多晶硅晶錠和定向固化爐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種質(zhì)量大于約1000kg的多晶硅晶錠，一種用于生產(chǎn)所述晶錠的定向固化方法，以及一種用于生產(chǎn)所述晶錠的定向固化爐，所述爐具有可移動的絕熱體和冷卻板。
【專利說明】多晶娃晶I足和定向固化爐
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年9月14日提交的美國臨時專利申請N0.61/534，579的優(yōu)先權，該申請的公開內(nèi)容通過引用全部結合在本文中?！炯夹g領域】
[0003]本文公開的內(nèi)容總地涉及多晶硅晶錠，更具體地涉及在定向固化爐中生產(chǎn)的多晶娃晶淀。
【背景技術】
[0004]定向固化爐例如用于生產(chǎn)多晶硅晶錠。這些爐具有其中放置有原料多晶硅的坩堝。該坩堝由增加坩堝的結構性剛度的結構支承。該坩堝設置在安全殼中，該安全殼形成爐的一部分并相對于外部環(huán)境密封坩堝。
[0005]在使用期間，原料硅被熔化，然后以受控的速率被冷卻，以便在獲得的晶錠中實現(xiàn)定向凝固。通過以下措施的任意組合來建立受控的冷卻速率:減少加熱器施加的熱量、移動或打開圍繞坩堝的絕熱體、和/或使冷卻介質(zhì)循環(huán)通過設置在坩堝和/或坩堝支承件附近的熱交換器。晶錠在最靠近坩堝的較冷側(cè)的區(qū)域中凝固，并沿遠離坩堝的較冷側(cè)的方向繼續(xù)凝固。
[0006]為了提高效率并降低生產(chǎn)晶錠所需的成本，這些爐中生產(chǎn)的晶錠的尺寸不斷增加。但是，由于各種原因，以前將晶錠質(zhì)量增加到大約600kg以上的嘗試被證明是不成功的。存在對更大質(zhì)量(例如，大于約600kg)的晶錠和能夠生產(chǎn)這些更大晶錠的爐的需求。
[0007]此部分旨在向讀者介紹可能與下面將描述和/或要求保護的本申請的各方面相關的本領域的各方面。 該部分內(nèi)容有助于向讀者提供背景信息，以便于他們更好地理解本申請的各個方面。因此，應該理解的是，應該基于這種考慮來閱讀這些內(nèi)容，而不能將其視為對現(xiàn)有技術的認可。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在第一方面,本申請公開了質(zhì)量為至少約1000kg的多晶娃晶錠。該晶錠具有小于約100，000根/平方厘米的位錯密度。
[0009]在另一方面，本申請公開了一種用于在定向固化爐中生產(chǎn)多晶硅晶錠的方法。該方法包括:用多晶硅裝載爐中的坩堝，該多晶硅的質(zhì)量為至少約1000kg;熔化多晶硅；以及冷卻熔化的娃以形成質(zhì)量為至少約1000kg的多晶娃晶錠,該晶錠具有小于約100，000根/平方厘米的位錯密度。
[0010]在又一方面，本申請公開了一種用于生產(chǎn)質(zhì)量為至少約1000kg并且位錯密度小于約100，000根/平方厘米的多晶硅晶錠的定向固化爐。該爐包括:用于容納硅填料的坩堝；鄰近坩堝設置的絕熱體，該絕熱體可以在第一位置和第二位置之間移動，在第一位置，絕熱體限制熱量從坩堝流失，在第二位置，絕熱體不限制熱量從坩堝流失；以及一個或多個設置在坩堝下方的冷卻板。
[0011]與上述各方面相關的特征存在各種改進。上述各方面中也可以包含其它特征。這些改進和附加特征可以單獨存在或者以任意組合存在。例如，下面關于任何示出的實施例所討論的各種特征都可以單獨地或以任意組合結合在上述任何方面中?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為示例性定向固化爐和熱交換器的示意性橫截面圖；
