專利名稱：具有改進(jìn)氣路的定向凝固爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及例如太陽能用單晶硅錠或者多晶硅錠的生產(chǎn)設(shè)備，尤其是涉及一 種具有改進(jìn)氣路的定向凝固爐。
背景技術(shù)：
碳雜質(zhì)在硅晶體中會(huì)嚴(yán)重惡化硅晶體的電學(xué)性能，比如少子壽命，從而惡化晶體 硅太陽能電池片的轉(zhuǎn)換效率。因此硅晶體中碳含量越低越好，一般要求碳含量在0.5ppm以 下。現(xiàn)有的硅原料表面總是或多或少地有碳沾污，比如有機(jī)物沾污，硅原料塊內(nèi)部有 碳的沾污，盛裝硅給料的石英坩堝內(nèi)表面和外表面也含有大量的碳沾污，石英坩堝與石墨 材質(zhì)的坩堝保持器在高溫下反應(yīng)會(huì)形成一氧化碳?xì)怏w。因此在多晶給料的熔化和定向凝固 過程中，為了提高多晶或者單晶硅錠的質(zhì)量，需要不間斷地向石英坩堝中通入惰性氣體，比 如高純氬氣，以帶走含碳?xì)怏w，比如一氧化碳等，防止含碳?xì)怏w滯留在硅熔體表面造成多晶 或者單晶硅錠質(zhì)量因碳含量高而嚴(yán)重下降。另外，惰性氣體還將帶走大量的一氧化硅等揮 發(fā)物，確保熔體內(nèi)部和表面具有很高的純度，以保證單晶或者多晶硅錠的高質(zhì)量。由此需要在多晶或者單晶硅錠的整個(gè)制造的過程中，不斷地向熔融的多晶給料表 面吹入惰性氣體，并將含碳?xì)怏w以及其它揮發(fā)物帶離熔體表面，最終被真空泵抽走。是否能 通過氣路將惰性氣體準(zhǔn)確地引入到熔體表面之上，對于多晶錠的質(zhì)量有顯著的影響。在現(xiàn)有的制造多晶硅或者單晶硅錠的定向凝固設(shè)備或者系統(tǒng)中，無論多晶或者單 晶硅的定向凝固過程，定向凝固爐內(nèi)溫度都非常高，不易實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)氣路的移動(dòng)，所以現(xiàn)有的 定向凝固爐的氣路都是固定的，在定向凝固的工藝過程中，氣路也保持不動(dòng)?，F(xiàn)有定向凝固 設(shè)備的氣體管路的終端即氣嘴位于石英坩堝之上所設(shè)置的蓋板的上方。給料熔化和定向凝 固過程中，惰性氣體通過蓋板中心的開孔流向熔體表面。在裝料完成后，下爐體需要向上運(yùn)動(dòng)，與上爐體相配合以形成封閉的爐體空間，此 時(shí)，下爐體上放置的石英坩堝以及石英坩堝上設(shè)置的蓋板均向上運(yùn)動(dòng)。為了避免運(yùn)動(dòng)過程 中氣體管路的氣嘴與蓋板接觸，破壞氣體管路或者蓋板，氣嘴和蓋板之間就需要預(yù)留一定 的空隙。為了安全起見，即便蓋板向上運(yùn)動(dòng)到位之后，該空隙的高度也會(huì)有數(shù)厘米或者更 多。該空隙將造成大量的惰性氣體不能有效地穿過蓋板中心的開孔達(dá)到熔體表面，從而不 能有效地帶走含碳?xì)怏w等揮發(fā)物，進(jìn)而惡化晶錠質(zhì)量。如果增加多晶給料的供給量，裝料時(shí)蓋板就需要上移，而硅料熔化完成后蓋板需 要下移，此時(shí)就出現(xiàn)蓋板需要發(fā)生運(yùn)動(dòng)而氣路不能跟隨蓋板運(yùn)動(dòng)的情況。這種情況下，氣體 管路的氣嘴與蓋板之間的空隙會(huì)更大，惰性氣體將不能準(zhǔn)確地到達(dá)熔體表面。而裝料過程中，還存在氣路的對準(zhǔn)問題，即氣體管路的氣嘴要與蓋板中心開孔縱 向?qū)?zhǔn)，否則大量的氣體將不能導(dǎo)入到蓋板中心開孔，進(jìn)而不能到達(dá)熔體表面。這就要求在 通過鏟車等機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備將所述坩堝運(yùn)到所述爐體中的過程中，需要反復(fù)進(jìn)行定位，確保 坩堝及蓋板處于爐體的中心位置，該過程對生產(chǎn)效率有影響。

