具有可侧向移动的绝热系统的定向固化炉的制作方法

具有可侧向移动的绝热系统的定向固化炉的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种定向固化炉，所述炉包括设置在坩埚的底部部分下方的一个或多个可移动的绝热元件。在第一位置中，所述绝热元件限制热量从所述坩埚的底部部分流出。在第二位置中，所述绝热元件不限制热量从所述坩埚的底部部分流出。致动系统用于使绝热元件在所述第一位置和所述第二位置之间移动。
【专利说明】具有可侧向移动的绝热系统的定向固化炉
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年9月14日提交的美国临时专利申请N0.61/534，575的优先权，该申请的公开内容通过引用全部结合在本文中。
【技术领域】
[0003]本文公开的内容总地涉及多晶硅晶锭，更具体地涉及用于生产多晶硅晶锭的定向固化炉的各个方面。
【背景技术】
[0004]定向固化炉例如用于生产多晶硅晶锭。这些炉具有其中放置有原料多晶硅的坩埚。该坩埚由增加坩埚的结构性刚度的结构支承。该坩埚设置在安全壳中，该安全壳形成炉的一部分并相对于外部环境密封坩埚。
[0005]在使用期间，原料硅被熔化，然后以受控的速率被冷却，以便在获得的晶锭中实现定向凝固。通过以下措施的任意组合来建立受控的冷却速率:减少加热器施加的热量、移动或打开围绕坩埚的绝热体、和/或使冷却介质循环通过设置在坩埚和/或坩埚支承件附近的热交换器。晶锭在最靠近坩埚的较冷侧的区域中凝固，并沿远离坩埚的较冷侧的方向继续凝固。
[0006]为了提高效率并降低生产晶锭所需的成本，这些炉中生产的晶锭的尺寸不断增加。但是，由于各种原因，以前将晶锭质量增加到大约600kg以上的尝试被证明是不成功的。存在对更大质量(例如，大于约600kg)的晶锭和能够生产这些更大晶锭的炉的需求。
[0007]此部分旨在向读者介绍可能与下面将描述和/或要求保护的本申请的各方面相关的本领域的各方面。该部分内容有助于向读者提供背景信息，以便于他们更好地理解本申请的各个方面。因此，应该理解的是，应该基于这种考虑来阅读这些内容，而不能将其视为对现有技术的认可。

【发明内容】

[0008]在第一方面，公开了一种用于生产多晶硅晶锭的定向固化炉。该炉包括:用于容纳硅装载物的坩埚；布置在坩埚的底座下方的多个绝热元件，该绝热元件可沿侧向在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，绝热元件限制热量从坩埚的底座流出，在第二位置，绝热元件不限制热量从坩埚的底座流出；以及致动系统，所述致动系统用于使绝热元件沿侧向在第一位置和第二位置之间移动。
[0009]在另一方面，公开了一种在用于生产多晶硅晶锭的定向固化炉中使用的绝热系统，该炉具有用于容纳硅装载物的坩埚。该炉包括:布置在坩埚的底座下方的多个绝热元件，该绝热元件可沿侧向在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，绝热元件位于坩埚的底座下方，在第二位置，绝热元件没有位于坩埚的底座下方；以及致动系统，所述致动系统用于使绝热元件沿侧向在第一位置和第二位置之间移动。[0010]在又一方面，公开了一种用于在定向固化炉中生产多晶硅晶锭的方法。该方法包括:向炉中的坩埚装载多晶硅，所述多晶硅的质量为至少约1000kg ;熔化多晶硅；将布置在坩埚的底部部分下方的一个或多个绝热元件沿侧向从第一位置移动至第二位置，在第一位置，绝热元件位于坩埚的底座下方，在第二位置，绝热元件没有位于坩埚的底座下方；以及冷却熔融的硅以形成多晶硅晶锭。
[0011]与上述各方面相关的特征存在各种改进。上述各方面中也可以包含其它特征。这些改进和附加特征可以单独存在或者以任意组合存在。例如，下面关于任何示出的实施例所讨论的各种特征都可以单独地或以任意组合结合在上述任何方面中。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1为示例性定向固化炉和热交换器的示意性横截面图；
[0013]图2为用在图1的炉中的示例性绝热系统的立体图，其中，该绝热系统的门部件处
于第一位置；
[0014]图3为图2的绝热系统的立体图，其中，该绝热系统的门部件处于第二位置；
[0015]图4为图2的绝热系统的前视图；
[0016]图5为用于图1的炉的下部绝热元件的立体图，其中，该绝热元件处于第二位置；
[0017]图6为图5的下部绝热元件的立体图，其中，为了清楚起见，去除了坩埚支承件和其它结构；
[0018]图7为图6的下部绝热元件的立体图，其中，该绝热元件处于第一位置；
[0019]图8为用在图1的炉中的四个热交换器和用于移动该热交换器的提升机构的立体图；
[0020]图9-16示出了在组装的不同阶段的图8的提升机构；
[0021]图17为图1的其中一个热交换器的立体图；
[0022]图18为用于图17的热交换器中的板件的立体图；
[0023]图19为图18的部分放大视图；
[0024]图20为内管道的一部分的立体图；
[0025]图21为图18的板件和图20的内管道的横截面图；
[0026]图22为用在图17的热交换器中的罩盖的立体图；
[0027]图23为与图21类似的横截面图，其中，图22的罩盖放置在板件之上；
[0028]图24为连接器的立体图；
[0029]图25为处于倒置位置的图24的连接器的立体图；
