加熱元件310之直徑大約為2吋。如所選之該些加熱元件310及側向間隔加熱元件310，所選擇之維度如加熱元件310之直徑以及熔融體之表面上方之距離已揭露於本發明中，以提供期望之定向凝固過程期間之矽的部分固液界面之發展。

【0036】

在一實施例中，通風孔302被提供於上加熱器300以除去諸如從加熱元件310及熔融矽之表面產生的氧氣之氣體。在一實施例中，真空泵(未顯示)係耦接到通風孔302以通過通風孔302除去不要的氣體。在一實施例中，僅有一個直徑大小約在1至2吋之間的通風孔302被使用在上加熱器300中。在一實施例中，單一通風孔302之直徑大約為1吋。其已被揭露出如合適大小之單一通風孔之變數有效率地除去不期望的氣體而不會導致不要的熔融矽之表面之冷卻。

【0037】

在一實施例中，加熱部件包含具有特定優點之碳化矽。舉例而言，碳化矽加熱部件在高溫及存在氧氣之環境中不會被腐蝕。可藉由使用真空腔體而減少內含可腐蝕材料之加熱部件的氧腐蝕，但碳化矽加熱部件不用真空腔體即可避免被腐蝕。另外，碳化矽加熱部件不需具有多個工作區的水冷卻管線即可使用，諸如在加熱部件之邊緣之冷卻區、以及在中心之加熱區。在一實施例中，使用加熱部件於真空腔體中，具水冷卻管線，或二者兼備。在另一實施例中，可使用加熱部件而不需真空腔體，不需水冷卻管線，或二者皆不需要。

【0038】

在一實施例中，一或多個加熱元件310為感應加熱器。感應加熱器可被澆鑄進一或多個耐火材料中。含有感應加熱圈的耐火材料接著可位於模具上方。耐火材料可為任何一合適材料。舉例而言，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、石墨或以上組合。在另一實施例中，感應加熱器不被澆鑄進一或多個耐火材料。

【0039】

上加熱器可包含隔熱體，舉例而言，第4圖中所示之上加熱器300包含隔熱體316。隔熱體可內含任何合適隔熱材料。隔熱體可內含一或多個隔熱材料。舉例而言，隔熱體可內含隔熱磚、耐火材料、耐火材料之混合物、隔熱板、陶瓷紙、耐高溫毛織品、澆鑄隔熱材料或以上混合物。隔熱板可包含耐高溫陶瓷板。在一實施例中，隔熱體316係澆鑄在加熱元件310周圍，使其更加堅固，並對熱衝擊具抗性以防止加熱元件310周圍的零件變形。合適的澆鑄材料包含摩根熱陶瓷(Morgan Thermal Ceramics)公司的KaoliteR 3300。

【0040】

上加熱器可包含外部套，舉例而言如第3圖中所示之上加熱器300包含外部套304。外部套可包含任何適合材料。舉例來說，外部套可包含鋼或不銹鋼。在另一實施例中，外部套包含鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料之混合物或其組合。隔熱體316至少一部份地設置於一或多個加熱元件及外部套之間。在第4圖中，外部套304之底部邊緣係顯示為大約平均於隔熱體之底部邊緣。

【0041】

上加熱器之變數可在本發明之範疇內。舉例而言，外部套304之邊緣可延伸到隔熱體316及一或多個加熱元件310之邊緣以下。在另一實施例中，外部套304之邊緣可延伸到隔熱體316之邊緣以下，到一或多個加熱元件以下，或其組合。在一實施例中，外部套304可延伸到隔熱體316之底部邊緣以下並連續越過而整體或部分覆蓋隔熱體之底部邊緣。在一些實施例中，覆蓋隔熱體之邊緣的部分之外部套304可包含具相對低傳導性的材料，如合適的耐火材料，諸如氧化鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化矽、石墨或以上組合。在另一實施例中，外部套304不會延伸到隔熱體之底部邊緣或一或多個加熱元件之高度以下。在另一實施例中，外部套304延伸到一或多個加熱元件310之高度以下，但仍在隔熱體316之底部邊緣上方。

