一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備，包括融化爐室，融化爐室上端設(shè)有進(jìn)料口，進(jìn)料口處設(shè)有進(jìn)料閥門，進(jìn)料閥門的下端且位于融化爐室內(nèi)設(shè)有熔料坩堝，熔料坩堝四周設(shè)有加熱器一，位于熔料坩堝中部下端設(shè)有硅液流動(dòng)口，硅液流動(dòng)口區(qū)域設(shè)有硅液流量控制閥或硅液流量控制桿，硅液流動(dòng)口下端設(shè)有硅液噴灑器，硅液噴灑器下方設(shè)有硅錠定向凝固系統(tǒng)，定向凝固系統(tǒng)包括控制溫度梯度加熱器、設(shè)置在加熱器下方的硅錠支撐托盤以及用以約束液態(tài)硅的電磁感應(yīng)器。本發(fā)明的有益效果為：通過本裝置和技術(shù)，使得硅料融化和晶體生長同時(shí)進(jìn)行，極大降低了能耗，并降低了生產(chǎn)成本，具有極高的晶體生長速率，有效的提高了生產(chǎn)效率，有利于市場的推廣與應(yīng)用。
【專利說明】一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備和方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及太陽能光伏多晶鑄錠領(lǐng)域，特別涉及一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備和方法。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004]人類社會(huì)進(jìn)入工業(yè)文明以來，對(duì)于能源的需求日益增長，隨著技術(shù)進(jìn)步以及人口增長，人類能源需求成指數(shù)級(jí)增長；在過去200年左右的工業(yè)化社會(huì)的發(fā)展過程中，人類的能源主要來自于石油、煤炭以及天然氣等不可再生的化石能源。近年來，化石能源的弊端逐步顯示出來，化石能源資源的有限性導(dǎo)致化石能源的儲(chǔ)量在未來幾十年即將被人類耗盡，另外，化石能源的大規(guī)模使用也對(duì)人類環(huán)境造成了難以逆轉(zhuǎn)的負(fù)面影響。
[0005]在當(dāng)前世界的能源背景下，人類開始開發(fā)和利用可替代的能源，因此太陽能、風(fēng)能等新興可再生能源成為人類關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能光伏發(fā)電，其能源的可持續(xù)性以及對(duì)環(huán)境的友好性等優(yōu)點(diǎn)突出，在本世紀(jì)近十幾年來迅猛發(fā)展，發(fā)電成本逐漸接近傳統(tǒng)化石能源所產(chǎn)生的電力，并且在可見的未來能夠進(jìn)一步降低成本，在能源領(lǐng)域獲得比傳統(tǒng)能源更有競爭力的地位。
[0006]目前太陽能光伏發(fā)電主要使用晶體硅太陽能電池組件將太陽光轉(zhuǎn)為電能，晶體硅太陽能電池按襯底有多晶硅和單晶硅兩種，其中多晶硅使用基于定向凝固技術(shù)的鑄錠多晶硅晶體生長技術(shù)，單晶硅主要包括直拉單晶硅和區(qū)熔單晶技術(shù)；鑄錠多晶具有低成本、高生產(chǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)，但由于位錯(cuò)等缺陷的存在，晶體質(zhì)量低于單晶；單晶的主要特點(diǎn)是晶體質(zhì)量好,但是生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低不利于規(guī)模生產(chǎn)。
[0007]針對(duì)相關(guān)技術(shù)中的問題，目前尚未提出有效的解決方案。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備和方法，可用于晶體硅定向凝固生長、硅材料定向凝固提純，以及單晶硅的定向凝固生長。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、高生產(chǎn)效率、低成本的硅晶體生長，有助于太陽能行業(yè)對(duì)于低成本和高質(zhì)量并重的追求，有效克服了目前現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足。
