TW201936548A - 用於柴可斯基(Czochralski)晶體成長之合成加襯坩鍋組件 - Google Patents

用於柴可斯基(Czochralski)晶體成長之合成加襯坩鍋組件 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種製造具有殼體及襯裡之坩堝組件之方法。該方法包括使用一種澆鑄方法來形成該殼體。該殼體包括二氧化矽且具有內表面及外表面。該方法亦包括在該殼體之該內表面上形成該襯裡。該襯裡係由合成二氧化矽形成。

Description

用於柴可斯基(Czochralski)晶體成長之合成加襯坩鍋組件
本發明大體上係關於用於生產太陽能級或半導體材料之錠的系統及方法，且更特定言之，係關於包括用於此類系統及方法中之合成襯料的坩堝組件。
結晶矽太陽能電池當前貢獻光伏打(PV)模組總供應之大部分。在標準柴可斯基(Czochralski) (CZ)方法中，首先在諸如石英坩堝之坩堝中熔融多晶矽以形成矽熔融物。接著將預定定向之晶種降低以與熔融物接觸且緩慢抽出。藉由控制溫度，晶種熔融物界面處之矽熔融物固化至具有與晶種之定向相同定向的晶種上。使晶種接著自熔融物緩慢升起以形成成長晶體錠。在被稱作分批CZ (BCZ)之習知CZ方法中，在該方法開始時熔融使矽錠成長所需之全部量之裝料材料，自單一坩堝裝料拉製晶體以實質上耗乏坩堝，且接著丟棄石英坩堝。在一個爐循環中經濟地補給石英坩堝以用於多次拉製之另一方法為連續CZ (CCZ)。在CCZ中，隨著晶體成長，固體或液體原料被連續或定期地添加至熔融物中且因此使熔融物維持恆定體積。除了將坩堝成本攤在若干錠上之外，CCZ方法亦沿成長方向提供優良的晶體均一性。
由較低級別天然二氧化矽形成之澆鑄之二氧化矽坩堝一般不用於基於柴可斯基之方法(CZ、BCZ及CCZ方法)中，因為較低級別天然二氧化矽具有高的總雜質含量。相反地，澆鑄之坩堝或多二氧化矽澆鑄之坩堝由於較高的總雜質含量而通常被用於製造多結晶二氧化矽光伏打電池。較低級別天然二氧化矽之較高總雜質含量來自二氧化矽中天然存在之雜質且來自在澆鑄方法期間添加至二氧化矽中以使二氧化矽黏結成澆鑄之坩堝形式的雜質。澆鑄之坩堝之較高總雜質含量增加自坩堝至熔融物中以及至最終產物中的雜質貢獻。
相比而言，用於基於柴可斯基之方法(諸如電弧熔合之坩堝)中的坩堝係由較高級別、較昂貴的天然二氧化矽形成，該等坩堝相比於由較低級別天然二氧化矽形成之澆鑄的坩堝具有較低的總雜質含量。由此等坩堝形成之錠之雜質含量比由澆鑄之坩堝形成的錠低。因此，存在對用於基於柴可斯基之方法中之較低成本坩堝的需求，該坩堝降低來自坩堝之雜質貢獻。
另外，用於基於柴可斯基之方法中的已知坩堝遇到的問題為設計靈活性有限，且坩堝壽命有限。因此，存在對用於基於柴可斯基之方法之坩堝的需求，該坩堝具有改良之設計靈活性及改良之坩堝壽命，例如，以延長爐循環之長度。
此先前技術部分意欲向讀者介紹可能相關於本發明之各種態樣的各種態樣，在下文中描述及/或主張該等態樣。咸信此論述有助於為讀者提供背景資訊，以促進對本發明之各態樣的較佳理解。因此，應理解，此等陳述應鑒於此來閱讀，而非作為對先前技術之認可。
第一態樣為一種製造具有殼體及襯裡之坩堝組件之方法。該方法包括使用澆鑄方法來形成該殼體。該殼體包括二氧化矽且具有內表面及外表面。該方法亦包括在該殼體之該內表面上形成該襯裡。該襯裡係由合成二氧化矽形成。
另一態樣為一種用於使用柴可斯基方法來使晶體錠成長之坩堝組件。坩堝組件包括殼體及襯裡。殼體由二氧化矽形成且具有內表面及與內表面相對之外表面。襯裡係由合成二氧化矽形成且形成於殼體之內表面上。襯裡為熱噴塗之襯裡且該殼體為澆鑄之殼體。
存在關於上文所提及之態樣所提及之特徵的各種改進。亦可將進一步特徵同樣併入於上文所提及之態樣中。此等改進及額外特徵可單獨地或以任何組合存在。舉例而言，可將下文關於所說明之實施例中之任一者論述的各種特徵單獨地或以任何組合形式併入至上文所描述之態樣中之任一者中。
本申請案主張2017年12月29日申請之美國臨時專利申請案第62/611,758號之權益，該美國臨時專利申請案係以全文引用之方式併入本文中。
現參看圖1，一個實例實施例之坩堝組件100包括殼體110及安置於殼體110內之襯裡120，使得僅襯裡120接觸熔融物。殼體110係由相對較低級別天然二氧化矽使用澆鑄方法製得，且襯裡120係由相對較高級別天然或合成二氧化矽使用熱噴塗方法製得。較高級別天然或合成二氧化矽比較低級別天然二氧化矽貢獻少的雜質至熔融物，且比較低級別天然二氧化矽昂貴。相比於完全由較高級別天然或合成二氧化矽形成之坩堝組件，此提供降低之坩堝組件100之總成本，同時維持及/或改良熔融物之品質。