【0042】

如上所述，藉由控制設備內的溫度梯度，可實現定向凝固的高度可控制性。高程度地可控制之溫度梯度及對應之定向凝固可允許較具效率的定向凝固來提供高純度的矽。在本發明中，定向凝固大約從底部向上進行，因此期望的溫度梯度係在底部具有低溫並在頂部具有高溫。在具有上加熱器之實施例中，上加熱器為用於控制定向凝固模具之頂部之進入或散失熱之一種方法。

【0043】

第5圖顯示根據本發明之實施例之定向凝固系統500。模具501係由側壁結構502及基底504所定義。模具501適用於包含一定體積之熔融矽503，並在定向凝固過程中冷卻熔融矽503。系統500也包含上加熱器520以控制熔融矽503之熱梯度以及冷卻速率。上加熱器520顯示具一些加熱部件522，相似於上述其他實施例的上加熱器。

【0044】

支撐結構510顯示將模具501維持在層板512之表面以上一段距離以定義空間511。在一實施例中，空氣或其他冷卻媒介之流動被控制在空間511之內以控制模具501之基座504之冷卻速率。在一實施例中，提供一或多個流動通道以移動空間511內之空氣或其他冷卻媒介。在第5圖中，顯示流動通道540。雖然在所選實施例中使用二個流動通道，其他實施例包含二個以上的流動通道，或僅有一個流動通道。單一流動通道可同時做為入口及出口。

【0045】

第5圖也包含諸如風扇(fan)或其他主動式空氣或其他冷卻媒介之移動器的空氣循環系統550。在一實施例中，空氣循環系統550包含大約位於基座504之中心的水平風扇。同樣顯示在第5圖中的是第一隔板530及第二隔板534。第一隔板530可沿著方向531移動以調整空間532並提供數公尺的通道給模具501底部之空間511。相似地，第二隔板534可沿著方向535移動以調整空間536並提供數公尺的通道給模具501底部之空間511。在操作中，如隔板530及534之一或多個隔板被移動以改變空間511內的循環及冷卻狀況。在一實施例中，循環裝置538之速率也可隨著如隔板530及534之一或多個隔板而改變。

【0046】

在一實施例中，一些冷卻結構(例如風扇)位於空間511內並耦接到模具501之基底504。冷卻結構增加模具之基底504傳導出熱能之能力。然而，若空間511被隔板530及534封住，將在基底504將作用較少冷卻。

【0047】

在一實施例中，基座504包含如上實施例所述之含石墨層。在一實施例中，基座504包含一些熱傳導層。在一實施例中，基座504更包含如上述實施例之碳化矽層。

【0048】

在一實施例中，金屬傳熱層506更被包含於基座504。在一實施例中，金屬傳熱層506係位在間隔熔融矽503之處。在一實施例中，金屬傳熱層506之厚度係厚到足以防止因受加熱及冷卻之熱應力而彎曲，但又薄到足以提供良好的熱傳導性。在一實施例中，金屬傳熱層506包含厚度大約為0.75吋的層。

【0049】

在一實施例中，在基座504處之熱傳遞受限於所選擇的材料，其中與含石墨加熱層和僅具碳化矽基層的實施例相較而言，提供了提升之熱傳導性。

【0050】

如第5圖中所示，在一實施例中，隔板530及534包含覆蓋模具501之側壁502及選擇性地覆蓋模具501下之空間511之通道二者的隔熱壁。附加之鄰近於模具501之側壁502的覆蓋體進一步隔絕區域中的熔融矽503於側壁502並防止在基座504凝固前產生較少的期望凝固於側壁上。在一實施例中，隔板530及534之隔熱壁也覆蓋模具501與上加熱器520之間的界面524。此結構提供附加的保護以免熱散失於此界面524。隔板材料之實施例包含耐火材料或其他隔熱材料如那些上述實施例所提及的。