[0010]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備，包括融化爐室，所述融化爐室上端設(shè)有進(jìn)料口，所述進(jìn)料口處設(shè)有相匹配的進(jìn)料閥門，所述進(jìn)料閥門的下端且位于所述融化爐室內(nèi)設(shè)有熔料坩堝，所述熔料坩堝四周設(shè)有加熱器一，并且位于所述熔料坩堝的中部下端設(shè)有硅液流動(dòng)口，所述硅液流動(dòng)口區(qū)域設(shè)有相匹配的硅液流量控制閥或硅液流量控制桿，并且所述硅液流動(dòng)口下端設(shè)有硅液噴灑器，所述硅液噴灑器下方設(shè)有相匹配的硅錠定向凝固系統(tǒng)；所述硅錠定向凝固系統(tǒng)包括設(shè)置于所述硅液流動(dòng)口與硅液噴灑器之間的加熱器二，并且所述硅液噴灑器下端設(shè)有硅錠支撐托盤，所述硅錠支撐托盤四周有環(huán)繞有電磁感應(yīng)器；并且所述電磁感應(yīng)器的電磁力將設(shè)置在所述硅錠支撐托盤內(nèi)的硅料約束在電磁力的有效范圍內(nèi)。
[0011]進(jìn)一步的，所述融化爐室內(nèi)側(cè)設(shè)有相匹配的保溫氈一。
[0012]進(jìn)一步的，所述熔料坩堝四周設(shè)有相匹配的石墨護(hù)板。
[0013]進(jìn)一步的，所述硅液流動(dòng)口的下端且位于保溫氈一的內(nèi)側(cè)設(shè)有相匹配的陶瓷護(hù)板。
[0014]進(jìn)一步的，所述硅錠支撐托盤內(nèi)設(shè)有液態(tài)硅，并且所述硅錠支撐托盤外設(shè)有相匹配的保溫氈二，所述電磁感應(yīng)器設(shè)置于所述保溫氈二的上端和液態(tài)硅的四周。
[0015]進(jìn)一步的，所述硅錠支撐托盤上端設(shè)有高度護(hù)板。
[0016]進(jìn)一步的，所述高度護(hù)板由陶瓷材料制成。
[0017]優(yōu)選的，所述電磁感應(yīng)器為類圓形或者類方形結(jié)構(gòu)，并且所述電磁感應(yīng)器的邊長尺寸為10-60(^1，工作頻率在1-1011(?范圍內(nèi)，工作電流在500-30000八以內(nèi)，電壓在1-10007 以內(nèi)。
[0018]一種晶體硅定向凝固生長技術(shù)，包括:將硅料通過進(jìn)料口進(jìn)入到所述融化爐室內(nèi)部，在熔料坩堝中融化，并且定時(shí)向所述熔料坩堝內(nèi)補(bǔ)充適量的固態(tài)硅料；
經(jīng)過融化后的硅液通過硅液流動(dòng)口和硅液噴灑器以一定速率并以360度角度流入到下方的硅錠定向凝固系統(tǒng)進(jìn)行凝固、長晶過程；
其中，在凝固和長晶過程中，由于所述硅錠支撐托盤四周有環(huán)繞有電磁感應(yīng)器，所述電磁感應(yīng)器的電磁力將設(shè)置在所述娃錠支撐托盤內(nèi)的娃料約束在電磁力的有效范圍內(nèi)；熔娃在凝固過程中自下而上定向凝固，同時(shí)，所述硅錠支撐托盤以一定的速率下拉，以確保晶硅生長時(shí)固液界面維持在穩(wěn)定的高度；
當(dāng)晶體生長的重量達(dá)到設(shè)定重量后，停止加入硅料，繼續(xù)底部硅錠的生長，直至結(jié)束； 最后，緩慢冷卻娃錠，并取出。
[0019]進(jìn)一步的，在硅液流動(dòng)過程中，可通硅液流量控制桿或硅液流量控制閥控制液態(tài)硅的流量；
進(jìn)一步的，在融化硅料過程中，所述加熱器二維持系統(tǒng)預(yù)設(shè)的特定溫度，以確保定向凝固所需的溫度梯度。
[0020]本發(fā)明的有益效果為:本裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，并且通過本裝置和技術(shù)，使得硅料融化和晶體生長同時(shí)進(jìn)行，極大的降低了能耗，并降低了生產(chǎn)成本，另外使用本技術(shù)，具有極聞的晶體生長速率，有效的提聞了生廣效率，有利于市場的推廣與應(yīng)用。
