TWM463258U - 用於長類單晶的坩堝單元 - Google Patents

Description

用於長類單晶的坩堝單元

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

在太陽能(solar cell)產業中，高效率及低成本一直是兩個主要的競爭點。在多數的太陽能電池材料中，又以結晶矽(crystalline Si)其本身具有優異的光電轉換效率(photon-to-current conversion efficiency；PCE)及穩定性。因此，結晶矽目前已成為太陽能電池的主要材料，並持續佔據主要的太陽能市場。

以單晶矽的製法來論，其一般是採用柴氏長晶法(Czochralski process，CZ)所製得。簡單地來說，單晶矽是使用具有特定晶向(crystallographic direction)的單晶晶種(seed)，使得坩堝內的矽熔湯一方面透過旋轉拉提的方式沿著固定方向凝固成長，同時亦經由單晶晶種來引晶(seeding)以成長成單晶矽棒。稱為單晶矽，顧名思義可知其單晶矽本身內部並不存在有任何的晶界(grain boundary)，因此，具有缺陷低與轉換效率高等特點。雖然柴氏長晶法可以製得品質優異的單晶矽以進一步地製作成 太陽能電池。然而，生產單晶矽的製作成本甚高，因此，為降低太陽能材料的生產成本，太陽能電池相關產業也進一步地開發出多晶矽(poly crystalline Si)的成長方案。

多晶矽主要是採用定向凝固法製得，其單次投料量大，具有易操作且低成本等特點。然而，基於多晶矽的成長機制並沒有額外引入單晶晶種來引晶，以致於坩堝底部的矽熔湯在初步冷卻後會大量地形成各晶向的晶核(nucleus of crystalline)，導致最終所完成的矽晶碇(Siingot)中往往含有大量的晶界及缺陷。此外，多晶矽太陽能電池的光電轉換效率也因此等晶界及缺陷，而相對低於單晶矽太陽能電池。因此，多晶矽太陽能電池雖然可降低成本，但相對地，也因成本的下降而犧牲掉部分的轉換效率。為了既要提高電池效率，又要降低生產成本，此技術領域的相關技術人員在近幾年來更朝向類單晶(mono like)矽的成長技術，來尋求各種改善電池效能的技術方案。

參閱圖1，現有一種用於成長類單晶矽的坩堝1，包括一個方形底壁11，及一個自該方形底壁11的一周緣111向上延伸以圍繞該方形底壁11的周壁12，且該方形底壁11與周壁12共同界定出一容放多數個方形單晶晶種9的容室10。該用於成長類單晶矽的坩堝1及該等方形單晶晶種9，皆是現階段各家長晶廠慣用的規格化產品。

然而，由圖1顯示可知，該方形底壁11周緣111存在有一定的倒角，而各方形單晶晶種9的尺寸又無法完整地鋪滿該方形底壁11。因此，在初期凝固階段，靠近周 壁12底部區域的矽熔湯(圖未示)在缺乏該等方形單晶晶種9來輔助引晶的條件下，導致鄰近周壁12底部區域的矽熔湯是形成大量各晶向的晶核。此外，在整體晶體生長(crystal growth)的過程，各晶向之晶核的成長也會朝內滲透以影響類單晶的成長，導致最終成長取得的類單晶只出現在其矽晶碇的中央區域，而位在鄰近周壁12區域的矽晶碇則多半屬於多晶矽。這使得晶碇在縱向垂直切割(squaring)成晶磚(brick)，甚或是橫向切片(slicing)成晶片(wafer)後，位在最外圍的晶磚與晶片皆同時存在有各晶向的多晶矽及單一晶向的類單晶矽。因此，影響了電池的光電轉換效率。

