硅的受控的定向凝固的制作方法
【專利說明】硅的受控的定向凝固
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年6月25日提交的第61/663, 940號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其 通過引用方式將其全部?jī)?nèi)容并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 太陽(yáng)能電池通過利用其將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的能力而是可行的能源。硅是在制造 太陽(yáng)能電池中使用的半導(dǎo)體材料；然而，對(duì)硅使用的限制涉及將其純化至太陽(yáng)能級(jí)（SG)的 成本。
[0004] 已知一些用來制備用于太陽(yáng)能電池的硅晶體的技術(shù)。這些技術(shù)中的大部分基于以 下原則來操作：當(dāng)硅從熔融溶液中凝固時(shí)，不期望的雜質(zhì)傾向于保留在熔融溶液中。例如， 浮區(qū)（float zone)技術(shù)可以用于制作單晶錠塊，并在固體材料中使用移動(dòng)的液體區(qū)域，將 雜質(zhì)移動(dòng)到材料的邊緣。在另一實(shí)例中，Czochralski技術(shù)可以用于制作單晶錠塊，并使用 緩慢地從溶液中拉出的晶種，使得能夠形成硅的單晶柱，同時(shí)將雜質(zhì)留在溶液中。在又一實(shí) 例中，Bridgeman方法或熱交換器技術(shù)可以用于制作多晶錠塊和單晶錠塊，在凝固的方向上 使用朝向錠塊的中心軸的溫度梯度來產(chǎn)生定向凝固。這類技術(shù)采用高度絕熱的錠塊側(cè)面。 由于在凝固期間缺少娃與i甘堝的接觸，錠塊的尺寸和生產(chǎn)成本與Bridgeman技術(shù)相當(dāng)。
[0005] 利用用于定向凝固硅的溫度梯度的多種技術(shù)可以采用許多冷卻或加熱機(jī)制。這類 溫度控制機(jī)制可以涉及定向凝固坩堝內(nèi)的相對(duì)昂貴并難以維護(hù)的冷卻或加熱導(dǎo)管。
[0006] 附圖的簡(jiǎn)要說明
[0007] 在不一定按比例繪制的附圖中，在數(shù)個(gè)視圖中相同的數(shù)字描述基本上相似的部 件。具有不同字母后綴的相似數(shù)字表示基本上相似的部件的不同實(shí)例。舉例來說而非限制 地，附圖通常示出本文件中討論的各種實(shí)施方案和設(shè)計(jì)。
[0008] 圖1為根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案所構(gòu)建的可以用于純化硅的定向凝固坩堝的一個(gè) 實(shí)例的橫截面圖。
[0009] 圖2示出了根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案所構(gòu)建的用于定向凝固硅的設(shè)備的立體圖 (prospective view)〇
[0010] 圖3示出了根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案所構(gòu)建的用于定向凝固硅的冷卻平臺(tái)的一個(gè) 實(shí)例。
[0011] 圖4示出了根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案所構(gòu)建的用于定向凝固硅的設(shè)備的3D投影，所 述設(shè)備包括放置在坩堝頂部上的加熱器。
[0012] 圖5示出了根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案所構(gòu)建的用于定向凝固硅的設(shè)備的底部的等 距視圖。
[0013] 圖6為根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案所構(gòu)建的可以用于定向凝固硅的頂部加熱器的一 個(gè)示例的橫截面圖。
[0014] 圖7為示出了在硅的示例性定向凝固期間，凝固的硅的百分比關(guān)于時(shí)間的圖。
[0015] 圖8為示出了在硅的示例性定向凝固期間，硅結(jié)晶前沿的速度關(guān)于時(shí)間的圖。
[0016] 圖9為示出了在硅的示例性定向凝固期間，凝固的硅的百分比關(guān)于時(shí)間的圖。
[0017] 圖10為示出了在硅的示例性定向凝固期間，硅結(jié)晶前沿的速度關(guān)于時(shí)間的圖。