實(shí)用新型內(nèi)容有鑒于此，需要提供一種新的定向凝固爐，所述定向凝固爐能夠解決現(xiàn)有的定向 凝固爐中氣路的定位問題，并可以提高整個(gè)多晶錠的生產(chǎn)效率。根據(jù)本實(shí)用新型的一方面，提供了一種定向凝固爐，包括上爐體；下爐體，所述 下爐體與所述上爐體相配合以形成爐體空間；坩堝，所述坩堝設(shè)置在爐體空間內(nèi)并被構(gòu)造 成容納給料；至少一個(gè)加熱器，所述加熱器用于加熱坩堝并熔化容納在坩堝中的給料；坩 堝保持器，所述坩堝保持器用于保持所述坩堝；蓋板，所述蓋板用于在坩堝被加熱時(shí)蓋住坩 堝的開口端且所述蓋板的中心形成有第一開孔；隔熱部件，所述隔熱部件的中心形成有第 二開孔且容納在所述爐體空間內(nèi)，并被構(gòu)造成相對于所述坩堝縱向可移動(dòng)，以控制所述坩 堝內(nèi)的給料的定向凝固，第一通氣管，所述第一通氣管連接至外部氣源并豎直地與所述隔 熱部件上的第二開孔對準(zhǔn)；以及第二通氣管，所述第二通氣管可移動(dòng)地套在所述第一通氣 管上，從而所述第二通氣管可縱向移動(dòng)地與所述蓋板的上表面接觸。根據(jù)本實(shí)用新型的上述方案，通過彼此相對可移動(dòng)的第一通氣管和第二通氣管， 實(shí)現(xiàn)了氣路的可調(diào)節(jié)，即氣嘴可上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣嘴與蓋板之間空隙最小化，還可以在 蓋板被改進(jìn)(例如改進(jìn)用于增加給料等)時(shí)，無需對氣路進(jìn)行改進(jìn)。此外，由于所述第二通 氣管的下端尺寸可調(diào)，從而方便地實(shí)現(xiàn)了氣路的對準(zhǔn)，提高了整個(gè)定向凝固爐生產(chǎn)單晶或 者多晶的效率。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第二通氣管的第二端設(shè)置有氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于將氣體與蓋板上的第一開孔流體連通。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)與所述第二通氣管的第二端一 體形成，且其沿著橫向方向的尺寸沿著縱向向下逐漸變大。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第一通氣管穿透所述隔熱部件，且所述第二 通氣管的第一端形成有凸緣部，所述凸緣部與所述隔熱部件的上表面搭接。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，靠近第二通氣管的所述第一通氣管的一端的外側(cè) 設(shè)置有第一凸緣，所述第二通氣管的第一端的內(nèi)壁形成有與所述第一凸緣搭接的第二凸 緣。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第一凸緣和所述第二凸緣之間設(shè)置有密封墊。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述密封墊由碳纖維材料形成。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第一通氣管的一端設(shè)置在所述隔熱部件的上 表面的上方。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，靠近所述第二通氣管的、所述第一通氣管的一端 的外側(cè)設(shè)置有第一凸緣，所述第二通氣管的第一端設(shè)置有彎折結(jié)構(gòu)，彎折結(jié)構(gòu)彈性地抵住 所述第一通氣管的外壁。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述的蓋板進(jìn)一步包括形成在所述蓋板上表面 上的導(dǎo)氣管，所述導(dǎo)氣管與所述第一開孔相連通，用于與所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)配合來引導(dǎo)氣 體。本實(shí)用新型附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實(shí)用新型的實(shí)踐了解到。

本實(shí)用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從