[0013]圖2為用在圖1的爐中的示例性絕熱系統(tǒng)的立體圖，其中，該絕熱系統(tǒng)的門部件處
于第一位置；
[0014]圖3為圖2的絕熱系統(tǒng)的立體圖，其中，該絕熱系統(tǒng)的門部件處于第二位置；
[0015]圖4為圖2的絕熱系統(tǒng)的前視圖；
[0016]圖5為用于圖1的爐的下部絕熱元件的立體圖，其中，該絕熱元件處于第二位置；
[0017]圖6為圖5的下部絕熱元件的立體圖，其中，為了清楚起見，去除了坩堝支承件和其它結構；
[0018]圖7為圖6的下部絕熱元件的立體圖，其中，該絕熱元件處于第一位置；
[0019]圖8為用在圖1的爐中的四個熱交換器和用于移動該熱交換器的提升機構的立體圖；
[0020]圖9-16示出了在組裝的不同階段的圖8的提升機構；
[0021]圖17為圖1 的其中一個熱交換器的立體圖；
[0022]圖18為用于圖17的熱交換器中的板件的立體圖；
[0023]圖19為圖18的部分放大視圖；
[0024]圖20為內(nèi)管道的一部分的立體圖；
[0025]圖21為圖18的板件和圖20的內(nèi)管道的橫截面圖；
[0026]圖22為用在圖17的熱交換器中的罩蓋的立體圖；
[0027]圖23為與圖21類似的橫截面圖，其中，圖22的罩蓋放置在板件之上；
[0028]圖24為連接器的立體圖；
[0029]圖25為處于倒置位置的圖24的連接器的立體圖；
[0030]圖26為與圖23類似的橫截面圖，其中，圖24和25的連接器與(內(nèi))管道相連；
[0031]圖27為與圖26類似的橫截面圖，其中，外管道與連接器相連；
[0032]圖28為沿線28-28剖取的圖17的終端連接器的橫截面圖；
[0033]圖29為示出光伏器件的效率的圖表，該光伏器件由在不同爐中生產(chǎn)的晶錠制成；
[0034]圖30為示出光伏器件的效率的箱形圖，該光伏器件由在不同爐中生產(chǎn)的晶錠制成；和
[0035]圖31為比較不同爐中生產(chǎn)的晶錠中的位錯密度的箱形圖。
[0036]在附圖的若干視圖中，對應的參考標號表不對應的部件。
【具體實施方式】
[0037]參考附圖，示例性定向固化爐在圖1中示出并且整體以參考標號100表示。該爐100為用于熔化多晶硅和生產(chǎn)多晶硅晶錠的類型。除了其它可能的用途外，這種晶錠可以用于制造光伏器件。爐100可操作成生產(chǎn)質(zhì)量大于約1000kg的晶錠。
[0038]圖1的定向固化爐100包括具有底座106的坩堝102。坩堝102和底座106由具有支承壁104的坩堝支承件103支承，，該支承壁104增加了坩堝的結構剛性。坩堝102通常由石英構成，或者由其它能夠在基本保持惰性的同時耐受高溫的合適材料構成。坩堝102由安全殼110圍繞。側(cè)面絕熱體109圍繞坩堝設置并且可選地可以遠離坩堝移動。在該示例性實施例中，上部絕熱體111位于側(cè)面絕熱體109的垂直上方。
[0039]坩堝102和坩堝支承件103與蓋子112 —起形成爐100的內(nèi)部組件105。在其它實施例中，爐100可以不包括蓋子。加熱器108圍繞壁104設置并位于安全殼110中。加熱器108可以是合適的輻射式加熱器，其構造成施加將坩堝中的裝載材料熔化成熔融體所必需的熱量。此實施例中的裝載材料為硅，但是可以想到使用其它材料。
[0040]在一些實施例中，坩堝支承件103的底部114可以位于支承柱115上(圖6和7)，該支承柱115是廣義上的“支承件”或“支承結構”。整體以參考標號200表示且將在下文詳細討論的熱交換器設置為鄰近坩堝支承件103的底部114以及靠近坩堝102的底座106的下表面116。下部絕熱元件400和冷卻板提升系統(tǒng)500在圖1中示意性示出，并且將在下文中詳細描述。
