专利名称：在坩埚侧壁底端设置有保温部件的定向凝固炉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及例如单晶锭或者多晶锭的定向凝固设备，尤其是涉及一种利用定 向凝固工艺生产太阳能用多晶硅锭的、在坩埚侧壁底端设置有保温部件的定向凝固炉。
背景技术：
在利用定向凝固工艺生产太阳能用多晶硅锭时，由于石英坩埚底部的冷却比其它 部分快，首先从底部开始结晶，然后逐渐向上生长。如果能使固/液界面的形状保持平直或 微凸时，则绝大部分硅晶粒容易一直保持竖直向上生长，晶界则几乎保持竖直，这样得到近 乎于理想的晶粒排列，晶锭质量最好，制备出的太阳能电池转换效率也最高。因此，在生长 多晶硅锭过程中，希望固/液界面为平直或者微凸形。图1为现有技术的定向凝固系统结构示意图。由图1可知，现有技术的定向凝固 系统包括上炉体101'；与所述上炉体101'相配合的下炉体102'；设置在所述下炉体 102'内的坩埚支座6'，设置于所述坩埚支座6'上的坩埚保持器5'和坩埚保持器5'内 设置的石英坩埚2'；设置在坩埚保持器5'侧面的侧加热器32'以及设置在石英坩埚2' 上方的顶加热器31'；罩在顶加热器31'和侧加热器32'外侧的隔热部件4'。在给料熔 化以及熔体定向凝固的过程中需要通入惰性气体如Ar气以将给料高温过程中所生成的含 碳气体等杂质从排气孔103'排出炉外。根据现有的定向凝固系统，在生产多晶硅定锭过程中，如图1所示，固体82'与熔 体81'的界面的边缘部分(邻近石英坩埚侧壁部分)不能保持为平直或者微凸形状，而是 呈凹状。且随着图中箭头方向所示的固/液界面的推移，由动力学分析可知所得到的多晶 锭中邻近石英坩埚侧壁的部分的晶粒小而凌乱、晶体质量很差、少子寿命低、且由这部分多 晶锭制备出的太阳能电池转换效率低。
实用新型内容有鉴于此，需要提供一种新的定向凝固炉，所述定向凝固炉能够使定向凝固过程 中固/液界面形状保持为微凸形，改善多晶锭的晶体质量，进而提高生产收益。本实用新型人等对现有的定向凝固炉进行了反复研究从而得出了下述结论，并在 此基础上完成了本实用新型。即，现有的定向凝固炉在石英坩埚侧壁仅仅设置有石墨材质 的坩埚保持器，在通过向上提升隔热部件以使熔体定向凝固的过程中由于工作气体如Ar 气流从石墨材质的坩埚保持器带走大量的热量，由此导致了石英坩埚侧壁冷却过快。而由 于定向凝固机制决定了侧加热器仅覆盖石英坩埚的侧壁的上半部分，其下半部分没有对应 的加热部件，因此坩埚侧壁的下部的过度冷却尤其明显。受此影响，靠近坩埚侧壁的熔体开 始结晶，邻近坩埚侧壁的固/液界面也因此变为凹形，晶粒向坩埚中心横向生长，这部分晶 界很难保持竖直，因而所得到的晶粒非常小，晶界也很紊乱。由此造成了现有定向凝固系统 得到的多晶锭中邻近石英坩埚侧壁的部分的晶粒小而凌乱、晶体质量很差、少子寿命低，制 备出的太阳能电池转换效率低。[0007]根据本实用新型实施例的定向凝固炉，包括上炉体；下炉体，所述下炉体与所述 上炉体相配合以形成炉体空间；坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内用于容纳给料；至少一 个加热器，所述加热器容纳在所述炉体空间内，用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料； 坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚；坩埚支座，容纳有所述坩埚的所述坩埚保 持器设置在所述坩埚支座上；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内并罩住所述 加热器，且所述隔热部件被构造成相对于所述坩埚纵向可移动，以控制所述坩埚内的给料 的定向凝固；通气管，所述通气管连接至外部气源并竖直地贯穿所述隔热部件，以向坩埚内 引入工作气体；以及保温部件，所述保温部件设置于所述坩埚保持器的底端外侧。根据本实用新型的上述方案，通过在所述坩埚保持器的底端外侧设置的保温部 件，解决了石英坩埚侧壁下部过度冷却的问题，从而实现了使定向凝固过程中固/液界面 形状保持为微凸形，改善了多晶锭的晶体质量，进而提高了生产效益，且提高了由所生产的 多晶锭制备出的太阳能电池转换效率。不仅如此，该保温部件还可以降低生产多晶锭过程 中的加热功率，从而降低能耗。另外，根据本实用新型上述实施例的定向凝固炉还可以具有如下的附加技术特 征根据本实用新型的一个实施例，所述保温部件由固化炭毡保温材料制成。根据本实用新型的一个实施例，所述加热器包括位于所述坩埚侧面的侧加热器， 其中所述保温部件的顶端高度不高于所述侧加热器的底端高度。根据本实用新型的一个实施例，所述保温部件与所述坩埚保持器的外壁相适配且 沿纵向的横截面为锥状或锥台状。具体而言，所述锥状或锥台状可以在其底部具有L形的弯折部以与所述坩埚保持 器的底部相适配。根据本实用新型的一个实施例，所述保温部件沿纵向横截面为L形的棱柱状。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述 中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从
