TWI439584B - 定向凝固鑄造裝置 - Google Patents

Description

定向凝固鑄造裝置

本發明是有關一種鑄造裝置，且特別是有關於一種定向凝固鑄造裝置。

多晶矽材料因為生產速度快與價格低廉，目前廣泛應用在消費性電子產品上，例如太陽能電池產業等，而多晶矽材料的製作方式係利用鑄造的方式，於一大坩堝中將矽原料全部熔融，在透過緩慢冷卻，以形成包含不同晶格方向晶粒的晶碇。

傳統多晶矽成長爐大致可分為三種：第一種是熔融液與結晶過程在不同坩堝中進行的鑄造方式；第二種熔融與結晶過程在同一坩堝中進行；以及第三種無使用坩堝的電磁鑄造法。

然而，在上述第二種方式，矽湯在方形坩鍋中易產生內部溫度梯度，使熱場均勻性及對稱性皆不及圓形坩鍋(因熱應力釋放無法徑向對稱)。因此，晶碇易造成缺陷或裂縫而影響品質。

於是，本發明人有感上述缺失之可改善，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明實施例在於提供一種定向凝固鑄造裝置，其可 有效地降低晶碇內部的缺陷。

本發明實施例提供一種定向凝固鑄造裝置，包括：一坩鍋，包含有一底壁及自該底壁周緣延伸的一環側壁，該底壁界定有一中央區以及位於該中央區外緣的外環區，該坩鍋界定有一通過該底壁中央區的中心軸線，該環側壁對稱於該中心軸線；以及一石墨板件，內緣抵接於該坩鍋的底壁與環側壁的外緣，且該石墨板件內緣凹設有至少一容置槽。

較佳地，該石墨板件包含有一底板及數個側板，該些側板底端環設於該底板外端，每一側板內緣凹設有該容置槽，且該容置槽的槽深小於該側板厚度的40%。

較佳地，每一側板的容置槽自該側板內緣的底端沿平行於該中心軸線的方向凹設所形成。

較佳地，每一側板的容置槽高度大於該底板的厚度。

較佳地，該些側板的容置槽相連呈環狀，且位於該坩鍋的側壁外。

較佳地，該石墨板件包含有一底板及數個側板，該些側板底端環設於該底板外端，該底板內緣對應於該底壁外環區的部位凹設有該容置槽，且該容置槽的槽深小於該底板厚度的20%。

較佳地，該容置槽於垂直該中心軸線的截面面積小於該底板於垂直該中心軸線之截面面積的60%。

較佳地，該底板為方形板體，該容置槽於垂直該中心軸線之截面邊長小於該底板邊長的90%。

較佳地，該坩鍋呈中空方柱狀，該定向凝固鑄造裝置進一步包含有一軟質保溫材，且該軟質保溫材填充於該容 置槽中，且該容置槽大致對稱於該中心軸線。

較佳地，該軟質保溫材包含一碳纖及一氧化鋁毯的至少其中之一。

綜上所述，本發明實施例所提供的定向凝固鑄造裝置透過石墨板件形成有容置槽，以使坩鍋內的長晶介面較為平整，藉以達到晶碇具有較少缺陷面積及上述晶碇具有較佳生命週期的效果。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

請參閱圖1、圖2、圖6、及圖6A所示，本發明提供一種定向凝固鑄造裝置100，包含有一方形坩鍋1及一石墨板件2。所述坩鍋1呈中空方柱狀，亦即坩鍋1包含有一方形的底壁11及自底壁11周緣延伸的一環側壁12。

其中，上述底壁11界定有一中央區111以及位於中央區111外緣的外環區112，且所述坩鍋1界定有一通過底壁11中央區111的中心軸線C，而上述環側壁12對稱於中心軸線C。

所述石墨板件2內緣抵接於上述坩鍋1的底壁11以及環側壁12的外緣，且石墨板件2內緣於對應上述環側壁12及底壁11外環區112的其中之一部位凹設有至少一容置槽211、221。

其中，且容置槽211、221大致對稱於中心軸線C，但 不受限於此。而有關容置槽211、221可能形成的位置，以下舉例來作說明，但本發明不以此為限：請參閱圖1所示，其為本發明的一實施例，本實施例中的石墨板件2包含有一方形的底板21及四個側板22，且所述側板22底端環設於底板21外端。其中，每一側板22內緣凹設有容置槽221。