[0041]兩個熱交換器200 (廣義地，冷卻板)在圖1的橫截面圖中示出，并且雖然兩個附加的、尺寸和構型類似的熱交換器在圖1中省略，但是其在圖8中示出?？梢允褂萌魏螖?shù)目的熱交換器200，而不會偏離實施例的范圍。下文將結合圖17-27詳細討論熱交換器200。
[0042]熱交換器200用于將熱量從坩堝102 (和其中包含的熔融物)傳遞至流經(jīng)熱交換器的液態(tài)冷卻劑。從源罐(在圖1中以參考標號150示意性示出)向熱交換器200供給“新的”冷卻劑。在流經(jīng)熱交換器200后，冷卻劑被稱為“失效的”冷卻劑并且流至接收罐(在圖1中以參考標號160示意性示出)。然后，失效的冷卻劑可以被冷卻(例如，通過制冷或者散熱系統(tǒng))并流回至源罐150。此后，恢復效能的冷卻劑可以再次流經(jīng)熱交換器(即，被回收利用)。在其它實施例中，失效的冷卻劑在流到接收罐之后可以被處置而不被重新利用。
[0043]參考圖2-4，門部件300 (也稱為窗板(louver))形成在圍繞坩堝102的側(cè)面絕熱體109中。在圖2-4中，僅示出了側(cè)面絕熱體109、上部絕熱體111和支承結構125，為清楚起見，省略了爐100的其它組成部件。而且，為了清楚起見，圖1中省略了門部件300。
[0044]每個門部件300的尺寸均設計為配合在對應的開口 302 (在圖3中最佳示出)中，該開口 302形成在側(cè)面絕熱體109中。在該示例性實施例中，側(cè)面絕熱體109的每一部分中都形成有兩個門部件300，但是其它實施例可以使用不同數(shù)目的門部件。而且，其它實施例可以使用以不同方式設置在側(cè)面絕熱體109中的門部件，和/或位于上部絕熱體111中的門部件。例如，在其它實施例中，門部件可以構造成繞水平軸線而非垂直軸線旋轉(zhuǎn)。而且，門部件可以形成為類似于百葉板(slat)或百葉窗的形狀。
[0045]門部件300通過設置在門部件的縱向邊緣處的鉸鏈304連接到側(cè)面絕熱體109上。鉸鏈304又連接到支承結構125上。在其它實施例中，桿件(未示出)或其它類似結構通常在鄰近門部件的中心線處連接到門部件300上。桿件的相對端部在鄰近開口 302和/或支承結構處連接到側(cè)面絕熱體109上。在此實施例中，當打開或閉合門部件時，門部件300繞平行于桿件的軸線旋轉(zhuǎn)。
[0046]門部件300還連接到合適的致動器(未示出)上，該致動器可操作成打開和閉合門部件。在該示例性實施例中，兩個相鄰的門部件300通過聯(lián)動裝置(linkage)306連接在一起，以使得相鄰的門部件一致操作，并且單個致動器可操作成操作這兩個門部件。
[0047]在圖2和4所示的閉合位置(即，第一位置)，門部件300基本上限制了熱量通過形成在側(cè)面絕熱體109中的開口 302流動。位于門部件300和/或開口 302的邊緣處的襯墊、搭接接頭或其它結構(未示出)可以用于進一步限制熱量通過門部件閉合時保留在門部件和開口之間的任何空隙流動。
[0048]在圖3示出的打開位置(即，第二位置)，門部件300允許熱量通過側(cè)面絕熱體109中的暴露的開口 302流動。根據(jù)一些實施例，可以調(diào)整門部件300的旋轉(zhuǎn)位置以控制熱量通過側(cè)面絕熱體109的流動。例如，門部件300能夠充分打開以使得門部件垂直于側(cè)面絕熱體109，從而允許更多的熱量通過開口 302。