[0021]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1所述的一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2和實(shí)施例3所述的一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中:
1、融化爐室；2、保溫租一 ；3、加熱器一 ；4、石墨護(hù)板；5、進(jìn)料閥門；6、熔料?甘禍；7、娃液流量控制桿；8、硅液流量控制閥；9、硅液流動(dòng)口 ；10、陶瓷護(hù)板；11、加熱器二 ；12、硅液噴灑器；13、液態(tài)硅；14、固態(tài)硅；15、電磁感應(yīng)器；16、硅錠支撐托盤；17、保溫氈二 ；18、進(jìn)料口 ； 19、高度護(hù)板。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備，包括融化爐室1，所述融化爐室I上端設(shè)有進(jìn)料口 18，所述進(jìn)料口 18處設(shè)有相匹配的進(jìn)料閥門5，所述進(jìn)料閥門5的下端且位于所述融化爐室I內(nèi)設(shè)有熔料坩堝6，所述熔料坩堝6的四周設(shè)有加熱器一 3，并且位于所述熔料坩堝6的中部下端設(shè)有硅液流動(dòng)口 9，所述硅液流動(dòng)口 9區(qū)域設(shè)有相匹配的硅液流量控制閥8或硅液流量控制桿7，并且所述硅液流動(dòng)口 9下端設(shè)有硅液噴灑器12，所述硅液噴灑器12下方設(shè)有相匹配的硅錠定向凝固系統(tǒng)。
[0027]所述硅錠定向凝固系統(tǒng)包括設(shè)置于所述硅液流動(dòng)口 9與硅液噴灑器12之間的加熱器二 11，并且所述硅液噴灑器12下端設(shè)有硅錠支撐托盤16，所述硅錠支撐托盤16四周有環(huán)繞有電磁感應(yīng)器15 ;所述加熱器二 11可以用于控制晶體硅定向凝固過程中的熱場溫度以及溫度梯度，所述硅料支撐托盤16的四周有環(huán)繞的電磁感應(yīng)器15，所述電磁感應(yīng)器15產(chǎn)生約束電磁場，將娃錠支撐托盤16上方的液態(tài)娃約束在固定的范圍內(nèi)。
[0028]所述融化爐室I內(nèi)側(cè)設(shè)有相匹配的保溫氈一 2 ;所述保溫氈一 2可以有效的保證融化爐室I內(nèi)的溫度，有利于對(duì)固定晶料的融化，提高了融化效率。
[0029]所述熔料坩堝6四周設(shè)有相匹配的石墨護(hù)板4 ;由于石墨導(dǎo)熱和耐高溫的特點(diǎn)，有助于高溫下保護(hù)熔料坩堝6，有效的延長了裝置的使用壽命。
[0030]所述硅液流動(dòng)口 9的下端且位于保溫氈一 2的內(nèi)側(cè)設(shè)有相匹配的陶瓷護(hù)板10 ;所述陶瓷護(hù)板10可以有效的避免保溫氈碎屑脫落進(jìn)入硅液，提高了整個(gè)裝置使用的穩(wěn)定性和可靠性。
[0031]所述硅錠支撐托盤16內(nèi)設(shè)有液態(tài)硅13，并且所述硅錠支撐托盤16外設(shè)有相匹配的保溫氈二 17，所述電磁感應(yīng)器15設(shè)置于所述保溫氈二 17的上端和液態(tài)硅13的四周；所述硅錠支撐托盤16上端設(shè)有高度護(hù)板19 ;所述高度護(hù)板19由陶瓷材料制成，所述高度護(hù)板19和電磁感應(yīng)器15可以有效的限定設(shè)置于所述硅錠支撐托盤16上的硅料的高度，有效的防止因硅料較多而溢流的現(xiàn)象。
[0032]所述電磁感應(yīng)器15為類圓形或者類方形結(jié)構(gòu)，并且所述電磁感應(yīng)器15的邊長尺寸為10-60cm，工作頻率在1-1OMKHz范圍內(nèi)，工作電流在500-30000A以內(nèi)，電壓在1-1000V內(nèi)。
[0033]一種晶體硅定向凝固生長技術(shù)，包括:將硅料通過進(jìn)料口 18進(jìn)入到所述融化爐室1內(nèi)部，在熔料坩堝6中融化，并且定期向所述熔料坩堝6內(nèi)補(bǔ)充適量的固態(tài)硅料，同時(shí)，經(jīng)過融化后的硅液通過硅液流動(dòng)口 9和硅液噴灑器12流入到下方的硅錠定向凝固系統(tǒng)進(jìn)行凝固、長晶過程；