[0030]图26为与图23类似的横截面图，其中，图24和25的连接器与(内)管道相连；
[0031]图27为与图26类似的横截面图，其中，外管道与连接器相连；
[0032]图28为沿线28-28剖取的图17的终端连接器的横截面图；
[0033]图29为示出光伏器件的效率的图表，该光伏器件由在不同炉中生产的晶锭制成；
[0034]图30为示出光伏器件的效率的箱形图，该光伏器件由在不同炉中生产的晶锭制成；和
[0035]图31为比较不同炉中生产的晶锭中的位错密度的箱形图。
[0036]在附图的若干视图中，对应的参考标号表不对应的部件。【具体实施方式】
[0037]参考附图，示例性定向固化炉在图1中示出并且整体以参考标号100表示。该炉100为用于熔化多晶硅和生产多晶硅晶锭的类型。除了其它可能的用途外，这种晶锭可以用于制造光伏器件。炉100可操作成生产质量大于约1000kg的晶锭。
[0038]图1的定向固化炉100包括具有底座106的坩埚102。坩埚102和底座106由具有支承壁104的坩埚支承件103支承，，该支承壁104增加了坩埚的结构刚性。坩埚102通常由石英构成，或者由其它能够在基本保持惰性的同时耐受高温的合适材料构成。坩埚102由安全壳110围绕。侧面绝热体109围绕坩埚设置并且可选地可以远离坩埚移动。在该示例性实施例中，上部绝热体111位于侧面绝热体109的垂直上方。
[0039]坩埚102和坩埚支承件103与盖子112 —起形成炉100的内部组件105。在其它实施例中，炉100可以不包括盖子。加热器108围绕壁104设置并位于安全壳110中。加热器108可以是合适的辐射式加热器，其构造成施加将坩埚中的装载材料熔化成熔融体所必需的热量。此实施例中的装载材料为硅，但是可以想到使用其它材料。
[0040]在一些实施例中，坩埚支承件103的底部114可以位于支承柱115上(图6和7)，该支承柱115是广义上的“支承件”或“支承结构”。整体以参考标号200表示且将在下文详细讨论的热交换器设置为邻近坩埚支承件103的底部114以及靠近坩埚102的底座106的下表面116。下部绝热元件400和冷却板提升系统500在图1中示意性示出，并且将在下文中详细描述。
[0041]两个热交换器200 (广义地，冷却板)在图1的横截面图中示出，并且虽然两个附加的、尺寸和构型类似的热交换器在图1中省略，但是其在图8中示出。可以使用任何数目的热交换器200，而不会偏离实施例的范围。下文将结合图17-27详细讨论热交换器200。
[0042]热交换器200用于将热量从坩埚102 (和其中包含的熔融物)传递至流经热交换器的液态冷却剂。从源罐(在图1中以参考标号150示意性示出)向热交换器200供给“新的”冷却剂。在流经热交换器200后，冷却剂被称为“失效的”冷却剂并且流至接收罐(在图1中以参考标号160示意性示出)。然后，失效的冷却剂可以被冷却(例如，通过制冷或者散热系统)并流回至源罐150。此后，恢复效能的冷却剂可以再次流经热交换器(即，被回收利用)。在其它实施例中，失效的冷却剂在流到接收罐之后可以被处置而不被重新利用。
[0043]参考图2-4，门部件300 (也称为窗板(louver))形成在围绕坩埚102的侧面绝热体109中。在图2-4中，仅示出了侧面绝热体109、上部绝热体111和支承结构125，为清楚起见，省略了炉100的其它组成部件。而且，为了清楚起见，图1中省略了门部件300。
[0044]每个门部件300的尺寸均设计为配合在对应的开口 302 (在图3中最佳示出)中，该开口 302形成在侧面绝热体109中。在该示例性实施例中，侧面绝热体109的每一部分中都形成有两个门部件300，但是其它实施例可以使用不同数目的门部件。而且，其它实施例可以使用以不同方式设置在侧面绝热体109中的门部件，和/或位于上部绝热体111中的门部件。例如，在其它实施例中，门部件可以构造成绕水平轴线而非垂直轴线旋转。而且，门部件可以形成为类似于百叶板(slat)或百叶窗的形状。
[0045]门部件300通过设置在门部件的纵向边缘处的铰链304连接到侧面绝热体109上。铰链304又连接到支承结构125上。在其它实施例中，杆件(未示出)或其它类似结构通常在邻近门部件的中心线处连接到门部件300上。杆件的相对端部在邻近开口 302和/或支承结构处连接到侧面绝热体109上。在此实施例中，当打开或闭合门部件时，门部件300绕平行于杆件的轴线旋转。
[0046]门部件300还连接到合适的致动器(未示出)上，该致动器可操作成打开和闭合门部件。在该示例性实施例中，两个相邻的门部件300通过联动装置(linkage)306连接在一起，以使得相邻的门部件一致操作，并且单个致动器可操作成操作这两个门部件。
[0047]在图2和4所示的闭合位置(即，第一位置)，门部件300基本上限制了热量通过形成在侧面绝热体109中的开口 302流动。位于门部件300和/或开口 302的边缘处的衬垫、搭接接头或其它结构(未示出)可以用于进一步限制热量通过门部件闭合时保留在门部件和开口之间的任何空隙流动。 [0048]在图3示出的打开位置(即，第二位置)，门部件300允许热量通过侧面绝热体109中的暴露的开口 302流动。根据一些实施例，可以调整门部件300的旋转位置以控制热量通过侧面绝热体109的流动。例如，门部件300能够充分打开以使得门部件垂直于侧面绝热体109，从而允许更多的热量通过开口 302。