以下結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中 將變得明顯和容易理解，其中圖1顯示了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的定向凝固爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2顯示了圖1中部分A的放大示意圖；圖3顯示了圖1中部分A的另一可選的放大示意圖；以及圖4顯示了圖1中部分A的再一可選的放大示意圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對本實(shí)用新型的 限制。本實(shí)用新型涉及生長多晶或單晶材料的系統(tǒng)或者設(shè)備。下面將以制造多晶的多晶 爐為例來描述根據(jù)本實(shí)用新型的定向凝固爐，其中圖1顯示了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施 例的定向凝固爐100的結(jié)構(gòu)示意圖。需要說明的是，所述蓋板7被改造用于增加所述定向 凝固爐100的單爐加工量，但是需要說明的是，此處對蓋板7的改造只是出于示例的目的， 而不是為了限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，普通技術(shù)人員在閱讀了本實(shí)用新型的下述技術(shù)方 案之后，顯然可以將其用于對所述蓋板7進(jìn)行其他改造的定向凝固爐100中。在根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述定向凝固爐100包括上爐體101 ；下爐 體102，所述下爐體102與所述上爐體101相配合以形成爐體空間104 ；坩堝1，所述坩堝1 設(shè)置在爐體空間104內(nèi)并被構(gòu)造成容納給料；至少一個(gè)加熱器31，所述加熱器31用于加熱 坩堝1并熔化容納在坩堝1中的給料；坩堝保持器5，所述坩堝保持器5用于保持所述坩堝 1 ；蓋板7，所述蓋板7用于在坩堝1被加熱時(shí)蓋住坩堝1的開口端；隔熱部件4，所述隔熱部 件4容納在所述爐體空間104內(nèi)，并被構(gòu)造成相對于所述坩堝1縱向可移動(dòng)，以控制所述坩 堝1內(nèi)的給料的定向凝固，第一通氣管105，所述第一通氣管105連接至外部氣源200并豎 直地與所述隔熱部件4上的通孔對準(zhǔn)；以及第二通氣管107，所述第二通氣管107可移動(dòng)地 套在所述第一通氣管105上，從而所述第二通氣管107可縱向移動(dòng)地與所述蓋板7的上表 面接觸。需要說明的是，位于所述隔熱部件4之內(nèi)的頂部加熱器32是可選的，在實(shí)施本實(shí) 用新型的方案時(shí)，也可以省略該頂部加熱器32。根據(jù)本實(shí)用新型的上述方案，通過彼此相對可移動(dòng)的第一通氣管105和第二通氣 管107，實(shí)現(xiàn)了氣路的可調(diào)節(jié)，從而可以在蓋板7被改進(jìn)時(shí)(例如改進(jìn)用于增加給料等)，無 需對氣路進(jìn)行改進(jìn)。此外，由于所述第二通氣管107的下端尺寸可調(diào)，從而方便地實(shí)現(xiàn)了氣 路的對準(zhǔn)，提高了整個(gè)定向凝固爐100生產(chǎn)單晶或者多晶的效率。下面將參照附圖2-4來描述根據(jù)本實(shí)用新型的定向凝固爐100的詳細(xì)氣路改進(jìn)結(jié) 構(gòu)，其中，圖2顯示了圖1中部分A的放大示意圖；圖3顯示了圖1中部分A的另一可選的 放大示意圖；以及圖4顯示了圖1中部分A的再一可選的放大示意圖。[0032]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第二通氣管107的第二端設(shè)置有氣體引導(dǎo)結(jié) 構(gòu)109，所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)109用于將從氣源200的例如氬氣的惰性氣體與蓋板7上的第一 開孔701流體連通。如圖2中所示，根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)109與所述第二 通氣管107的第二端一體形成，且其沿著橫向方向的尺寸沿著縱向向下逐漸變大?？蛇x地， 所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)109也可以可拆卸地連接至所述第二通氣管107的第二端，以方便替換 所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)109。如圖2中所示，所述第一通氣管105穿透所述隔熱部件4，且所述第二通氣管107 的第一端形成有凸緣部108，所述凸緣部108與所述隔熱部件4的上表面搭接。從而對所述 第二通氣管105起到縱向定位的作用。