其中，在凝固和長晶過程中，由于所述硅錠支撐托盤16四周有環(huán)繞有電磁感應(yīng)器15，所述電磁感應(yīng)器15的電磁力將設(shè)置在所述娃錠支撐托盤16內(nèi)的娃料約束在電磁力的有效范圍內(nèi)；
所述娃液在娃錠支撐盤16上被電磁感應(yīng)器15產(chǎn)生的電磁力約束在一定范圍內(nèi)，液體硅液的凝固過程是自下而上定向凝固，同時(shí)將硅錠支撐盤16下拉，以確保晶硅生長時(shí)固液界面維持在穩(wěn)定的高度；
其中，所述硅錠支撐托盤16的基座可以使用石墨材質(zhì)制成，也可部分選用或全部選用碳化硅或者氮化硅等陶瓷材料，同時(shí)氮化硅涂層也可用于硅和石墨之間的脫模涂層材料；硅液流到硅錠支撐托盤16上后，以硅錠支撐托盤16的石墨為輻射源向爐體輻射放熱，從而硅液柱在硅錠支撐托盤16上發(fā)生自下而上的定向凝固過程；
在定向凝固過程中，調(diào)節(jié)石墨硅錠支撐托盤16的下拉速度，維持硅錠長晶固液界面高度保持恒定，同時(shí)也控制融化爐室1硅液下流的速率，以保持硅自由液面高度恒定；
在融化硅料過程中，所述加熱器二 11維持系統(tǒng)所預(yù)設(shè)的特定溫度，以確保定向凝固所需的溫度梯度。
[0034]在單晶生長工藝中，可以在石墨硅錠支撐托盤16上安放單晶硅籽晶以及硅料，開啟上方加熱器融化硅料和部分籽晶，然后控制融化爐室1液態(tài)硅流入，當(dāng)液柱達(dá)到指定高度后，開始長晶工藝，長晶過程中維持硅錠固液界面高度以及硅液自由界面高度穩(wěn)定。
[0035]在一定量的硅料總量完成上述長晶過程后，結(jié)束固態(tài)以及液態(tài)硅料的加料，繼續(xù)晶體生長過程直至工藝結(jié)束。
[0036]所述硅錠支撐托盤16下部和四周可設(shè)置保溫氈，以用于特定的工藝，并在特定的工藝條件下打開，開始晶體的定向凝固工藝。
[0037]其中，在硅液流動(dòng)過程中，可通硅液流量控制桿7控制液態(tài)硅的流量；
當(dāng)晶體生長的重量達(dá)到設(shè)定重量后，停止加入硅料，繼續(xù)底部硅錠的生長，直至結(jié)束； 最后，緩慢冷卻娃錠，并取出。
[0038]使用本實(shí)用新型的定向凝固技術(shù)，由于硅料融化和晶體生長同時(shí)進(jìn)行，極大的降低了能耗；同時(shí)本技術(shù)可使用小坩堝，降低了坩堝成本，本技術(shù)具有極高的晶體生長速率，因此生產(chǎn)效率很高；在40(^1邊長的硅錠的情況下，每天可生長1000?以上重量的硅錠。
[0039]如使用本技術(shù)生長單晶硅，不但能耗和成本和直拉單晶或者區(qū)熔多晶相比能夠大大降低，而且也能進(jìn)一步提高質(zhì)量，具有氧含量低，缺陷密度低等優(yōu)點(diǎn)。
[0040]為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)方案， 申請(qǐng)人:例舉以下實(shí)施例:
實(shí)施例1
在圖1中，將融化爐室1中熔料坩堝7中的約50-80?硅料加熱融化，硅料部分融化后，通過硅液流動(dòng)口 9流入下部定向凝固系統(tǒng)的硅錠支撐托盤16上，硅液流動(dòng)過程中保持融化爐室中的溫度和融化狀態(tài)。
[0041]晶體定向凝固生長過程中，所述融化爐室I可以通過進(jìn)料閥門5補(bǔ)充加入一定量的硅料，以滿足有足夠的硅料連續(xù)融化并流入下部定向凝固長晶系統(tǒng)。
[0042]經(jīng)過硅液流動(dòng)口 9的硅液通過所述硅液噴灑器12流向硅錠支撐托盤16，所述硅液噴灑器12具有360度的噴灑口向下噴灑硅液。
[0043]噴灑到娃錠支撐托盤16上的娃液被電磁感應(yīng)器15產(chǎn)生的電磁力限定在特定的范圍內(nèi)，硅液液柱尺寸約為40*40cm的類方形截面，如圖所示，設(shè)置于所述硅錠支撐托盤16上的液態(tài)硅13，所述液態(tài)硅13的液柱高度在5-20cm之間的某一特定值，電磁感應(yīng)器15的尺寸略大于硅液柱，并且所述電磁感應(yīng)器15高度和液態(tài)硅13液柱高度一致。