在實例坩堝組件100中，殼體110具有內表面122及外表面124且襯裡120亦具有內表面126及外表面128。襯裡120形成於殼體110之內表面122上，使得襯裡120之外表面128相符殼體110之內表面122。襯裡120係由超高純度天然砂粒或合成石英製成，而包括殼體110及外表面124之坩堝組件100之剩餘部分係由較低純度材料製成。熔融物材料熔融於由襯裡120界定之成長區130內且僅接觸襯裡120之內表面126。如此，襯裡120防止熔融物接觸殼體110內之較低純度材料且提高熔融物之品質。
殼體110及襯裡120為碗形且襯裡120熱噴塗於殼體110內。坩堝組件100具有在襯裡120之內表面126之間伸展的直徑132。在一些實施例中，直徑132為至少二十吋、小於四十吋、在二十四吋與三十二吋之間、在二十八吋與三十四吋之間或在三十吋與三十六吋之間。
圖1中所說明之坩堝組件100係由第一形成殼體110藉由澆鑄方法或非澆鑄方法形成。接著，襯裡120藉由熱噴塗方法形成於殼體110之內表面122上。澆鑄方法包括注漿成型方法及注膠成型方法且非澆鑄方法包括電弧熔合方法。在本發明實施例中，殼體110係由注漿成型方法形成。然而，在替代實施例中，可由注膠成型方法或電弧熔合方法形成殼體110。
在所說明之實施例中，殼體110適當地為注漿成型之殼體，但可為另一類型之澆鑄之殼體或坩堝。適用於形成澆鑄之坩堝的澆鑄方法通常包括將液體或半液體化合物傾入至模具中，且藉由自化合物移除水分來允許化合物固化。用以形成澆鑄之殼體110之化合物可包括例如且不限於陶瓷粉末，諸如二氧化矽粉末之含水漿料。用於形成澆鑄之坩堝之適合的澆鑄方法包括例如且不限於注漿成型及注膠成型。注漿成型包括使用已知為漿之陶瓷粉末(例如，二氧化矽)的含水漿料。可將陶瓷粉末與分散劑、黏合劑、水及/或其他組分混合。將漿及/或漿混合物(例如，漿料)傾入至模具中。舉例而言，模具適當地由熟石膏(例如，CaSO4 :2H2 O)製得。來自漿料之水開始藉由毛細作用(或藉助於真空乾燥)移出，且塊狀物沿模具壁構建。當達至乾燥之塊狀物之所需厚度時，將漿料之其餘部分自模具傾出。將陶瓷生坯接著自模具移出、乾燥且燃燒。燃燒方法包括在二氧化矽之情況下高溫下燒結或熔合。最終產物在室溫下係不透明的，但可視燒結條件及溫度而定而為透明。
在一替代性實施例中，殼體110係使用注膠成型方法或其他澆鑄方法製得。在注膠成型方法中，陶瓷粉末(例如，天然砂粒、合成石英或SiO2 )經研磨及/或與水、分散劑及膠凝有機單體混合。將混合物置放於部分真空下以自混合物移除空氣。此增加乾燥速率及/或減少注膠成型之產物中氣泡之形成。將催化劑(例如，聚合引發劑)添加至混合物中。聚合引發劑在混合物內開始膠凝化學反應。漿料混合物係藉由將混合物傾入至用於產生產物(例如，坩堝)之所需形狀之模具中來澆鑄。模具可由例如金屬、玻璃、塑膠、蠟或其他材料製得。凝膠係藉由在固化烘箱中加熱模具及漿料混合物而自漿料混合物產生。熱及催化劑致使混合物中之單體形成交聯聚合物，其捕集混合物中之水以使聚合物-水凝膠變大。凝膠黏結且固定凝膠內之陶瓷粒子。將陶瓷自模具移出。乾燥陶瓷。可機械加工乾燥之陶瓷以進一步使陶瓷成形。燒製陶瓷以燒掉陶瓷內之聚合物且燒結陶瓷粒子。在其他替代性實施例中，使用其他澆鑄、機械加工或生產方法以製得殼體110。
在另一替代實施例中，殼體110由非澆鑄方法形成。舉例而言，殼體110係使用電弧熔合方法形成。該方法一般包括用電弧熔合前驅體材料(例如，高純度石英砂)。在一個實施例中，殼體110係藉由將高純度石英砂傾入至旋轉模具中，且接著使用由兩個或更多個石墨電極產生之電弧來自內部向外熔合而形成。將高純度石英砂定義為含有不超過百萬分之30重量(ppmw)之雜質之砂粒。高純度石英之工業標準係由由Spruce Pine, North Carolina, US處之Unimin Corporation開採出售為IOTA的產品定義，該產品充當高純度石英市場之高純度基準。在此實施例中，高純度石英砂具有不超過20 ppmw之總雜質含量。模具可包括真空孔，經由該等真空孔將捕集於砂粒粒子之間的空氣以及在熔合方法期間產生之氣態物種移除，以便避免最終電弧熔合之坩堝中之氣泡形成。在室溫下，視氣泡密度而定，所得電弧熔合之坩堝為實質上透明或半透明的。
在本發明實施例中，相比於電弧熔合之坩堝，殼體110係使用注漿成型方法或另一類型之澆鑄方法而形成，以降低坩堝成本。相比於電弧熔合方法，注漿成型方法或其他類型之澆鑄方法為殼體110提供較低成本之設計變化(且提高設計靈活性)，因為使用注漿成型方法製造之坩堝係由較便宜的較低級別天然二氧化矽，而非較昂貴的較高級別天然或合成二氧化矽製成。另外，注漿成型製造製程比電弧熔合製造製程便宜，因為電弧熔合製造製程之操作溫度顯著高於注漿成型製造製程且需要特殊設備以達成較高的操作溫度。因此，在坩堝組件100中使用注漿成型或以其它方式澆鑄之坩堝作為殼體110降低坩堝組件100之成本。