[0049]可选地，门部件300可以旋转成使其以小于90度的角度设置，以减少能够通过开口 302的热量。门部件的这种位置称为中间位置。控制系统(例如，图1和8中示出的控制器550)可以用于调整处于中间位置的门部件300的位置，以调节熔融体的热传递速率。
[0050]图5-7示出了设置在热交换器200 (图1)和坩埚支承件103的底部114之间的下部绝热元件400。为了清楚起见，图5-7中已省略了炉100的其它组成部件。另外，图6和7中省略了坩埚支承件103的底部114。
[0051 ] 下部绝热元件400可以在闭合位置(即，第一位置)和打开位置(即，第二位置)之间侧向移动，在闭合位置，该下部绝热元件400设置在坩埚支承件103的底部114的下方(图7)，在打开位置，该下部绝热元件400沿侧向向外设置而非设置在坩埚支承件的底部下方(图1，5和6)。在下部绝热元件400位于坩埚支承件103下方的第一位置，下部绝热元件400基本上限制了热量从坩埚102的底座106的下表面116和坩埚支承件103的底部114流进热交换器200。在第二位置，下部绝热元件400允许热量通过坩埚102的底座106的下表面116和坩埚支承件103的底部114流入热交换器200。另外，第二位置允许热交换器200向上移动。
[0052]虽然本文中提及将元件400设置在第一位置或者第二位置，但是，在炉100的操作期间，元件400也可以设置在这两个位置之间。例如，元件400可以位于中间位置以控制来自坩埚102中的熔融物的热量通过坩埚支承件103流动。在该中间位置，元件400以小于在第一位置的程度限制了热量从坩埚支承件103流出。控制系统(例如，图1和8中示出的控制器550)可以用于调整在中间位置的元件400的位置，以调节从熔融物通过坩埚102和坩埚支承件103到热交换器200中的热传递速率。此外，该中间位置包括元件400的位于第一位置和第二位置之间的任何位置。
[0053]在该示例性实施例中，设置有四个绝热元件400，并且其中每一个均具有四分之一圆形或方形的形状。因此，当处于第一位置时，绝热元件400具有大致呈圆形或方形的形状，并具有基本连续的表面。其它实施例可以使用更多或更少的元件和/或不同形状的元件400，而不会偏离实施例的范围。在该示例性实施例中，四个绝热元件400的这种构型使得当元件400位于中间位置时，通过坩埚支承件103的散热速率相对均匀。当处于中间位置时，这种相对均匀的速率至少部分是形成在元件的边缘404之间的“X形”对称开口的结果。形成对比的是，如果使用更少的(例如，一个或两个)绝热元件，将不会在元件之间形成这种“X形”对称开口。当元件位于中间位置时，所获得的非对称开口将导致通过坩埚支承件103的非对称的散热速率。
[0054]在其它实施例中，绝热元件可以是类似于百叶窗的百叶板，其构造成在多个位置之间旋转而非侧向移动。这些绝热元件可以旋转到各种位置以控制其中流过的热量。
[0055]如图6中最佳示出的，每个元件400的边缘404都具有重叠的或“搭叠(ship-lapped)”的构型。当元件400位于第一位置时，一个元件的边缘404的一部分与相邻元件的边缘的一部分重叠。当元件400位于第一位置时,边缘404的重叠构型通过减少或消除热交换器200的视角因子(view factor)而使得辐射热传递最小。而且，任何可能从坩埚102溢出的熔融材料都不得不经过更迂回的路径以到达热交换器200。因此，该溢出的材料将不太可能接触和损坏热交换器200。
[0056]下部绝热元件400均连接到致动系统402上,该致动系统402可操作成使绝热元件400在第一位置和第二位置之间移动。在该示例性实施例中，用于每个绝热元件400的致动系统402包括连接到驱动(广义地，动力)螺杆410上的螺母408。在一些实施例中，螺母408和对应的驱动螺杆410可以具有爱克姆螺纹(acme thread)。螺母408又与托架420连接，绝热元件400安装在该托架420上。在其它实施例中，螺母408和对应的驱动螺杆410可以为滚珠丝杠系统，和/或可以使用其它类型的致动器。辐射屏蔽件422围绕螺母408和螺杆410垂直设置，以保护螺母和螺杆不受辐射热。
[0057]每个驱动螺杆410又通过任何合适的动力传输系统(例如，一个或多个齿轮)连接到单个柔性驱动轴412上。该驱动轴412由合适的旋转致动器414旋转。在该示例性实施例中，动力传输系统为齿轮箱416。
[0058]驱动轴412的旋转使得每个`驱动螺杆410旋转以及每个螺母408进行线性运动。螺母408的线性运动使得连接到各螺母上的绝热元件400进行相应的线性运动。用于使每个绝热元件400移动的单个旋转致动器414的这种布置确保了这些元件总体一致地移动。其它实施例可以使用使元件400在多个位置之间移动的不同的致动器系统或者其它机构，而不会偏离实施例的范围。例如，每个相应的元件400可以连接到单个致动器上，该单个致动器构造成仅使相应的元件在多个位置之间移动。这些单个致动器可以连接到合适的控制系统(例如，图1和8中示出的控制器550)，该控制系统可操作成控制这些单个致动器的运动，以使得致动器一致地运动。其它实施例可以使用允许元件400彼此独立运动的控制系统。
[0059]图8-16示出了热交换器提升系统500 (广义地，提升系统)。在该示例性实施例中，该提升系统500与上述的下部绝热元件400和/或门部件300结合使用。在其它实施例中，该提升系统500可以用在不使用可移动的下部绝热元件400和/或门部件300的炉100 中。