以下结合附图对实施例的描述中 将变得明显和容易理解，其中图1显示了现有技术的定向凝固炉在定向凝固过程中的晶体生长示意图；图2显示了本实用新型实施例的一个示例的定向凝固炉在装料结束后加热之前 的结构示意图；图3显示图2所示的定向凝固炉在定向凝固过程中的晶体生长示意图；图4显示了本实用新型实施例的另一个示例的定向凝固炉在装料结束后加热之 前的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的 限制。本实用新型涉及生长多晶材料的系统或者设备。下面将结合图2 图4对以制造 多晶的多晶炉为例来描述根据本实用新型的定向凝固炉。其中，图2显示了本实用新型实 施例的一个示例的定向凝固炉在装料结束后加热之前的结构示意图；图3显示图2所示的 定向凝固炉在定向凝固过程中的晶体生长示意图；图4显示了本实用新型实施例的另一个 示例的定向凝固炉在装料结束后加热之前的结构示意图。在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述定向凝固炉100包括上炉体 101 ；下炉体102，所述下炉体102与所述上炉体101相配合以形成炉体空间；坩埚2，所述坩 埚2设置在炉体空间内用于容纳给料8 ；至少一个加热器3，所述加热器容纳在所述炉体空 间内，用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料；坩埚保持器5，所述坩埚保持器5用于保 持所述坩埚2 ；坩埚支座6，容纳有所述坩埚2的所述坩埚保持器5设置在所述坩埚支座上 6 ；隔热部件4，所述隔热部件4容纳在所述炉体空间内并罩住所述加热器3，且所述隔热部 件4被构造成相对于所述坩埚2纵向可移动，以控制所述坩埚2内的给料的定向凝固；通气 管105，所述通气管105连接至外部气源并竖直地贯穿所述隔热部件4，以向坩埚内引入工 作气体；以及保温部件9，所述保温部件9设置于所述坩埚保持器5的底端外侧。在给料熔 化以及熔体定向凝固的过程中需要引入工作气体，即惰性气体或Ar气等以将给料高温过 程中所生成的含碳气体等杂质从排气孔103排出炉外。其中，加热器3包括顶加热器31和侧加热器32，隔热部件4由顶隔热部41和侧隔 热部42构成。需要说明的是，位于所述隔热部件4之内的顶部加热器31是可选的，在实施 本实用新型的方案时，也可以省略该顶部加热器31。下面结合图3对利用本实用新型上述方案的定向凝固炉进行定向凝固生长多晶 锭进行描述。在给料8被加热熔化为熔体81后，逐渐向上提升侧隔热部42以使熔体由下向上 定向凝固。在凝固过程中为了控制凝固速度，通过温度检测装置从上方检测熔体表面的温 度，根据所检测到的温度由温度控制单元对加热器的加热功率进行调节。根据本实用新型 的定向凝固炉，如图3所示，由于在坩埚保持器5的底端外侧设置有保温部件9，从而克服了 加热器底端至坩埚底部之间熔体81的过度冷却问题，因此能保证在晶体生长过程中固体 82与熔体81之间的界面以微凸的形状进行推移(推移方向如图3箭头所示)，从而保证绝 大部分晶体以接近竖直的方向生长，改善了多晶锭的晶体质量，进而提高了生产效益，且提 高了由所生产的多晶锭制备出的太阳能电池转换效率。不仅如此，由于本实用新型的定向 凝固炉设置有保温部件9，坩埚边缘的熔体降温不致过快，因此可以很大程度上缓解在现有 技术中需要通过加热器加热来解决降温过快的问题，因此能够显著降低定向凝固过程中期 间的加热功率，由此本定向凝固炉的能耗更低、生产成本也更低。此外，在本实用新型的定向凝固炉的一个示例中，保温部件9由固化炭毡保温材 料制成。由此能够在保证耐高温性能的同时很好地起到保温作用。在本实用新型的定向凝固炉的一个示例中，加热器包括位于所述坩埚侧面的侧加 热器32和位于坩埚上方的顶加热器31，其中保温部件9的顶端高度不高于所述侧加热器 32的底端高度。由此确保高加热效率、低能耗的同时解决坩埚底端侧壁部分熔体的过度冷却问题，从而确保在晶体定向凝固生长过程中固/液界面以微凸形状进行推移。在本实用新型的定向凝固炉的一个示例中，如图3所示，保温部件9沿纵向的横截 面为锥状。