专利名称：生产结晶材料块的装置和方法
技术领域：
本发明涉及通过定向结晶化制造结晶材料块的装置，其包括布置成在 结晶坩埚中建立温度梯度的加热设备和冷却设备，所述冷却设备包括热交 换器和可调节的附加热源。
背景技术：
文献WO2004/094704描述了 一种通过定向结晶化制造结晶材料块的装 置。该材料通常为硅。如图1中所示，该装置包括结晶坩埚l,其底部7使 得热量能够被带走。所述坩埚1的底部7具有比其侧壁8更高的传热性能。 为产生温度梯度，加热元件3和热交换器4分别布置在所述坩埚1的上方 和下方。
硅凝固的温度梯度需要有效的排热。所述坩埚1的各向异性的性质使 得能够获得基本上平坦和平行的等温面。因此，凝固前沿(front de solidification)在平行于所述坩埚1的底部7的方向上基本上是平坦的。
当发生硅的结晶时，固相5的厚度增加使得凝固前沿离开坩埚1的底 部7向上发展，如图1中的箭头20所示。硅的熔融温度为M10。C, 1410 。C等温面随后离开所述坩埚1的底部7，这由在结晶过程中在所述坩埚1的 底部7的温度下降引起。
在所述坩埚1的底部7的凝固材料量的增加伴随着热阻的增加。但是， 为了维持固体/液体前沿处的温度梯度恒定，通过热交换器4带走的热能必 须在整个凝固顺序中保持基本上恒定。因此，必须提供调节。
因此，所述热交换器4包括例如冷却剂流体回路，并且根据应用，该 流体可为合成油或在高温下工作的流体，例如在压力下的气体如氦，当需 要氦液化器时这是非常昂贵的。可以使冷却剂流体的温度以受到控制的方 式改变以确保带走的能量在整个凝固顺序中保持恒定。
例如，文献WO2004/094704描述了 一种布置在坩埚1的底部7和冷却 设备4之间的石墨毡9，如图2中所示。所述石墨毡9在硅的凝固过程中被
压缩。因此，所述石墨毡9的厚度降低并且其导热性增加。从而，通过所 述石墨的传导性的传热可在凝固过程中受到控制。所述石墨毡9也可逐渐
地移走以控制冷却。所述坩埚1中的温度梯度通常被控制和维持在包含在8 °C/cm和30°C/cm之间的值。
还存在水冷却系统。但是，难以在宽的温度范围内控制温度，除非使 用水蒸发的潜热，这实施起来是复杂的。
文献US6299682描述了 一种生产用于光电应用的硅锭的装置。该装置 包括布置在坩埚上方的加热系统和布置在坩埚下方的冷却设备。在坩埚下 方也布置一个热源以控制在坩埚底部带走的热量。
发明内容
本发明的目的是克服这些缺点，并且具体来说，是实现有效的温度调 节而同时减少装置的实施成本。
根据本发明，该目的通过所附权利要求实现，并且更具体而言，通过 设置有感应线圈和导电感应感受器的冷却设备的事实而实现，所述感应线 圈用在所述感应线圈中流动的冷却液冷却，所述导电感应感受器位于所述 蚶媽和所述感应线圈之间。
本发明的进一 步目的是提供 一种通过使用根据本发明的装置进行定向 结晶化而制造结晶材料块的方法，所述方法包括
-从顶部加热所述坩埚并从底部冷却所述坩埚以在所述结晶坩埚中建立
温度梯度，和
-通过热交换器和通过调节可调节的附加热源控制所述坩埚从底部的排
热，
通过感应线圈和通过导电感应感受器而提供冷却设备，所述感应线圈 用在该感应线圈中循环的冷却液冷却，所述感受器布置在坩埚和感应线圈 之间，
-该方法同时包括通过所述感应线圈加热和通过在所述感应线圈中流动 的所述;令却'液;令却，和
-该方法包括通过减少所述感应线圈的电力供应来逐渐减少加热，同时
凝固前沿离开坩埚中的所述感受器向前推移。
其它优点和特征将通过下列仅作为非限制性实例给出的、并表示在附 图中的本发明的具体实施方式
的说明而更加清楚地明晰，在附图中 图1显示根据现有技术通过定向结晶化制造结晶材料块的装置。
图2和3显示根据本发明的以横截面表示的装置的两个具体的实施方式。
图4说明了根据本发明的以顶视图表示的装置的感受器的具体实施方式
。
具体实施例方式