[0060]在图8和9中，示出了安全壳110的下部，并省略了炉100的其它组成部件。在图9-16中，详细示出了提升系统500的各个组成部件。
[0061]提升系统500可操作成在第一位置和第二位置之间移动热交换器200。在第一位置，热交换器200与坩埚支承件103的底部114间隔开足够的间隙，以使下部绝热元件400能够设置在其第一位置处。因此，热交换器200在第一位置不会与坩埚支承件103接触。在第二位置，热交换器200与坩埚支承件103的底部114接触。当热交换器200位于其第二位置时，下部绝热元件400也位于其第二位置。在该示例性实施例中，当热交换器200在第一位置和第二位置之间行进时，其在约10英寸至20英寸的范围之间移动，但是，它们也可以行进更多或更少的距离，而不会偏离实施例的范围。
[0062]热交换器200可以由致动器502在其第一位置和第二位置之间移动，如图9和10所示。致动器502在一端连接到下部板件504(图10)，并在相对的另一端连接到安全壳110(图9)。上部板件506连接到下部板件504，并且弹簧512 (图14)位于两个板件之间。四个卡箍(collarclamp) 508连接到上部板件506，如图12所示。卡箍508可操作成将热交换器200的管道250连接到提升系统500上，如图13中最佳所示。波纹管510 (图14)围绕这些管道250的一些部分，并且在一端连接到上部板件506，在相对的另一端连接到安全壳 110。
[0063]在该示例性实施例中，致动器502 (广义地，致动系统)为线性致动器，当位于第二位置时，该线性致动器可操作成在热交换器200上施加足够的力，以便将热交换器压在坩埚支承件103的底部114上。在另一实施例中，致动器502是连接到小齿轮上的旋转致动器。该小齿轮与齿条对准，以使得小齿轮的旋转导致齿条的线性移动。可以使用其它类型的合适致动器，而不会偏离实施例的范围。
[0064]螺旋压缩弹簧512设置在下部板件504和上部板件506之间，如图14所示。该示例性实施例中使用了八个弹簧512，但是弹簧的数目可以改变，而不会偏离实施例的范围。在一个实施例中，翼形螺钉(thumb screw)516 (图16)、柱塞514、弹簧512和控制系统550(图1和8)用于控制提升系统施加在热交换器200上的力的量值。在一些实施例中，控制系统550也可以称为力确定系统。
[0065]当柱塞与翼形螺钉516接触时，控制系统550可操作成接收来自柱塞514的通信(即，控制系统和柱塞通信地耦合)。柱塞514和翼形螺钉516—起称为限位开关。在热交换器200已接触坩埚支承件103的底部后，提升系统500导致的热交换器200的额外向上运动引起弹黃512的压缩。当柱塞514向控制器通彳目柱塞已接触翼形螺钉516时，控制系统550停止提升系统500进一步抬升热交换器200。
[0066]在该实施例中，通过使翼形螺钉516相对于上部板件506旋转，可以调整柱塞154和翼形螺钉516之间的距离(即，设定距离)。螺母(未示出)可用于防止翼形螺钉516在处于期望位置后进一步旋转。为了增加提升系统500施加在热交换器200上的力的量值，增加柱塞514和翼形螺钉516之间的距离，以使得提升系统更大程度地压缩弹簧512。反过来，减小柱塞514和翼形螺钉516之间的距离，以减小提升系统500施加在热交换器200上的力的量值。
[0067]此外，可以基于弹簧512的位移(即，压缩)和弹簧的弹性系数k计算提升系统500施加在热交换器200上的力的量值。在该示例性实施例中，该位移由至少两部分组成。第一部分是当提升系统500位于第一位置时，柱塞514和翼形螺钉516之间的距离，因为当提升系统500位于第二位置时，弹簧512位移这一距离。第二部分是当下部板件504和上部板件506利用紧固件组装在一起时引起的预加载压缩。在所述组装期间，弹簧512被压缩至一定程度，并且此位移能够测量。
[0068]然后，用等式F=k*y确定致动器502施加在热交换器200上的力的量值(以及因此确定由热交换器施加在坩埚支承件103的底部114上的力)，其中，y是弹簧512的位移。当在提升系统500中使用多个弹簧512时，通过对每个弹簧应用该等式来确定提升系统500施加在热交换器200上的合力。在使用八个弹簧512并且每个弹簧都有相同的弹性系数k且位移相同的量的该示例性实施例中，该力由等式F=8*k*y确定。上述等式假设弹簧512是线性弹簧。在使用不同类型的弹簧(例如，非线性弹簧)的实施例中，可以根据其它合适的方法和/或等式计算所述力。
[0069]在另一实施例中，控制系统550使用柱塞514或其它合适的距离测量装置来测量板件504、506之间的距离，并且不需要翼形螺钉。测量出的距离和弹簧512的预加载压缩导致的位移表示弹簧的总压缩量y。可选地，可以使用其它合适的装置来测量弹簧512的压缩量，而不会偏离本发明的范围。因此，如上所述，通过等式F=k*y确定致动器502施加在热交换器200上的力的量值(并且因而确定由热交换器施加在坩埚支承件103的底部114上的力)。
[0070]在该实施例中，控制系统550因而可操作成:通过利用致动器改变热交换器200的位置，调整由致动器502施加的力的量值。也就是说，控制系统550可操作成(从用户或其它计算系统)接收由致动器502施加在坩埚支承件103的底部上的所期望的力的量值的输入。然后，控制系统550可以监控所施加的力并且控制致动器502 (以及因此控制热交换器200的位置)，以使得所施加的力等于所期望的力的量值或者在所希望的量值的预定范围内(例如，+/_5%)。
