TWM460881U - 用於長晶的坩堝單元 - Google Patents

Description

用於長晶的坩堝單元

本新型是有關於一種坩堝單元(crucible unit)，特別是指一種用於長晶的坩堝單元。

多晶矽(polycrystalline Si)的晶粒尺寸(grain size)及形態影響到太陽能電池(solar cell)的性能。晶粒尺寸適中(如約10 mm)且均一的多晶矽晶片(Si wafer)有助於提高太陽能電池的光電轉化效率(photon-to-current conversion efficiency；PCE)。然而，此技術領域的相關技術人員皆知，欲得到晶粒尺寸適中且均一的晶粒，主要是取決於晶碇(ingot)在成長過程中，其初始的成核(nucleation)是否控制得當。

就成長一多晶矽晶碇的技術簡單地來說(圖未示)，其主要是先將一矽原料放置在一石英(quartz)坩堝內並高溫加熱該矽原料，使石英坩堝內的矽原料因高溫而融解成一矽熔湯；進一步地，透過該石英坩堝下方所設置的一定向取熱塊來對該矽熔湯進行吸熱，使該矽熔湯自該石英坩堝底部朝上漸漸地凝固以成長出該多晶矽晶碇。

此技術領域的相關技術人員當知，由於晶體的 法向生長速率(normal growth rate，Rn=c．△T)是與熔湯的過冷度(undercooling，△T)呈線性關係。所謂熔湯的過冷度(△T)，指的是晶碇在定向凝固成長的成核期，晶核(nucleus of crystalline)在石英坩堝底部內外的溫度差。一旦石英坩堝底部的厚度相同時，晶核在石英坩堝底部內外的溫度差便相同。因此，多晶矽晶碇在定向凝固成長過程中的成核期，石英坩堝底部便會不均勻地隨機形成出一層雜亂分佈的晶核。也正因為晶核的雜亂分佈以致於晶核在晶粒成長的過程中，往往會受到周圍其他相似晶粒的束縛，因而沒有充分自由的成長空間，使得晶粒的成長受到限制，導致最終得到的晶粒尺寸不均。為解決晶粒尺寸不均的問題，此技術領域的相關技術人員近幾年來也提出了一些解決的方案。

參圖1與圖2，大陸第CN201962402 U授權公告號實用新型專利案公開一種多晶矽鑄碇用石英坩堝1。該多晶矽鑄碇用石英坩堝1包括：一個底壁11及一個圍繞該底壁11的圍壁12，並由該底壁11與該圍壁12共同界定出一個容置矽原料(圖未示)的容置空間10。該底壁11形成有多數個自該底壁11的一上表面朝下相間隔地凹陷的圓錐形凹坑111。該多晶矽鑄碇用石英坩堝1之各圓錐形凹坑111設計的主要目的是在於，形成粗大且均勻的矽晶粒，進而提高多晶矽太陽能電池片的光電轉換效率。

然而，該底壁11中的圓錐形凹坑111設計大多為尖銳輪廓；因此，該底壁11的應力集中因子(stress concentration factor)高。採用該多晶矽鑄碇用石英坩堝1來製造成長矽晶鑄錠時，該底壁11容易因其本身材質與矽熔湯兩者間的高熱膨脹係數差而誘發裂縫，進而使得該多晶矽鑄碇用石英坩堝1破裂，並導致矽熔湯溢流的風險。

參圖3與圖4，中華民國第M444886證書號新型專利案公開一種用於製造矽晶鑄碇之鑄造模2。該用於製造矽晶鑄碇之鑄造模2，包括：一個底壁21及一個圍繞該底壁21的圍壁22，並由該底壁21與該圍壁22共同界定出一容置矽熔湯(圖未示)的容置空間20。該底壁21形成有多數個自該底壁21之一上表面朝下相間隔地凹陷的弧形凹坑211；其中，各弧形凹坑211的尺寸是介於5 mm至10 mm間，且兩相鄰弧形凹坑211的間距是介於0.1 mm至10 mm間。該用於製造矽晶鑄碇之鑄造模2主要是利用該底壁21的各弧形凹坑211，以避免該底壁21於矽晶鑄碇的製造時誘發出裂縫，進而降低矽熔湯溢流的風險。

