监控固液界面的系统和方法

专利名称：监控固液界面的系统和方法
技术领域：
本发明总体涉及用于监控固液界面的系统和方法。本发明进一步涉及用于例如在浇铸过程的熔化和固化循环期间通过监控部分熔化的材料中的固液界面的运动来监控固体材料的熔化和/或固化的过程的系统和方法。
背景技术：
近来，在应用于光电工业中的诸如硅的材料的浇铸中，已取得了进展。这些进展例如在2007年1月18日提交的同时待审的申请no. 11/6M365和11/6M411中进行了描述。 诸如用于形成半导体衬底或晶片的材料可包括来自族II-VI、III-V和IV-IV的元素的组合。此外，浇铸金属并且尤其是在真空中熔化的反应性金属可作为材料而包括。如此处使用的，除非另有说明，否则术语“材料”包括来自族II-VI、III-V和IV-IV的元素或者来自碱、碱性金属或过渡金属的元素并且特别是可形成半导体晶片或衬底的元素的任意元素或组合。例如，在浇铸过程期间，材料可同时以多种位相存在，诸如包含液体部或固体部的熔融的或部分熔化的材料。在材料完全固化之前，固液界面位于液体部与固体部之间。如此处使用的，术语“固液界面”指例如在浇铸过程的或熔化部分或固化部分期间，材料的液体部与固体部之间的边界。理解的是该固液界面可不完全是二维的，而是可取决于熔化/ 固化的材料以及其它加工条件而具有有限的厚度。此外，界面可以是平坦的或具有弯曲的形状。监控固液界面对于控制浇铸期间的熔化和固化过程是重要的，从而例如可实现特定的晶体生长特征。在另一实例中，在液柱的高度不能仅通过获知自由液面的位置来确定的情况下，监控容纳在诸如坩锅或容纳槽的容器中的液体的深度是重要的。在用于制造光电池的已知浇铸程序中，诸如硅原料的材料可与用于诱导或正或负的导电类型的掺杂剂混合、熔化且然后通过将结晶材料从熔化区拉出或使它在适当的位置固化而形成铸块来结晶。如果使用硅原料，则这些铸块可以是单晶硅(经由 Czochralski(CZ)或浮区(FZ)法)，或可取决于个体硅晶粒的粒度而浇铸成单晶硅、多晶硅或复晶硅的块或“砖形物”。如此处使用的，术语“浇铸”意味着硅是通过将在用于容纳熔融的材料的铸模或容器中的熔融的材料冷却而形成的。如此处使用的，术语“单晶硅”指单个晶体硅的本体，其整体具有一个一致的晶体取向。此外，“传统的多晶硅 (multi-crystalline silicon) ”指具有厘米级粒度分布的结晶硅，其具有位于硅的本体内的多个随机取向的晶体。然而，如此处使用的，术语“几何有序多晶硅”(下文缩写为“几何
8多晶硅”)指具有厘米级粒度分布的几何成形晶体的结晶硅，其具有位于硅的本体内的多个有序晶体。另外，如此处使用的，术语“复晶硅(poly-crystalline silicon) ”指具有微米量级粒度和位于硅的给定本体内的多个晶粒取向的结晶硅。例如，粒度的尺寸通常为大约亚微米到亚毫米的平均数(例如，个体晶粒可不为肉眼所见)，并且晶粒取向完全随机分布。在上述的浇铸程序中，首先通过已知的切片或锯切的方法将铸块或块切成具有适当横截面的砖形物，然后切成薄衬底，也称为晶片。然后可将这些晶片加工成光电池。用于在光电池的制造中使用的传统单晶硅一般通过CZ或FZ法生产，所述CZ或FZ 法都是生产圆柱形地成形的结晶硅晶块的过程。对于CZ过程，将晶块从熔融硅的池中缓慢地拉出。对于FZ过程，将固体材料进给通过熔化区并在该熔化区的另一侧重固化。以这些方式制造的单晶硅的晶块包含径向分布的杂质和缺陷，诸如氧化感生堆垛层错(OSF)的环和间隙团或空位团的“漩涡”缺陷。这些缺陷相当好理解，并且单晶硅通常是用于生产光电池的优选源，因为它能用于生产高效的太阳能电池。然而，使用诸如上述的已知技术来生产单晶硅比传统的多晶硅更昂贵。用于在光电池的制造中使用的传统多晶硅一般通过浇铸过程生产。用于制备传统多晶硅的浇铸过程在光电技术领域中是已知的。简言之，在此过程中，将熔融硅容纳在坩锅，诸如熔凝硅石或石英坩锅中，并且以可控的方式冷却以允许容纳在坩锅中的硅的结晶。 通常将所产生的多晶硅的块切成具有与用于制造光电池的晶片的尺寸相同或相近的横截面的砖形物，并将砖形物锯成或以其它方式切成此晶片。以这种方式生产的多晶硅是晶粒的结块，其中在由此制造的晶片内，晶粒相对于彼此的取向差不多是随机的，尽管某些取向是优选的。由于较高浓度的晶粒边界和位错缺陷，所以与由单晶硅制造的等价的光电池相比，由多晶硅制造的光电池通常具有较低的效率。然而，由于用于制造传统多晶硅的相对简单和较低的成本以及电池加工中的有效缺陷钝化，所以多晶硅是用于制造光电池的硅的更广泛使用的形式。近来，已通过浇铸过程生产了高质量的几何有序多晶硅，从而产生了不具有晶粒随机分布的大量浇铸几何有序多晶硅。另外，也已通过浇铸过程生产了高质量的单晶硅，从而产生了大量的浇铸单晶硅，所述浇铸单晶硅既没有在多晶浇铸硅中发现的高等级的位错和晶粒边界也没有存在于CZ和FZ法中的径向分布的缺陷和杂质。例如参见同时待审的US 专利申请 No. 11/624365 和 11/6244110

发明内容
根据上述的系统和方法，提供一种用于监控固液界面的系统，该系统包括容器， 其构造为容纳具有固液界面的至少部分熔化的材料；以及设备，其附接到该容器并且包括 棒，该棒构造为测量固液界面的位置；齿轮；齿条，该齿条具有构造为与该齿轮接合的外表面的第一部分，并且至少部分地包围该棒；管，该管构造为至少部分地包围该齿条；旋转轮，该旋转轮构造为接触该齿条的外表面的第二部分；电机，该电机构造为驱动该齿轮；以及控制器，该控制器构造为控制该电机并且监控固液界面的至少一个参数。根据上述的系统和方法，还提供一种用于监控固液界面的系统，该系统包括容器，其构造为容纳至少部分熔化的材料，该至少部分熔化的材料在固体部与液体部之间具有固液界面；以及设备，其附接到该容器并且包括棒，该棒构造为测量固液界面的位置；管，该管构造为至少部分地包围该棒；多个旋转轮，所述多个旋转轮构造为接触该棒的外表面；电机，该电机构造为驱动多个旋转轮中的至少一个；以及控制器，该控制器构造为控制该电机并且监控固液界面的至少一个参数。根据上述的系统和方法，还提供一种利用设备来监控至少部分熔化的材料的固液界面的方法，该设备包括棒、至少部分地包围该棒的齿条以及与该齿条接合的齿轮，该方法包括使该棒延伸以接触该固液界面；当棒接触固液界面时，基于阈值输入停止该棒；当棒停止时测量该棒的位置；将棒收回到预定位置；以及至少基于当棒停止时所测得的棒的位置来计算与固液界面关联的至少一个参数。根据上述的系统和方法，还提供一种利用设备来监控容纳在容器中的至少部分熔化的材料的固液界面的方法，该设备包括棒、至少部分地包围该棒的管以及多个旋转轮，该方法包括使该棒延伸以接触该固液界面；当棒接触固液界面时，基于阈值输入停止该棒； 当棒停止时测量该棒的位置；将棒收回到预定位置；以及至少基于当棒停止时所测得的棒的位置来计算与固液界面关联的至少一个参数。根据上述的系统和方法，还提供一种用于测量固液界面的位置的设备，该设备包括棒，其具有适当的纯度和高温机械完整性；自动位置控制和测量装置，用于对该棒进行定位；以及真空密封壳体，用于容纳该设备的至少一个元件。本发明的另外的特征和优点将在下文的描述中阐述，从而根据该描述变得明显或通过本发明实施例的实践而获得。要理解的是上文的概要描述和下文的详细描述都是示例性和说明性的，并且意欲提供如所要求保护的本发明的进一步解释。