更詳細地說，每一側板22的容置槽221自側板22內緣的底端沿平行於中心軸線C的方向凹設所形成，且每一側板22的容置槽221的槽深D1小於側板22厚度T1的40%。而每一側板22的容置槽221高度H1大於底板21的厚度T2，但不高於側板22的高度H2。

再者，於本實施例中的該些側板22容置槽221可相連呈方環狀，且位於坩鍋1的環側壁12外。但於實際應用時，該些側板22的容置槽221亦可為非連續狀，亦即，所述容置槽221彼此不相連。

藉此，當使用定向凝固鑄造裝置100進行長晶作業(如圖2所示)時，亦即，當矽湯200於坩鍋1內沿平行中心軸線C的方向進行定向長晶，所述容置槽221可用以減緩邊角側向熱應力，使縱向長晶(即平行中心軸線C的方向)較不易受到側向長晶(即非平行中心軸線C的方向)影響，進而提升熱場均勻性及對稱性，藉以使坩鍋1內的長晶介面201較為平整(呈現水平或微凸)。

其後，取坩鍋1內已完成長晶的側邊晶棒分析，並將上述分析結果與習知定向凝固鑄造裝置(未形成有容置槽)所完成之晶碇分析結果彙整，即可得到如圖3所示之圖表。其中，圖3中的線條A代表本實施例的分析結果，圖3 中的線條B代表習知的分析結果。

由圖3即可清楚得知，本實施例透過側板22在安全無虞之情況下形成有容置槽221，可使坩鍋1內所長晶完成的晶碇具有較少的缺陷面積，藉以使晶棒具有較佳的生命週期(Lifetime)。

請再參閱圖4所示，其為本發明的另一實施例，本實施例與上述實施例類似，差異在於本實施例定向凝固鑄造裝置100進一步包含有一可耐高溫的軟質保溫材3，上述軟質保溫材3舉例來說可以是一碳纖31及一氧化鋁毯(圖略)的至少其中之一。

再者，上述軟質保溫材3填充於側板22的容置槽211中，藉以使矽湯200(大致如圖2)於坩鍋1內沿中心軸線C進行定向長晶時，進一步強化減緩邊角側向熱應力的效果。

具體而言，若取本實施例定向凝固鑄造裝置100所長晶完成的晶碇，進行側邊晶棒分析，並將上述分析結果與習知定向凝固鑄造裝置(未形成有容置槽)所完成之晶碇分析結果彙整，即可得到如圖5所示之圖表。其中，圖5中的線條A’代表本實施例的分析結果，圖5中的線條B’代表習知的分析結果。

由圖5即可清楚得知，本實施例透過側板22的容置槽221填充有軟質保溫材3(如：碳纖31)，使坩鍋1內所長晶完成的晶碇，其缺陷面積達到進一步的改善(即缺陷面積下降)。並且，側板22的容置槽221填充有軟質保溫材3，亦可達到增加側板22結構強度的效果。

復參閱圖6、圖6A、圖7所示，其為本發明的又一實 施例，本實施例中的石墨板件2包含有一方形的底板21以及數個側板22，並且上述側板22底端環設於底板21外端。其中，所述底板21內緣對應於底壁11外環區112的部位凹設有容置槽211(如圖6A)。

更詳細地說，所述底板21容置槽211的槽深D2小於底板21厚度T2的20%，並且底板21容置槽211於垂直中心軸線C的截面面積小於底板21於垂直中心軸線之截面面積的60%(如圖7)，而底板21容置槽211於垂直中心軸線C之截面邊長L1小於底板21邊長L2的90%。

再者，於本實施例中的底板21容置槽211以方環狀為例。但於實際應用時，該些底板21的容置槽211亦可為其他的形狀，在此不加以限制。

此外，於本實施例中，圖6中的底板21容置槽211以填充有軟質保溫材3(如：碳纖31)為例，但於實際應用時，底板21的容置槽211亦可留空(如圖6A)。

藉此，若取本實施例圖6中定向凝固鑄造裝置100所長晶完成的晶碇，進行側邊晶棒分析，並將上述分析結果與習知定向凝固鑄造裝置(未形成有容置槽)所完成之晶碇分析結果彙整，即可得到如圖8所示之圖表。其中，圖8中的線條A”代表本實施例的分析結果，圖8中的線條B”代表習知的分析結果。

由圖8即可清楚得知，本實施例透過底板21在安全無虞之情況下形成有容置槽211，並於容置槽211內填充軟質保溫材3。藉以減少長晶時之邊角底部散熱，且可使坩鍋1內的長晶介面201較為平整(呈現水平或微凸)，並減少側向長晶，進而令坩鍋1內所長晶完成的晶碇，其具有較少的 缺陷面積，以使晶棒具有較佳的生命週期。此外，底板21的容置槽211填充有軟質保溫材3，亦可達到增加底板21結構強度的效果。