[0049]可選地，門部件300可以旋轉(zhuǎn)成使其以小于90度的角度設置，以減少能夠通過開口 302的熱量。門部件的這種位置稱為中間位置?？刂葡到y(tǒng)(例如，圖1和8中示出的控制器550)可以用于調(diào)整處于中間位置的門部件300的位置，以調(diào)節(jié)熔融體的熱傳遞速率。
[0050]圖5-7示出了設置在熱交換器200 (圖1)和坩堝支承件103的底部114之間的下部絕熱元件400。為了清楚起見，圖5-7中已省略了爐100的其它組成部件。另外，圖6和7中省略了坩堝支承件103的底部114。
[0051 ] 下部絕熱元件400可以在閉合位置(即，第一位置)和打開位置(即，第二位置)之間側(cè)向移動，在閉合位置，該下部絕熱元件400設置在坩堝支承件103的底部114的下方(圖7)，在打開位置，該下部絕熱元件400沿側(cè)向向外設置而非設置在坩堝支承件的底部下方(圖1，5和6)。在下部絕熱元件400位于坩堝支承件103下方的第一位置，下部絕熱元件400基本上限制了熱量從坩堝102的底座106的下表面116和坩堝支承件103的底部114流進熱交換器200。在第二位置，下部絕熱元件400允許熱量通過坩堝102的底座106的下表面116和坩堝支承件103的底部114流入熱交換器200。另外，第二位置允許熱交換器200向上移動。
[0052]雖然本文中提及將元件400設置在第一位置或者第二位置，但是，在爐100的操作期間，元件400也可以設置在這兩個位置之間。例如，元件400可以位于中間位置以控制來自坩堝102中的熔融物的熱量通過坩堝支承件103流動。在該中間位置，元件400以小于在第一位置的程度限制了熱量從坩堝支承件103流出?？刂葡到y(tǒng)(例如，圖1和8中示出的控制器550)可以用于調(diào)整在中間位置的元件400的位置，以調(diào)節(jié)從熔融物通過坩堝102和坩堝支承件103到熱交換器200中的熱傳遞速率。此外，該中間位置包括元件400的位于第一位置和第二位置之間的任何位置。
[0053]在該示例性實施例中，設置有四個絕熱元件400，并且其中每一個均具有四分之一圓形或方形的形狀。因此，當處于第一位置時，絕熱元件400具有大致呈圓形或方形的形狀，并具有基本連續(xù)的表面。其它實施例可以使用更多或更少的元件和/或不同形狀的元件400，而不會偏離實施例的范圍。在該示例性實施例中，四個絕熱元件400的這種構型使得當元件400位于中間位置時，通過坩堝支承件103的散熱速率相對均勻。當處于中間位置時，這種相對均勻的速率至少部分是形成在元件的邊緣404之間的“X形”對稱開口的結果。形成對比的是，如果使用更少的(例如，一個或兩個)絕熱元件，將不會在元件之間形成這種“X形”對稱開口。當元件位于中間位置時，所獲得的非對稱開口將導致通過坩堝支承件103的非對稱的散熱速率。
[0054]在其它實施例中，絕熱元件可以是類似于百葉窗的百葉板，其構造成在多個位置之間旋轉(zhuǎn)而非側(cè)向移動。這些絕熱元件可以旋轉(zhuǎn)到各種位置以控制其中流過的熱量。
[0055]如圖6中最佳示出的，每個元件400的邊緣404都具有重疊的或“搭疊(ship-lapped)”的構型。當元件400位于第一位置時，一個元件的邊緣404的一部分與相鄰元件的邊緣的一部分重疊。當元件400位于第一位置時,邊緣404的重疊構型通過減少或消除熱交換器200的視角因子(view factor)而使得輻射熱傳遞最小。而且，任何可能從坩堝102溢出的熔融材料都不得不經(jīng)過更迂回的路徑以到達熱交換器200。因此，該溢出的材料將不太可能接觸和損壞熱交換器200。