当然，当保温部件9沿纵向的横截面为顶端具有一定宽度的锥台状时可以达到 同样效果。所述保温部件可以通过紧固件固定于所述坩埚保持器的底端外壁。从安装和搬 运方便方面考虑，所述锥状或锥台状还可以在底部具有与坩埚保持器5相适配的L形弯折 部，以直接插在所述坩埚保持器的底部。在本实用新型的定向凝固炉的一个示例中，如图4所示，保温部件9的纵向横截面 还可以为“L”形的棱柱状。具有该形状的保温部件9加工更方便。本实用新型提出的定向凝固炉不仅可以用于多晶硅和单晶硅的制备，也可用于定 向凝固法生长单晶和多晶锗或其他化合物半导体晶体以及氧化物晶体材料的制备。需要说明的是，任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该 实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例中。在本说明 书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构 件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落 在本领域技术人员的范围之内。尽管参照本实用新型的多个示意性实施例对本实用新型的具体实施方式
进行了 详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改 进和实施例将落在本实用新型原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权 利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改 进，而不会脱离本实用新型的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所 附权利要求及其等同物限定。
权利要求一种定向凝固炉，其特征在于，包括上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内用于容纳给料；至少一个加热器，所述加热器容纳在所述炉体空间内，用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料；坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚；坩埚支座，容纳有所述坩埚的所述坩埚保持器设置在所述坩埚支座上；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内并罩住所述加热器，且所述隔热部件被构造成相对于所述坩埚纵向可移动，以控制所述坩埚内的给料的定向凝固；通气管，所述通气管连接至外部气源并竖直地贯穿所述隔热部件，以向坩埚内引入工作气体；以及保温部件，所述保温部件设置于所述坩埚保持器的底端外侧。
2.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述保温部件由固化炭毡保温材 料制成。
3.根据权利要求1所述的定向凝固炉，其特征在于，所述加热器包括位于所述坩埚侧 面的侧加热器，其中所述保温部件的顶端高度不高于所述侧加热器的底端高度。
4.根据权利要求3所述的定向凝固炉，其特征在于，所述保温部件与所述坩埚保持器 的外壁相适配且沿纵向的横截面为锥状或锥台状。
5.根据权利要求4所述的定向凝固炉，其特征在于，所述锥状或锥台状在底部具有L形 的弯折部以与所述坩埚保持器的底部相适配。
6.根据权利要求3所述的定向凝固炉，其特征在于，所述保温部件沿纵向的横截面为L 形的棱柱状。
专利摘要本实用新型公开了一种定向凝固炉，包括上炉体；与所述上炉体相配合以形成炉体空间的下炉体；设置在炉体空间内用于容纳给料的坩埚；用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料的至少一个加热器；用于保持坩埚的坩埚保持器；用于在其上设置所述坩埚保持器的所述坩埚支座；容纳在所述炉体空间内并罩住所述加热器的隔热部件，用以控制所述坩埚内的给料的定向凝固；连接至外部气源并竖直地贯穿所述隔热部件的通气管；以及设置于所述坩埚保持器的底端外侧的保温部件。根据本实用新型的定向凝固炉，改善了多晶锭的晶体质量，进而提高了生产效益，且提高了由所生产的多晶锭制备出的太阳能电池转换效率。
文档编号C30B28/06GK201762479SQ201020541330
公开日2011年3月16日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者吴彬辉, 王敬, 翟志华 申请人:王敬;江西旭阳雷迪高科技股份有限公司