并入且构成本说明书的一部分的附示了本发明的实施例，并且与说明书一起用于说明本发明的特征、优点和原理。为了说明的目的，下面的附图将不是按比例绘制的。 在图中图1以横截面图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的示例性系统；图2图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的透视图；图3图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的三维局部剖视图；图4图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的剖视图；图5图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的剖视图；图6图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的剖视图；图7图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的剖视图；图8图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的
10系统中采用的示例性设备的剖视图；图9图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的壳体内部的透视图；图10以横截面图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备；图11以横截面图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备；图12图示了根据本发明的实施例的用于标定在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的设备的示例性方法；图13图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的示例性方法；图14以横截面图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统的一部分；图15以横截面图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统的一部分；图16图示了根据本发明的实施例的在用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统中采用的示例性设备的剖视图；图17以横截面图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统的一部分；图18图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统的一部分的透视图；图19以横截面图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统的一部分；以及图20以横截面图示了根据本发明的实施例的用于监控部分熔化的材料中的固液界面的系统的一部分。
具体实施例方式现在将对本发明的实施例进行详细参考，这些实施例的实例图示在附图中。如可能，则在所有附图中将使用相同或相似的附图标记来指示相同或相似的部件。在与本发明相一致的实施例中，诸如硅的熔融材料的结晶通过浇铸过程来进行。 浇铸过程可定义为这样的过程，在该过程中，材料在模具或坩锅中熔化然后固化。该浇铸过程可以不同的方式实施，包括使用一个或多个晶种。如此处公开的，此浇铸过程可设置为使得结晶材料的浇铸本体中的晶粒的尺寸、形状和取向得到控制。一般地，浇铸过程需要在浇铸期间精确地监控固液界面及其运动，以便精确地控制固化并且确保无或基本无缺陷的最终产品。作为实例，材料在浇铸过程期间的固化能在坩锅中进行，在该坩锅中，固化从坩锅的至少一个壁开始，并且不通过冷却的外物将硅从坩锅中取出。坩锅可具有诸如杯、圆筒或箱的任意合适形状。此外，与本发明的实施例相一致，铸模、容器或坩锅包括与熔融材料接触的至少一个“热侧壁”表面。如此处使用的，术语“热侧壁"指与它所接触的熔融材料等温或比该熔融材料更热的表面。优选地，在材料的处理期间，热侧壁表面保持固定。
与本发明的一个实施例相一致，在浇铸过程期间的固化能通过将预期收集的“籽晶”例如定位在容器，诸如能保持熔融材料的石英、熔凝石英或石墨坩锅的底部中。如此处使用的，术语“籽晶，，指具有预期晶体结构的几何成形材料块，其中至少一个横截面具有几何的、多边形形状，优选地具有与它可放置的容器的表面相符的一侧。例如，在硅的浇铸过程中，此籽晶可以是单晶硅块或者是一块几何有序多晶硅。如此处使用的，术语“连续单晶硅”指单个晶体硅，其中硅的本体是整体具有一致晶体取向的一个均勻本体而不是结合在一起形成较大硅块的较小硅块。此外，如此处使用的，术语“连续几何多晶硅”指几何多晶硅，其中硅的本体是几何多晶硅的一个均勻本体而不是结合在一起形成较大硅块的较小硅块。与本发明的实施例相一致，籽晶可具有顶表面，该顶表面与籽晶的底表面平行，尽管不一定是这种情形。在硅的浇铸过程期间，例如，在存在籽晶的情况下，熔融硅能够优选地以这样的方式冷却和结晶，即熔融硅的冷却进行为使得熔融硅的结晶在固体籽晶的最初顶部的水平处或之下开始并且继续远离，优选地向上远离籽晶。熔融硅边缘处的固液界面与熔融硅浇铸所在的容器的冷却表面，诸如坩锅中的表面相符。在部分或整个浇铸过程中，熔融硅与结晶硅之间的固液界面能保持大致平坦。在冷却期间，将熔融硅的边缘的每一个处的固液界面控制为在增加熔融硅与硅晶种之间的距离的方向上移动，同时优选地保持大致平坦的固液界面。尽管此实例描述了硅的浇铸，但是本领域中的普通技术人员将认识的是其它材料也可使用上文讨论的方法浇铸。因此，与本发明相一致，固液界面可在某点处与容器的冷却表面的形状相符。例如，在平底坩锅的情况下，固液界面可保持大致平坦，其中该固液界面具有可控轮廓。固液界面能控制为使得其曲率半径随着从边缘移动到中心而减小。可替代地，固液界面能控制为保持容器宽度的至少一半的平均曲率半径。例如，与本发明相一致，固液界面能控制为保持容器宽度的至少两倍的平均曲率半径。固体能具有稍稍凸起的界面，该界面的曲率半径为容器宽度的至少大约四倍。例如，在0. 7m2的坩锅中，固液界面能具有大致大于ail的曲率半径，大于坩锅的水平尺寸的两倍，并且优选地为坩锅的水平尺寸的大约8倍到大约16倍。监控固液界面允许材料的待结晶部分的可控加热和/或冷却，以便控制固液界面在浇铸过程期间的位置和移动。与本发明相一致，此监控可通过测量固液界面的位置来执行，固液界面的位置随后可用于计算固液界面的位置的变化速率，即部分熔化的材料在浇铸过程期间的熔化或固化速率。通常，通过浸入液体部分中直至到达固液界面，棒可用于测量该固液界面的位置。传统上，例如使用棒测量固液界面的位置由操作者手动执行。所公开的发明提供了一种用以使监控过程自动化的系统。参照图1，以横截面示出了在浇铸过程期间用于监控至少部分熔化的材料的固液界面的示例性系统10。系统10可包括容器20，该容器20部分地容纳坩埚60。坩埚60可容纳至少部分熔化的材料，该至少部分熔化的材料包括固体部64 (也称为“固体材料64”)、 液体部62 (也称为“液体材料62”)以及位于固体部64和液体部62的界面处的固液界面 63。尽管为了说明目的而将坩锅60图示为矩形形状的，但是坩锅60可以是任意合适的形状，诸如平底或杯形的。坩锅60可在至少一侧开口，该开口侧优选地面对容器20的位于坩锅60的开口侧之上的端口 21。端口 21可被可移除的板(或盖)110覆盖。可移除的板110 可例如通过一个或多个钩、螺钉、螺栓等连接到容器20的其余部分。