表示在图2中的制造装置包括布置成在结晶坩埚1中建立温度梯度的 热源3和冷却系统22。所述冷却系统22包括热交换器17和可调节的附加 热源18，例如电阻加热元件、红外加热或者任何其它合适的可调节的热源。 所述热交换器7优选地包括示意性地用箭头21表示的水冷回路。特别地， 所述热交换器17可在坩埚1的整个宽度上延伸。
来自坩埚的排热可由此受到控制，而同时受益于恒功率热交换器的优 点，特别是其简单的实行形式的优点。
所述装置还可包括位于所述热交换器17上方和所述可调节的附加热源 18下方的可拆卸的毡19,从而形成所述热源18和所述热交换器17之间的 防止热辐射的屏蔽，由此使得来自坩埚的排热能够进一步受到控制。通过 将所述可拆卸的毡19置于所述热源18和所述热交换器17之间，减少了排 热，而移除所述毡19容许所述源18发出的辐射在所述热交换器17方向上 直接排出。
在表示于图3中的优选的实施方式中，该冷却系统22包括感应线圈10 和导电导热感应感受器11,所述感应线圈用在该感应线圈10中循环的冷却 剂液体冷却，所述感受器位于所述坩埚1和所述感应线圈IO之间。
由此，所述感应线圈IO和感应感受器11的结合提供了可调节的附加热 源18。通过用于所述感应线圈10的电力供应24 (见图3)进行调节。同时， 所述热交换器17通过包含所述感应线圈10和其冷却回路形成，所述冷却 回路由在图3中用箭头21表示的在所述感应线圈IO中流动的冷却液构成。
例如由电阻加热元件形成的、由附加感应线圈及其附加感受器形成的、
或者由{壬<可其它合适的加热方式如红外加热形成的热源3例如位于所述坩 埚1上方。所述感应线圈10布置在所述坩媽的下方。所述感应感受器11
位于所述坩埚1和所述感应线圈IO之间。所述坩埚1优选地包括由能够透 射红外辐射的无杂质的无定形二氧化硅制成的透明底部7。当如上所述使用 可拆卸的毡19时，该可该可拆卸的毡19可以位于所述感应线圈10和所述 感受器11之间。
根据现有技术的感应线圈通常通过在该感应线圈中循环的冷却液冷 却。但是，加热感应线圈通常不与被加热的物体热接触，并且甚至可与该 物体热绝缘。因此，冷却仅作用于线圈自身而不能作用于被加热的物体。
所述感受器11优选地由吸收红外辐射的导热材料，例如作为导体和良 好的黑体的石墨或者碳化硅制成。由此，从坩埚1的底部7放出的热被面 向坩埚1布置的感受器的面12吸收，通过感受器11输送并通过面向坩埚1 布置的感受器11的面13再放出。感应线圈IO使得热量能够被排出。感受 器11形成坩埚1的支撑体并且使得能够在感受器11和坩埚1之间获得良好 的热交换。感应线圈10优选地置于电绝缘区域，使用例如二氧化硅板23 以防止短路和与相邻近的石墨14形成火花。如在图3中所示，二氧化硅板 23布置在所述感应线圈IO的周围。
感受器11可以用平板简单地形成。在特定的实施方式中，感受器11 包括较低表面电导率的区域15，该区域能够使得感应加热局部地减少并且 还能够局部地驱使从坩埚1到感应线圈10的热排放。位于较低表面电导率 的区域15对面的坩埚1的区域因此被较少地加热并因此形成结晶的成核中 心。另外，位于较低表面电导率的区域15对面的坩埚1的区域被更好地冷
线圈10的热排放。
较低表面电导率的各区域15例如由布置在所述感受器11上的孔形成， 如在图4中所示。较低表面电导率的各区域15还可以由与感受器11的材 料相比电导率较低的材料形成，或者由厚度比所述感受器小的区域形成。 较低表面电导率的各区域15的水平尺寸优选地等于或者大于所述感受器的 厚度。较低表面电导率的各区域15之间的距离对于几十分米尺寸的感受器 来说为例如10cm。
通过使用根据本发明的装置进行定向结晶化而制备结晶材料块的方法
包括从顶部加热坩埚1和从底部冷却坩埚1以在结晶坩埚1中建立温度梯 度。所述方法进一步包括通过热交换器17和通过调节附加和可调节的热源
18从坩埚1向下排热。特别地，热交换器17可以以恒定方式运行，这简化 了热交换器17的实施。
特别地，通过使用根据本发明的装置进行定向结晶化而制备结晶材料 块的方法可以包括 一方面通过感应线圈IO和其感受器加热，另一方法同 时通过在感应线圈10内部流动的冷却液冷却。当凝固前沿16离开所述坩 祸1中的感受器11以如图3中箭头20所示的向上方向推移时，通过减少对 感应线圈10的电力供应来逐渐减少加热，而所述冷却液可以恒定方式在感 应线圈10内部循环。
