TWM444886U - 用於製造矽晶鑄錠之鑄造模 - Google Patents

Description

用於製造矽晶鑄錠之鑄造模

本創作係關於一種用於製造矽晶鑄錠(crystalline silicon ingot)之鑄造模(casting mold)，並且特別地，係關於利於小尺寸矽晶粒成核並成長的鑄造模。

使用在製造太陽能電池上的多晶矽，傳統上是利用一般鑄造製程來生產。利用鑄造製程來製備多晶矽，進而應用在太陽能電池上是本技術領域的現有的技術。簡言之，將高純度的矽熔融在鑄造模內(例如，石英坩堝(quartz crucible))，在控制凝固下被冷卻以形成多矽晶鑄錠。接著，該多矽晶鑄錠被切割成接近太陽能電池尺寸大小的晶圓，進而應用在製造太陽能電池上。以這種方法製造的多晶矽鑄錠為矽結晶晶粒的聚集體，其中在由其製成的晶圓中，晶粒相互之間的晶向實際上是隨機的。

在現有的多晶矽中，因為晶粒的隨機晶向而難以對所製成的晶片表面進行粗紋化。表面粗紋化後可降低光反射並提高通過電池表面的光能吸收，來提高光伏電池的效率。另外，在現有的多晶矽晶粒之間的晶界中形成的"扭折"，傾向形成成核差排的簇集，或形成多條線差排形式的結構缺陷。這些差排以及它們趨向吸引的雜質，造成了由現有的多晶矽製成的光伏電池中電荷載子的快速復合。這會導致電池的效率降低。由這類多晶矽製成的光電池通常比由單晶矽製成的等效光伏電池的效率低，即使考慮了在由現有技術製造的單晶矽中所存在之缺陷的徑向分佈。然而，因為製造現有的多晶矽相對簡單且成本更低，以及在電池加工中有效的缺陷鈍化，多晶矽成了廣泛用於製造光伏電池之矽材料的形式。

現有的石英坩堝通常採用注漿法或注凝法，先利用模具成型，之後再燒結而成。以往的石英坩堝之底部皆是平坦的。

但是，囿於以往成長大尺寸矽晶粒之矽晶鑄錠利於後續所製成太陽電池的較高光電轉換效率之觀念，現有技術揭露利用昂貴的單晶矽晶種層並基於方向性凝固製成矽晶鑄錠。

為了降低製造成本，現有技術也揭露不利用單晶矽晶種層，而在石英坩堝之底部內壁先行成特殊凹坑，來達成在石英坩堝底部內壁成核且成長成大尺寸矽晶粒(大於約10mm)。這些石英坩堝底部內壁上的凹坑其密度低，以期在矽晶鑄錠的製造過程中，能成核且成長成大尺寸矽晶粒。

關於矽晶鑄錠內矽晶粒尺寸成長控制的觀念已有改變。現有技術企望提供矽熔湯密集的成核點，製造高密度的晶粒分布，來抑制成長快速的晶向生成，進而達到大量降低大尺寸矽晶粒分佈比例。由於，小尺寸矽晶粒型態於長晶過程中有較少晶粒競爭現象，且小尺寸矽晶粒分佈緊密較易趨於單一向上成長，減少晶粒大吃小情形與避免柱狀晶無法成長完整的情況。此外，伴隨得來的高比例晶界在長晶過程中，能以應力場吸引缺陷集中或於晶界上滑移釋放熱應力，抑制差排等缺陷快速增加，因此獲得高品質的矽晶鑄錠、矽晶圓，後續製成的太陽能電池的光電轉換效率也較高。

現有的鑄造模尚未有利於小尺寸矽晶粒(小於約10mm)成核並成長的設計。

此外，現有石英坩堝之底部內壁的凹坑，其底部的設計大多為尖銳輪廓，自然其應力集中因子(stress concentration factor)高。這些石英坩堝用於矽晶鑄錠的製造，其底部易誘發裂縫，進而導致石英坩堝破裂、矽融湯溢流之風險。