使用注漿成型方法或其他澆鑄方法形成之殼體110之密度可大於二氧化矽注漿成型之坩堝的最大理論密度的百分之九十至百分之九十五。由注漿成型方法形成且由二氧化矽製得之殼體110具有與由其他方法形成之坩堝(諸如非晶電弧熔合之坩堝)類似的熱衝擊抗性特性。與通常透明或半透明之其他類型之坩堝(諸如熱電弧日熔合之坩堝或熱噴塗之坩堝)相比，此實施例之澆鑄之坩堝在室溫下為不透明的。應注意，其他實施例之澆鑄之坩堝可為透明的，例如視用於燒製澆鑄之坩堝之燒結條件而定。與其他類型之坩堝相比，諸如電弧熔合之坩堝，澆鑄之坩堝歸因於與透明或半透明電弧熔合之坩堝相比減少的通過不透明澆鑄之坩堝的紅外線透射而通常需要額外輸入電力及時間以熔融其中所含之材料。然而，相比於電弧熔合之坩堝，澆鑄之坩堝之紅外線透射減少可導致溶化後之熔融物的較少輻射熱損失。結果，與電弧熔合之坩堝相比，澆鑄之坩堝在整個操作中之總功率消耗可能不會變化。澆鑄之坩堝之溶解速率低於電弧熔合之坩堝之溶解速率。
另外，相比於熱噴塗襯裡，注漿成型之坩堝通常具有較高的雜質含量。澆鑄之坩堝之高雜質含量可源自用以粉末化熔融二氧化矽原料之球磨研磨介質、用以產生澆鑄之坩堝之模具材料及雜質及黏合劑及分散劑。注漿成型之坩堝包括由較低級別天然二氧化矽形成之實質上均一材料之壁，其包括較高的雜質含量。此與由超高純度天然砂粒或合成石英製成之熱噴塗襯裡形成對比，該等材料之雜質含量通常實質上低於注漿成型之坩堝。
一般而言，殼體110包括比熱噴塗之襯裡高的雜質量。此為用以製得坩堝之注漿成型方法或其他澆鑄方法之結果。在替代實施例中，由注漿成型方法或其他澆鑄方法形成之殼體110具有低雜質量。舉例而言，殼體110具有百萬分之20重量或更少之雜質。諸如鋁之雜質對晶體中之低注入少數載子壽命具有顯著影響且較低由晶體製成之太陽能電池的效率。高純度澆鑄之殼體110減少雜質且產生更高效的太陽能電池。
由較低級別天然二氧化矽形成之澆鑄的二氧化矽坩堝(諸如殼體110)一般不用於基於柴可斯基之方法中，因為較低級別天然二氧化矽具有高的總雜質含量。低級天然二氧化矽通常被開採且具有99重量%二氧化矽與1重量%雜質。由於較高的總雜質含量，澆鑄之坩堝或多二氧化矽澆鑄之坩堝通常被用於製造多結晶二氧化矽光伏打電池。較高的總雜質含量來自天然存在之雜質且來自在澆鑄方法期間添加至二氧化矽中以使二氧化矽黏結成澆鑄之坩堝形式的雜質。天然二氧化矽之較高總雜質含量增加自坩堝至熔融物中以及至最終產物中的雜質貢獻。澆鑄之坩堝或多二氧化矽澆鑄之坩堝通常為不透明的且具有正方形底部。相比而言，較高級別天然二氧化矽通常為具有足夠低雜質含量之精製較低級別天然二氧化矽，使得其可用以形成用於基於柴可斯基之方法中的坩堝。由較高級別天然或合成二氧化矽製成且用於基於柴可斯基之方法中之坩堝通常為半透明或透明的且具有碗形底部。
在一些實施例中，澆鑄之殼體110具有大於50 ppmw、大於100 ppmw、大於200 ppmw、在50 ppmw與1,000 ppmw之間、在50 ppmw與500 ppmw之間、在100 ppmw與1,000 ppmw之間、在100 ppmw與500 ppmw之間、在100 ppmw與400 ppmw之間、在200 ppmw與300 ppmw之間、大於1000 ppmw之雜質含量，或大於由超高純度天然砂粒或合成石英製成之熱噴塗襯裡之雜質含量的其他雜質含量(例如，具有小於0.13 ppmw之雜質含量)。在殼體110之總雜質含量中量測或考慮之雜質的實例包括例如Al、B、Ba、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、P、Ti、Zn及Zr。舉例而言，殼體110可具有具有以下特定雜質含量之小於230 ppmw的總雜質含量及：100 ppmw Al、1 ppmw B、10 ppmw Ba、20 ppmw Ca、小於1 ppmw Cu、20 ppmw Fe、15 ppmw K、10 ppmw Li、9 ppmw Mg、23 ppmw Mn、10 ppmw Na、10 ppmw Ti及小於1 ppmw Zr。
相比而言，由本發明之熱噴塗較高級別天然或合成二氧化矽形成之襯裡可具有小於注漿成型殼體110之雜質含量的雜質含量，諸如小於50 ppmw、小於30 ppmw、小於20 ppmw、小於15 ppmw、小於10 ppmw、小於1 ppmw、小於0.5 ppmw、在0.01 ppmw與50 ppmw之間、在0.01 ppmw與30 ppmw之間、在0.01 ppmw與20 ppmw之間、在5 ppmw與50 ppmw之間、在10 ppmw與30 ppmw之間或小於注漿成型坩堝之雜質含量的其他雜質含量。舉例而言，較高級別天然或合成二氧化矽襯裡可具有具有以下特定雜質含量之小於5 ppmw、小於4 ppmw、小於3 ppmw、小於2 ppmw、小於1 ppmw或小於0.13 ppmw之總雜質含量：0.01 ppmw Al、小於0.01 ppmw B、0.01 ppmw Ca、0.01 ppmw Cr、0.01 ppmw Cu、0.02 ppmw Fe、0.01 ppmw K、0.01 ppmw Li、0.01 ppmw Mg、0.01 ppmw Mn、0.01 ppmw Na、0.01 ppmw Ni、小於0.01 ppmw P、0.01 ppmw Ti及0.01 ppmw Zn。在其他實施例中，熱噴塗之襯裡具有各種總雜質含量、各種特定雜質含量及/或其他類型之雜質。