[0044]當(dāng)液柱高度達(dá)到既定高度后，打開保溫氈二 17，開始長晶過程，在長晶過程中加熱器二 11維持1425度的溫度，以確保定向凝固所需的硅液溫度梯度。
[0045]硅液在硅錠支撐托盤16盤上自下而上定向凝固，定向凝固的的速率在8_12cm/h，定向凝固過程中，所述硅錠支撐托盤16向下拉，其拉速保證固液界面的高度不變，同時(shí)對(duì)從融化爐室I流入的硅液流速進(jìn)行控制，確保硅液液面和液柱高度穩(wěn)定。
[0046]晶體穩(wěn)定生長過程中，所述硅液流動(dòng)口 9由硅液流量控制桿7或硅液流量控制閥8控制流量大約在20-50Kg/h，流速正好維持硅液上液面高度穩(wěn)定，在工藝過程中，融化爐室I以接近或高于20-50Kg/h的速率融化硅料。
[0047]本實(shí)施例中，所有娃液柱中的液態(tài)娃13全部由電磁感應(yīng)器15產(chǎn)生的電磁力約束在特定范圍內(nèi)。
[0048]當(dāng)晶體生長的重量達(dá)到設(shè)定重量后，停止加入固態(tài)和液態(tài)硅料，繼續(xù)底部硅錠的生長，直至結(jié)束，此時(shí)只需維持固液界面高度不變，無需維持頂部液面高度，加熱器二 11的溫度逐步降低到1415度。
[0049]最后，緩慢冷卻硅錠，并取出。
[0050]實(shí)施例2
在圖2中，將所述融化爐室I中熔料坩堝7中的約50-80Kg硅料加熱融化，硅料部分融化后，通過硅液流動(dòng)口 9流入下部定向凝固系統(tǒng)的硅錠支撐托盤16上。
[0051]晶體定向凝固生長過程中，融化爐室可以通過進(jìn)料閥門5補(bǔ)充加入一定量的硅料，以滿足硅液連續(xù)的融化和液態(tài)硅流入下部定向凝固長晶系統(tǒng)。
[0052]經(jīng)過硅液流動(dòng)口 9的硅液通過硅液噴灑器12流向硅錠支撐托盤16，硅液噴灑器12具有360度的噴灑口向下噴灑硅液。
[0053]噴灑到硅錠支撐托盤16盤上的硅液被電磁感應(yīng)器15產(chǎn)生的電磁力限定在特定的范圍內(nèi)，硅液液柱尺寸約為40*40cm的類方形截面，液態(tài)硅13液柱高度在5-20cm之間的某一特定值，液柱的上部由陶瓷材料制成的一定高度護(hù)板19約束在一定空間內(nèi)，液柱的下方大約一定高的(0.5-5cm)的液柱由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力約束在一定范圍內(nèi)，所述電磁感應(yīng)器15的尺寸略大于娃液柱。
[0054]當(dāng)液柱高度達(dá)到既定高度后，打開保溫氈二 17，開始長晶過程，在長晶過程中加熱器二 11維持1425度的溫度，以確保定向凝固所需的硅液溫度梯度。
[0055]硅液在硅錠支撐托盤16盤上自下而上定向凝固，定向凝固的的速率在8_12cm/h，定向凝固過程中，硅錠支撐托盤16向下拉，其拉速保證固液界面的高度不變。同時(shí)對(duì)從融化爐室I流入的硅液流速進(jìn)行控制，確保硅液液面和液柱高度穩(wěn)定。
[0056]晶體穩(wěn)定生長過程中，硅液流動(dòng)口 9由硅液流量控制桿7或硅液流量控制閥8控制流量大約在20-50X8/11，流速正好維持硅液上液面高度穩(wěn)定，在工藝過程中，融化爐室1以接近或高于20-50X8/11的速率融化硅料。
[0057]本實(shí)施例中，存在部分娃液柱中的液態(tài)娃13全部由電磁感應(yīng)器15產(chǎn)生的電磁力約束在特定范圍內(nèi)，另有液柱上半部分的液態(tài)硅13由氮化硅等陶瓷材料構(gòu)成的高度護(hù)板19約束在特定空間內(nèi)。
[0058]當(dāng)晶體生長的重量達(dá)到設(shè)定重量后，停止加入固態(tài)和液態(tài)硅料，繼續(xù)硅錠的生長，直至結(jié)束。此時(shí)只需維持固液界面高度不變，無需維持頂部液面高度，加熱器二 11的溫度逐步降低到1415度。
[0059]最后，緩慢冷卻硅錠，并取出。
[0060]實(shí)施例3