然而，該等弧形凹坑211佈滿於該鑄造模2的底壁21；相對地，最終所完成的矽晶鑄碇的底部也會在各弧形凹坑211對應處，形成有多數個外觀互補於各弧形凹坑211的弧形凸塊(圖未示)。此等佈滿於矽晶鑄碇底部的弧形凸塊也導致該矽晶鑄碇在縱向垂直切割(squaring)過程中，因各弧形凸塊所殘存的內應力而衍生出矽晶鑄碇崩裂的問題。因此，該等弧形凹坑211的設計無形中也降低了矽晶鑄碇的有效使用率。

經上述說明可知，改良長晶用的坩堝結構，以 使得晶碇於成核期所形成的晶核得以較為均勻地分布於坩堝底部，並提高晶核在晶粒成長過程中的成長空間，以避免晶粒的成長受到限制，同時亦提升晶碇的有效使用率，是此技術領域的相關技術人員所待突破的課題。

<新型概要>

本案創作人深知，一般熔湯在晶體成長(crystal growth)前必須先經過成核期，且晶體於成核期所形成的晶核通常是形成在粗糙的表面上。然而，本案創作人在長時間研究開發多晶矽成長的過程中發現到，粗糙表面的粗糙度亦同時深深地影響著晶體的成長速率。因此，為解決不為此技術領域的相關技術人員所樂見的晶粒尺寸分布不均的問題，本案創作人主要是利用不同的表面粗糙度此一途徑，確保微米級(~μm)尺度下的不同粗糙度區域可均勻地分布(如，每兩相鄰高粗糙度區域間是夾置有一低粗糙度區域)，使得晶碇於成核期所形成之晶核得以均勻地分布，並使各晶向(crtstallographic direction)之晶粒具有不同的成長速率以相互競爭，從而藉此改善晶粒尺寸不均的問題。

<新型目的>

因此，本新型之目的，即在提供一種用於長晶的坩堝單元。

於是本新型用於長晶的坩堝單元，包含：一個坩堝及一個第一脫模塗層。該坩堝具有一個底壁及一個圍壁。該圍壁自該底壁的一周緣向上延伸以圍繞該底壁，並 與該底壁共同界定出該坩堝的一容置空間。該第一脫模塗層覆蓋於該坩堝的底壁，且實質由一陶瓷粉末(ceramic powder)所構成。該第一脫模塗層具有一個二維的粗糙區陣列。該二維的粗糙區陣列具有多數個第一粗糙區及多數個第二粗糙區。該等第一粗糙區與該等第二粗糙區是沿一第一方向依序輪流設置，並沿一第二方向依序輪流設置，且各第一粗糙區之陶瓷粉末的粒徑大於各第二粗糙區之陶瓷粉末的粒徑。

本新型之功效，藉該底壁之二維的粗糙區陣列的各第一粗糙區與各第二粗測區的陶瓷粉末粒徑差異，以使得晶碇於成核期所形成之晶核可均勻地分布，並提供各晶向之晶粒具有不同的成長速率以相互競爭，從而改善晶粒尺寸不均的問題。

3‧‧‧坩堝

31‧‧‧底壁

32‧‧‧圍壁

30‧‧‧容置空間

4‧‧‧第一脫模塗層

41‧‧‧二維的粗糙區陣列

411‧‧‧第一粗糙區

412‧‧‧第二粗糙區

421‧‧‧第一粗糙區的陶瓷粉末

422‧‧‧第二粗糙區的陶瓷粉末

5‧‧‧第二脫模塗層

本新型之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體圖，說明大陸第CN201962402 U授權公告號實用新型專利案所公開的一種多晶矽鑄碇用石英坩堝；圖2是一局部剖視示意圖，說明該多晶矽鑄碇用石英坩堝內部的圓錐形凹坑；圖3是一俯視示意圖，說明中華民國第M444886證書號新型專利案所公開的一種用於製造矽晶鑄碇之鑄造模；圖4是沿圖3之直線IV-IV所取得的一局部剖視示意 圖，說明該用於製造多晶鑄碇之鑄造模內部的弧形凹坑；圖5是一俯視示意圖，說明本新型用於長晶的坩堝單元的一第一較佳實施例；圖6是沿圖5之直線VI-VI所取得的一局部剖視示意圖，說明本新型該第一較佳實施例之一第一脫模塗層之多數第一粗糙區與多數第二粗糙區；圖7是取自圖6的一局部放大剖視示意圖，說明各第一粗糙區之陶瓷粉末的粒徑與各第二粗糙區之陶瓷粉末的粒徑；及圖8是一俯視示意圖，說明本新型用於長晶的坩堝單元的一第二較佳實施例。