[0056]下部絕熱元件400均連接到致動系統(tǒng)402上,該致動系統(tǒng)402可操作成使絕熱元件400在第一位置和第二位置之間移動。在該示例性實施例中，用于每個絕熱元件400的致動系統(tǒng)402包括連接到驅(qū)動(廣義地，動力)螺桿410上的螺母408。在一些實施例中，螺母408和對應的驅(qū)動螺桿410可以具有愛克姆螺紋(acme thread)。螺母408又與托架420連接，絕熱元件400安裝在該托架420上。在其它實施例中，螺母408和對應的驅(qū)動螺桿410可以為滾珠絲杠系統(tǒng)，和/或可以使用其它類型的致動器。輻射屏蔽件422圍繞螺母408和螺桿410垂直設置，以保護螺母和螺桿不受輻射熱。
[0057]每個驅(qū)動螺桿410又通過任何合適的動力傳輸系統(tǒng)(例如，一個或多個齒輪)連接到單個柔性驅(qū)動軸412上。該驅(qū)動軸412由合適的旋轉(zhuǎn)致動器414旋轉(zhuǎn)。在該示例性實施例中，動力傳輸系統(tǒng)為齒輪箱416。
[0058]驅(qū)動軸412的旋轉(zhuǎn)使得每個驅(qū)動螺桿410旋轉(zhuǎn)以及每個螺母408進行線性運動。螺母408的線性運動使得連接到各螺母上的絕熱元件400進行相應的線性運動。用于使每個絕熱元件400移動的單個旋轉(zhuǎn)致動器414的這種布置確保了這些元件總體一致地移動。其它實施例可以使用使元件400在多個位置之間移動的不同的致動器系統(tǒng)或者其它機構，而不會偏離實施例的范圍。例如，每個相應的元件400可以連接到單個致動器上，該單個致動器構造成僅使相應的元件在多個位置之間移動。這些單個致動器可以連接到合適的控制系統(tǒng)(例如，圖1和8中示出的控制器550)，該控制系統(tǒng)可操作成控制這些單個致動器的運動，以使得致動器一致地運動。其它實施例可以使用允許元件400彼此獨立運動的控制系統(tǒng)。
[0059]圖8-16示出了熱交換器提升`系統(tǒng)500 (廣義地，提升系統(tǒng))。在該示例性實施例中，該提升系統(tǒng)500與上述的下部絕熱元件400和/或門部件300結合使用。在其它實施例中，該提升系統(tǒng)500可以用在不使用可移動的下部絕熱元件400和/或門部件300的爐100 中。
[0060]在圖8和9中，示出了安全殼110的下部，并省略了爐100的其它組成部件。在圖9-16中，詳細示出了提升系統(tǒng)500的各個組成部件。
[0061]提升系統(tǒng)500可操作成在第一位置和第二位置之間移動熱交換器200。在第一位置，熱交換器200與坩堝支承件103的底部114間隔開足夠的間隙，以使下部絕熱元件400能夠設置在其第一位置處。因此，熱交換器200在第一位置不會與坩堝支承件103接觸。在第二位置，熱交換器200與坩堝支承件103的底部114接觸。當熱交換器200位于其第二位置時，下部絕熱元件400也位于其第二位置。在該示例性實施例中，當熱交換器200在第一位置和第二位置之間行進時，其在約10英寸至20英寸的范圍之間移動，但是，它們也可以行進更多或更少的距離，而不會偏離實施例的范圍。
[0062]熱交換器200可以由致動器502在其第一位置和第二位置之間移動，如圖9和10所示。致動器502在一端連接到下部板件504(圖10)，并在相對的另一端連接到安全殼110(圖9)。上部板件506連接到下部板件504，并且彈簧512 (圖14)位于兩個板件之間。四個卡箍(collar clamp)508連接到上部板件506，如圖12所示。卡箍508可操作成將熱交換器200的管道250連接到提升系統(tǒng)500上，如圖13中最佳所示。波紋管510 (圖14)圍繞這些管道250的一些部分，并且在一端連接到上部板件506，在相對的另一端連接到安全殼 110。