[0071 ] 此外，控制系统550还可以利用一个或多个应变计和/或测压元件计算致动器502施加的力。这些应变计和/或测压元件可以位于坩埚支承件103的底部114和支承柱115(图6和7)之间，以使得当热交换器200在坩埚支承件上施加力时，施加在应变计和/或测压元件上的力减小。其它实施例可以通`过测量致动器502的电流消耗(current draw)来计算力，因为致动器502消耗的电流量随着致动器施加的力的量值的增加而增加。电流消耗的增加与致动器502和提升系统500施加在热交换器200上的力的增加有关。
[0072]在该示例性实施例中，致动器502施加的力约为800磅，但是，其它实施例可以使用不同量值的力，而不会偏离实施例的范围。热交换器200施加在坩埚支承件103上的力确保了热交换器的板件202的基本整个外表面204都与坩埚支承件103接触。该力还确保该外表面204和/或坩埚支承件可以轻微变形，以使得它们的表面相接触。在坩埚支承件103和外表面204之间的这种接触提高了从坩埚支承件到热交换器200的热传递效率。此外，控制系统550还可以用于确保致动器502不会在热交换器200上施加超过特定力的力。超过该特定力的力可能会损坏热交换器200和/或坩埚支承件103和/或将坩埚支承件抬离其支承柱115。
[0073]在该示例性实施例中，该特定力可以大于约3000磅和/或坩埚支承件103、坩埚102和容纳在坩埚中的填料的质量。
[0074]在操作中，将安全壳110打开，并且向坩埚102装载多块多晶硅(例如，大块、颗粒、粉尘等)。然后闭合坩埚102的盖子112 (假设使用盖子)和安全壳110，并且使用加热器108来熔化所述硅。当硅正在熔化时，在侧面绝热体109中的门部件300处于闭合位置，且下部绝热元件400处于第一位置，在该第一位置，下部绝热元件400位于坩埚支承件103的底部114的下方。而且，热交换器200已通过提升系统500定位在它们的第一位置，因此它们与坩埚支承件103的底部114分隔开。
[0075]在硅已经熔化后，加热器108停止操作或者减少它们的热输出，并且硅熔融物开始凝固成晶锭。门部件300移动至它们的第二位置，并且下部绝热元件400也移动至它们的第二位置以使得它们不设置在坩埚支承件103的底部114的下方。此外，热交换器200通过提升系统500移动至其第二位置，以便与坩埚支承件103的底部114接触。在一些实施例中，在熔融物的固化期间，热交换器200可以不移动到它们的第二位置，而是保持在它们的第一位置。在这些实施例中，在熔融物固化期间，绝热元件400和/或门部件300可以位于它们的第一、第二或中间位置当中的任何位置。
[0076]打开门部件300以及移动下部绝热元件400和热交换器200有助于增加离开熔融物的热量流动以及熔融物固化成晶锭。此外，门部件300的位置可以调整到中间位置，以进一步控制从坩埚102和熔融物/晶锭传递热量的速率。在该示例性实施例中，可以通过使门部件绕其垂直轴线旋转来调整门部件300的位置，以控制从熔融物/晶锭的热传递速率。这种对热传递速率的控制使得能够对熔融物的凝固速率进行控制。在一些实施例中，将石英棒插入熔融物中以探测熔融物，以确定凝固前沿的位置。
[0077]其中一个热交换器200在图17-28中详细示出，并且从其在图1中的位置倒置过来以更好地示出它的内部结构。如图18所示，热交换器200包括具有外表面204的板件202，该外表面204用于定位在坩埚102的下表面116附近。在该示例性实施例中，板件202的外表面204定位在坩埚支承件103的底部114的附近，并且基本上是平坦的。热交换器200可操作成将热量 从坩埚102的下表面116和设置在坩埚中的硅传递至冷却剂。在省略坩埚支承件103的其它实施例中，板件202的外表面204定位在坩埚102的下表面116附近。
[0078]板件202具有与外表面204相对的内表面206。罩盖210 (图17和22)位于邻近板件202的内表面206处，并且利用任何合适的紧固系统(例如，焊接)与板件连接。
[0079]如图18所示，迂回流路220形成在板件202中，以用于引导冷却剂沿板件202的内表面206流动。流路220由包括多个元件222的通道限定，所述元件222从板件202的内表面206延伸到罩盖210 (该罩盖在图18中省略)。元件222限定的流路220是迂回的，以使得冷却剂基本沿整个内表面206流动。在该示例性实施例中，元件222从内表面206大致垂直地延伸到罩盖210。元件222延伸到邻近罩盖210处，因而防止冷却剂在元件和罩盖之间流动。因此，元件222不允许冷却剂在流路220的相邻部分之间“短路”。
[0080]流路220具有用于接纳新的冷却剂流的入口 224和出口 226，冷却剂在流经所述流路后通过该出口 226排出。入口 224和出口 226彼此邻近设置。在一些实施例中，入口224和出口 226彼此同轴。从内表面206延伸到罩盖210的壁230 (图19)将入口 224和出口 226分开。该壁230还有助于热交换器200的其它组成部件对准。在该示例性实施例中，入口 224和出口 226示出为大致位于板件202的中心处或者附近。在其它实施例中，入口 224和出口 226可以以不同方式设置(例如，更靠近角落或者板件202的一侧)。