因此，本創作所欲解決之一技術問題在於提供一種用於製造矽晶鑄錠且利於小尺寸矽晶粒成核並成長的鑄造模。

此外，本創作所欲解決之一技術問題在於提供一種利於小尺寸矽 晶粒成核並成長，且其底部不易誘發裂縫的鑄造模。

本創作之一較佳具體實施例之鑄造模係用於製造矽晶鑄錠。本創作之鑄造模包含底部。特別地，本創作之鑄造模的底部之內壁具有多個凹坑。每一凹坑之深度小於約10mm。每一凹坑之孔徑的範圍為約5mm~10mm。藉此，本創作之鑄造模用於製造矽晶鑄錠時，能利於小尺寸矽晶粒成核並成長。

於一具體實施例中，多個凹坑佔底部之面積的範圍為約30%~90%。

於一具體實施例中，多個凹坑間之間距的範圍為約0.1mm~10mm。

於一具體實施例中，每一凹坑之深度的範圍為約5mm~10mm。

於一具體實施例中，每一凹坑之底部皆為弧面。

於一具體實施例中，多個凹坑中之一個凹坑之開口呈現圓形。

於一具體實施例中，多個凹坑中之一個凹坑之開口呈現六角形。

與先前技術不同，本創作之鑄造模利用其底部內壁的凹坑直接提供矽熔湯密集的成核點，製造高密度的晶粒分布，來抑制成長快速的晶向生成，進而達到大量降低大尺寸矽晶粒分佈比例。由於，小尺寸矽晶粒型態於長晶過程中有較少晶粒競爭現象，且小尺寸矽晶粒分佈緊密較易趨於單一向上成長，減少晶粒大吃小情形與避免柱狀晶無法成長完整的情況。此外，伴隨得來的高比例晶界在長晶過程中，能以應力場吸引缺陷集中或於晶界上滑移釋放熱應力，抑制差排等缺陷快速增加，因此獲得高品質的矽晶鑄錠、矽晶圓，後續製成的太陽能電池的光電轉換效率也較高。

關於本創作之優點與精神可以藉由以下的實施方式及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖1A及圖1B，圖1A係以頂視圖示意地繪示本創作之一較佳具體實施例之鑄造模1。圖1B係圖1A中之鑄造模1沿圖1A中的A-A線之局部剖面視圖。本創作之鑄造模1係用於製造矽晶鑄錠。

如圖1A及圖1B所示，本創作之鑄造模1包含底部10。特別地，本創作之鑄造模1的底部10之內壁102具有多個凹坑12。每一凹坑12之深度小於約10mm。每一凹坑12之孔徑的範圍為約5mm~10mm。藉此，本創作之鑄造模1用於製造矽晶鑄錠時，能利於小尺寸矽晶粒成核並成長。

於一具體實施例中，本創作之鑄造模1可以是石英坩堝。

本創作之鑄造模1用於製造矽晶鑄錠之一範例，說明如下。首先，矽原料安裝至本創作之矽晶鑄錠1內。本創作之矽晶鑄錠1本身定義垂直方向。

裝入矽原料的鑄造模1放入方向性凝固系統長晶爐(未繪示於圖中)內，先行將矽原料全部熔化成矽熔湯。

接著，基於方向性凝固製程冷卻鑄造模1，造成矽熔湯中多個矽晶粒在凹坑12內成核，且沿該垂直方向成長。

最後，繼續基於方向性凝固製程冷卻鑄造模1，讓多個矽晶粒繼續沿該垂直方向成長，且直至矽熔湯全部凝固以獲得矽晶鑄錠。

藉此，所製造的矽晶鑄錠包含沿垂直方向成長的多個矽晶粒，並且緊鄰鑄造模1之底部10的矽晶粒之平均晶粒尺寸為小於約10mm。

小尺寸矽晶粒也可以有效抑制缺陷密度的增率。利用本創作之鑄造模1所製造的矽晶鑄錠其中央底部成長小尺寸矽晶粒(<10mm)的機率較高，其側邊或角落底部可能只有局部成長小尺寸矽晶粒(<10mm)。利用本創作之鑄造模1所製造的矽晶鑄錠垂直其本身之垂直方向的切面，其小尺寸矽晶粒所佔面積比例會影響晶粒成長幅度以及缺陷密度的增率。