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仍参照图1，加热元件125可包括在容器20中，优选地围绕坩锅60的一侧或多侧。 加热元件125例如可以是耐加热的元件并且可围绕坩锅60或可定位在坩锅的顶部之上和底部之下。可替代地，加热元件125可以是足以加热坩锅60的内容物的任何希望的尺寸、形状或数量的单个加热元件。优选地，加热元件125可以是一串同心环或单个的棒/条/块， 使得元件125的每一个可独立控制以实现坩锅60的特定部分的局部加热。加热元件125 例如可以是耐加热的元件，诸如石墨或碳化硅、电磁(EM)加热线圈或任意其它合适的加热设备。加热元件125优选地通过加热控制器130电子地控制或以其它方式控制。例如，加热控制器130可以是用于向加热元件125提供电流的可编程电子设备，其或者是独立式或者是整体计算机控制系统的一部分。仍参照图1，固体散热器135可布置在容器20的底部，并且构造为与坩锅60接触，用于向水冷壁(未示出)辐射热量。例如，散热器135可以是固体石墨块，并且可优选地具有如坩锅的底部那样大或比坩锅的底部更大的尺寸。与本发明的示例性实施例相一致，当与具有大约66cmX66cm的底表面的坩锅一起使用时，散热器135能大约为 66cmX66cmX20cmo坩锅60的侧壁优选地是水冷的并且与热区132是隔热的，使得坩锅中熔化的任何材料的固化在坩锅60的底部开始。可替代地，与交替放置的加热元件125相结合，能够使散热器135位于坩锅60的一个或多个其它表面上。与本发明的特定实施例相一致，加热元件125可相对于坩锅60的底部交替定位在不同的位置处。加热元件125也可称为“热侧壁表面125”。另外，通过选择性地控制加热元件125，加热控制器130可用于在坩锅60内部产生温度梯度(未示出)。使用加热元件125和加热控制器130的组合，并且可选地使用散热器135，可在坩锅60中产生任何希望的温度梯度。如图1中进一步图示的，将固体材料64添加到坩锅60。固体材料64例如可以是用于在浇铸过程中使用的任何适当的固体材料。例如，如果对硅进行浇铸，则固体材料64 可包括硅原料。在与本发明相一致的实施例中，此原料例如可放置在一个或多个晶种(未示出)，诸如单晶硅块或者一块几何有序多晶硅的顶部上。此外，取决于该浇铸过程，固体材料64可完全地或部分地填充坩锅60。当控制器130控制加热元件125中的一个或多个的加热时，固体材料64的部分或全部能够熔化。在图1中图示的实例中，熔化可在坩锅60的顶部附近开始，从而在坩锅60内部产生液体材料62的区域。液体材料62可具有液面65以及与固体材料64的剩余部分的固液界面63。液面65可经历一个或多个表面波或扰动。可替代地，熔化可在坩锅60的底部开始，或在坩锅中间的任意点处开始，这取决于通过加热元件125在坩锅60内产生的预期温度梯度。与本发明的实施例相一致，液体材料62可在固体材料64之上。然而，也可能的是取决于浇铸的材料，使固体材料64的至少一部分漂浮在液体材料62中或漂浮在液体材料 62上。可对固体材料64的熔化阶段进行密切地监控以跟踪固液界面63的位置。优选地，该熔化阶段在所有的或几乎所有的固体材料64完全熔化之前继续进行。例如，在坩锅 60中的其它的地方达到固体部64的熔化温度之后，通过保持当在坩锅60的外表面上测量时大约0. I0C /min或更小的温度的时间变化速率dT/dt，能对加热进行密切地控制，使得所有的固体部64不完全熔化。优选地，在一个实施例中，在坩锅中的其它地方达到固体部64 的熔化温度之后，通过保持当在坩锅60的外表面上测量时大约0. 050C /min或更小的dT/dt，能对加热进行密切地控制。例如，与本发明相一致，该温度能在坩锅与散热器135之间的坩锅60的外表面上测量。仍参照图1，通过测量固液界面63的位置，能够收集关于熔化/晶体生长的过程的信息，例如在熔化过程期间，剩余固体部64的厚度。棒90可以用来测量固液界面63的位置。例如，可手动地将棒90伸入容器20中并且浸入液体部62中，直至它到达固液界面63。 由于棒90可从已知位置开始伸出，所以能够测量固液界面63的位置。当此测量以预设时间间隔定期地进行时，可计算固液界面63的位置的变化速率，这可产生关于熔化/晶体生长的速度的信息。利用从测得的位置和计算出的速率获得的信息，可通过借助加热控制器 130控制加热温度来精确地控制整个熔化/晶体生长过程。然而，由于可能必须例如每10 分钟一次地进行M小时以上的测量，所以手动进行的测量可能是劳动密集型任务。手动进行的位置测量可能还容易出现错误、不精确或误操作。此外，由于棒必须通过大气控制，所以必须通过0型环对它进行密封，使得棒的顶部在真空之外，而底部在真空之内。与此密封件的摩擦力将给手动测量增加难度。另一方面，例如，如在系统10中实施的，可使整个测量过程自动化，从而可对固液界面63自动监控。因此系统10可包括设备30，该设备30可包括用以使在浇铸期间固液界面的监控过程自动化的机构。该机构可包括用于对棒进行定位的自动位置控制和测量装置。该自动位置控制和测量装置可包括电子读数器(或用于向用户或向包括设备30在的系统10的一个或多个部件传达位置和测量控制信息的任意合适的装置)。设备30可进一步包括可移除的板110，该可移除的板110可设置在容器20的顶部上以覆盖和密封容器20 的顶部。系统10的一个或多个部件，并且具体地是设备30可容纳在真空密封壳体中。设备30还可包括棒90。棒90可通过齿条80至少部分地包围，此外该齿条80可通过管70至少部分地包围。与实施例相一致，齿条80可包括管状形状，而管70可包括多个部分或段， 诸如第一部分71和第二部分72。所述多个部分中的至少一个部分可以是可移除的以允许接近(access)包围在管70内部的齿条80和棒90。尽管齿条80和管70优选地为具有圆形横截面区域的圆柱形类型的，但预期的是齿条80和管70的横截面区域可以是任意形状的，例如正方形的、三角形的或多边形的。管70可包括诸如多个法兰25的连结部件以及位于第一部分71与第二部分72之间的连结部处的诸如0型环部件35的密封部件。在一个实施例中，部件35可定位成距顶端15管70长度的大约2/3。在一些实施例中，第一部分 71与第二部分72之间的连结部可定位在整个管70的任意合适部分处。法兰25是可移除的，使得第一部分71可以被拆卸，从而允许接近齿条80和棒90，用于检查、安装或更换。类似地，管70的顶端15也可包括诸如法兰25的连结部件以及密封的0型环部件35。在顶端15处，可进一步安装诸如玻璃窗(图1中未示出)的装置用于各种目的，这些装置将在后面的图中示出。壳体40可设置为容纳齿条80、管70和棒90的一部分。齿条80和管70可从壳体40的顶侧竖直地插入壳体40中。壳体40的底部可例如利用一个或多个螺钉、螺栓、钩或通过焊接固定到板110。尽管描绘为具有立方体形状，但是壳体40可具有任意类型的形状，诸如圆柱形形状。壳体40可包括通过第一壁(未示出)分开的第一室和第二室。在壳体40的一侧上可具有进口 120，该进口 120构造为允许流体流入壳体40中。壳体40可包括附接到壳体40的顶表面的窗口安装结构150。窗口安装结构150可例如用于安装玻璃窗。壳体40可容纳用以移动棒90和/或齿条80的机构(未示出)。该机构可通过电机 50驱动。电机50可包括电机壳体140。电机壳体140可安装到壳体40的第二壁45。第二壁45是可移除的，并且可通过一个或多个紧固装置，诸如螺钉或螺栓42安装到壳体40，并且可覆盖第一室(未示出)的一侧。电机50可通过控制器100控制，该控制器100可以是独立控制器或者是计算机系统的一部分。