[0081]罩盖210 (图22)具有形成在其中的开口 232，该开口 232与流路220的入口 224和出口 226流体连通。该开口 232位于邻近入口 224和出口 226两者处和/或与两者同轴。开口 232具有入口部234和更大的出口部236。
[0082]内管道240 (图20，21和23)设置在开口 232的入口部234中，并且与流路220的入口 224连接。如下文更详细讨论的，外管道250 (图28)与流路220的出口 226连接。本文所用的术语“管道(conduit) ”包括导管、软管、管材或者其它可操作成将液体流从一个点传输到另一个点的结构。在该示例性实施例中，内管道240通过焊接与流路220的入口 224和板件202的内表面206连接。在其它实施例中，内管道240可以通过任何合适的紧固系统(例如，焊接或机械紧固件)连接。
[0083]在该示例性实施例中，外管道250通过连接器260连接到流路220的出口 226上。如图24和25所示，该连接器260具有用于与罩盖210连接的入口部262，和用于与外管道250连接的出口部264。连接器260的入口部262连接到罩盖210上，以使得该入口部与流路220的出口 226流体连通。如图26所示，内管道240的一部分242设置在连接器260的中心开口 266中。在其它实施例中，省略了连接器260，而是使外管道250在邻近罩盖210中的开口 232的出口部236处与罩盖210直接连接。
[0084]如图28所示，外管道250与内管道240同心，并且内管道设置在外管道中。因此，外管道250与内管道240形成多腔管道结构。在一些实施例中，可以邻近内管道240设置绝热体(未示出)，以减少从外管道250中的冷却剂向内管道中的冷却剂的热传递。该绝热体可以设置在内管道240的内表面244或外表面246中的任何一个或两者上。而且，整个内管道240或其一部分可以由导热系数k低于热交换器200的其它组成部件的材料制成，以限制热量通过内管道流动。
[0085]管道240、250远离热交换器200的罩盖210延伸，并在终端连接器270处终止。终端连接器270具有与内管道240流体连通的入口端口 272，和与外管道250流体连通的对应的出口端口 274 (图17中最佳示出)。设置在终端连接器270中的垫圈状元件276防止冷却剂在入口端口 272和出口·端口 274之间行进。入口端口 272通过流体连通系统170 (在图1中示意性地示出)连接到源罐150上。类似地，出口端口 274通过流体连通系统170连接到接收罐160上。
[0086]在操作中，如图1、17和18所示，新的冷却剂从源罐150供给到终端连接器270的入口端口 272。所述新的冷却剂穿过内管道240行进至热交换器200中的流路220的入口224。然后，所述新的冷却剂流经流路220，并且热量从板件202的内表面206传递到冷却剂。热量从硅通过坩埚102传递到板件202的内表面206。传递到冷却剂的热量使得冷却剂的温度升高。在流经流路220后，冷却剂通过出口 226流出流路。这时，冷却剂称为失效的冷却剂。冷却剂通过外管道250流至终端连接器270。然后，冷却剂通过终端连接器270的出口端口 274流至接收罐160。然后，可以通过使冷却剂的温度降低的任何合适的散热系统来冷却失效的冷却剂。冷却剂可以被传送到源罐150以便日后重新使用。可选地，失效的冷却剂可以在从终端连接器270的出口端口 274流出后被处置。
[0087]在本文描述的实施例中，通过内管道240将新的冷却剂供给到流路220的入口224。在另一反向流动的实施例中，通过流路220的冷却剂流动可以是反向的，以使得新的冷却剂相反从外管道250供给到流路220的出口 226。然后，失效的冷却剂通过入口 224流出流路220并进入内管道240。在这种反向流动的实施例中，终端连接器270的出口端口274连接到源罐150上，并且入口端口 272连接到接收罐160上。[0088]热交换器200的组成部件由耐腐蚀的合适材料构成。在该示例性实施例中，这些材料包括钢及其合金(例如，不锈钢)、铝青铜化合物、或者能够耐受高温的合成材料(例如，含烃塑料)。
[0089]与现有的热交换器相比，本文描述的热交换器200具有更低的复杂性和提高的效率。如上所述，内管道240和外管道250为多腔构型。在现有的系统中，使用了单独的、非同心的管道来供给冷却剂到热交换器和使冷却剂从热交换器回流。而且，这种现有的系统不包括具有邻近出口的入口的流路。相反地，入口和出口是分隔开的，从而导致更复杂且占据了更多空间的更大的装置。在使用四个热交换器的上述系统中，这种更大的装置甚至有更多的问题。
[0090]此外，使用具有单独的、非同心的管道的现有系统会导致在管道与热交换器的接合处产生弯矩。这种弯矩在接合处产生很大的应力，该应力可能最终导致在接合处由于疲劳形成裂缝。内和外管道240、250与热交换器200的连接器260的设置增强和加固了管道与热交换器的接合部。因此，该接合部能够承受更大的应力并且产生裂缝的可能性很小。
[0091]炉100和上述相关组成部件使得能够铸造质量大于约1000kg、大于约1200kg或大于约1600kg的晶锭。该晶锭同样基本上没有其它缺陷(例如，位错)。缺陷可能限制由该晶锭形成的晶片的效率，并因此对利用该晶片形成的光伏器件有不良影响。这些晶片(例如，多晶硅晶片)内的最普遍的晶粒内缺陷类型是位错。位错形成了从某些取向的晶粒开始的晶簇，并且随后可以从该晶簇扩散或扇形散开。这些位错晶簇可以是杂质沉淀的位置，这降低了由晶片形成的光伏器件的效率。位错晶簇的存在影响了光伏器件的材料性能和操作性能。这些位错是在晶锭的固化和晶体的生长期间由于熔融物和晶锭中的热应力而产生的。