在本新型被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖5、圖6與圖7，本新型用於長晶的坩堝單元之第一較佳實施例，包含：一個坩堝3、一個第一脫模塗層4及一個第二脫模塗層5。

該坩堝3具有一個底壁31及一個圍壁32。該圍壁32自該底壁31的一周緣向上延伸以圍繞該底壁31，並與該底壁31共同界定出該坩堝3的一容置空間30。

該第一脫模塗層4覆蓋於該坩堝3的底壁31，且實質由一陶瓷粉末421、422所構成。在本新型該第一較佳實施例中，該陶瓷粉末421、422是氮化矽(Si₃ N₄ )粉末。該第一脫模塗層4具有一個二維的粗糙區陣列41。該二維 的粗糙區陣列41具有多數個第一粗糙區411及多數個第二粗糙區412。該等第一粗糙區411與該等第二粗糙區412是沿一第一方向X依序輪流設置，並沿一第二方向Y依序輪流設置，且各第一粗糙區411之陶瓷粉末421的粒徑大於各第二粗糙區412之陶瓷粉末422的粒徑。該第二脫模塗層5覆蓋該坩堝3圍壁32的一內表面，且該第二脫模塗層5是由氮化矽粉末所構成。

較佳地，各第一粗糙區411的陶瓷粉末421的粒徑大於5 μm，各第二粗糙區412的陶瓷粉末422的粒徑小於5 μm。

此處需補充說明的是，覆蓋於該第一較佳實施例之坩堝3底壁31上的各第一粗糙區411與各第二粗糙區412的形狀與尺寸，主要根據目前常見於各家長晶廠廠內所產出之尺寸相等的多數矽晶片(Si wafer)表面的預定形狀與預定尺寸來設計。就目前各家長晶廠廠內所常用的矽晶片表面之預定形狀與預定尺寸而言，其分別是一邊長介於157 mm至158 mm的正方形，且該等矽晶片於橫向切割(slicing)前的多數個呈柱狀正方體的矽晶磚(brick)，是呈5×5的二維陣列正交排列。因此，在本新型該第一較佳實施例中，該第二方向Y是實質正交於該第一方向X，該第一脫模塗層4之二維的粗糙區陣列41的該等第一粗糙區411與該等第二粗糙區412，是呈5×5的二維陣列輪流地正交排列於該坩堝3的底壁31；且各第一粗糙區411與各第二粗糙區412的形狀分別為一邊長介於157 mm至158 mm間的正方形；又， 各第一粗糙區411的陶瓷粉末421的粒徑是介於5 μm至10 μm間，各第二粗糙區412的陶瓷粉末422的粒徑是介於0.1 μm至3 μm間。

參圖8，本新型用於長晶的坩堝單元之第二較佳實施例，大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，本新型該第二較佳實施例之第一脫模塗層4的該二維的粗糙區陣列41的該等第一粗糙區411與該等第二粗糙區412，是呈10×10的二維陣列輪流地正交排列於該坩堝3的底壁31；且各第一粗糙區411與各第二粗糙區412的形狀分別為一邊長介於78.5 mm至79 mm間的正方形。

於實際使用本新型該等較佳實施例之坩堝單元來成長一多晶矽晶碇時(以下僅以圖6與圖7舉例說明，有關於長晶爐、矽原料、定向取熱塊與矽熔湯等元件，於以下說明中皆未顯示於圖6與圖7)，一矽原料是預先放置在各坩堝單元的容置空間30中，並將各坩堝單元放置於一長晶爐內，利用該長晶爐內的一加熱單元來對該矽原料升溫以使該矽原料融解成一矽熔湯。進一步地，透過各坩堝單元下方的一定向取熱塊來使該矽熔湯沿著垂直方向構成定向凝固成長。