控制器100可被编程以使棒90的运动自动化并因而使整个熔化过程的监控自动化。在一些实施例中，加热控制器130可与控制器100关联，或者可与控制器100 —体形成。图2提供了设备30的透视图。图中示出进口 120可附接或安装到壳体40的外表面195。图2中示出的大部分其它部件已在图1中示出，因此将不在此处重复。图3示出了壳体40的内容物的三维局部剖视图。壳体40可包括通过第一壁44分开的第一室220和第二室190。第二壁45可覆盖第一室220的一侧，并且当被移除时，可允许接近第一室220的内容物。第一室220可容纳旋转轮200、第一齿轮202、第二齿轮204以及齿条80和棒90的一部分。第一齿轮202和第二齿轮204实质上是齿轮传动装置。与实施例相一致，第一室220还可容纳管70的一部分。第一室220可包括第一开口 221和第二开口 222。齿条80可通过第一开口 221进入第一室220并且通过第二开口 222延伸穿过第一室220的顶部。第二室190可包括第一开口 192和第二开口 194。窗口安装结构150可邻近第二室220的第一开口 192地安装。第二开口 194可与板110中的中空区112关联。 窗口(未示出)可安装到该窗口安装结构150。通过该窗口、第二室和中空区112，操作者可观察到容器20的内容物。此外，在具有外表面195的一侧上，第二室190可包括第三开口 193。附接到外表面195的进口 120可与第三开口 193连接，使得流体，诸如冷却和/或净化气体，例如氩气可通过进口 120和第三开口 193流入第二室190中。第二室190内部的冷却或净化气体的作用可为通过第一室220与第二室190之间的第一壁44来降低第一室220的温度。此外通过进口 120注入的气体可帮助保持第二室190内部的预期压力，以及保持室环境的纯净和惰性。此外图3示出了包围在电机壳体140内部的电机轴52。电机轴52可安装穿过第二壁45并且穿过在第一齿轮202的中心旋转轴周围的中空区(未示出)安装到第一齿轮 202。电机50可通过电机轴52驱动第一齿轮202和第二齿轮204中的至少一个。图4图示了图3中示出的设备30的第一室220的剖视图。如图4中所示，第一室 220可容纳齿条80的一部分80'。齿条80可具有外表面85。在外表面85的第一部分81 上，可具有齿形特征82，所述齿形特征82构造为与第一齿轮202和第二齿轮204接合。第一齿轮202和第二齿轮204可设置在齿条80的一侧，而旋转轮200可设置在齿条80的另一侧。旋转轮200可以是现有技术中已知的任意类型的旋转轮，其可构造为接触外表面85 的第二部分83。外表面85的第二部分83可与第一部分81相对。第一齿轮202可通过电机50借助图3中示出的电机轴52驱动。随着第一齿轮202旋转，该齿轮的旋转运动可通过与齿条80上的齿形特征82的接触而转化成齿条80的竖直运动。由于棒90可固定到齿条80，所以齿条80的竖直运动可使棒90延伸到容器20或从容器20收回。第二齿轮204 通过电机可被驱动或可不被驱动。第二齿轮204可提供至齿条80的支撑以防止齿条80的非竖直运动，诸如齿条80的倾斜。此外旋转轮200可对齿条80提供支撑以防止齿条80的非竖直运动。在一些实施例中，第一齿轮202和第二齿轮204中的至少一个以及旋转轮200
15可安装在将第一室220和第二室190分开的第一壁44上。在一些实施例中，第一齿轮202 和第二齿轮204中的至少一个以及旋转轮200可安装在可移除地覆盖第一室220的一侧的第二壁45上。尽管预期的是可使用石墨润滑剂，但是可不需要齿轮202和204与齿条80 之间的润滑剂。图5图示了设备30的另一剖视图。在图5中，中空区114在与图3中示出的第二开口 222关联的板110中是可见的。图6图示了设备30的平面视图。图7提供了设备30 的另一平面视图。图8图示了设备30的另一平面视图。图9提供了设备30的又一平面视图。图10图示了从设备30顶部观察的剖视图。在图10中，窗口 180示出为安装在管 70的顶端15处。窗口 180可由玻璃或任意其它合适的材料制成。第二窗口 152示出为安装在窗口安装结构150处，该窗口安装结构150安装在壳体40的第二室190之上。窗口 152可由玻璃或任意其它合适的材料制成。图11图示了从设备30底部观察的剖视图。板110的中空区112示出为与窗口 152关联，使得从窗口 152通过第二室190和中空区112可观察到容器20的内部。板110 的中空区114示出为与齿条80和棒90关联。中空区114可允许辐射，诸如热、光或红外线等从容器20发出。参照上面的图1-图11，在对棒90进行位置测量以监控固液界面63之前，可对系统10进行标定。标定的目的是为棒90建立原点位置，使得任何未来的位置测量可参照此原点位置。在移动棒90的路径中的任何固定点都可用于帮助定义棒90的原点位置，例如容器20的底部、坩锅60的底部、在棒90的路径中从容器20的端口 21悬挂的板(未示出) 等。在下文的讨论中，将容器20的底部用作示例性参照点，用于示例性的标定过程。图12图示了示例性的标定过程700。首先，在设备30被组装之后，将棒90移动到初始位置(步骤70 ，例如距容器20的底部最远的位置。控制器100可向电机50发送指令信号以驱动第一齿轮202，从而使棒90朝着容器20的底部降低(或延伸)(步骤710)。 在降低棒90时，控制器100可被程控以记录电机50的速度。当棒90接触容器20底部处的固体散热器135时，棒90将被阻止进一步移动，在该点处，控制器100可基于阈值输入， 例如预设速度误差而停止电机50。例如，控制器100可计算跟踪的电机速度与程控的驱动速度之间的速度误差，并且确定该速度误差是否已达到预设速度误差(步骤71幻。该预设速度误差例如可以是具有适当单位的任意合理值，例如15计数/每秒。如果还未达到预设速度误差(否，步骤715)，则电机可继续驱动第一齿轮202，直至达到该预设速度误差。如果已达到该预设速度误差(是，步骤715)，则控制器100可向电机50发送指令信号以停止电机(步骤720)。棒90的当前位置用于计算棒90的原点(或零点)位置，然后记录该原点位置(步骤72 。速度误差与设备30的灵敏度有关，因而可预先选择。可替代地，可对位置或扭矩进行跟踪并检查误差。灵敏度太高或太低可能或者破坏棒90 (太低)，或者导致不精确的测量或更严重地，由于运动中的机械噪声导致不精确的标定定位(太高)。在确定并记录棒90的原点位置之后，控制器100可向电机50发送指令，使得电机50可将棒90收回到预定停放位置(步骤730)。该预定停放位置可以是该原点位置之上的预设距离，例如在原点位置之上1.5米。该预设距离可以是固定值并且可被编程到控制器100中。与实施例相一致，该预设距离也可例如取决于在熔化过程期间测得的固液界面63的不同位置而改变。在根据标定过程700对系统10进行标定之后，可将坩锅60放置到容器20中。坩锅60的厚度可以是已知的参数或者可被测量。此外可将籽晶(未示出)放置在坩锅60的底部处。籽晶的厚度可被测量或者可以是已知的参数。可将坩锅60和在坩锅60底部处的籽晶的厚度编程到控制器100中。诸如硅的固体材料可放置在籽晶的顶面上。可将容器20 排空并且可准备好浇铸。图13图示了在浇铸期间的示例性监控过程800。首先，系统10通过加热元件125 开始熔化固体材料64以产生固液界面63 (步骤80 。然后根据预定的熔化程序方法，系
统10继续熔化固体材料64 (步骤810)。例如，该熔化程序方法可包括MELT1、MELT2.....