[0092]炉100和上述相关组成部件使得能够控制熔融物和晶锭的热曲线和生长曲线，以使施加在熔融物和晶锭上的热应力最小。熔融物和晶锭中的热应力最小化将使位错形成减到最少，并且提高了用在光伏器件或应用中的由晶锭形成的晶片的效率。图29和30示出了利用不同的炉制成的晶锭所形成的光伏器件的效率。数据组I和2示出由炉100中生产的晶锭所制造的器件的效率，而数据组3示出现有炉中制造的器件的效率。图29将效率数据表示为概率图，而图30将数据表示为箱形图。如这些附图中清楚示出的，由炉100中生产的晶锭形成的光伏器件比现有炉中生产的晶锭形成的光伏器件具有更高的效率。此外，图31为比较三个数据组的晶锭的位错密度的箱形图，该位错密度以根/平方厘米为单位。数据组I和2显然具有比现有炉中生产的晶锭低得多的位错密度。而且，数据组I和2的位错密度小于约100，000根/平方厘米，而数据组3的位错密度大于约110，000根/平方厘米。应注意的是，在一些实施例中，在实施本发明的炉中生产的晶锭的位错密度可以小于95，000根/平方厘米，或者小于90，000根/平方厘米，或者甚至小于80，000根/平方厘米。
[0093]在本发明的一些方面中，晶锭的长度和宽度使得晶锭能被切成多件以形成较小的块料，所获得的每个块料都具有标准的尺寸。该标准尺寸基本上类似于从标准炉中形成的晶锭上切割的块料的尺寸。在该示例性实施例中，晶锭具有约1375mm的长度和宽度以及约400mm的高度。然后，该晶锭可以被切成64个更小的块料，其具有相等的长度和宽度，例如，约156mm。在一些实施例中，在被切成8个具有约156mm的长度和宽度的较小晶锭之前，晶锭可以首先被切成4个较小晶锭。在其它实施例中，晶锭可以被切成36个较小块料，其具有约210mm长度和宽度。在另外的实施例中，晶锭的高度可以达到或超过约800mm。
[0094]炉100和本文描述的相关组成部件允许硅熔融物的冷却速率被精确地控制。控制硅熔融物的冷却速率使得能够精确控制熔融物的凝固速率。对凝固速率的这种精确控制导致在晶锭中形成定向凝固前沿。通过控制凝固速率，可以操纵和/或控制凝固前沿的位置和形状，以使得凝固前沿远离位于炉下方的热交换器200垂直向上发展。而且，本文描述的系统还允许由硅熔融物产生基本水平的凝固前沿。因此，熔融物中的给定水平面内的基本所有位置都在大约同一时间点固化。
[0095]此外，在一些实施例中，凝固前沿的形状可以被控制成在凝固快要完成时在其边缘处稍微向下弯曲。这种向下弯曲捕获或集中了晶锭的边缘附近的杂质或位错。因此，可以从晶锭上去除较少量的材料，以去除杂质。此外，熔融物受控凝固成晶锭还使得能够捕获或集中晶锭的特定部分中的杂质或缺陷。在该示例性实施例中，晶锭的该部分位于最远离热交换器的位置，并且是晶锭的要凝固的最后部分。
[0096]这种对固化速率的精确控制使得能够在上述炉中形成质量大于约1000kg的晶锭。精确控制固化速率还通过减少在炉中铸造晶锭所需的时间而增加了炉的产量。以前的已知系统缺乏能够在从低到高的水平之间控制硅熔融物的冷却速率的上述特征。因而，在这种现有系统中，不能在此范围上对固化速率进行精确控制。结果，铸造大于约600kg的晶锭的尝试获得了具有位错和/或缺陷的晶锭，所述位错和/或缺陷导致晶锭和晶锭所形成的晶片不适合于最终用途(例如，制造光伏器件)。
[0097]当介绍本发明或本发明的实施例中的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”是指有一个或多个该元件。术语“包含”、“包括”和“具有”是指包含在内的，并且意味着除了列出的元件以外可以有其他元件。
[0098]由于可以在不偏离本发明的范围的情况下对上文的方案进行各种改变，因此上文描述中包含的和附图中示出的所有内容都应`理解为示例性的，而非进行限制。
【权利要求】
1.一种用于生产多晶硅晶锭的定向固化炉，所述炉包括: 用于容纳硅装载物的坩埚； 布置在坩埚的底座下方的多个绝热元件，所述绝热元件能够沿侧向在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，所述绝热元件限制热量从所述坩埚的底座流出，在所述第二位置，所述绝热元件不限制热量从所述坩埚的底座流出；和 致动系统，所述致动系统用于使所述绝热元件沿侧向在所述第一位置和所述第二位置之间移动。
2.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，在所述第一位置，所述绝热元件设置在所述坩埚的底座下方，在所述第二位置，所述绝热元件没有设置在所述坩埚的底座下方。
3.根据权利要求2所述的炉，其特征在于，在所述第二位置，所述绝热元件与所述坩埚的底座侧向间隔开。
4.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，所述绝热元件能够移动至所述第一位置和所述第二位置之间的中间位置，其中，与处于所述第一位置时相比，当处于所述中间位置时，所述绝热元件在更小的程度上限制热量从所述坩埚的底座流出。
5.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，当处于所述第一位置时，所述绝热元件形成基本连续的表面，以限制热量从所述坩埚的底座流出。