此外，如圖1中所示，所述蓋板7可以進(jìn)一步包括形成在所述蓋板7上表面上的 導(dǎo)氣管9，所述導(dǎo)氣管9與所述第一開孔701相連通，用于與所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)109配合來 引導(dǎo)氣體。下面將參照圖3、4來描述本實(shí)用新型的通氣管105、107的其他可選結(jié)構(gòu)。但是，需 要說明的是，此處與所述上述方案中相同的技術(shù)特征將在下面簡單或者省略進(jìn)行說明。其 中相同或者相近似的特征將以相近似的標(biāo)記來進(jìn)行引用。如圖3中所示，根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，所述第一通氣管205的一端的外側(cè) 可以設(shè)置有第一凸緣211，所述第二通氣管207的第一端的內(nèi)壁形成有與所述第一凸緣211 搭接的第二凸緣208。可選地，所述第一凸緣211和所述第二凸緣208之間可以設(shè)置有密封 墊210，用于對所述氣路進(jìn)一步進(jìn)行密封。由于所述定向凝固爐100內(nèi)的溫度將高達(dá)1400°C 以上，由此所述密封墊210可以由碳纖維材料來形成。如圖3中所示，所述第一通氣管205的一端設(shè)置在所述隔熱部件4的上表面的上 方。但是，可選地，所述第一通氣管205的所述一端也可以設(shè)置在所述隔熱部件4之下，只 要所述第一凸緣211和所述第二凸緣208之間能夠彼此搭接即可。圖4中顯示了本實(shí)用新型的另一可選搭接結(jié)構(gòu)。其中所述結(jié)構(gòu)基本上與所述圖3 中所描述的結(jié)構(gòu)相同。此處對其的詳細(xì)描述此處省略。在圖4中，所述第二通氣管307的上端形成有彎折結(jié)構(gòu)308，所述彎折結(jié)構(gòu)308彈 性地抵住所述第一通氣管305的外壁，從而在所述第二通氣管307與所述蓋板7搭配的 過程中可以緊密地與所述第一通氣管305的外壁接觸，從而可以防止惰性氣體的進(jìn)一步流 失，并減少了密封墊的要求。需要說明的是，任何提及“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”等意指結(jié)合該 實(shí)施例描述的具體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)包含于本實(shí)用新型的至少一個(gè)實(shí)施例中。在本說明 書各處的該示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例。而且，當(dāng)結(jié)合任何實(shí)施例描述具體構(gòu) 件、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)時(shí)，所主張的是，結(jié)合其他的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)這樣的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)均落 在本領(lǐng)域技術(shù)人員的范圍之內(nèi)。本實(shí)用新型提出的定向凝固爐不僅可以用于多晶硅和單晶硅的制備，也可用于定 向凝固法生長單晶和多晶鍺或其他化合物半導(dǎo)體晶體以及氧化物晶體材料的制備。盡管參照本實(shí)用新型的多個(gè)示意性實(shí)施例對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了 詳細(xì)的描述，但是必須理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出多種其他的改進(jìn)和實(shí)施例，這些改進(jìn)和實(shí)施例將落在本實(shí)用新型原理的精神和范圍之內(nèi)。具體而言，在前述公開、附圖以及權(quán) 利要求的范圍之內(nèi)，可以在零部件和/或者從屬組合布局的布置方面作出合理的變型和改 進(jìn)，而不會(huì)脫離本實(shí)用新型的精神。除了零部件和/或布局方面的變型和改進(jìn)，其范圍由所 附權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求1.