MELT12等的阶段。在MELT1-12中，早期阶段，例如从MELT1-MELT8的阶段可构造为在棒90 插入流体材料中之前，继续提高坩锅内部的熔化温度。然后在预设阶段，例如MELT9，固液界面63的位置测量可以开始。接下来，可确定是否已达到预设熔化阶段(步骤815)。如果还未达到该预设熔化阶段(例如，METL9)(否，步骤815)，则系统10可继续熔化该材料(步骤810)。如果已达到预设熔化阶段(例如，MELT9)(是，步骤815)，则控制器100可向电机 50发送“测量”指令以起动电机并且开始测量过程(步骤820)。棒90可通过电机50、齿轮202和204以及旋转轮200降低以接近固液界面63。当棒90接触固液界面63时，并且当(在标定过程700中定义的)该预定速度误差被控制器100检测到时，控制器100可向电机50发送指令以停止电机，从而停止棒90的进一步移动。然后可通过控制器100测量和记录棒90的位置(步骤825)。此位置测量可转化成固液界面63的位置或进一步转化成固体材料64的厚度(步骤830)。该转化可基于所测得的棒90的位置、棒90的标定出的原点位置以及坩锅60和坩锅底部处的籽晶的已知厚度以及棒90的总长度而通过控制器100来执行。在计算固体材料64的厚度之后，控制器100可向电机50发送指令以将棒90收回到预定停放位置。在此操作部分中，快速的处理是关键的，以防止与固体/液体系统的干扰以及保护棒90的完整性。控制器100可基于先前的测量来确定固体材料64的厚度是否在预设的可接受范围内(步骤835)，例如在Ilcm内。如果固体材料64的厚度不在该预设的可接受范围内(否， 步骤83 ，则控制器100可进一步确定是否重复相同的测量并且确定尝试的次数是否已超过预定数量(步骤840)，例如3次。如果尝试的次数还未超过预定数量(否，步骤840)，则可重复步骤820-830以获得固体材料64的厚度的一个或多个后续测量。如果尝试测量的次数已超过预定数量(是，步骤840)，则可生成错误报告(步骤84 ，并且监控过程可触发警报并使其自身暂停，直到操作者干预(步骤847)。然后可进行进一步的动作，例如设备30的检查或标定的恢复，以诊断与可接受范围外的测量厚度有关的可能原因。如果操作者干预未发现系统10有问题(是，步骤848)，则监控过程800可继续重复测量步骤(步骤 820-835)。如果发现了系统10有问题(否，步骤848)，则监控过程800可终止。另一方面， 如果固体材料64的厚度在预设的可接受范围内(是，步骤835)，则监控过程800可确定是否是熔化过程的结束(步骤846)。如果不是熔化过程的结束(否，步骤846)，则系统10可计算距下一测量的等待周期(步骤849)，然后可返回到步骤820。该等待周期可以如下方式或任意等效的方式确定。基于程序中经过的时间或直接基于来自监控系统的测量，可限定一个或多个时段，每个时段对应于给定的等待间隔。例如在该过程中可限定和使用30分
17钟的等待周期，直至全部过程完成超过50% (基于棒90的测量)。然后可使用15分钟的等待周期，直至75%完成。在75%完成之后，可使用5分钟的等待周期，直至该过程完成。 为了实现更高的精度，可在全部过程的最后25%期间实施逻辑。可对所实施的逻辑进行编程以基于从过程的开始到过程的75%完成得到的先前的测量来预测距过程结束的确切分钟。当预测的分钟短于默认数(例如，5分钟)时，将预测的分钟用作等待周期以便在过程的结尾进行精确的测量。如果是熔化过程的结束(是，步骤846)，则例如通过将自身关闭， 系统10可触发浇铸方法中的新阶段并且可改变其自身的功能设定。监控过程800可结束， 而在熔化过程结束之后生长过程可随后开始。在熔化阶段期间，包括步骤820-849在内的测量步骤可以预定时间间隔，例如每 20分钟重复。通过将若干位置测量与时间段相结合，能够确定固液界面的位置的变化速率， 这可用于计算熔化速率。熔化阶段MELT9可持续预定时间，例如120分钟。在该预定时间期间，基于例如固体材料64的厚度或加热温度，用于进行测量的间隔例如可从每20分钟变为每10分钟。当固体材料64的厚度达到预设厚度，例如7cm时，熔化阶段可从一个阶段转换到另一阶段，例如从MELT9转换到MELT10。该转换可通过程序控制器100自动进行。熔化阶段MELTlO可持续预定时间，例如20分钟并且可引起加热和/或冷却速率或其它参数的变化。对于阶段MELT10，测量步骤820-849可以预定时间间隔，例如以每5分钟重复。随着熔化速率减慢，用于进行测量的时间间隔可相应改变。在特定熔化阶段，例如MELT12，晶体生长过程可开始。尽管在晶体生长阶段期间能对固液界面进行监控，但是通常不这样，以便避免将缺陷引入正在生长的晶体中。理解的是在某些情形下，系统10可能丧失(lose)标定。标定的丧失可通过控制器100进行检测，例如当得到异常的位置数据时或当生成错误报告时(步骤8妨)。通过将棒90重定位到其停放位置，系统10可恢复其标定。各种方法可用于恢复标定。将对两个示例性方法进行讨论。图14示出了管70的剖视图以及使用磁性元件86恢复标定的第一方法。如先前提及的，管70可至少部分地包围齿条80，棒90包围在所述齿条80中。棒90可包括支靠在齿条80的末端79上的棒头92。固定螺帽94或帽可设置成将棒头92固定到齿条80。固定螺帽94可通过现有技术中的任意已知方法安装到棒头92和齿条80。如先前讨论的，当拆卸管70的第一部分71与第二部分72之间的连结部时，第二部分72可被移除以露出固定螺帽94和齿条80。为了更换或安装棒90，可能必须首先移除固定螺帽94。如图14中所示，设备30可包括附接或安装到固定螺帽94的第一磁性元件84。一个或多个第二磁性元件86可附接到管70的外表面73。与实施例相一致，可存在具有例如分布在外表面73周围的长条形式的多个磁性元件86。第二磁性元件86的位置可与第一磁性元件84的位置相邻。第一磁性元件84和第二磁性元件86可构造为使得当第一磁性元件84移动到管70内部的新位置时，第二磁性元件86也可由于这两个元件之间的磁力而沿管70的外表面73移动到新位置。因此，由于位于管70内部而不为操作者可见的第一磁性元件84的确切位置可通过从管70的外部可见的第二磁性元件86指示。设想的是在管70 的外表面73上可存在参考标记，用以指示第二磁性元件86的位置，并随后指示第一磁性元件84的位置。根据棒90、齿条80和管70、固定螺帽94、第一磁性元件84和第二磁性元件 86的已知尺寸以及第一磁性元件84的位置，可计算棒90的位置。移动第一磁性元件84可通过电机50、齿轮202、204以及旋转轮200来实现，如上文参照图3-图4所讨论的。图15图示了使用装置250来恢复标定的另一方面，该装置250设置成邻近管79 的末端15处的窗口 180。装置250可向窗口 180与固定螺帽94之间的空间96中产生波 251，诸如声波、光波等。因此，装置250可以是声学装置、光学装置或能够产生波的其它合适装置。当由装置250产生的波251在空间96中行进并且遭遇固定螺帽94时，波251可反射回到装置250。然后装置250可检测到反射波251。在此过程期间，波251的一些特征可能改变。装置250可测量与波251的改变特征关联的至少一个参数。然后，根据已知关系，基于由装置250测量出的该至少一个参数可计算空间96的距离(L)。根据所计算的空间96的距离(L)，可进一步计算棒90的位置。在一些实施例中，装置250可与控制器100 关联，并且可向控制器100发送测量出的参数数据，用于棒90的位置的分析和计算。波251 的该至少一个参数可以是空间96内部的波的频率、相移或行进时间。例如，当光波或声波251反射回到装置250时，其频率可能改变，或者其相位可能移动。根据空间96的距离(L)与波251的频率或相移的变化之间的已知关系，可计算空间 96的距离(L)。再例如，通过装置250可向空间96中产生并发射脉冲光波或声波。当被固定螺帽94反射回并且被装置250检测到时，空间96内部的波251的频率偏移或相位变化可通过装置250或通过控制器100来确定，该控制器100可与装置250关联。根据波251 的频率偏移或相位变化以及波251的已知速度，可计算空间96的距离(L)。根据所计算的空间96的距离(L)，可进一步计算棒90的位置。因此，可将棒90重定位到标定的原点位置。在一些实施例中，装置250可与控制器100关联，并且可向控制器100发送测量出的参数，用于进一步的分析和计算。与实施例相一致，装置250可不与控制器100关联，而是代替地，可以是独立装置，并且可构造为包括用以执行测量和计算的数据处理器。此外与实施例相一致，图16图示了设备30的剖视图。图17示出了设备30的局部剖视图，其中轮的构造与图4中所示不同之处在于壳体40的内容物。此外设备30可包括至少部分地包围棒320的管310。