參閱圖2，大陸第CN202265623 U授權公告號實用新型專利案公開一種鑄造類單晶矽用的坩堝2，其包括一個供放置該等方形單晶晶種9的方形底壁21，及一個圍繞該方形底壁21的周壁22，且由該方形底壁21及周壁22共同界定出一容室20。該周壁22是自該方形底壁21的一周緣向上延伸至高於該等方形單晶晶種9的高度後，朝該容室20的方向向內延伸以局部遮蔽住位處於最外圍的方形單晶晶種9並朝上延伸。該坩堝2的設計能使該等方形單晶晶種9鋪滿該方形底壁21，且該方形底壁21的邊長大於於周壁22的邊長，使該容室20內的矽熔湯(圖未示)能在各方形單晶晶種9的引導下成長成單一晶向的類單晶矽，進而降低矽晶碇的晶界和差排(dislocation)以提高電池的平均轉換效率。

熟悉此技術領域的相關技術人員皆知，通常各 家長晶廠廠內的工程人員會在坩堝的內表面塗佈上一層氮化矽(silicon nitride)層，以避免定向凝固後的矽晶碇黏附在坩堝壁面。然而，該坩堝2的方形底壁21與周壁22所銜接的彎角處，甚難進一步地噴塗上該氮化矽層(圖未示)。因此，容易使得凝固後的矽晶碇底部黏附於該方形底壁21及該周壁22的底端，導致矽晶碇的崩裂。

參閱圖3，大陸第CN101979718 A早期公開號發明專利案公開一種石英(quartz)坩堝3，其包括一個方形底壁31及一個圍繞該方形底壁31的周壁32。該方形底壁31形成有多數個如圖3所示之用以誘導晶種自發生長的凹坑311。該等凹坑311主要目的在於，提高最終成長取得的類單晶品質。然而，該石英坩堝3的方形底壁31厚度是目前各家長晶廠所慣用之規格化坩堝厚度的5倍。因此，不只增加晶碇成長所需耗費的時間，也導致晶碇品質的下降。此外，該等凹坑311的設計，也難以在該方形底壁31上塗佈氮化矽層，同樣有矽晶碇黏附與崩裂等問題。再加上最終所製得的晶碇底部相對應形成外觀互補於該等凹坑311的凸柱，因此晶碇於縱向垂直切割時也不便於固定在晶碇載座上。

參閱圖4，大陸第CN202543392 U授權公告號實用新型專利案公開一種用於生產矽碇的坩堝4，其包括一個底壁41及一個圍繞該底壁41的周壁42。該底壁41具有多數個凹槽411，各凹槽411彼此間隔設置，並自該底壁41朝下漸縮後並逐漸擴大以呈沙漏狀。該坩堝4底壁41 的各凹槽411主要目的是在於，一方面可固定單晶晶種(圖未示)，避免熔化後的單晶晶種的熔湯流到凹槽411底部時發生浮動；另一方面，防止最底部的矽熔湯因未能接觸單晶晶種而產生自發成核，破壞矽晶體的單晶結構。此外，該坩堝4還可以減少單晶晶種的使用量，降低生產成本。

然而，呈沙漏狀的各凹槽411難以使氮化矽層塗佈於該底壁41，亦容易造成矽晶碇黏附坩堝並導致矽晶碇崩裂等問題。此外，矽晶碇底部也會形成多數個外觀與坩堝4底壁41各凹槽411相互補的凸塊，導致矽晶鑄碇在縱向垂直切割過程中產生矽晶碇崩裂的問題，降低了矽晶碇的有效使用率。

經上述說明可知，改良坩堝的結構以使得最終所生產製得的晶碇不只具有類單晶的優異品質，同時亦可降低生產成本並增加晶碇的有效使用率，是此技術領域的相關技術人員所待突破的課題。

因此，本新型之目的，即在提供一種用於長類單晶的坩堝單元。

於是本新型用於長類單晶的坩堝單元，是用於成長一類單晶晶碇，該類單晶晶碇是經多數個單晶晶種來引晶並定向凝固成長而成，該用於長類單晶的坩堝單元包含一個底壁及一個圍壁。該底壁具有一個平台區及一個圍繞該平台區的圍繞區。該平台區供該等單晶晶種沿一第一方向依序設置且沿一第二方向依序設置，並實質填滿該平 台區。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一個容置空間。其中，該平台區、該圍繞區與各單晶晶種沿該底壁的一厚度方向，分別具有一第一厚度T₁ 、一第二厚度T₂ 與一第三厚度T₃ ，T₁ +T₃ <T₂ ，以使該底壁的圍繞區是實質圍繞住該等單晶晶種。