【0051】

在操作過程中，隔板530及534可藉由一些方法控制。在一實施例中，隔板530及534提供在定向凝固過程期間設定過之可調整空間532、504。在一實施例中，一或多個隔板530及534被設定以連續速率沿著方向531、535而移動以逐漸打開通道540、542。隔板530及534之移動可以各隔板具相同速率進行，或隔板可以不同速率運作。隔板530及534之速率可為線性的，或其速率可在定向凝固過程中改變。

【0052】

藉由使用如循環裝置538、隔板530及534、上加熱器520、錐狀結構側壁502、含石墨層、金屬傳熱器506及鰭片(fin)508之變數，熔融矽503之冷卻速率及曲線可被精確地控制。在一實施例中，如第5圖中所顯示的，鰭片508係放射地設置於基座504。當放射鰭片508與空氣循環系統550之水平風扇組合時，可相較其他風扇及鰭片布局提升熱傳導性。

【0053】

冷卻速率及曲線的控制提供一些優點，如提升的雜質分離效率。使用上述結構及方法，矽可以較少的定向凝固步驟處理，並可處理更大份量之矽以生產較高純度且具更快的生產速率之較大晶錠。

【0054】

第6圖顯示包含模具602及可拆卸傳熱器610的系統600。模具602包含邊框604及底部606。在一些定向凝固步驟中，由模具602所經歷之高熱梯度可能導致位於模具602之底部的傳熱結構之彎曲及損壞。若需要維修具整合傳熱器之彎曲模具，整個模具在維修時必須從作業中拿出。在第6圖中所顯示之一實施例中，彎曲的或損壞的可拆卸傳熱器610可為了維修而被拆除，並可將備用的可拆卸傳熱器610快速裝設上以在彎曲或損壞的可拆卸傳熱器610維修時仍可維持模具602正常於作業中運作。

【0055】

在第7圖中，可拆卸傳熱器610係以仰視圖顯示。在一實施例中，一些放射冷卻鰭片614被包含在內。在一實施例中，傳輸系統，如堆高機之插槽或其他傳輸系統係被包含在可拆卸傳熱器610內。連接點612可被用以耦接可拆卸傳熱器610到模具602之底部606。耦接方法之實施例包含使用插銷、固接硬體或其他固接系統。固接硬體之實施例包含但不限於，螺栓、螺桿、螺帽、鉚釘或其他合適的固接件，其中可使可拆卸傳熱器610係可分離地從模具之底部606拆除。在一實施例中，使用如鉚釘之消耗性固接件(sacrificial fastener)，其中可拆卸傳熱器610係藉由切割或其他破壞消耗性固接件的方法而拆除，並使用新的消耗性固接件以再次連接可拆卸傳熱器610。使用消耗性固接件的結構和整體焊接式傳熱器相比更易於拆除，且仍可確保可拆卸傳熱器610維持於模具602之底部606。

【0056】

除了能夠快速替換彎曲或損壞的可拆卸傳熱器610的能力外，因為可拆卸傳熱器610僅藉由所選數量之連接點612連接到模具602，可拆卸傳熱器610係獨立於模具602而允許在熱壓力下之特定程度之自由延伸以及自由收縮，其減少了彎曲的發生率。在所選擇的實施例中，連接點612包含插銷或過大開孔，其獨立於模具602而允許可拆卸傳熱器610附屬地在固接件(插銷、固接硬體等)周圍自由移動以延伸及收縮。