管310可包括多个部分，诸如第一部分371和第二部分372。在第一部分与第二部分之间的连结部处，以及在管310的顶端315处，可存在法兰 325和0型环密封部件335。0型环密封部件335可与图1中示出的0型环密封部件35相同。至少一个部分，例如第一部分371是可移除的，以允许接近管310内部的棒320。例如， 第一部分与第二部分之间的连结部处的法兰325可被拆卸，并且可将第一部分371拿开以露出管310内的棒320。如图17中所示，设备30可包括多个旋转轮，诸如旋转轮301a、301b、301c和301d， 每个旋转轮构造为接触棒320的外表面322。如图17中所示，在第一室220中，棒320的接触旋转轮的部分可不被管310包围。棒320的延伸和收回可经由多个轮301a、301b、301c和 301d来实现。与实施例相一致，轮301可直接接触棒320的外表面322并且在棒320上施加压力。在适当地选择用于棒320和轮301的材料的情况下，轮301与棒320之间的摩擦力可足够大以防止棒320的滑动，从而确保棒320在延伸和收回期间的适当夹紧。为了进一步提高通过轮301施加在棒320上的摩擦力，轮301可通过预加载弹簧345支撑。预加载弹簧345可将轮301推抵棒320，因而可进一步增加棒320与轮301之间的摩擦力。棒320 可随着轮301旋转而上下移动(或延伸和收回)。尽管在图17中示出了预加载弹簧345的位置，但是可替代地，预加载弹簧345可定位在板，诸如撑板与室220的侧壁之间。
仍参照图17，轮301可进一步包括附接或安装到轮301的0型环部件，诸如30加、 302b,302c和302d。如果通过轮301接触棒320未提供用以夹紧棒320的充足摩擦力，则0 型环部件302可提高对棒302的夹持。0型环部件302可通过轮的表面上的凹槽安装在轮 301上或者可另外通过胶合安装在轮301的表面上。与实施例相一致，如图18中所示，轮， 例如301d可包括一个以上的0型环部件，例如302d和302d，。0型环部件302可在棒320 的外表面322上施加压力，并且可提供棒320的适当夹紧。因而棒320可随着轮301旋转而移动(延伸和收回)。与本发明的实施例相一致，如图17和图18中所示，多个轮可包括四个轮。第一对的两个轮301a和301d位于棒320的第一侧361上，并且构造为接触棒320的第一表面 324。第二对的两个轮301b和301c位于棒320的第二侧362上，并且构造为接触棒320的第二表面326。此外如图17和图18中所示，轮301可以是不同直径的。例如，轮301a和 301c可具有相同的直径，该直径可小于轮301b和301d的直径。如图18中所示，轮301a和 301c可包括安装在每个轮上的一个0型环部件，轮301b和301d可包括安装在每个轮上的一个以上的0型环部件。0型环部件302可类似或可不类似于图16中示出的0型环密封部件35和335。尽管轮301在图17和图18中示出为位于第一室220的第一壁44上，但是设想的是轮301中的至少一个可位于第二壁45上。电机50可通过如图5中所示的电机轴驱动轮 301中的至少一个，例如轮301d。图19示出了管310的剖视图以及使用磁性元件86’恢复标定的第一方法，该第一方法与参照图14讨论的方法类似。如先前提及的，管310可至少部分地包围棒320。棒320 可包括棒头321，固定螺帽94’或帽可安装到该棒头321。固定螺帽94’可通过现有技术中的任何已知方法安装到棒头321。如图19中所示，设备30可包括附接或安装到固定螺帽 94’的第一磁性元件84’。一个或多个磁性元件86’可附接到管310的外表面312。与本发明的实施例相一致，可存在多个例如分布在外表面312周围的长条形式的磁性元件86’。 第二磁性元件86’的位置可与第一磁性元件84’的位置相邻。第一磁性元件84’和第二磁性元件86’可构造为使得当第一磁性元件84’移动到管310内部的新位置时，第二磁性元件86’由于这两个元件之间的磁力也可沿管310的外表面312移动到新位置。因此，由于位于管310内部而不为操作者可见的第一磁性元件84’的确切位置可通过从管310的外部可见的第二磁性元件86’指示。设想的是在管310的外表面312上可存在参考标记，用以指示第二磁性元件86’的位置，并随后指示第一磁性元件84’的位置。根据棒320、管310、 固定螺帽94’、第一磁性元件84’和第二磁性元件86’的已知尺寸以及第一磁性元件84’的位置，可计算棒320的位置。移动第一磁性元件84’可通过电机50和多个旋转轮301来实现，如上文参照图16-图17所讨论的。图20图示了恢复标定的第二方法，该第二方法与在图15中示出的实施例中讨论的方法类似。装置350可设置成邻近管310的末端315处的窗口 380。装置350可向空间 396中产生波351，诸如声波、光波等。与实施例相一致，空间396可以是窗口 380与固定螺帽94’之间的空间。与另一实施例相一致，在棒头321处可不需要固定螺帽94’。在此实施例中，空间396将是窗口 380与棒头321之间的空间。为方便起见，将空间396称为窗口 380与棒320的末端379之间的空间，其中如果在棒头321处存在固定螺帽94’，则可将末端379称为固定螺帽94’，或者如果在棒头321处不存在固定螺帽94’，则可将末端379称为棒头321。装置350可以是声学装置、光学装置或能够产生波的其它合适装置。当由装置350 产生的波351在空间396中行进并且遭遇末端379时，波351可反射回到装置350。然后装置350可检测到反射波351。在此过程期间，波351的一些特征可能改变。装置350可测量与波351的改变特征关联的至少一个参数。然后，根据已知关系，基于由装置350测量出的该至少一个参数可计算空间396的距离(L)。根据所计算的空间396的距离(L)，可进一步计算棒320的位置。与实施例相一致，装置350可与控制器100关联，并且可向控制器100 发送测量出的参数数据，用于棒320的位置的分析和计算。波351的该至少一个参数可以是空间396内部的波的频率、相移或行进时间。与另一实施例相一致，装置350可不与控制器100关联，而是代替地，可以是独立装置，并且可构造为包括用以执行测量和计算的数据处理器。例如，当光波或声波351反射回到装置350时，其频率可能改变，或者其相位可能移动。根据空间396的距离(L)与波351的频率或相移的变化之间的已知关系，可计算空间396的距离(L)。再例如，通过装置350可向空间396中产生并发射脉冲光波或声波。当被末端379反射回并且被装置350检测到时，空间396内部的波351的行进时间可通过装置350或通过控制器100来确定，该控制器100可与装置350关联。根据波351的行进时间以及波351的已知速度，可计算空间396的距离(L)。根据所计算的空间396的距离(L)， 可进一步计算棒320的位置。因此，可将棒320重定位到该标定的原点位置。在一些实施例中，装置350可分析测量出的参数，或者可向控制器100发送测量出的参数，用于进一步的分析和计算。在重定位棒90和棒320中可满足预定的阈值精度等级，以便使用图14-图 15或图19-图20中讨论的实施例来恢复标定。该阈值精度等级可以是基于实际需求的任何预期等级。与实施例相一致，该预定阈值精度等级可以是0.5mm或更小。当操作所公开的系统10用于监控浇铸过程期间材料的固液界面时，可由石英制成的棒90或320的尖端可经历相当高的温度，例如1550°C或更高。与实施例相一致，棒90 或棒320的尖端可距板110的底部大约Im或当使用齿条80以及齿轮202和204时距齿条 80的底部lm。因此，例如，在图4-图5中讨论的实施例中，齿条80的底部周围的温度可为大约300°C。取决于齿条80的材料属性，齿条80底部处的此温度可足够高以影响齿条80 的运动。此外，当在齿条80组装到设备30并且用于监控固液界面之前齿条80被机加工用于齿形部件82时，可能存在在加工过程期间留在齿条80中的应力。由于由齿条80底部处的高温引起的热循环效应或齿条80中的现有应力或热循环和现有应力的组合效应，齿条 80可能在其运动期间弯曲，并因而可能不能够使棒90在预期的直线方向上延伸。此问题可通过选择这样的材料来解决，即该材料在机加工时不引起应力或制造齿条80能够减轻该材料内的应力。另外，还可为齿条80选择能够忍受足够高的温度的材料。对本领域中的技术人员来说，将明显的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，能在所公开的系统和方法中作出各种修改和变形。尽管此处主要对硅的浇铸进行了描述，但是在不偏离本发明的范围和精神的情况下，可对其它半导体材料和非金属晶体材料进行浇铸。例如，其它材料的浇铸是可能的，诸如砷化镓、硅锗、氧化铝、氮化镓、氧化锌、硫化锌、砷化铟镓、锑化铟、锗、钇钡氧化物、稀土氧化物、氧化镁和其它半导体、氧化物以及具有液相的金属互化物。现在对本领域中的普通技术人员来说将明显的是，包括具有液相的任何金属在内的任何材料的固液界面的特征在于上述系统和方法。这些金属和半金属可例如包括 Al、Si、P、S、Zn、Ga、Ge、GaAs, Se、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Pb、Fe、Ti、Pt、Au、Ag、Cr、 Co、Ni、Cu和Bi以及这些材料的合金、氧化物或氮化物。根据此处公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例对本领域中的技术人员来说将是明显的。预期的是认为说明书和实例仅是示例性的，而本发明的真正范围和精神由下文的权利要求指示。
