TWI418673B - Thermal field device - Google Patents

Description

熱場裝置

本發明係有關一種用以製造晶體之熱場裝置，尤指一種可以有效降低雜質濃度之熱場裝置。

眾所周知，太陽能電池是利用太陽光與材料相互作用直接產生電力的一種無污染再生能源，尤其太陽能電池在使用中並不會釋放包括二氧化碳在內之任何氣體，明顯可改善生態環境、解決地球溫室效應的問題。

太陽能電池是將太陽能轉換成電能的裝置，且不需要透過電解質來傳遞導電離子，而是改採半導體產生PN結來獲得電位，當半導體受到太陽光的照射時，大量的自由電子伴隨而生，而此電子的移動又產生了電流，也就是在PN結處產生電位差。

目前，太陽能電池主要分非晶、單晶及多晶三種；其中，如第一圖所示，為一種用以製造矽晶體之長晶爐，其主要係以一供盛裝矽熔湯11的坩堝21為主體，並且於坩堝21外圍設有側絕熱層22及上絕熱層23，使構成一密封的熱場，並且於熱場當中設有加熱器24用以對矽金屬進行加熱。

再者，熱場之上絕熱層23處設有一供連接惰性氣體之輸氣管25，以及數量不等的排氣孔26。使於矽金屬加熱熔融過程中，配合由輸氣管25輸入預定流速的氣體，藉以產生通過熱場的氣流，以將容易形成雜質的氧化物排出。

整體長晶爐則可採用降低加熱器24功率使坩堝21內之矽熔湯11固化的方式獲得晶體12(鑄造法)，或採用側絕熱層22上移輻射冷卻使坩堝21內之矽熔湯11固化的方式獲得晶體12(直接固化系統)。

甚至於，可進一步於坩堝21與底座27之間連接有一支柱28；使得以透過支柱28帶動坩堝21下移至冷卻區，使坩堝21內之矽熔湯11固化的方式獲得晶體12(布氏法)，或是於支柱28導入冷卻流體，使坩堝21內之矽熔湯11固化的方式獲得晶體12(熱交換器法)。

惟，類似習用之熱場裝置當中的輸氣管25僅概略伸入上絕熱層23下方之熱場中，因此極容易因為輸氣管25之管口與坩堝21內部矽熔湯11之自由表面(矽熔湯與氣體之接觸表面)距離過長，致使排出輸氣管25之氣流無法有效將雜質帶離自由表面，使形成之晶體所含雜質濃度較高，因而降低晶體品質。

有鑑於此，本發明即在提供長晶爐一種可以有效降低雜質濃度，藉以提升晶體品質之熱場裝置，為其主要目的者。

為達上述目的，本發明之熱場裝置係由一相對罩設於坩堝外圍的絕熱層為主體；其中，在絕熱層相對於坩堝上方的位置處設有一可相對伸入坩堝內部的輸氣管供連接惰性氣體，另於絕熱層上設有預定數量之排氣孔，使得以配合由輸氣管輸入預定流速的氣體，藉以產生通過熱場的氣流，以將容易形成雜質的氧化物排出。

尤其，可利用該輸氣管相對伸入坩堝內部之設計，使輸氣管之管口與坩堝內部熔湯之自由表面保持在10cm距離的範圍內，使得以在相同氣體流速之條件下，可增加自由表面氣體之流速，能夠將氣化之雜質混合氣迅速帶離熔湯之自由表面，並加速將雜質帶離自由表面之速率，以有效降低雜質濃度，藉以提熔湯冷卻固化後之晶體品質。

本發明之熱場裝置係可進一步在輸氣管處設有一調節機構，使得以依照實際操作時的坩堝高度或熔湯之自由表面高度，而調整輸氣管之相對位置，以準確掌控輸氣管之管口與坩堝內部熔湯之自由表面保持在10cm距離的範圍內。