在圖2中，在硅錠支撐托盤16上放置截面尺寸為40(3111*40(3111，厚度為1-2(3111的單晶硅籽晶，籽晶上部方少許硅料(5-20?左右),均勻鋪在籽晶上表面。
[0061]開啟加熱器二 11，加熱放在硅錠支撐托盤16上的硅料以及單晶籽晶，待硅料溫度接近熔點(diǎn)時(shí)，開啟電磁感應(yīng)器15，確保融化的一定高度的硅液被電磁力約束在特定空間內(nèi)，同時(shí)繼續(xù)加熱從上到下融化硅錠支撐托盤16上的硅料以及部分單晶籽晶；在融化過程中，將融化爐室1中熔料坩堝7中的約50-80?硅料加熱融化，硅料部分融化后，通過硅液流動(dòng)口 9流入下部定向凝固系統(tǒng)的硅錠支撐托盤16的已融化硅液上。熔料坩堝7可以通過進(jìn)料閥門5補(bǔ)充固態(tài)硅料。
[0062]當(dāng)單晶籽晶部分融化(0.1-0.5(^0后控制加熱器二 11的溫度，保持固液界面恒定，同時(shí)繼續(xù)通過硅液流動(dòng)口 9流入下部定向凝固系統(tǒng)的硅錠支撐托盤16的已融化硅液上。
[0063]待硅錠支撐托盤16的硅液液柱達(dá)到設(shè)定高度5-20(^之間的特定值后，關(guān)閉硅液流動(dòng)口 9。
[0064]打開保溫氈二 17開始定向凝固長晶，長晶過程中開啟硅液流動(dòng)口，控制硅液流動(dòng)，確保硅液液面保持穩(wěn)定的高度。
[0065]長晶過程中硅錠支撐托盤16向下拉動(dòng)，拉動(dòng)速率等于晶體生長速率，即保持固液界面高度不變。
[0066]長晶過程中加熱器二 11的溫度在200111內(nèi)降低到1425度，以維持液態(tài)硅13恒定的溫度梯度。
[0067]晶體穩(wěn)定生長過程中，硅液流動(dòng)口 9由硅液流量控制桿7或硅液流量控制閥8控制流量大約在20-50X8/11，流速正好維持硅液上液面高度穩(wěn)定，在工藝過程中，融化爐室1以接近或高于501^/11的速率融化硅料。
[0068]本實(shí)施例中，部分硅液柱中的液態(tài)硅13由電磁感應(yīng)器15產(chǎn)生的電磁力約束在特定范圍內(nèi)，另有液柱上半部分的液態(tài)硅13由氮化硅等陶瓷材料約束在特定空間內(nèi)。
[0069]當(dāng)晶體生長的重量達(dá)到設(shè)定重量后，停止加入固態(tài)和液態(tài)硅料，繼續(xù)單晶硅錠的生長，直至結(jié)束。此時(shí)只需維持固液界面高度不變，無需維持頂部液面高度，加熱器二 11的溫度逐步降低到1415度。
[0070]最后，緩慢冷卻硅錠，并取出。
[0071]本裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，并且通過本裝置和技術(shù)，使得硅料融化和晶體生長同時(shí)進(jìn)行，極大的降低了能耗，并降低了生產(chǎn)成本，另外使用本技術(shù)，具有極高的晶體生長速率，有效的提高了生產(chǎn)效率，有利于市場的推廣與應(yīng)用。
[0072]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種晶體硅定向凝固生長設(shè)備，包括融化爐室(1)，其特征在于，所述融化爐室(I)上端設(shè)有進(jìn)料口( 18)，所述進(jìn)料口( 18)處設(shè)有相匹配的進(jìn)料閥門(5)，所述進(jìn)料閥門(5)的下端且位于所述融化爐室(I)內(nèi)設(shè)有熔料坩堝(6)，所述熔料坩堝(6)四周設(shè)有加熱器一(3)，并且位于所述熔料坩堝(6)的中部下端設(shè)有硅液流動(dòng)口(9)，所述硅液流動(dòng)口(9)區(qū)域設(shè)有相匹配的硅液流量控制閥(8)或硅液流量控制桿(7)，并且所述硅液流動(dòng)口(9)下端設(shè)有硅液噴灑器(12)，所述硅液噴灑器(12)下方設(shè)有相匹配的硅錠定向凝固系統(tǒng)；所述硅錠定向凝固系統(tǒng)包括設(shè)置于所述硅液流動(dòng)口(9)與硅液噴灑器(12)之間的加熱器二( 11 )，并且所述硅液噴灑器(12)下端設(shè)有硅錠支撐托盤(16)，所述硅錠支撐托盤(16)四周有環(huán)繞有電磁感應(yīng)器(15)，并且所述電磁感應(yīng)器(15)的電磁力將設(shè)置在所述硅錠支撐托盤(16)內(nèi)的硅料約束在電磁力的有效范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅定向凝固生長設(shè)備，其特征在于，所述融化爐室(I)內(nèi)側(cè)設(shè)有相匹配的保溫氈一 (2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體硅定向凝固生長設(shè)備，其特征在于，所述熔料坩堝(6)四周設(shè)有相匹配的石墨護(hù)板(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶體硅定向凝固生長設(shè)備，其特征在于，所述硅液流動(dòng)口(9)的下端且位于保溫氈一(2)的內(nèi)側(cè)設(shè)有相匹配的陶瓷護(hù)板(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅定向凝固生長設(shè)備，其特征在于，所述硅錠支撐托盤(16)內(nèi)設(shè)有液態(tài)硅(13)，并且所述硅錠支撐托盤(16)外設(shè)有相匹配的保溫氈二(17)，所述電磁感應(yīng)器(15)設(shè)置于所述保溫氈二(17)的上端和液態(tài)硅(13)四周。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶體硅定向凝固生長設(shè)備，其特征在于，所述硅錠支撐托盤(16)上端設(shè)有高度護(hù)板(19)，并且所述高度護(hù)板(19)由陶瓷材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的晶體硅定向凝固生長設(shè)備，其特征在于，所述電磁感應(yīng)器(15)為類圓形或類方形結(jié)構(gòu)，并且所述電磁感應(yīng)器的邊長尺寸為10-60cm，工作頻率在1-1OMKHz范圍內(nèi)，工作電流在500-30000A以內(nèi)，工作電壓在1-1000V以內(nèi)。
8.—種如權(quán)利要求1所述晶體硅定向凝固生長設(shè)備的晶體硅定向凝固生長方法，其特征在于，包括: 將硅料通過進(jìn)料口( 18)進(jìn)入到所述融化爐室(I)內(nèi)部，在熔料坩堝(6)中融化，并且定時(shí)向所述熔料坩堝(6)內(nèi)補(bǔ)充適量的固態(tài)硅料； 經(jīng)過融化后的硅液通過硅液流動(dòng)口(9)和硅液噴灑器(12)以一定速率并以360度角度流入到下方的硅錠定向凝固系統(tǒng)進(jìn)行凝固、長晶過程； 其中，在凝固和長晶過程中，由于所述硅錠支撐托盤(16)四周有環(huán)繞有電磁感應(yīng)器(15),所述電磁感應(yīng)器(15)的電磁力將設(shè)置在所述娃錠支撐托盤(16)內(nèi)的娃料約束在電磁力的有效范圍內(nèi)；熔硅在凝固過程中自下而上定向凝固，同時(shí)，所述硅錠支撐托盤(6)以一定的速率下拉，以確保晶硅生長時(shí)固液界面維持在穩(wěn)定的高度； 當(dāng)晶體生長的重量達(dá)到設(shè)定重量后，停止加入硅料，繼續(xù)底部硅錠的生長，直至結(jié)束； 最后，緩慢冷卻娃錠，并取出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的晶體硅定向凝固生長方法，其特征在于，在硅液流動(dòng)過程中，通硅液流量控制桿(7)或硅液流量控制閥(8)控制液態(tài)硅的流量，保持硅液自由液面高度穩(wěn)定。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的晶體硅定向凝固生長方法，其特征在于，在融化硅料過程中，所述加熱器二(11)維持系統(tǒng)所預(yù)設(shè)的特定溫度，以確保定向凝固所需的溫度梯度。
【文檔編號(hào)】C30B29/06GK104372407SQ201410666111
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】李劍 申請(qǐng)人:李劍