自成長區130拉製由柴可斯基方法產生之晶體錠。成長區130在襯裡120之內表面126內延伸。在操作中，含於襯裡120及殼體110內之熔融物逐漸溶解襯裡120之內表面126。此溶解反應將材料自襯裡120之內表面126引入至熔融物中且將雜質引入至熔融物中。然而，因為襯裡120由較高級別天然或合成二氧化矽形成，實質上無雜質自襯裡120之內表面126引入。坩堝組件100藉由防止至少一些雜質進入成長區130且藉由防止彼等雜質被併入至晶體錠中來產生較高純度晶體錠。坩堝組件100得益於由澆鑄之殼體110提供的增加之設計靈活性、降低之成本及增加之坩堝壽命，同時減少澆鑄之殼體110中雜質的影響。
現參看圖2，流程圖說明用於使用注漿成型方法來製得用於圖1中示出之坩堝組件100中之坩堝的實例方法200。此及/或其他方法被用以製得殼體110。方法200一般包括將二氧化矽與其他組分混合202以形成漿、將漿澆鑄204至模具中、乾燥206漿及/或模具以形成生坯、自模具移出208生坯、燒製210生坯及冷卻212生坯。
將二氧化矽及其他組分混合202以形成漿之步驟包括將二氧化矽與分散劑、黏合劑及/或水混合以形成漿。經混合之二氧化矽可為經濕式研磨之熔融二氧化矽。將漿澆鑄204至模具中包括將漿混合物傾入至模具中。模具通常由熟石膏製得。在使用注膠成型而非注漿成型之實施例中，模具為例如不鏽鋼。乾燥206漿及/或模具以形成生坯之步驟包括在存在或不存在真空乾燥輔助之情況下經由毛細作用將水自漿料移出。生坯為未燒製成形之粉末形式。在對漿進行乾燥期間，乾燥塊狀物沿模具壁形成。當達至乾燥之塊狀物之所需厚度時，將剩餘液體漿料傾出。燒製210生坯包括高溫下燒結或熔合乾燥之塊狀物，例如，乾燥之塊狀物內的二氧化矽。
襯裡120為由熱噴塗方法形成之熱噴塗之襯裡。該方法一般包括將液體或半液體化合物噴塗至殼體110上，且允許化合物固化於殼體110之內表面122上。在一個實施例中，襯裡120係藉由熔融較高級別天然或合成二氧化矽或高純度石英砂且將熔融之較高級別天然或合成二氧化矽噴塗於殼體110之內表面122上來形成。將高純度石英砂定義為含有不超過30 ppmw之雜質之砂粒。高純度石英之工業標準係由由Spruce Pine, North Carolina, US處之Unimin Corporation開採、出售為IOTA的產品定義，該產品充當高純度石英市場之高純度基準。在此實施例中，較高級別天然或合成二氧化矽或合成石英具有不超過0.13 ppmw之總雜質含量。在一些實施例中，較高級別天然或合成二氧化矽或合成石英具有小於5 ppmw、小於4 ppmw、小於3 ppmw、小於2 ppmw、小於1 ppmw或小於或等於0.13 ppmw之總雜質含量。
在分批或再裝料柴可斯基方法中，超高純度天然砂粒或合成石英(例如，SiO2 )可用於襯裡120，該襯裡與成長區130內之熔融矽接觸，而殼體110係由較低純度砂粒製得。亦可將此組態用於連續柴可斯基方法。超高純度天然砂粒具有比高純度天然砂粒高的純度，諸如不超過0.13 ppmw。合成石英之純度高於超高純度天然砂粒，諸如不超過0.13 ppmw。
在替代實施例中，襯裡120及殼體110二者皆可由超高純度天然砂粒或合成石英形成。在又一替代性實施例中，整個坩堝組件100係由單一材料製成或主要係由單一材料製成。舉例而言，坩堝組件100可完全由小於百萬分之20重量之雜質的超高純度天然砂粒或合成石英製得。
如本文中所描述，熱噴塗方法一般描述廣泛分類成三個熱噴塗方法類別之許多方法：火焰熱噴塗方法、電熱噴塗方法及動力熱噴塗方法。各類別之熱噴塗方法均以獨特方式熔融或推動塗料化合物。舉例而言，火焰熱噴塗方法通常用火焰熔融塗料化合物，而電熱噴塗方法用途電流以熔融塗料化合物。動力熱噴塗方法通常以極高速度推動塗料化合物，使得化合物變形且在衝擊時黏結。所有熱噴塗方法一般均需要噴炬、塗料化合物及能量以熔融或推動塗料化合物。
現參看圖3，說明適用於所有熱噴塗方法之熱噴塗組件300的方塊圖。熱噴塗組件300一般包括噴炬或噴槍302、能量源304、塗料化合物源306、加速介質源308及視情況，冷卻介質源310。塗料化合物源306向噴槍302提供塗料化合物。在此實施例中塗料化合物為較高級別天然或合成二氧化矽。在替代實施例中，塗料化合物為超高純度天然砂粒、高純度天然砂粒或使得坩堝組件100能夠如本文中所描述地操作之任何塗料化合物。能量源304提供能量以使塗料化合物熔融成熔融粒子，隨後將塗料化合物噴塗至殼體110上。加速介質源308提供用於使塗料化合物之熔融粒子朝向殼體110加速之適合的介質。在一些實施例中，能量源304及加速介質源308經合併成單一能量及加速介質源。在一些實施例中，冷卻介質源310在操作期間提供冷卻介質(一般為水)以冷卻噴槍302。