[0018] 圖11為關(guān)于硅的示例性定向凝固，對(duì)于多個(gè)加熱和冷卻循環(huán)而言，工藝溫度分布 和在定向凝固坩堝的底部處測(cè)量的溫度關(guān)于時(shí)間的圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 考慮到當(dāng)前的能量需求和供應(yīng)限制，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到亟需將冶金級(jí)（MG)硅 (或比太陽(yáng)能級(jí)硅具有更大量的雜質(zhì)的任何其他硅）純化至太陽(yáng)能級(jí)硅的更有成本效率的 方式。該方法可以用于其他材料，如藍(lán)寶石。
[0020] 在各種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了用于定向凝固的設(shè)備。該設(shè)備包括定向凝固坩 堝。定向凝固坩堝包括底部。該設(shè)備還包括冷卻平臺(tái)。冷卻平臺(tái)包括第一表面。第一表面 限定了孔，所述孔配置為接收定向凝固坩堝的底部的一部分。冷卻平臺(tái)還包括冷卻管道。冷 卻管道配置為將一部分的強(qiáng)制空氣提供到定向凝固坩堝的底部的一部分。
[0021] 在一個(gè)實(shí)例中，定向凝固坩堝的多個(gè)側(cè)壁包含熱面耐火材料。
[0022] 在一個(gè)實(shí)例中，定向凝固坩堝的底部包含傳導(dǎo)性耐火材料。
[0023] 在一個(gè)實(shí)例中，定向凝固坩堝的底部的一部分利用強(qiáng)制空氣以每小時(shí)約10%的速 率散熱。
[0024] 在一個(gè)實(shí)例中，定向凝固坩堝的底部的至少一部分包括配置為散熱的多個(gè)傳熱 片。
[0025] 在一個(gè)實(shí)例中，多個(gè)傳熱片中的至少一部分沿著定向凝固坩堝的底部向外延伸。
[0026] 在一個(gè)實(shí)例中，傳熱片包括扁鋼條。
[0027] 在一個(gè)實(shí)例中，傳熱片包含不銹鋼。
[0028] 在一個(gè)實(shí)例中，定向凝固坩堝的底部的至少一部分包括配置為位于孔內(nèi)的凸面。
[0029] 在一個(gè)實(shí)例中，孔基本上接收定向凝固坩堝的底部的中心。
[0030] 在一個(gè)實(shí)例中，孔配置為通過允許坩堝基本上水平地支撐在冷卻平臺(tái)上來接收定 向凝固坩堝的底部的一部分。
[0031] 在一個(gè)實(shí)例中，孔配置為接收約25 %的底部表面積。
[0032] 在一個(gè)實(shí)例中，孔是圓形的。
[0033] 在一個(gè)實(shí)例中，孔是矩形的。
[0034] 在一個(gè)實(shí)例中，第一表面與第二表面分隔開以限定冷卻管道的矩形橫截面。
[0035] 在一個(gè)實(shí)例中，冷卻管道還包含第二表面，該第二表面配置為與第一表面一起限 定噴嘴，其中所述噴嘴將一部分的強(qiáng)制空氣提供到由孔所接收的定向凝固坩堝的底部的一 部分。
[0036] 在一個(gè)實(shí)例中，冷卻管道配置為將一部分的強(qiáng)制空氣基本垂直地提供到定向凝固 i甘堝的底部的一部分。
[0037] 在一個(gè)實(shí)例中，冷卻管道包括配置為向冷卻管道提供強(qiáng)制空氣的冷卻管道入口。
[0038] 在一個(gè)實(shí)例中，冷卻管道入口包括配置為接收來自風(fēng)扇的強(qiáng)制空氣的至少一個(gè)強(qiáng) 制空氣入口。
[0039] 在一個(gè)實(shí)例中，冷卻管道配置為以基本均勻的方式將一部分的強(qiáng)制空氣提供到定 向凝固坩堝的底部的一部分。
[0040] 在一個(gè)實(shí)例中，被提供到定向凝固坩堝的底部的一部分的一部分強(qiáng)制空氣是湍流 的。
[0041] 在一個(gè)實(shí)例中，被提供到定向凝固坩堝的底部的一部分的一部分強(qiáng)制空氣的速度 為至少約16米/秒（m/s)。
[0042] 在一個(gè)實(shí)例中，被提供到定向凝固坩堝的底部的一部分的一部分強(qiáng)制空氣的體積 速度為至少約5000立方英尺/分鐘。
[0043] 在一個(gè)實(shí)例中，通過冷卻管道入口接收的強(qiáng)制空氣大約在環(huán)境溫度下。
[0044] 在一個(gè)實(shí)例中，所述設(shè)備可以包括包含至少一個(gè)加熱構(gòu)件的頂部加熱器，所述加 熱構(gòu)件包括加熱元件或感應(yīng)加熱器。
[0045] 在一個(gè)實(shí)例中，頂部加熱器還包括隔熱體，所述隔熱體包括隔熱磚、耐火材料、耐 火材料的混合物、隔熱板、陶瓷紙、高溫毛或其混合物。
[0046] 在一個(gè)實(shí)例中，頂部加熱器還包括外套，其中在加熱元件和頂部加熱器外套之間 至少部分地設(shè)置所述隔熱體。
[0047] 在一個(gè)實(shí)例中，頂部加熱器外套包含不銹鋼。