【0057】

為了較佳地說明模具、模具系統及在此所揭露之相關方法，現提供實施例之非限制性列表：

【0058】

實施例1包含用於定向凝固的系統，系統包含外部模具套、襯於外部模具套之側壁之至少一隔熱層、以及襯於外部模具套之底部之至少一傳熱層，其中至少一傳熱層包含含石墨層。

【0059】

實施例2包含實施例1之系統，其中至少一傳熱層包含相鄰於外部模具套的含石墨層以及形成外露表面以在使用時接觸熔融矽的碳化矽層。

【0060】

實施例3包含實施例1至2的其中任一項之系統，其中碳化矽層之厚度大約在2至3吋之間。

【0061】

實施例4包含實施例1至3的其中任一項之系統，其中碳化矽層包含澆鑄的碳化矽層。

【0062】

實施例5包含實施例1至4的其中任一項之系統，其中含石墨層之厚度係在大約1至2吋之間。

【0063】

實施例6包含實施例1至5的其中任一項之系統，其中外部模具套之底部包含鋼層大約0.76吋厚。

【0064】

實施例7包含實施例1至6的其中任一項之系統，其中含石墨層包含一些分離的石墨磚。

【0065】

實施例8包含實施例1至7的其中任一項之系統，其中含石墨層包含半石墨。

【0066】

實施例9包含用於定向凝固的系統，系統包含模具。模具包含外部模具套、襯於外部模具套之側壁之至少一隔熱層、以及襯於外部模具套之底部之至少一傳熱層，其中至少一傳熱層包含含石墨層。系統更包含於層板表面上方隔開模具並定義模具與層板之間的空間的支撐結構、以及用於在空間中之一或多個流動通道中移動空氣的空氣循環系統。

【0067】

實施例10包含實施例9之系統，其中空氣循環系統包含風扇。

【0068】

實施例11包含實施例9至10的其中任一項之系統，其中空氣循環系統包含位於空間內部的水平風扇。

【0069】

實施例12包含實施例9至11的其中任一項之系統，其進一步包含一或多個可調整隔板以控制空間內部之空氣流動。

【0070】

實施例13包含用於定向凝固之系統，其包含模具。模具包含外部模具套、襯於外部模具套之側壁之至少一隔熱層、以及襯於外部模具套之底部之至少一傳熱層，其中至少一傳熱層包含含石墨層、以及位於外部模具套之底部之外表面的放射鰭片式金屬熱交換器。該系統也包含於層板表面上方隔開模具並定義模具與層板之間的空間的支撐結構、以及用於在空間中之一或多個流動通道移動空氣的空氣循環系統。

【0071】

實施例14包含實施例13之系統，其中放射鰭片式金屬熱交換器包含鋼熱交換器。

【0072】

實施例15包含實施例13至14的其中任一項之系統，其中放射鰭片式金屬熱交換器係可拆卸的，並且與外部模具套分離。

【0073】

實施例16包含實施例13至15的其中任一項之系統，其進一步包含上加熱器。

【0074】

實施例17包含實施例13至16的其中任一項之系統，其中空氣循環系統包含位於空間內部的水平風扇。

【0075】

實施例18包含實施例13至17的其中任一項之系統，進一步包含一或多個可調整的隔板以控制空間內部之空氣流動。

【0076】

實施例19包含定向凝固之方法，包含放置一定量之熔融矽於模具中，模具包含外部模具套、襯於外部模具套之側壁之至少一隔熱層、以及襯於外部模具套之底部之至少一傳熱層，其中該至少一傳熱層包含含石墨層。該方法進一步包含在熱能被優先傳導到模具之底部外時定向凝固該熔融矽。

【0077】

實施例20包含實施例19之方法，其中定向凝固該熔融矽包含在大約每小時1至2公分之速率定向凝固熔融矽。

【0078】

實施例21包含實施例19至20的其中任一項之方法，其中定向凝固該熔融矽包含在大約每小時2至10公分之速率定向凝固熔融矽。

【0079】

模具、模具系統及相關方法之這些及其他實施例以及特徵將闡述於隨附實施方式的部分。此概觀係意在提供本發明標的之非限制性實施例，其並非意在提供排除性或全面性的解釋。以下之詳細描述係被包含以提供關於本模具、模具系統及方法之進一步的資訊。

【0080】

雖然本發明標的之一些實施例被揭露，上述實施例並非意在排除性。將被所屬領域之通常知識者解釋為在整體模具中保持固液界面之一致進展時使用定向凝固技術配置以達到純化矽的任何配置可取代所特定顯示之實施例。對所屬領域之通常知識者來說上述實施例以及其他實施例之組合將在研究上述實施方式下顯而易知。本說明書係意在包含任何對本發明標的之修改或變更。其應被理解為上述實施方式係意在為說明性而非限制性。

200．．．模具

202．．．層板