現參看圖4，流程圖說明用於將襯裡120熱噴塗至殼體110上之方法400。方法400一般包括提供402熱噴塗組件300、預處理404殼體110之內表面122、提供406來自塗料化合物源306之塗料化合物、提供408來自能量源304之能量、使用來自能量源304之能量來熔融410塗料化合物以形成塗料化合物之熔融粒子、提供412來自加速介質源308之加速介質、使用來自加速介質源308之加速介質來使塗料化合物之熔融粒子朝向殼體110加速414、使用噴炬302來朝向殼體110之內表面122噴塗416塗料化合物之熔融粒子及加速介質從而在內表面122上形成塗料化合物之塗層312、在方向314上移動418噴炬302以形成較多塗層312、將塗料312黏結420至內表面122上以形成襯裡120及在使用或不使用電漿噴射之情況下後處理422襯裡120之內表面126及/或殼體110。方法400亦可視情況包括提供424來自冷卻介質源310之冷卻介質。提供402熱噴塗組件200一般包括提供噴炬302、能量源304、塗料化合物源306、加速度介質源308及冷卻介質源310。提供404來自塗料化合物源306之塗料化合物包括提供較高級別天然或合成二氧化矽。
預處理404殼體110之內表面122為可改良襯裡120與殼體110之黏結、沈積及/或噴塗及/或提高襯裡120之品質的預處理方法。預處理404可包括預加熱殼體110之內表面122、以化學方式預處理殼體110之內表面122、殼體110之內表面122上之粗糙度預處理及/或改良襯裡120對殼體110之黏著性的任何方法。可單獨或與任何其他預處理方法組合使用上文所列之預處理方法中之任一者。
預加熱預處理方法一般包括在將襯裡120熱噴塗至殼體110上之前預加熱殼體110之內表面122。可使用預加熱裝置(諸如鍋爐或噴炬)以預加熱殼體110之內表面122。另外，當使用火焰熱噴塗方法以熱噴塗襯裡120時，可使用熱噴塗組件300以預加熱殼體110之內表面122。具體而言，熱噴塗組件300可在無任何塗料化合物之情況下預噴塗殼體110之內表面122，使得通常用以熔融塗料化合物之火焰被替代地用於預加熱殼體110之內表面122。預加熱方法可包括預加熱殼體110之內表面122以改良襯裡120對殼體110之黏著性的任何方法或裝置。
化學預處理方法一般包括在將襯裡120熱噴塗至殼體110上之前以化學方式預加熱殼體110之內表面122。可使用化學預處理裝置(諸如噴塗裝置或其他化學塗覆裝置)以預處理殼體110之內表面122。另外，可使用熱噴塗組件300以以化學方式預處理殼體110之內表面122。具體而言，可使用熱噴塗組件300以噴塗改良襯裡120對殼體110之黏著性的預處理塗料。預處理塗料可包括改良襯裡120對殼體110之黏著性的糊狀物或溶劑。化學預處理方法可包括預處理殼體110以改良襯裡120對殼體110之黏著性的任何方法或裝置。
粗糙度預處理方法一般包括在將襯裡120熱噴塗至殼體110上之前以機械方式改變殼體110之內表面122的粗糙度。可使用粗糙度預處理裝置(諸如砂磨裝置或其他機械表面處理裝置)以預處理殼體110之內表面122。可使用機械表面處理裝置以增加或降低殼體110之內表面122的粗糙度，以改良襯裡120對殼體110之黏著性。粗糙度預處理方法可包括預處理殼體110以改良襯裡120對殼體110之黏著性的任何方法或裝置。
在已將襯裡120熱噴塗至殼體110上之後，使襯裡120冷卻且固化以形成玻璃態二氧化矽層。為確保形成玻璃狀、非晶而形氧化矽層，控制或最佳化冷卻及固化方法。具體而言，後處理422襯裡120之內表面126及/或殼體110為控制或最佳化冷卻及/或固化方法之視情況選用之後處理方法。後處理422可包括冷卻速率後處理方法、化學後處理方法、電漿噴射後處理方法及/或改良襯裡120對殼體110之黏著性的任何方法。可單獨或與任何其他預處理方法組合使用上文所列之後處理方法中之任一者。
冷卻後處理方法一般包括控制或最佳化襯裡120及/或殼體110之冷卻速率以改良襯裡120在殼體110上的黏著性。後處理冷卻方法可包括使用冷卻裝置(諸如風扇或風機)來冷卻襯裡120及/或殼體110，以提高襯裡120及/或殼體110之冷卻速率以改良襯裡120對殼體110之黏著性。後處理冷卻方法亦可包括藉由朝向襯裡120之內表面126導入低溫氣體來冷卻襯裡120及/或殼體110，以提高襯裡120及/或殼體110之冷卻速率以改良襯裡120對殼體110之黏著性。後處理冷卻方法亦可包括使用加熱裝置(諸如鍋爐或噴炬)來加熱襯裡120及/或殼體110，以降低襯裡120及/或殼體110之冷卻速率以改良襯裡120對殼體110之黏著性。後處理冷卻方法可包括控制、最佳化、提高及/或降低襯裡120及/或殼體110之冷卻速率以改良襯裡120與殼體110之黏結、沈積及/或噴塗及/或襯裡120之品質的任何方法或裝置。