[0048] 在一個(gè)實(shí)例中，定向凝固坩堝還包括外套，其中所述外套限定了接收一部分的強(qiáng) 制空氣的定向凝固坩堝的底部的一部分。
[0049] 在各種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供用于定向凝固的方法。所述方法包括提供或接收 第一硅，并提供或接收包括底部的定向凝固坩堝。所述方法包括提供或接收冷卻平臺(tái)。冷 卻平臺(tái)包括第一表面，其限定了被配置為接收定向凝固坩堝的底部的一部分的孔；和冷卻 管道，所述冷卻管道配置為將強(qiáng)制空氣提供至定向凝固坩堝的底部的一部分。所述方法還 包括利用強(qiáng)制空氣來冷卻定向凝固坩堝的一部分。所述方法包括在定向凝固坩堝中定向凝 固第一硅以提供第二硅。
[0050] 在一個(gè)實(shí)例中，所述方法還包括將加熱器放置在定向凝固坩堝的上方，包括將選 自加熱元件和感應(yīng)加熱器的加熱構(gòu)件放置在定向凝固坩堝的上方。
[0051 ] 在一個(gè)實(shí)例中，接收包括接收來自風(fēng)扇的強(qiáng)制空氣。
[0052] 在一個(gè)實(shí)例中，所述方法還包括以湍流形式將強(qiáng)制空氣提供至定向凝固坩堝的一 部分。
[0053] 在一個(gè)實(shí)例中，所述方法還包括將強(qiáng)制空氣垂直地提供至定向凝固坩堝的一部 分。
[0054] 在一個(gè)實(shí)例中，所述方法還包括當(dāng)約80%的第一硅直接凝固為第二硅時(shí)，基本上 停止定向凝固第一硅，包括停止冷卻定向凝固坩堝的一部分。
[0055] 在一個(gè)實(shí)例中，所述方法還包括利用對(duì)定向凝固坩堝或模具的熱分布的控制來調(diào) 節(jié)第一硅的結(jié)晶生長(zhǎng)速率。
[0056] 在一個(gè)實(shí)例中，調(diào)節(jié)結(jié)晶生長(zhǎng)速率包括對(duì)冷卻定向凝固坩堝的一部分進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0057] 在各種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了用于定向凝固的設(shè)備。設(shè)備包括包含底部的定 向凝固坩堝。設(shè)備還包括冷卻平臺(tái)。冷卻平臺(tái)還包括第一表面，所述第一表面限定了被配 置為接收定向凝固坩堝的底部的一部分的孔。定向凝固坩堝的底部包括碳化硅、石墨或其 組合，以及配置為散熱的多個(gè)紋理。冷卻平臺(tái)還包括配置為接收強(qiáng)制空氣的在第一表面下 方的冷卻管道入口。冷卻管道入口包括配置為將強(qiáng)制空氣湍流地提供到定向凝固坩堝的底 部的一部分的冷卻管道。設(shè)備還包括頂部加熱器，其包括加熱構(gòu)件，所述加熱構(gòu)件包括加熱 元件或感應(yīng)加熱器，其中所述加熱元件包含碳化硅、二硅化鉬、石墨或其組合。
[0058] 本發(fā)明提供了優(yōu)于現(xiàn)有的用于定向凝固硅的設(shè)備和方法的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)例中， 本發(fā)明由于更加成本有效的冷卻設(shè)備而可以提供更經(jīng)濟(jì)的純化硅的方法。例如，本發(fā)明可 以通過使用空氣作為冷卻介質(zhì)來提供更經(jīng)濟(jì)有效的定向凝固硅的方法。另外，在本發(fā)明的 一些實(shí)施方案中存在的頂部加熱器提供了方便且有效的加熱硅的方式，保持硅的溫度，控 制硅的冷卻速率，或其組合，這可以允許對(duì)溫度梯度的精確控制和相應(yīng)的硅的定向凝固。改 善的對(duì)硅的定向凝固的控制會(huì)產(chǎn)生更純的產(chǎn)物，更一致的產(chǎn)物，或其組合。本發(fā)明的設(shè)備和 方法尤其可用于制造在太陽(yáng)能電池中使用的硅晶體。
[0059] 該概述旨在提供本公開的主題的概述。其不旨在提供對(duì)本發(fā)明的唯一的或詳盡的 解釋。包括詳細(xì)說明以提供關(guān)于本公開的更多信息。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 現(xiàn)在將詳細(xì)地參照公開的主題的特定實(shí)例，其中的一些示于附圖中。盡管公開的 主題會(huì)主要結(jié)合附圖來描述，但是應(yīng)理解這種描述不旨在將公開的主題限制于那些附圖。 相反地，公開的主題旨在覆蓋所有替代方案、修改和等同方案，其均可以被包括在本公開的 主題的范圍內(nèi)，如由權(quán)利要求所限定的。
[0061 ] 說明書中提及" 一實(shí)施方案"、"一個(gè)實(shí)施方案