权利要求
1.一种用于监控固液界面的系统，包括容器，所述容器构造为容纳具有固液界面的至少部分熔化的材料；以及设备，所述设备附接到所述容器并且包括 棒，所述棒构造为测量所述固液界面的位置； 齿轮；齿条，所述齿条具有构造为与所述齿轮接合的外表面的第一部分，并且至少部分地包围所述棒；管，所述管构造为至少部分地包围所述齿条；旋转轮，所述旋转轮构造为接触所述齿条的所述外表面的第二部分；电机，所述电机构造为驱动所述齿轮；以及控制器，所述控制器构造为控制所述电机并且监控所述固液界面的至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括壳体，所述壳体具有 至少一个室；以及可移除壁，所述可移除壁覆盖所述至少一个室的一侧。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个室容纳所述齿轮、所述轮、以及所述齿条的至少一部分，并且包括安装在所述至少一个室上的窗口，以允许观察所述容器的内部。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述齿轮和所述旋转轮中的至少一个位于所述至少一个室的壁上。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述齿轮和所述旋转轮中的至少一个位于所述可移除壁上。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述电机构造为通过电机轴驱动所述齿轮。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述管进一步包括安装在所述管的末端处的窗
8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括固定螺帽，所述固定螺帽位于所述管内部并且安装在所述齿条的末端上，以将所述棒以可移除方式固定到所述齿条的所述末端。
9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括安装在所述固定螺帽上的第一磁性元件和附接到所述管的外表面的第二磁性元件，其中安装在所述固定螺帽上的所述第一磁性元件能够在所述管内部移动，而所述第二磁性元件能够与所述第一磁性元件一致地移动。
10.根据权利要求8所述的系统，进一步包括邻近所述窗口安装的装置，所述装置构造为测量所述管内部的空间的尺寸。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述装置是声学装置，所述声学装置构造为产生在所述空间内部行进的声波，并且其中基于与所述声波关联的至少一个参数来测量所述空间的所述尺寸。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述装置是光学装置，所述光学装置构造为产生在所述空间内部行进的光波，并且其中基于与所述光波关联的至少一个参数来测量所述空间的所述尺寸。
13.根据权利要求2所述的系统，其中所述壳体安装在板上，所述板具有与所述至少一个室关联的多个中空区，并且其中所述板构造为覆盖所述容器的端口。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述管构造为包括多个部分，并且至少一个部分构造为允许接近所述齿条和所述棒。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述固液界面的所述至少一个参数包括所述固液界面的位置和所述位置的变化速率中的至少一个。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制器进一步构造为计算所述固体部的厚度和所述固体部的所述厚度的变化速率中的至少一个。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述齿轮是第一齿轮，所述系统进一步至少包括与所述齿条接合的第二齿轮。
18.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个室包括第一开口和第二开口，其中所述齿条的所述部分通过所述第一开口进入所述至少一个室，并且通过所述第二开口延伸到所述至少一个室的顶部。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述至少一个室进一步包括与进口关联的第三开口。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少部分熔化的材料包括从由Al、Si、P、S、 Zn、Ga、Ge、GaAs、Se、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Pb、Fe、Ti、Pt、Au、Ag、Cr、Co、Ni、Cu 和 Bi 组成的组中选择的至少一种元素，并且所述至少部分熔化的材料是半导体材料。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述棒由石英制成。
22.根据权利要求1所述的系统，进一步包括坩锅，所述坩锅构造为容纳所述至少部分熔化的材料并且被所述容器包围。
23.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器包括与容纳所述至少部分熔化的材料的坩锅接触的至少一个热侧壁表面，所述热侧壁表面与所述至少部分熔化的材料等温或比所述至少部分熔化的材料热。
24.一种用于监控固液界面的系统，包括容器，所述容器构造为容纳具有固液界面的至少部分熔化的材料；以及设备，所述设备附接到所述容器并且包括棒，所述棒构造为测量所述固液界面的位置；管，所述管构造为至少部分地包围所述棒；多个旋转轮，所述多个旋转轮构造为接触所述棒的外表面；电机，所述电机构造为驱动所述多个旋转轮中的至少一个；以及控制器，所述控制器构造为控制所述电机并且监控所述固液界面的至少一个参数。
25.根据权利要求M所述的系统，进一步包括壳体，所述壳体包括 至少一个室；以及可移除壁，所述可移除壁覆盖所述至少一个室的一侧。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述至少一个室容纳所述轮以及所述棒的至少一部分，并且所述至少一个室包括第一开口、第二开口以及窗口，所述窗口邻近所述第一开口安装以允许观察所述容器的内部。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述旋转轮中的至少一个位于所述至少一个室的壁上。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述旋转轮中的至少一个位于所述可移除壁上。
29.根据权利要求25所述的系统，其中所述电机构造为通过电机轴驱动所述多个旋转轮中的至少一个。
30.根据权利要求M所述的系统，其中所述管进一步包括安装在所述管的末端处的窗
31.根据权利要求30所述的系统，进一步包括固定螺帽，所述固定螺帽位于所述管内部并且安装在所述棒的棒头上。
32.根据权利要求31所述的系统，进一步包括安装在所述固定螺帽上的第一磁性元件和附接到所述管的外表面的第二磁性元件，其中安装在所述固定螺帽上的所述第一磁性元件能够在所述管内部移动，而所述第二磁性元件能够与所述第一磁性元件一致地移动。
33.根据权利要求31所述的系统，进一步包括邻近所述窗口安装的装置，所述装置构造为测量所述管内部的空间的尺寸。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述装置是声学装置，所述声学装置构造为产生在所述空间内部行进的声波，并且其中基于与所述声波关联的至少一个参数来测量所述空间的所述尺寸。