化學後處理方法一般包括在將襯裡120熱噴塗至殼體110上之後以化學方式後處理襯裡120及/或殼體110。可使用化學後處理設備(諸如噴塗裝置或其他化學塗覆裝置)以後處理襯裡120及/或殼體110。另外，可使用熱噴塗組件300以以化學方式後處理襯裡120及/或殼體110。具體而言，可使用熱噴塗組件300以將改良襯裡120對殼體110之黏著性之後處理塗料噴塗於襯裡120及/或殼體110上。後處理塗料可包括改良襯裡120在殼體110上之黏著性的糊狀物或溶劑。化學後處理方法可包括後處理殼體110以改良襯裡120對殼體110之黏著性的任何方法或裝置。
熱後處理方法一般包括在將襯裡120熱噴塗至殼體110上之後熱處理襯裡120之內表面126。可使用諸如電漿炬之熱處理裝置以熱處理襯裡120之內表面126。另外，當使用電漿熱噴塗方法以熱噴塗襯裡120時，可使用熱噴塗組件300以熱處理襯裡120之內表面126。具體而言，熱噴塗組件300可在無任何塗料化合物之情況下噴塗襯裡120之內表面126，使得通常用以熔融塗料化合物之電漿噴射被替代地用於熱處理襯裡120之內表面126。熱後處理方法可包括熱處理殼體110之內表面122以改良襯裡120對殼體110之黏著性的任何方法或裝置。
另外，可與任何其他後處理方法組合使用上文所列之後處理方法中之任一者以確保襯裡120形成為非晶玻璃而非結晶玻璃。具體而言，若熱噴塗之襯裡120之溫度過高，其冷卻速率係過低，則襯裡120將形成結晶玻璃襯裡120而非非晶玻璃襯裡120。如此，可使用後處理方法之組合以控制襯裡120之冷卻速率。舉例而言，在熱噴塗方法結束時，可使用熱後處理方法以維持襯裡120之高溫直至起始冷卻後處理方法以控制襯裡120之冷卻速率。具體而言，熱噴塗組件300可用電漿噴射噴塗襯裡120之內表面126以緊接在已將襯裡120熱噴塗至殼體110上之後維持襯裡120的溫度。熱噴塗組件300維持襯裡120之溫度直至起始冷卻後處理方法以控制襯裡120之冷卻速率。冷卻後處理方法可包括定位於殼體110下方之冷卻表面或朝向襯裡120之內表面126導入低溫氣體以提高襯裡120之冷卻速率。
可在方法400之步驟中之任一者之間插入一或多個中間步驟以改良襯裡120對殼體110之黏著性。中間步驟可包括改良襯裡120與殼體110之黏著性的任何方法或裝置。
較高級別天然或合成二氧化矽具有高熔點(約1710℃)。如此，需要大量能量以熔熔合成二氧化矽且難以使用諸如熱噴塗組件300之小型熱噴塗裝置來軟化二氧化矽足以形成塗層。因此，能量源304必須提供充足的能量以將合成二氧化矽軟化且熔融成熔融粒子。
另外，可在熱噴塗方法期間藉由熱噴塗組件300將污染物引入至塗料化合物之熔融粒子中。熱噴塗組件300可經設計或組態以減少或消除在熱噴塗方法期間藉由熱噴塗組件300引入至塗料化合物之熔融粒子中的污染物。
在火焰熱噴塗方法中，提供406來自能量源304之能量一般包括提供能夠自氧化反應提供能量之成氣態的化學物質。即，火焰熱噴塗方法一般藉由在氧氣或壓縮空氣存在下燃燒烴(諸如但不限於乙炔、煤油或天然氣)來提供能量且熔融塗料化合物。火焰熱噴塗方法一般包括爆震噴塗方法、火線噴塗方法、火焰粉末噴塗方法、高速度氧氣燃料(HVOF)噴塗方法及高速度空氣燃料(HVAF)噴塗方法。
在震爆噴塗方法中，自塗料化合物源306提供動力合成二氧化矽且將其注入至噴炬302之長機筒中。長機筒經自冷卻介質源310提供之水水冷卻。亦將氧氣及諸如乙炔之烴燃料注入至機筒中且使用引燃機制來爆震。爆震使粉末狀合成二氧化矽熔融且使熔熔合成二氧化矽與所得燃燒氣體一起加速至長機筒之外且至內表面122上。每秒重複爆震多次。
在火線噴塗方法中，將呈絲線形式之合成二氧化矽饋入至噴炬302中，同時燃燒氧氣及諸如乙炔之烴燃料以熔熔合成二氧化矽。亦提供壓縮空氣以霧化合成二氧化矽之熔融粒子且使熔融二氧化矽朝向內表面122加速。
在火焰粉末噴塗方法中，將呈粉末形式之合成二氧化矽饋入至噴炬302中，同時燃燒氧氣及諸如乙炔之烴燃料以熔熔合成二氧化矽。將壓縮空氣與粉末狀合成二氧化矽混合以將二氧化矽輸送至火焰中。所得燃燒氣體及合成二氧化矽之熔融粒子藉由壓縮空氣朝向內表面122加速。
在HVOF噴塗方法中，噴炬302包括燃燒室及噴嘴。將氧氣及諸如丙烯之烴燃料饋入至燃燒室中且點火。經由噴嘴將所得燃燒氣體饋入以形成超音波火焰，繼而以高速度將該超音波火焰饋入至噴炬302之機筒中。在一些實施例中，來自機筒之超音波火焰的出口速度超過聲音之速度。將呈粉末形式之合成二氧化矽夾帶於運載氣體(通常為氮)中，且與超音波火焰一起注入至噴炬302之機筒中。超音波火焰使合成二氧化矽熔融成合成二氧化矽之熔融粒子且使合成二氧化矽之熔融粒子朝向內表面122加速。通常提供冷卻水以冷卻噴炬302。