為了增加小尺寸矽晶粒的數量，於一具體實施例中，多個凹坑12間之間距的範圍為約0.1mm~10mm。圖1A中的相鄰列凹坑12係交錯排列。

於一具體實施例中，多個凹坑12佔底部10之面積的範圍為約30%~90%。

於一具體實施例中，每一凹坑12之深度的範圍為約5mm~10mm。

圖1A中之凹坑12其開口呈現圓形。此外，為了避免凹坑12在矽晶鑄錠製造過程中誘發裂縫，以避免鑄造模1破裂、矽融湯溢流，在於一具體實施例中，每一凹坑12之底部皆為弧面，以降低每一凹坑12之底部的應力集中因子，如圖1B所示。

請參閱圖2，圖2係以頂視圖示意地繪示本創作之另一較佳具體實施例之鑄造模1。同圖1A，圖2中之凹坑12其開口呈現圓形。不同處在於，圖2中的相鄰列凹坑12係對齊排列，以提升凹坑12在底部10之內壁102處的排列密度。圖2中具相同與圖1A相同號碼標記之結構，具有相同或類似的功能，在此不做贅述。

請參閱圖3A及圖3B，圖3A係以頂視圖示意地繪示本創作之另一較佳具體實施例之鑄造模1。圖3B係圖3A中之鑄造模1沿圖3A中的B-B線之局部剖面視圖。

不同於圖1A及圖1B，圖3A中之凹坑14其開口呈現六角形。同圖1B，圖3B中每一凹坑14之底部皆為弧面，以降低每一凹坑14之底部的應力集中因子，以避免凹坑14在矽晶鑄錠製造過程中誘發裂縫，導致鑄造模1破裂、矽融湯溢流。圖3A中的相鄰列凹坑14係交錯排列，以提升凹坑14在底部10之內壁102處的排列密度。圖3A及圖3B中具相同與圖1A及圖1B相同號碼標記之結構，具有相同或類似的功能，在此不做贅述。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本創作之 範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本創作所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本創作所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1‧‧‧鑄造模

10‧‧‧底部

102‧‧‧內壁

12‧‧‧凹坑

14‧‧‧凹坑

圖1A係本創作之一較佳具體實施例之鑄造模的頂視圖。

圖1B係第1圖中之鑄造模沿圖1A中的A-A線之局部剖面視圖。

圖2係本創作之另一較佳具體實施例之鑄造模的頂視圖。

圖3A係本創作之另一較佳具體實施例之鑄造模的頂視圖。

圖3B係第1圖中之鑄造模沿圖1A中的B-B線之局部剖面視圖。

1‧‧‧鑄造模

102‧‧‧內壁

12‧‧‧凹坑

Claims (7)

1. 一種用於製造一矽晶鑄錠之鑄造模，包含一底部，其特徵在於該底部之內壁具有多個凹坑，每一凹坑之深度小於約10mm，每一凹坑之孔徑的範圍為約5 mm~10 mm。
2. 如請求項1所述之鑄造模，其中該多個凹坑佔該底部之面積的範圍為約30%~90%。
3. 如請求項2所述之鑄造模，其中該多個凹坑間之間距的範圍為約0.1mm~10mm。
4. 如請求項3所述之鑄造模，其中每一凹坑之深度的範圍為約5mm~10mm。
5. 如請求項4所述之鑄造模，其中每一凹坑之底部皆為一弧面。
6. 如請求項5所述之鑄造模，其中該多個凹坑中之一個凹坑之開口呈現一圓形。
7. 如請求項5所述之鑄造模，其中該多個凹坑中之一個凹坑之開口呈現一六角形。