一種定向凝固爐，其特征在于，包括上爐體；下爐體，所述下爐體與所述上爐體相配合以形成爐體空間；坩堝，所述坩堝設(shè)置在爐體空間內(nèi)并被構(gòu)造成容納給料；至少一個(gè)加熱器，所述加熱器加熱坩堝并熔化容納在坩堝中的給料；坩堝保持器，所述坩堝保持器保持所述坩堝；蓋板，所述蓋板在坩堝被加熱時(shí)蓋住坩堝的開口端且所述蓋板的中心形成有第一開孔；隔熱部件，所述隔熱部件的中心形成有第二開孔且容納在所述爐體空間內(nèi)，并被構(gòu)造 成相對于所述坩堝縱向可移動(dòng)，第一通氣管，所述第一通氣管連接至外部氣源并豎直地與所述隔熱部件上的第二開孔 對準(zhǔn)；以及第二通氣管，所述第二通氣管可移動(dòng)地套在所述第一通氣管上，所述第二通氣管可縱 向移動(dòng)地與所述蓋板的上表面接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固爐，其特征在于，所述第二通氣管的第二端設(shè)置有 氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)將氣體與蓋板上的第一開孔流體連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向凝固爐，其特征在于，所述氣體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)與所述第二通 氣管的第二端一體形成，且其沿著橫向方向的尺寸沿著縱向向下逐漸變大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固爐，其特征在于，所述第一通氣管穿透所述隔熱部 件，且所述第二通氣管的第一端形成有凸緣部，所述凸緣部與所述隔熱部件的上表面搭接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固爐，其特征在于，靠近所述第二通氣管的所述第一 通氣管的一端的外側(cè)設(shè)置有第一凸緣，所述第二通氣管的第一端的內(nèi)壁形成有與所述第一 凸緣搭接的第二凸緣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定向凝固爐，其特征在于，所述第一凸緣和所述第二凸緣之 間設(shè)置有密封墊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向凝固爐，其特征在于，所述密封墊由碳纖維材料形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定向凝固爐，其特征在于，所述第一通氣管的一端設(shè)置在所 述隔熱部件的上表面的上方。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固爐，其特征在于，靠近所述第二通氣管的、所述第一 通氣管的一端的外側(cè)設(shè)置有第一凸緣，所述第二通氣管的第一端設(shè)置有彎折結(jié)構(gòu)，彎折結(jié) 構(gòu)彈性地抵住所述第一通氣管的外壁。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定向凝固爐，其特征在于，所述蓋板進(jìn)一步包括形成在所述蓋板上表面上的導(dǎo)氣管，所述導(dǎo)氣管與所述第一開孔相連通且與所述氣體 引導(dǎo)結(jié)構(gòu)配合來引導(dǎo)氣體。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種定向凝固爐，包括上爐體；下爐體，下爐體與上爐體相配合以形成爐體空間；坩堝；至少一個(gè)加熱器；坩堝保持器，坩堝保持器用于保持坩堝；蓋板，蓋板用于在坩堝被加熱時(shí)蓋住坩堝的開口端；隔熱部件，隔熱部件容納在爐體空間內(nèi)，并被構(gòu)造成相對于坩堝縱向可移動(dòng)，以控制坩堝內(nèi)的給料的定向凝固，第一通氣管，連接至外部氣源并豎直地與隔熱部件上的通孔對準(zhǔn)；以及第二通氣管，其第一端相對于第一通氣管套接，從而第二通氣部件可縱向移動(dòng)地與蓋板的上表面接觸。根據(jù)本實(shí)用新型，定向凝固爐能夠解決現(xiàn)有的定向凝固爐中氣路的定位問題，并可以提高整個(gè)多晶錠的生產(chǎn)效率。
文檔編號C30B29/06GK201778142SQ20102052170
公開日2011年3月30日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者李園 申請人:王楚雯