HVAF噴塗方法與HVOF噴塗方法類似，例外為將壓縮空氣而非氧氣饋入至燃燒室中且點火，從而生產低溫超音波火焰。
在電熱噴塗方法中，提供來自能量源304之能量406一般包括提供用以直接地或間接地熔熔合成二氧化矽之電流。電熱噴塗方法一般包括電漿噴射方法及電弧絲線噴塗方法。
在電漿噴射方法中，噴炬302包括電極及此相鄰定位之噴嘴，使得其間形成高頻或高電壓電弧。惰性氣體(通常為氬氣)在電極與噴嘴之間流動且係藉由電弧離子化。惰性氣體之離子化產生具有升高之溫度及速度的電漿。將呈粉末形式之合成二氧化矽夾帶於其中其經熔融成合成二氧化矽之熔融粒子且朝向內表面122加速之電漿中。
在電弧絲線噴塗製程中，將合成二氧化矽之兩根絲線饋入至噴炬302中且向各絲線饋入電流。使絲線彼此緊密接近，使得兩個絲線短路中之電流升高絲線之溫度。升高之溫度熔融絲線之頂端且壓縮空氣或惰性氣體取道絲線之熔融頂端以霧化合成二氧化矽之熔融粒子且使其朝向內表面122加速。
在動力熱噴塗方法中，提供來自能量源304之能量一般包括提供高速度經霧化氣體流以使塗料化合物加速至極高速度。動力熱噴塗方法一般包括冷氣體噴塗方法之變化。在冷氣體噴塗方法中，呈粉末形式之合成二氧化矽夾帶於高速度經霧化氣體流中。經霧化氣體經加熱且部分地熔熔合成二氧化矽。一旦夾帶，高速度經霧化氣體以每秒超過1,000公尺之速度使粉末狀合成二氧化矽朝向內表面122加速。極高速度引起粉末狀部分熔融之合成二氧化矽變形且在與內表面122衝擊後與內表面122機械黏結，從而產生襯裡120。
現參看圖5，流程圖說明用於製得圖1中示出之坩堝組件之方法500。方法500一般包括使用注漿成型方法來形成502殼體110且使用熱噴塗方法來形成504襯裡120。使用注漿成型方法來形成502殼體110包括根據圖中2所說明之方法200形成殼體110。使用熱噴塗方法來形成504襯裡120包括根據圖4中所說明之方法400形成襯裡120。在替代實施例中，殼體110係使用諸如注膠成型之替代方法而形成。
現參看圖6，流程圖說明一種用於使用柴可斯基方法及圖1中示出之坩堝組件100來拉製晶體錠之方法600。方法600一般包括提供602包括襯裡120及殼體110之坩堝組件100、在坩堝組件100中熔融604半導體材料及/或太陽能級材料、自坩堝組件100拉製606半導體及/或太陽能級材料之單晶體及將半導體及/或太陽能級材料饋入608至坩堝組件100中。
如圖1中所示，提供用於方法600中之坩堝組件100包括形成於殼體110內之襯裡120。熔融604坩堝組件100中之半導體材料及/或太陽能級材料包括在成長區130中熔融材料。在對材料進行熔融604之後，熔融材料至少部分地填充成長區130。自坩堝組件100拉製606半導體及/或太陽能級材料之單晶體包括自襯裡120內之成長區130拉製606單晶體。將半導體及/或太陽能級材料饋入608至坩堝組件100中包括將額外材料添加至成長區130中。
現參看圖7，坩堝組件700之剖視圖說明坩堝組件100之替代性實施例。坩堝組件700包括熱噴塗於殼體710之部分上的襯裡720。與坩堝組件100對比，襯裡720僅經熱噴於坩堝組件700之潤濕表面上。相比於坩堝組件100，減少襯裡720之區域降低坩堝組件700之成本。
本發明之製得之坩堝組件產生降低之成本、改良之設計靈活性、改良之坩堝壽命及引入至自坩堝組件抽取之單晶體錠中的有限雜質。在一些實施例中，坩堝組件經由使用注漿成型殼體來降低成本。相比於電弧熔合，注漿成型之降低之成本及其用於較大殼體的用途產生降低之成本。生產澆鑄之坩堝之成本小於生產電弧熔合之坩堝，因為用於生產澆鑄之坩堝之資本設備比用於生產電弧熔合之坩堝的資本設備便宜，且生產澆鑄之坩堝所需的能量小於電弧熔合之坩堝所需的能量。另外，由高雜質、較不昂貴之天然二氧化矽而非較低雜質、較高成本合成二氧化矽製得之殼體需要製造高品質錠。使用較不昂貴的材料以形成大部分坩堝實質上降低成本。
一些實施例之坩堝組件由於使用澆鑄之殼體而具有改良之設計靈活性。相比於用以生產電弧熔合之坩堝之設備，例如，旋轉模具、電極等，可較容易且便宜地改變用以生產澆鑄之坩堝之模具以產生不同坩堝幾何形狀，例如，較大或較小直徑坩堝。最後，本文中所揭示之襯裡充當熔融物與高雜質殼體之間的低雜質障壁。此限制被引入至自使用襯裡之坩堝組件抽取之單晶體錠中的雜質。
當介紹本發明之要素或實施例時，冠詞「一(a/an)」及「該(the/said)」欲意謂存在一或多個元素。術語「包含(comprising)」、「包括(including)」及「具有(having)」意欲為包括性的，且意謂可能存在除所列元素之外的其他要素。使用指示特定定向(例如，「頂部」、「底部」、「側」、「下」、「上」等)之術語係為了便於說明且不需要所描述之物件之任何特定定向。
由於可在不背離本發明之範疇的情況下在上述構造及方法中作出各種改變，因此意欲上述描述中所含有的及隨附圖式中所展示的所有事項將解釋為說明性的且不具有限制性意義。