结晶之前，该方法还可以包括使用热源3和包含例如感应线圈10及其 感受器11的可调节的附加热源18进行的待结晶材料的熔融步骤。特别地， 这使得待结晶材料能够完全的熔融。
本发明不限于所描述的实施方式。特别地，梯度不必需建立为从顶部 到底部并且可沿着任何轴取向，例如水平的或者倾斜的。在后一种情况中， 加热和冷却设备各自布置在梯度区域的各侧上。
权利要求
1.一种通过定向结晶化制造结晶材料块的装置，包括布置成在结晶坩埚(1)中建立温度梯度的加热设备(3)和冷却设备，所述冷却设备(22)包括热交换器(17)和可调节的附加热源，该装置特征在于，所述冷却设备(22)包括感应线圈(10)和导电感应感受器(11)，所述感应线圈(10)通过在该感应线圈(10)中循环的冷却液冷却，所述导电感应感受器(11)位于所述坩埚(1)和感应线圈(10)之间。
2. 权利要求1的装置，其特征在于，所述感受器(ll)由吸收红外辐射 的导热材料制成。
3. 权利要求2的装置，其特征在于，所述感受器(ll)由石墨或者碳化 硅制成。
4. 权利要求1到3中任一项的装置，其特征在于，所述感受器形成坩 埚的支撑体。
5. 权利要求1到4中任一项的装置，其特征在于，所述感受器(ll)包括使得能够局部减少感应加热并还能够局部地驱使从所述坩埚(l)到感应线 圈(10)的热排放的较低表面电导率的区域(15)。
6. 权利要求5的装置，其特征在于，所述较低表面电导率的区域由以 下形成-孔，-电导率比所述感受器材料低的材料， -或者厚度比所述感受器(ll)小的区域。
7. 权利要求1到6中任一项的装置，其特征在于，其包括布置在感应 线圈(10)周围的二氧化硅板(23)。
8. 权利要求1到7中任一项的装置，其特征在于，所述坩埚(l)包括由 无杂质的无定形二氧化硅制成的透明底部(7)。
9. 权利要求1到8中任一项的装置，其特征在于，其包括位于所述热 交换器(17)之上的可拆卸的毡(19)。
10. —种通过使用权利要求1到9中任一项的装置进行定向结晶化而 制备结晶材料块的方法，该方法包括-从顶部加热所述坩埚(l)和从底部冷却所述坩埚(l)以在所述结晶坩埚 (l)中建立温度梯度，和-通过所述热交换器(17)和通过调节可调节的附加热源(18),控制坩埚(l)通过底部的排热， 该方法的特征在于，所述冷却i殳备(22)由感应线圏(10)和导电感应感受器(11)形成，所述感应 线圈(10)通过在该感应线圈(10)中循环的冷却液冷却，所述导电感应感受器 (12)布置在所述坩埚(1)和所述感应线圈(10)之间，-所述方法同时包括通过所述感应线圈(10)加热和通过在所述感应线 圈(10)中循环的所述冷却液体冷却，和-所述方法包括通过减少对所述感应线圈(10)的电力供应来逐渐减少 加热，同时凝固前沿(16)离开所述坩埚(1)中的所述感受器(11)向前推移。
11.权利要求10的方法，其特征在于，在结晶之前，包括使用所述加 热设备(3)和所述可调节的附加热源(18)进行的结晶材料的熔融步骤。
全文摘要
通过热源(3)和冷却系统在结晶坩埚(1)中建立热梯度。所述冷却系统包括交换器(17)和可调节的附加热源(18)。优选地，所述冷却系统由感应线圈(10)(通过在该感应线圈(10)内循环的冷却剂冷却)和置于所述坩埚(1)和所述感应线圈(10)之间的导电感应感受器(11)构成。所述生产方法包括从顶部对坩埚(1)加热和通过交换器(17)和通过调节可调节的附加热源(18)控制来自坩埚(1)的热量向下排出。
文档编号C30B11/00GK101356305SQ200680050429
公开日2009年1月28日 申请日期2006年12月6日 优先权日2006年1月4日
发明者帕斯卡尔·里瓦特, 弗朗索瓦·利萨尔德, 罗兰·艾因豪斯 申请人:阿波朗.索拉尔公司;西伯斯塔公司;Efd感应股份有限公司