[0063]在該示例性實施例中，致動器502 (廣義地，致動系統(tǒng))為線性致動器，當位于第二位置時，該線性致動器可操作成在熱交換器200上施加足夠的力，以便將熱交換器壓在坩堝支承件103的底部114上。在另一實施例中，致動器502是連接到小齒輪上的旋轉(zhuǎn)致動器。該小齒輪與齒條對準，以使得小齒輪的旋轉(zhuǎn)導致齒條的線性移動?？梢允褂闷渌愋偷暮线m致動器，而不會偏離實施例的范圍。
[0064]螺旋壓縮彈簧512設置在下部板件504和上部板件506之間，如圖14所示。該示例性實施例中使用了八個彈簧512，但是彈簧的數(shù)目可以改變，而不會偏離實施例的范圍。在一個實施例中，翼形螺釘(thumb screw)516 (圖16)、柱塞514、彈簧512和控制系統(tǒng)550(圖1和8)用于控制提升系統(tǒng)施加在熱交換器200上的力的量值。在一些實施例中，控制系統(tǒng)550也可以稱為力確定系統(tǒng)。
[0065]當柱塞與翼形螺釘516接觸時，控制系統(tǒng)550可操作成接收來自柱塞514的通信(即，控制系統(tǒng)和柱塞通信地耦合)。柱塞514和翼形螺釘516—起稱為限位開關。在熱交換器200已接觸坩堝支承件103的底部后，提升系統(tǒng)500導致的熱交換器200的額外向上運動引起彈黃512的壓縮。當柱塞514向控制器通彳目柱塞已接觸翼形螺釘516時，控制系統(tǒng)550停止提升系統(tǒng)500進一步抬升熱交換器200。
[0066]在該實施例中， 通過使翼形螺釘516相對于上部板件506旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)整柱塞154和翼形螺釘516之間的距離(即，設定距離)。螺母(未示出)可用于防止翼形螺釘516在處于期望位置后進一步旋轉(zhuǎn)。為了增加提升系統(tǒng)500施加在熱交換器200上的力的量值，增加柱塞514和翼形螺釘516之間的距離，以使得提升系統(tǒng)更大程度地壓縮彈簧512。反過來，減小柱塞514和翼形螺釘516之間的距離，以減小提升系統(tǒng)500施加在熱交換器200上的力的量值。
[0067]此外，可以基于彈簧512的位移(即，壓縮)和彈簧的彈性系數(shù)k計算提升系統(tǒng)500施加在熱交換器200上的力的量值。在該示例性實施例中，該位移由至少兩部分組成。第一部分是當提升系統(tǒng)500位于第一位置時，柱塞514和翼形螺釘516之間的距離，因為當提升系統(tǒng)500位于第二位置時，彈簧512位移這一距離。第二部分是當下部板件504和上部板件506利用緊固件組裝在一起時引起的預加載壓縮。在所述組裝期間，彈簧512被壓縮至一定程度，并且此位移能夠測量。
[0068]然后，用等式F=k*y確定致動器502施加在熱交換器200上的力的量值(以及因此確定由熱交換器施加在坩堝支承件103的底部114上的力)，其中，y是彈簧512的位移。當在提升系統(tǒng)500中使用多個彈簧512時，通過對每個彈簧應用該等式來確定提升系統(tǒng)500施加在熱交換器200上的合力。在使用八個彈簧512并且每個彈簧都有相同的彈性系數(shù)k且位移相同的量的該示例性實施例中，該力由等式F=8*k*y確定。上述等式假設彈簧512是線性彈簧。在使用不同類型的彈簧(例如，非線性彈簧)的實施例中，可以根據(jù)其它合適的方法和/或等式計算所述力。[0069]在另一實施例中，控制系統(tǒng)550使用柱塞514或其它合適的距離測量裝置來測量板件504、506之間的距離，并且不需要翼形螺釘。測量出的距離和彈簧512的預加載壓縮導致的位移表示彈簧的總壓縮量y?？蛇x地，可以使用其它合適的裝置來測量彈簧512的壓縮量，而不會偏離本發(fā)明的范圍。因此，如上所述，通過等式F=k*y確定致動器502施加在熱交換器200上的力的量值(并且因而確定由熱交換器施加在坩堝支承件103的底部114上的力)。