本新型之功效在於，透過該平台區與圍繞區的厚度設計，使單晶晶種能實質填滿該平台區並由該圍繞區所包圍，迫使矽熔湯於晶體成長初期便可直接自各單晶晶種的周圍及其正上方沿著該厚度方向被引晶成長成類單晶，並抑制臨近於圍壁處的矽熔湯發生各晶向之晶核的成核率(nucleation)，以提升類單晶的品質，亦同時增加晶碇的有效使用率。

5‧‧‧底壁

50‧‧‧容置空間

51‧‧‧平台區

52‧‧‧圍繞區

6‧‧‧圍壁

91‧‧‧單晶矽晶種

92‧‧‧類單晶矽晶碇

X‧‧‧第一方向

Y‧‧‧第二方向

Z‧‧‧厚度方向

T₁ ‧‧‧第一厚度

T₂ ‧‧‧第二厚度

T₃ ‧‧‧第三厚度

L₁ ‧‧‧第一邊長

L₂ ‧‧‧第二邊長

l₁ ‧‧‧第一邊長

l₂ ‧‧‧第二邊長

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是一剖視示意圖，說明現有一種用於成長類單晶矽的坩堝；圖2是一剖視示意圖，說明大陸第CN202265623 U授權公告號實用新型專利案所公開的一種鑄造類單晶矽用的坩堝；圖3是一局部立體剖視圖，說明大陸第CN101979718 A早期公開號發明專利案所公開的一種石英坩堝；圖4是一剖視示意圖，說明大陸第CN202543392 U授權公告號實用新型專利案所公開的一種用於生產矽碇的坩 堝；圖5是一俯視示意圖，說明本新型用於長類單晶的坩堝單元的一較佳實施例；圖6是一沿圖5之直線VI-VI所取得的一局部剖視示意圖，說明多數個單晶晶種與本新型該較佳實施例之一個底壁及一個圍壁間的設置關係；及圖7是一圖6的局部放大示意圖；說明本新型該較佳實施例之底壁之一平台區、一圍繞區與各單晶晶種間的厚度關係。

參閱圖5、圖6與圖7，本新型用於長類單晶的坩堝單元之較佳實施例，是用於成長一類單晶矽晶碇92。該類單晶矽晶碇92是經多數個單晶矽晶種91來引晶並定向凝固成長而成。本新型該較佳實施例之用於長類單晶的坩堝單元，包含一個底壁5及一個圍壁6。本新型該較佳實施例還包含一氮化矽塗層(圖未示)。該氮化矽塗層是塗佈於該底壁5的一上表面與該圍壁6的一內表面，其主要目的是在於，協助該類單晶矽晶碇92脫模。該氮化矽塗層並非本新型之技術重點，於此不再多加贅述。

該底壁5具有一個平台區51及一個圍繞該平台區51的圍繞區52。該平台區51供該等單晶矽晶種91沿一第一方向X依序設置，且沿一第二方向Y依序設置，並實質填滿該平台區51。該圍壁6自該底壁5的一周緣向上延伸以圍繞該底壁5，並與該底壁5共同界定出一個容置空間 50，以供放置該等單晶矽晶種91，並於該等單晶矽晶種91上方鋪設一矽原料(圖未示)。

其中，該平台區51、該圍繞區52與各單晶矽晶種91沿該底壁5的一厚度方向Z，分別具有一第一厚度T₁ 、一第二厚度T₂ 與一第三厚度T₃ ，且T₁ +T₃ <T₂ ，以使該底壁5的圍繞區52是實質圍繞住該等單晶矽晶種91。