本發明之熱場裝置係可再進一步於輸氣管之管口處設有呈預定角度向外延伸擴張之導流板，使熔湯之自由表面得以同步接受導引氣流之吹拂作用，達到有效降低雜質濃度之目的。

本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。

本發明同樣為一種用以製造矽晶體之長晶爐，如第二圖所示，其主要係以一供盛裝矽熔湯41的坩堝31為主體，並且於坩堝31外圍設有絕熱層32，使構成一密封的熱場，並且於熱場當中設有加熱器37用以對矽金屬進行加熱。

而本發明之熱場裝置在該絕熱層32相對於該坩堝31上方的位置處設有一可相對伸入坩堝31內部的輸氣管33供連接惰性氣體，該絕熱層32設有預定數量之排氣孔34，使得以配合由輸氣管33輸入預定流速的氣體，藉以產生通過熱場的氣流，以將容易形成雜質的氧化物排出；當然，另於該坩堝31上方可進一步設有蓋板36，如第三圖所示，而該蓋板36上設有預定數量之排氣孔34。

其特徵在於，該輸氣管33之管口係與該坩堝31內部熔湯41之自由表面(熔湯41與氣體之接觸表面)保持在10cm距離的範圍內，使得以在相同氣體流速之條件下，增加自由表面氣體之流速，能夠將氣化之雜質混合氣迅速帶離熔湯41之自由表面，並加速將雜質帶離自由表面之速率，以有效降低雜質濃度，藉以提熔湯41冷卻固化後之晶體42品質。

本發明之熱場裝置於使用時，係可以採用直接降低加熱器功率使坩堝31內之熔湯41冷卻固化(鑄造法)，或是以絕熱層32上移輻射冷卻使坩堝31內之熔湯41冷卻固化(直接固化系統)；當然，本發明之熱場裝置係可進一步於坩堝31底連接有一支柱(圖略)；使得以透過支柱帶動坩堝31下移至冷區，使坩堝31內之熔湯41冷卻固化(布氏法)，或是於支柱導入冷卻流體，使坩堝31內之熔湯41冷卻固化(熱交換器法)，而皆可以有效降低雜質濃度，藉以提升熔湯41冷卻固化後之晶體42品質。

本發明之熱場裝置係可進一步在輸氣管33處設有一用以調節該輸氣管33相對位置之調節機構，該調節機構係可以由一軸設於該絕熱層32上的螺旋套筒35為主體，該輸氣管33之外圍係設有供與該螺旋套筒35相螺接的螺牙區段331，使當該輸氣管33與該螺旋套筒35形成相對轉動時，即可利用螺旋作用調整該輸氣管之相對位置。整體熱場裝置即得以依照實際操作時的坩堝31高度或熔湯41之自由表面高度，調整該輸氣管33之相對位置，以準確掌控輸氣管33之管口與坩堝31內部熔湯41之自由表面保持在10cm距離的範圍內。

值得一提的是，本發明之熱場裝置係可如第四圖所示，再進一步於該輸氣管33之管口處設有呈預定角度向外延伸擴張之導流板332，使熔湯41之自由表面得以同步接受導引氣流之吹拂作用，達到有效降低雜質濃度之目的。

於實施時，該導流板332係如第四圖所示與該輸氣管33呈90度夾角之方式向外延伸擴張，或如第五圖所示與該輸氣管33呈150度夾角之方式向外延伸擴張；且該第四圖及第五圖所示之輸氣管33處係同樣設有一用以調節該輸氣管33相對位置之調節機構。

至於，該導流板332之外圍輪廓形狀與該坩堝31內部輪廓形狀係可以如呈第六圖所示皆為方形，或是如第七圖所示該導流板332之外圍輪廓形狀與該坩堝31內部輪廓形狀皆為圓形；而且，該導流板332之外緣與該坩堝31之內緣係保持有一預定之間距。

本發明之熱場裝置主要利用該輸氣管33相對伸入坩堝31內部之設計，使該輸氣管33之管口與坩堝31內部熔湯41之自由表面保持在10cm距離的範圍內，使得以在相同氣體流速之條件下，可增加自由表面氣體之流速，能夠將氣化之雜質混合氣迅速帶離熔湯41之自由表面，並加速將雜質帶離自由表面之速率；尤其，通過輸氣管32之氣流係可在導流板332之作用下，使熔湯41之自由表面得以同步接受導引氣流之吹拂作用，達到有效降低雜質濃度之目的。