[0070]在該實施例中，控制系統(tǒng)550因而可操作成:通過利用致動器改變熱交換器200的位置，調(diào)整由致動器502施加的力的量值。也就是說，控制系統(tǒng)550可操作成(從用戶或其它計算系統(tǒng))接收由致動器502施加在坩堝支承件103的底部上的所期望的力的量值的輸入。然后，控制系統(tǒng)550可以監(jiān)控所施加的力并且控制致動器502 (以及因此控制熱交換器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預定范圍內(nèi)(例如，+/_5%)。
[0071 ] 此外，控制系統(tǒng)550還可以利用一個或多個應變計和/或測壓元件計算致動器502施加的力。這些應變計和/或測壓元件可以位于坩堝支承件103的底部114和支承柱115(圖6和7)之間，以使得當熱交換器200在坩堝支承件上施加力時，施加在應變計和/或測壓元件上的力減小。其它實施例可以通過測量致動器502的電流消耗(current draw)來計算力，因為致動器502消耗的電流量隨著致動器施加的力的量值的增加而增加。電流消耗的增加與致動器502和提升系統(tǒng)500施加在熱交換器200上的力的增加有關。
[0072]在該示例性實施例中，致動器502施加的力約為800磅，但是，其它實施例可以使用不同量值的力，而不會偏離實施例的范圍。熱交換器200施加在坩堝支承件103上的力確保了熱交換器的板件202的基本整個外表面204都與坩堝支承件103接觸。該力還確保該外表面204和/或坩堝支承件可以輕微變形，以使得它們的表面相接觸。在坩堝支承件103和外表面204之間的這種接觸提高了從坩堝支承件到熱交換器200的熱傳遞效率。此外，控制系統(tǒng)550還可以 用于確保致動器502不會在熱交換器200上施加超過特定力的力。超過該特定力的力可能會損壞熱交換器200和/或坩堝支承件103和/或?qū)③釄逯С屑щx其支承柱115。在該示例性實施例中，該特定力可以大于約3000磅和/或坩堝支承件103、坩堝102和容納在坩堝中的填料的質(zhì)量。
[0073]在操作中，將安全殼110打開，并且向坩堝102裝載多塊多晶硅(例如，大塊、顆粒、粉塵等)。然后閉合坩堝102的蓋子112 (假設使用蓋子)和安全殼110，并且使用加熱器108來熔化所述硅。當硅正在熔化時，在側(cè)面絕熱體109中的門部件300處于閉合位置，且下部絕熱元件400處于第一位置，在該第一位置，下部絕熱元件400位于坩堝支承件103的底部114的下方。而且，熱交換器200已通過提升系統(tǒng)500定位在它們的第一位置，因此它們與坩堝支承件103的底部114分隔開。
[0074]在硅已經(jīng)熔化后，加熱器108停止操作或者減少它們的熱輸出，并且硅熔融物開始凝固成晶錠。門部件300移動至它們的第二位置，并且下部絕熱元件400也移動至它們的第二位置以使得它們不設置在坩堝支承件103的底部114的下方。此外，熱交換器200通過提升系統(tǒng)500移動至其第二位置，以便與坩堝支承件103的底部114接觸。在一些實施例中，在熔融物的固化期間，熱交換器200可以不移動到它們的第二位置，而是保持在它們的第一位置。在這些實施例中，在熔融物固化期間，絕熱元件400和/或門部件300可以位于它們的第一、第二或中間位置當中的任何位置。