較佳地，T₁ <T₃ <T₂ ；更佳地，18 mm<T₁ <22 mm，43 mm<T₂ <57 mm，25 mm<T₃ <35 mm。

此外，較佳地，該底壁5之平台區51的一表面形狀與各單晶矽晶種91的一表面形狀實質為一個矩形，且該第二方向Y是實質正交於該第一方向X。如圖5所示，該底壁5之平台區51沿該第一方向X及該第二方向Y分別具有一第一邊長L₁ 及一第二邊長L₂ ，各單晶矽晶種91沿該第一方向X及該第二方向Y分別具有一第一邊長l₁ 及一第二邊長l₂ ，該底壁5之平台區51的第一邊長L₁ 實質是各單晶矽晶種91的第一邊長l₁ 的整數倍，且該底壁5之平台區51的第二邊長L₂ 實質是各單晶矽晶種92的第二邊長l₂ 的整數倍。

此處值得一提的是，本新型該較佳實施例之底壁5的平台區51的表面形狀及尺寸，主要根據目前常見於各家長晶廠所慣用的單晶矽晶種的規格來設計。就目前各家長晶廠所慣用的單晶矽晶種的規格來論，單晶矽晶種的的表面形狀為正方形。因此，較佳地，該底壁5之平台區51的表面形狀是一個邊長介於785 mm至790 mm間的正方 形；該底壁5之平台區51的一周緣至該圍壁6的距離是介於15.5 mm至22.0 mm間。

配合參閱圖5與圖7，在本新型該較佳實施例中，該底壁5之平台區51的表面形狀是一個邊長(即，L₁ 、L₂ )為786 mm的正方形；該底壁5之平台區51的周緣至該圍壁6的距離是19.5 mm；T₁ 、T₂ 與T₃ 分別等於20 mm、55 mm與30 mm；且該等單晶矽晶種91是呈現5×5的二維陣列鋪滿在該底壁5的平台區51，而位處於最外圍的單晶矽晶種91則是由該底壁5的圍繞區52所包圍。因此，經前述說明可知，在本新型該較佳實施例中，被設置在該底壁5平台區51中的該等單晶矽晶種91沿該厚度方向Z的高度，是低於該底壁5的圍繞區52的高度。

以下僅以圖7來舉例說明，本新型該較佳實施例於實際運用於成長該類單晶矽晶碇92時的狀況。有關於長晶爐、矽原料、加熱單元、隔熱單元、定向取熱塊與矽熔湯等元件，於以下說明中皆未顯示於圖7中。

首先，該等單晶矽晶種91是預先被舖滿於該底壁5的平台區51；進一步地，一矽原料是被放置在該容置空間50中以位在該等單晶矽晶種91上。後續，將該坩堝單元放置於一長晶爐內，一方面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，且使各單晶矽晶種91的周緣局部融解；另一方向，透過圍設在該坩堝單元外側的隔熱單元來控制長晶時的熱場(thermal field)，以確保位在底壁5平台區51的單晶矽晶種 91不被熱場所融解。進一步地，透過坩堝單元下方的一定向取熱塊來帶走矽熔湯的高熱，此時，矽熔湯可直接自未被熱場所融解的單晶矽晶種91的周圍及其正上方根據單晶矽晶種91的晶向被引導，以沿著垂直方向(即，該底壁5的厚度方向Z)，構成定向凝固成長以形成晶向實質相同的該類單晶矽晶碇92。

此處值得一提的是，本新型該較佳實施例透過該底壁5之平台區51與圍繞區52的厚度設計(即，如圖7所示，T₁ +T₃ <T₂ )，使得各單晶矽晶種91能實質填滿該平台區51並由該圍繞區52所包圍，迫使矽熔湯於晶體成長初期便可直接自各單晶矽晶種91的周圍及其正上方沿著該厚度方向被引晶成長成類單晶，並抑制臨近於該圍壁6處的矽熔湯發生各晶向之晶核的成核率，可有效地提升該類單晶矽晶碇92的長晶品質。相較於顯示在圖1中的坩堝，採用本新型該較佳實施例所成長之類單晶晶碇的晶界密度少，有利於提升電池的光電轉換效率。