35.根据权利要求33所述的系统，其中所述装置是光学装置，所述光学装置构造为产生在所述空间内部行进的光波，并且其中基于与所述光波关联的至少一个参数来测量所述空间的所述尺寸。
36.根据权利要求25所述的系统，其中所述壳体安装在板上，所述板具有与所述至少一个室关联的多个中空区，并且其中所述板构造为覆盖所述容器的端口。
37.根据权利要求M所述的系统，其中所述管构造为包括多个部分，并且至少一个部分构造为允许接近所述棒。
38.根据权利要求M所述的系统，其中所述固液界面的所述至少一个参数包括所述固液界面的位置和所述位置的变化速率中的至少一个。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述控制器进一步构造为计算所述固体部的厚度和所述固体部的所述厚度的变化速率中的至少一个。
40.根据权利要求M所述的系统，其中所述多个旋转轮中的每一个包括至少一个0型环部件。
41.根据权利要求M所述的系统，其中所述电机构造为通过电机轴驱动所述多个旋转轮中的至少一个。
42.根据权利要求25所述的系统，其中所述至少一个室包括第一开口和第二开口，其中所述棒的所述部分通过所述第一开口进入所述至少一个室，并且通过所述第二开口延伸到所述至少一个室的外部。
43.根据权利要求25所述的系统，其中所述至少一个室进一步包括与进口关联的第三开口。
44.根据权利要求M所述的系统，其中所述多个旋转轮包括四个旋转轮，其中第一对的两个旋转轮位于所述棒的第一侧上，接触所述棒的外表面的第一部分，而第二对的两个旋转轮位于所述棒的第二侧上，接触所述棒的外表面的第二部分。
45.根据权利要求M所述的系统，其中所述多个旋转轮中的至少一个与弹簧关联。
46.根据权利要求M所述的系统，其中所述至少部分熔化的材料包括从由Al、Si、P、S、 Zn、Ga、Ge、GaAs、Se、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Pb、Fe、Ti、Pt、Au、Ag、Cr、Co、Ni、Cu 和 Bi 组成的组中选择的至少一种元素，并且所述至少部分熔化的材料是半导体材料。
47.根据权利要求M所述的系统，其中所述棒由石英制成。
48.根据权利要求M所述的系统，进一步包括坩锅，所述坩锅构造为容纳所述至少部分熔化的材料并且被所述容器包围。
49.根据权利要求48所述的系统，其中所述容器包括与所述至少部分熔化的材料接触的至少一个热侧壁表面，所述热侧壁表面与所述至少部分熔化的材料等温或比所述至少部分熔化的材料热。
50.一种利用设备来监控至少部分熔化的材料的固液界面的方法，所述设备包括棒、至少部分地包围所述棒的齿条、以及与所述齿条接合的齿轮，所述方法包括使所述棒延伸以接触所述固液界面； 当所述棒接触所述固液界面时，基于阈值输入停止所述棒； 当所述棒停止时测量所述棒的位置； 将所述棒收回到预定位置；以及至少基于当所述棒停止时所测得的所述棒的位置来计算与所述固液界面关联的至少一个参数。
51.根据权利要求50所述的方法，进一步包括标定所述棒以建立所述棒的原点位置。
52.根据权利要求50所述的方法，其中标定所述棒包括向电机发送第一指令信号以驱动所述齿轮并且使所述棒延伸； 当所述棒接触所述固液界面时，基于所述阈值输入来停止所述电机； 当所述电机停止时测量所述棒的位置； 确定所述棒的原点位置；以及向所述电机发送第二指令信号以驱动所述齿轮并且将所述棒收回到预定位置。
53.根据权利要求50所述的方法，进一步包括 检测所述棒的标定的丧失；以及通过将所述棒重定位到经标定的原点位置来恢复所述棒的标定。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述设备进一步包括至少部分地包围所述齿条的管，并且其中将所述棒重定位到经标定的原点位置包括将第一磁性元件安装到安装在所述齿条的所述末端上的固定螺帽； 将第二磁性元件以与所述管内部的所述第一磁性元件相邻的方式附接到所述管的外表面；通过移动所述齿条和所述棒来移动所述第一磁性元件；以及通过附接在所述管的所述外表面上的所述第二磁性元件的位置来确定所述第一磁性元件的位置。
55.根据权利要求53所述的方法，其中所述设备进一步包括管，所述管至少部分地包围所述齿条并且具有安装在所述管的末端上的窗口，并且其中将所述棒重定位到经标定的原点位置包括将一装置与所述管的所述末端上的所述窗口相邻地安装；产生在所述窗口与所述齿条的所述末端之间的空间内部行进的波； 测量与所述波关联的至少一个参数；基于测量出的所述至少一个参数来确定所述空间的尺寸；以及基于所确定的所述空间的尺寸来确定所述齿条和所述棒的位置。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述装置是声学装置和光学装置中的至少一个，并且其中与所述波关联的所述至少一个参数是所述波的频率、相移、和行进时间中的至少一个。
57.根据权利要求M所述的方法，进一步包括通过所述固定螺帽在所述齿条的所述末端处将所述棒以可移除方式固定到所述齿条。
58.根据权利要求50所述的方法，其中延伸和收回所述棒进一步包括 使所述齿轮与所述管接合；以及通过电机驱动所述齿轮。
59.根据权利要求58所述的方法，进一步包括利用旋转轮支撑所述管。
60.根据权利要求50所述的方法，其中所述设备进一步包括具有至少一个室的壳体， 所述方法进一步包括对容纳所述至少部分熔化的材料的容器的内部进行观察。
61.根据权利要求60所述的方法，进一步包括利用冷却气体来降低所述至少一个室的温度。
62.一种利用设备来监控容纳在容器中的至少部分熔化的材料的固液界面的方法，所述设备包括棒、至少部分地包围所述棒的管、以及多个旋转轮，所述方法包括使所述棒延伸以接触所述固液界面； 当所述棒接触所述固液界面时，基于阈值输入停止所述棒； 当所述棒停止时测量所述棒的位置； 将所述棒收回到预定位置；以及至少基于当所述棒停止时所测得的所述棒的位置来计算与所述固液界面关联的至少一个参数。
63.根据权利要求62所述的方法，进一步包括基于阈值输入来标定所述棒以建立所述棒的原点位置。
64.根据权利要求63所述的方法，其中标定所述棒包括向电机发送第一指令信号以驱动所述旋转轮并且使所述棒延伸； 当所述棒接触所述固液界面时，基于所述阈值输入停止所述电机； 当所述电机停止时测量所述棒的位置； 确定所述棒的原点位置；以及向所述电机发送第二指令信号以驱动所述旋转轮并且将所述棒收回到预定位置。
65.根据权利要求63所述的方法，进一步包括 检测所述棒的标定的丧失；以及通过将所述棒重定位到经标定的原点位置来恢复所述棒的标定。
66.根据权利要求65所述的方法，其中将所述棒重定位到经标定的原点位置包括将第一磁性元件安装到安装在棒头上的固定螺帽；将第二磁性元件以与所述管内部的所述第一磁性元件相邻的方式附接到所述管的外表面；通过移动所述棒来移动所述第一磁性元件；以及通过附接在所述管的所述外表面上的所述第二磁性元件的位置来确定所述第一磁性元件的位置。
67.根据权利要求65所述的方法，其中将所述棒重定位到经标定的原点位置包括 将一装置与所述管的所述末端上的所述窗口相邻地安装；产生在所述窗口与所述棒的末端之间的空间内部行进的波； 测量与所述波关联的至少一个参数； 基于所测得的至少一个参数来确定所述空间的尺寸；以及基于所确定的所述空间的尺寸来确定所述齿条和所述棒的位置。
68.根据权利要求67所述的方法，其中所述装置是声学装置和光学装置中的至少一个，并且其中与所述波关联的所述至少一个参数是所述波的频率、相移、和行进时间中的至少一个。
69.根据权利要求62所述的方法，其中延伸和收回所述棒进一步包括 利用所述多个旋转轮固定所述棒；以及通过电机驱动所述轮中的至少一个。
70.根据权利要求69所述的方法，其中固定所述棒包括利用安装在所述多个旋转轮上的至少一个0型环部件来固定所述棒。
71.根据权利要求69所述的方法，其中固定所述棒包括利用预加载弹簧在抵靠所述棒的所述轮上施加力。
72.根据权利要求62所述的方法，其中所述设备进一步包括具有至少一个室的壳体， 所述方法进一步包括对容纳所述至少部分熔化的材料的容器的内部进行观察。
73.根据权利要求72所述的方法，进一步包括利用冷却气体来降低所述至少一个室的温度。
74.一种用于测量固液界面的位置的设备，包括 棒，所述棒具有适当的纯度和高温机械完整性；自动位置控制和测量装置，用于对所述棒进行定位；以及真空密封壳体，用于容纳所述设备的至少一个元件。
全文摘要
提供了用于在浇铸过程期间监控固液界面的系统和方法。所述系统和方法能够确定浇铸过程期间的固液界面的位置。
文档编号B22D2/00GK102202814SQ200980142054
公开日2011年9月28日 申请日期2009年8月24日 优先权日2008年8月28日
发明者内森·G·斯托达德, 罗杰·F·克拉克, 蒙特·A·刘易斯 申请人:Amg艾迪卡斯特太阳能公司