100‧‧‧坩堝組件
110‧‧‧殼體
120‧‧‧襯裡
122‧‧‧殼體之內表面
124‧‧‧殼體之外表面
126‧‧‧襯裡之內表面
128‧‧‧襯裡之外表面
130‧‧‧成長區
132‧‧‧坩堝組件之直徑
200‧‧‧方法
202‧‧‧混合
204‧‧‧澆鑄
206‧‧‧乾燥
208‧‧‧移出
210‧‧‧燒製
212‧‧‧冷卻
300‧‧‧熱噴塗組件
302‧‧‧噴炬或噴槍
304‧‧‧能量源
306‧‧‧塗料化合物源
308‧‧‧加速介質源
310‧‧‧冷卻介質源
312‧‧‧塗料化合物之塗層
314‧‧‧移動噴炬之方向
400‧‧‧方法
402‧‧‧提供
404‧‧‧預處理
406‧‧‧提供
408‧‧‧提供
410‧‧‧熔融
412‧‧‧提供
414‧‧‧加速
416‧‧‧噴塗
418‧‧‧移動
420‧‧‧黏結
422‧‧‧後處理
424‧‧‧提供
500‧‧‧方法
502‧‧‧形成
504‧‧‧形成
600‧‧‧方法
602‧‧‧提供
604‧‧‧熔融
606‧‧‧拉製
608‧‧‧饋入
700‧‧‧坩堝組件
710‧‧‧殼體
720‧‧‧襯裡
圖1為包括主體及襯裡之坩堝組件之截面視圖。
圖2為說明一種用於製得圖1中示出之殼體之適合的方法的流程圖。
圖3為熱噴塗組件之方塊圖。
圖4A-4B為說明一種用於使用圖3中示出之熱噴塗組件之適合的方法的流程圖。
圖5為說明一種用於製得圖1中示出之坩堝組件之適合的方法的流程圖。
第6圖為說明一種用於使用柴可斯基方法及圖1中示出之坩堝組件來拉製晶體錠之適合的方法的流程圖。
圖7為包括主體及襯裡之另一坩堝組件之截面視圖。
貫穿圖式之若干視圖，對應參考標號指示對應零件。

Claims (20)

  1. 一種製造具有殼體及襯裡之坩堝組件之方法，該方法包含： 使用一種澆鑄方法來形成該殼體，該殼體包括二氧化矽且具有內表面及外表面； 在該殼體之該內表面上形成該襯裡，該襯裡由合成二氧化矽形成。
  2. 如請求項1之方法，其中該澆鑄方法為注漿成型方法。
  3. 如請求項2之方法，其中該注漿成型方法包括： 混合熔融二氧化矽、水、分散劑及黏合劑以形成漿料； 將該漿料澆鑄至模具中； 乾燥該漿料； 自該模具移出乾燥之漿料以形成生坯；及 燒製該生坯。
  4. 如請求項3之方法，其中燒製該生坯包括高溫下燒結該生坯。
  5. 如請求項3之方法，其中該模具包括熟石膏。
  6. 如請求項3之方法，其中乾燥該漿料包括真空乾燥該漿料。
  7. 如請求項1之方法，在該殼體之該內表面上形成該襯裡包括藉由熱噴塗方法在該殼體之該內表面上形成該襯裡，該熱噴塗方法包括高溫下將合成二氧化矽噴塗於該殼體之該內表面上。
  8. 如請求項7之方法，其中該熱噴塗方法包括： 熔融該合成二氧化矽以形成該合成二氧化矽之熔融粒子； 使用加速介質來使該合成二氧化矽之該等熔融粒子朝向該殼體加速； 使用噴炬來朝向該殼體之該內表面噴塗該合成二氧化矽之該等熔融粒子及該加速介質； 在該殼體之該內表面上形成該合成二氧化矽之塗層；及 使該合成二氧化矽之該塗層黏結至該殼體以形成該襯裡。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包含在第一方向上移動該噴炬以形成較多該塗層。
  10. 如請求項8之方法，其進一步包含提供冷卻介質以冷卻該噴炬。
  11. 如請求項8之方法，其進一步包含提供來自加速介質源之該加速介質。
  12. 如請求項8之方法，其進一步包含提供呈粉末狀合成二氧化矽形式之該合成二氧化矽。
  13. 如請求項8之方法，其進一步包含提供呈合成二氧化矽之絲線形式之該合成二氧化矽。
  14. 如請求項8之方法，其中熔融該合成二氧化矽以形成該合成二氧化矽之熔融粒子包括用火焰熔融該合成二氧化矽。
  15. 如請求項8之方法，其中熔融該合成二氧化矽以形成該合成二氧化矽之熔融粒子包括用電流熔融該合成二氧化矽。
  16. 如請求項8之方法，其中熔融該合成二氧化矽以形成該合成二氧化矽之熔融粒子包括用離子化電漿熔融該合成二氧化矽。
  17. 如請求項8之方法，其中熔融該合成二氧化矽以形成該合成二氧化矽之熔融粒子包括用加熱之加速介質部分地熔融該合成二氧化矽。
  18. 如請求項17之方法，其中使用加速介質來使該合成二氧化矽之該等熔融粒子朝向該殼體加速包括用該加熱之加速介質使該部分熔融之合成二氧化矽以高速度朝向該殼體加速。
  19. 如請求項1之方法，其中該澆鑄方法為注膠成型方法。
  20. 一種用於使用柴可斯基方法來使晶體錠成長之坩堝組件，該組件包含： 殼體，該殼體由二氧化矽形成且具有內表面及與該內表面相對之外表面；及 襯裡，該襯裡由合成二氧化矽形成且形成於該殼體之該內表面上，其中該襯裡為熱噴塗之襯裡且該殼體為澆鑄之殼體。
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