由如第八圖所示係為不同輸氣管設計下，造成不同晶體生長高度所含有之雜質濃度曲線圖，其中，包含有習有輸氣管設計(實驗組1)，以及輸氣管之管口與該坩堝內部熔湯之自由表面距離分別為15cm(實驗組2)、10cm(實驗組3)、5cm(實驗組4)以及3cm(實驗組5)等實驗組別，而於相同晶體高度下(例如晶體高度為80mm)，實驗組1、2設計下該晶體約含有1.6ppma之雜質濃度，而該實驗組3~5設計下該晶體約含有1.45ppma之雜質濃度，故本發明之熱場裝置利用該輸氣管33相對伸入坩堝31內部使其管口與坩堝31內部熔湯41之自由表面保持在10cm距離的範圍內，可使熔湯冷卻固化後之晶體內含有較少雜質濃度，藉以提升晶體品質。

如上所述，本發明提供長晶爐一較佳可行之熱場裝置，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

11．．．矽熔湯

12．．．晶體

21．．．坩堝

22．．．側絕熱層

23．．．上絕熱層

24．．．加熱器

25．．．輸氣管

26．．．排氣孔

27．．．底座

28．．．支柱

31．．．坩堝

32．．．絕熱層

33．．．輸氣管

331．．．螺牙區段

332．．．導流板

34．．．排氣孔

35．．．螺旋套筒

36．．．蓋板

37．．．加熱器

41．．．熔湯

42．．．晶體

第一圖係為一習用長晶爐之熱場裝置結構示意圖。

第二圖係為本發明第一實施例之熱場裝置結構剖視圖。

第三圖係為本發明第二實施例之熱場裝置結構剖視圖。

第四圖係為本發明第三實施例之熱場裝置結構剖視圖。

第五圖係為本發明第四實施例之熱場裝置結構剖視圖。

第六圖係為本發明第五實施例中坩堝及導流板之平面輪廓示意圖。

第七圖係為本發明第六實施例中坩堝及導流板之平面輪廓示意圖。

第八圖係為不同輸氣管設計下，造成不同晶體生長高度所含有之雜質濃度曲線圖。

31．．．坩堝

32．．．絕熱層

33．．．輸氣管

34．．．排氣孔

37．．．加熱器

41．．．熔湯

42．．．晶體

Claims (8)

1. 一種熱場裝置，係具有一相對罩設於坩堝外圍的絕熱層、一供連接惰性氣體輸氣管，該絕熱層設有預定數量之排氣孔；其特徵在於：該輸氣管之管口係與該坩堝內部熔湯之自由表面保持在10cm距離的範圍內，而該輸氣管之管口處設有呈預定角度向外延伸擴張之導流板。
2. 如請求項1所述之熱場裝置，其中該輸氣管處設有一用以調節該輸氣管相對位置之調節機構。
3. 如請求項2所述之熱場裝置，其中該調節機構係由一軸設於該絕熱層上的螺旋套筒為主體，該輸氣管之外圍係設有供與該螺旋套筒相螺接的螺牙區段，以利用螺旋作用調整該輸氣管之相對位置。
4. 如請求項1或2所述之熱場裝置，其中該輸氣管之管口處設有與該輸氣管呈90度夾角向外延伸擴張的導流板。
5. 如請求項1或2所述之熱場裝置，其中該輸氣管之管口處設有與該輸氣管呈150度夾角向外延伸擴張的導流板。
6. 如請求項1或2所述之熱場裝置，其中該輸氣管之管口處設有呈預定角度向外延伸擴張之導流板；該導流板之外圍輪廓形狀與該坩堝內部輪廓形狀係為方形。
7. 如請求項1或2所述之熱場裝置，其中該輸氣管之管口處設有呈預定角度向外延伸擴張之導流板；該導流板之外圍輪廓形狀與該坩堝內部輪廓形狀係為圓形。
8. 如請求項1或2所述之熱場裝置，其中該坩堝上方可 進一步設有蓋板，而該蓋板上設有預定數量之排氣孔。