此外，對於在長晶前仍需實施氮化矽塗層的噴塗步驟而言，本新型該較佳實施例之底壁5的結構設計，相較於顯示在圖2、圖3與圖4的坩堝更為簡易且有效，也不會產生晶碇黏附坩堝壁面的問題。又，在本新型該較佳實施例中，供該等單晶矽晶種91舖設的底壁5平台區51整體並未有任何凹槽，該類單晶矽晶碇92底部自然不會形成有凸塊；相較於圖4所顯示的坩堝，本新型該較佳實施例所成長取得的類單晶矽晶碇92於縱向垂直切割時，也不 會產生晶碇崩裂等問題，大幅地提升晶碇的有效使用率。

綜上所述，本新型用於長類單晶的坩堝單元透過該底壁5之平台區51與圍繞區52的平面配置關係及其厚度設計，迫使矽熔湯直接自各單晶矽晶種91周圍及其正上方根據各單晶矽晶種91的晶向被引晶成長，且抑制臨近該圍壁6處的矽熔湯發生各晶向之晶核的成核率，有效地提升該類單晶矽晶碇92的長晶品質以增加電池的轉換效率，此外，該底壁5之平台區51整體未出現任何凹槽設計，便於塗佈氮化矽層以避免晶碇黏附坩堝壁面，且晶碇在縱向垂直切割時也不易出現崩裂問題，大幅地提升晶碇的有效使用率，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。

5‧‧‧底壁

50‧‧‧容置空間

51‧‧‧平台區

52‧‧‧圍繞區

6‧‧‧圍壁

91‧‧‧單晶矽晶種

92‧‧‧類單晶矽晶碇

Z‧‧‧厚度方向

T₁ ‧‧‧第一厚度

T₂ ‧‧‧第二厚度

T₃ ‧‧‧第三厚度

Claims (6)

1. 一種用於長類單晶的坩堝單元，是用於成長一類單晶晶碇，該類單晶晶碇是經多數個單晶晶種來引晶並定向凝固成長而成，該用於長類單晶的坩堝單元包含：一個底壁，具有一個平台區及一個圍繞該平台區的圍繞區，該平台區供該等單晶晶種沿一第一方向依序設置且沿一第二方向依序設置並實質填滿該平台區；及一個圍壁，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一個容置空間；其中，該平台區、該圍繞區與各單晶晶種沿該底壁的一厚度方向分別具有一第一厚度T₁ 、一第二厚度T₂ 與一第三厚度T₃ ，T₁ +T₃ <T₂ ，以使該底壁的圍繞區是實質圍繞住該等單晶晶種。
2. 如請求項1所述的用於長類單晶的坩堝單元，其中，T₁ <T₃ <T₂ 。
3. 如請求項2所述的用於長類單晶的坩堝單元，其中，18 mm<T₁ <22 mm，43 mm<T₂ <57 mm，25 mm<T₃ <35 mm。
4. 如請求項3所述的用於長類單晶的坩堝單元，其中，該底壁之平台區的一表面形狀與各單晶晶種的一表面形狀實質為一個矩形，且該第二方向是實質正交於該第一方向，該底壁之平台區沿該第一方向及該 第二方向分別具有一第一邊長及一第二邊長，各單晶晶種沿該第一方向及該第二方向分別具有一第一邊長及一第二邊長，該底壁之平台區的第一邊長實質是各單晶晶種的第一邊長的整數倍，且該底壁之平台區的第二邊長實質是各單晶晶種的第二邊長的整數倍。
5. 如請求項4所述的用於長類單晶的坩堝單元，其中，該底壁之平台區的表面形狀是一個邊長介於785 mm至790 mm間的正方形。
6. 如請求項5所述的用於長類單晶的坩堝單元，其中，該底壁之平台區的一周緣至該圍壁的距離是介於15.5 mm至22.0 mm間。