本新型該等較佳實施例利用各坩堝3底壁31上所覆蓋之各第一粗糙區411與各第二粗糙區412的陶瓷粉末421、422粒徑差異，以對成核期的矽晶核提供不同的表面粗糙度，促使矽晶核均勻地分布形成於各第一粗糙區411與各第二粗糙區412，使得不同晶向的矽晶粒能有不同的成 長速率以相互競爭，且緊鄰該該第一脫模塗層4中央的矽晶粒多數是尺寸均勻且較小的矽晶粒(<10 mm)。然而，此處需補充說明的是，晶粒較小的晶體，相對地，其晶體具有較高的晶界密度(grain boundary)。對於晶粒成長而言，高密度的晶界能以其本身的應力場吸引缺陷(defect)集中，誘使差排(dislocation)透過滑移(slip)或爬升(climb)的機制以抵銷掉差排的形成並藉此釋放熱應力(thermal stress)。經前述說明可知，該多晶矽晶碇於定向凝固的成長過程中，分布在該多晶矽晶碇底部的該等尺寸均勻且較小的矽晶粒有助於抑制差排的生成，以致於該等尺寸較小且均勻的矽晶粒上方所成長的晶體，可取得尺寸較大(約10 mm)且均勻的矽晶粒。因此，有助於提升太陽能電池的光電轉換效率。

此處更值得一提的是，本新型該等較佳實施例藉由覆蓋於其坩堝3底壁31上之第一脫模塗層4的各第一粗糙區411與各第二粗糙區412，以解決受此技術領域的相關技術人員所詬病的晶粒尺寸分布不均的問題。此外，由上述說明更可了解，使用本新型該等較佳實施例之用於長晶的坩堝單元所成長的該多晶矽晶定，其在縱向垂直切割成矽晶磚的過程中，亦不會衍生出晶碇崩裂的問題(見先前技術所提到的中華民國第M444886證書號新型專利案之鑄造模)，可提升該多晶矽晶碇的有效使用率。

綜上所述，本新型用於長晶的坩堝單元利用該坩堝3底壁31上之第一脫模塗層4的各第一粗糙區411與各第二粗糙區412間的陶瓷粉末421、422粒徑差異，使該 多晶矽晶碇的矽晶核可均勻地分布於該第一脫模塗層4，並使得不同晶向的矽晶粒能有不同的成長速率以相互競爭，以致於該多晶矽晶碇具有晶粒尺寸適中且均勻的矽晶粒，此外，使用本新型所成長取得的該多晶矽晶定於縱向垂直切割時亦不會產生晶碇崩裂的問題，可提升該多晶矽晶碇的有效使用率，故確實能達成本新型之目的。

惟以上所述者，僅為本新型之較佳實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。

32‧‧‧圍壁

4‧‧‧第一脫模塗層

41‧‧‧二維的粗糙區陣列

411‧‧‧第一粗糙區

412‧‧‧第二粗糙區

5‧‧‧第二脫模塗層

X‧‧‧第一方向

Y‧‧‧第二方向

Claims (5)

1. 一種用於長晶的坩堝單元，包含：一個坩堝，具有一個底壁及一個圍壁，該圍壁自該底壁的一周緣向上延伸以圍繞該底壁，並與該底壁共同界定出該坩堝的一容置空間；及一個第一脫模塗層，覆蓋於該坩堝的底壁且實質由一陶瓷粉末所構成，該第一脫模塗層具有一個二維的粗糙區陣列，該二維的粗糙區陣列具有多數個第一粗糙區及多數個第二粗糙區，該等第一粗糙區與該等第二粗糙區是沿一第一方向依序輪流設置，並沿一第二方向依序輪流設置，且各第一粗糙區之陶瓷粉末的粒徑大於各第二粗糙區之陶瓷粉末的粒徑。
2. 如請求項1所述的用於長晶的坩堝單元，其中，各第一粗糙區的陶瓷粉末的粒徑大於5 μm，各第二粗糙區的陶瓷粉末的粒徑小於5 μm。
3. 如請求項2所述的用於長晶的坩堝單元，其中，各第一粗糙區的陶瓷粉末的粒徑是介於5 μm至10 μm間，各第二粗糙區的陶瓷粉末的粒徑是介於0.1 μm至3 μm間。
4. 如請求項1至請求項3任意一項所述的用於長晶的坩堝單元，其中，該第二方向是實質正交於該第一方向，且該二維的粗糙區陣列的各第一粗糙區與各第二粗糙區的形狀分別為一正方形。
5. 如請求項1至請求項3任意一項所述的用於長晶的坩堝單元，還包含一個第二脫模塗層，該第二脫模塗層覆蓋該坩堝圍壁的一內表面。