6.根据权利要求1所 述的炉，其特征在于，所述绝热元件的边缘具有重叠构型和搭叠构型的其中之一。
7.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，所述多个绝热元件包括4个绝热元件。
8.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，所述致动系统包括旋转致动器。
9.根据权利要求8所述的炉，其特征在于，还包括连接至所述旋转致动器的驱动轴。
10.根据权利要求9所述的炉，其特征在于，还包括多个动力螺杆和多个螺母，其中，每个所述动力螺杆均连接至所述驱动轴，每个所述螺母均连接至相应的绝热元件和相应的动力螺杆，以便所述驱动轴导致的所述动力螺杆的旋转使得所述螺母和连接至所述螺母的相应的绝热元件进行线性运动。
11.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，还包括设置在所述坩埚的底座下方的一个或多个冷却板，其中，所述一个或多个冷却板能够在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，所述冷却板不接触所述坩埚的底部部分，在所述第二位置，所述冷却板位于所述坩埚的底部部分附近。
12.根据权利要求11所述的炉，其特征在于，当所述绝热元件处于它们的第一位置时，所述一个或多个冷却板处于所述第一位置，当所述绝热元件处于它们的第二位置时，所述冷却板处于所述第二位置。
13.—种在用于生产多晶硅晶锭的定向固化炉中使用的绝热系统，所述炉具有用于容纳硅装载物的坩埚，所述炉包括: 设置在坩埚的底座下方的多个绝热元件，所述绝热元件能够沿侧向在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，所述绝热元件设置在坩埚的底座下方，在所述第二位置，所述绝热元件不设置在坩埚的底座下方；以及 致动系统，所述致动系统用于使绝热元件沿侧向在所述第一位置和第二位置之间移动。
14.根据权利要求13所述的绝热系统，其特征在于，当处于所述第一位置时，所述绝热元件限制热量经所述坩埚的底部部分流动。
15.根据权利要求13所述的绝热系统，其特征在于，当处于所述第二位置时，所述绝热元件不限制热量经所述坩埚的底部部分流动。
16.根据权利要求13所述的炉，其特征在于，所述绝热元件能够移动至所述第一位置和所述第二位置之间的中间位置，其中，与处于所述第一位置时相比，当处于所述中间位置时，所述绝热元件在更小的程度上限制热量从所述坩埚的底座流出。
17.根据权利要求13所述的绝热系统，其特征在于，所述致动系统包括连接至驱动轴的旋转致动器。
18.根据权利要求17所述的绝热系统，其特征在于，还包括多个动力螺杆和多个螺母，其中，每个所述动力螺杆均连接至所述驱动轴，每个所述螺母均连接至相应的绝热元件和相应的动力螺杆，以便所述驱动轴导致的所述动力螺杆的旋转使得所述螺母和连接至所述螺母的相应的绝热元件进行线性运动。
19.一种用于在定向固化炉中生产多晶硅晶锭的方法，所述方法包括: 向所述炉中的坩埚装载多晶硅，所述多晶硅的质量为至少约1000kg ； 熔化所述多晶硅； 将设置在坩埚的底部部分下方的一个或多个绝热元件沿侧向从第一位置移动至第二位置，在所述第一位置，所述绝热元件设置在坩埚的底座下方，在所述第二位置，所述绝热元件不设置在坩埚的底座下方；以及 冷却熔融的硅以形成多晶硅晶锭。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，当熔化所述多晶硅时，所述绝热元件位于所述第一位置，其中，当所述绝热元件位于所述第一位置时，所述绝热元件限制热量经所述坩埚的底部部分流动。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，当冷却熔融的硅以形成多晶硅晶锭时，所述绝热元件位于所述第二位置，其中，当所述绝热元件位于所述第二位置时，所述绝热元件不限制热量经所述坩埚的底部部分流动。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括使设置在所述坩埚的底部部分下方的一个或多个冷却板从第一位置移动至第二位置，在所述第一位置，所述冷却板不接触所述坩埚的底部部分，在所述第二位置，所述冷却板位于所述坩埚的底部部分附近。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，在将所述绝热元件从它们的第一位置移动至它们的第二位置之后，将所述冷却板从 它们的第一位置移动至它们的第二位置。
24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括将所述绝热元件移动至所述第一位置和所述第二位置之间的中间位置，其中，与处于所述第一位置时相比，当处于所述中间位置时，所述绝热元件在更小的程度上限制热量从所述坩埚的底座流出。
【文档编号】C30B29/06GK103797163SQ201280045037
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年9月14日 优先权日:2011年9月14日
【发明者】L·W·弗里 申请人:Memc新加坡私人有限公司