綜上所述，根據本發明的上述實施例，所述定向凝固鑄造裝置透過側板或底板形成有容置槽，以提升熱場均勻性及對稱性，進而令坩鍋內的長晶介面較為平整。

故，本發明的定向凝固鑄造裝置可達到坩鍋內所長晶完成晶碇具有較少缺陷面積的效果，並進而使晶碇具有較佳生命週期。再者，容置槽內亦可填充軟質保溫材，藉以使上述效果更為顯著。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

100‧‧‧定向凝固鑄造裝置

1‧‧‧坩鍋

11‧‧‧底壁

111‧‧‧中央區

112‧‧‧外環區

12‧‧‧環側壁

2‧‧‧石墨板件

21‧‧‧底板

211‧‧‧容置槽

22‧‧‧側板

221‧‧‧容置槽

3‧‧‧軟質保溫材

31‧‧‧碳纖

200‧‧‧矽湯

201‧‧‧長晶介面

C‧‧‧中心軸線

D1‧‧‧側板的容置槽槽深

D2‧‧‧底板的容置槽槽深

T1‧‧‧側板厚度

T2‧‧‧底板厚度

H1‧‧‧側板的容置槽高度

H2‧‧‧側板高度

L1‧‧‧底板容置槽的截面邊長

L2‧‧‧底板邊長

A、A’、A”‧‧‧本發明的側邊晶棒分析結果

B、B’、B”‧‧‧習知的側邊晶棒分析結果

圖1為本發明定向凝固鑄造裝置之實施例的剖視示意圖；圖2為本發明定向凝固鑄造裝置之實施例進行定向長晶的示意圖；圖3為本發明定向凝固鑄造裝置之實施例所完成之晶碇的側邊晶棒分析結果示意圖；圖4為本發明定向凝固鑄造裝置之另一實施例的剖視示意圖；圖5為本發明定向凝固鑄造裝置之另一實施例所完成之晶碇的側邊晶棒分析結果示意圖；圖6為本發明定向凝固鑄造裝置之又一實施例的剖視示意圖；圖6A為本發明定向凝固鑄造裝置之又一實施例未填充軟 質保溫材的剖視示意圖；圖7為圖6A的底板俯視示意圖；及圖8為本發明定向凝固鑄造裝置之又一實施例所完成之晶碇的側邊晶棒分析結果示意圖。

100‧‧‧定向凝固鑄造裝置

1‧‧‧坩鍋

11‧‧‧底壁

111‧‧‧中央區

112‧‧‧外環區

12‧‧‧環側壁

2‧‧‧石墨板件

21‧‧‧底板

22‧‧‧側板

221‧‧‧容置槽

C‧‧‧中心軸線

D1‧‧‧側板的容置槽槽深

T1‧‧‧側板厚度

T2‧‧‧底板厚度

H1‧‧‧側板的容置槽高度

H2‧‧‧側板高度

Claims (6)

1. 一種定向凝固鑄造裝置，包括：一坩鍋，包含有一底壁及自該底壁周緣延伸的一環側壁，該底壁界定有一中央區及位於該中央區外緣的一外環區，該坩鍋界定有一通過該底壁中央區的中心軸線，該環側壁對稱於該中心軸線；以及一石墨板件，內緣抵接於該坩鍋的底壁與環側壁的外緣，該石墨板件包含有一底板及數個側板，該些側板底端環設於該底板外端，每一側板內緣凹設有該容置槽，且該容置槽的槽深小於該側板厚度的40%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之定向凝固鑄造裝置，其中每一側板的容置槽自該側板內緣的底端沿平行於該中心軸線的方向凹設所形成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之定向凝固鑄造裝置，其中每一側板的容置槽高度大於該底板的厚度。
4. 如申請專利範圍第2項所述之定向凝固鑄造裝置，其中該些側板的容置槽相連呈環狀，且位於該坩鍋的環側壁外。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之定向凝固鑄造裝置，其中該坩鍋呈中空方柱狀，且該定向凝固鑄造裝置進一步包含有一軟質保溫材，且該軟質保溫材填充於該容置槽中，且該容置槽大致對稱於該中心軸線。
6. 如申請專利範圍第5項所述之定向凝固鑄造裝置，其中該軟質保溫材包含一碳纖及一氧化鋁毯的至少其中之一。