[0075]打開門部件300以及移動下部絕熱元件400和熱交換器200有助于增加離開熔融物的熱量流動以及熔融物固化成晶錠。此外，門部件300的位置可以調(diào)整到中間位置，以進一步控制從坩堝102和熔融物/晶錠傳遞熱量的速率。在該示例性實施例中，可以通過使門部件繞其垂直軸線旋轉(zhuǎn)來調(diào)整門部件300的位置，以控制從熔融物/晶錠的熱傳遞速率。這種對熱傳遞速率的控制使得能夠?qū)θ廴谖锏哪趟俾蔬M行控制。在一些實施例中，將石英棒插入熔融物中以探測熔融物，以確定凝固前沿的位置。
[0076]其中一個熱交換器200在圖17-28中詳細示出，并且從其在圖1中的位置倒置過來以更好地示出它的內(nèi)部結構。如圖18所示，熱交換器200包括具有外表面204的板件202，該外表面204用于定位在坩堝102的下表面116附近。在該示例性實施例中，板件202的外表面204定位在坩堝支承件103的底部114的附近，并且基本上是平坦的。熱交換器200可操作成將熱量從坩堝102的下表面116和設置在坩堝中的硅傳遞至冷卻劑。在省略坩堝支承件103的其它實施例中，板件202的外表面204定位在坩堝102的下表面116附近。
[0077]板件202具有與外表面204相對的內(nèi)表面206。罩蓋210 (圖17和22)位于鄰近板件202的內(nèi)表面206處，并且利用任何合適的緊固系統(tǒng)(例如，焊接)與板件連接。
[0078]如圖18所示，迂回流路220形成在板件202中，以用于引導冷卻劑沿板件202的內(nèi)表面206流動。流路220由包括多個元件222的通道限定，所述元件222從板件202的內(nèi)表面206延伸到罩蓋210 (該罩蓋在圖18中省略)。元件222限定的流路220是迂回的，以使得冷卻劑基本沿整個內(nèi)表面206流動。在該示例性實施例中，元件222從內(nèi)表面206大致垂直地延伸到罩蓋210。元件222延伸到鄰近罩蓋210處，因而防止冷卻劑在元件和罩蓋之間流動。因此，元件222不允許冷卻劑在流路220的相鄰部分之間“短路”。
[0079]流路220具有用于接納新的冷卻劑流的入口 224和出口 226，冷卻劑在流經(jīng)所述流路后通過該出口 226排出。入口 224`和出口 226彼此鄰近設置。在一些實施例中，入口224和出口 226彼此同軸。從內(nèi)表面206延伸到罩蓋210的壁230 (圖19)將入口 224和出口 226分開。該壁230還有助于熱交換器200的其它組成部件對準。在該示例性實施例中，入口 224和出口 226示出為大致位于板件202的中心處或者附近。在其它實施例中，入口 224和出口 226可以以不同方式設置(例如，更靠近角落或者板件202的一側(cè))。
[0080]罩蓋210 (圖22)具有形成在其中的開口 232，該開口 232與流路220的入口 224和出口 226流體連通。該開口 232位于鄰近入口 224和出口 226兩者處和/或與兩者同軸。開口 232具有入口部234和更大的出口部236。
[0081]內(nèi)管道240 (圖20，21和23)設置在開口 232的入口部234中，并且與流路220的入口 224連接。如下文更詳細討論的，外管道250 (圖28)與流路220的出口 226連接。本文所用的術語“管道(conduit) ”包括導管、軟管、管材或者其它可操作成將液體流從一個點傳輸?shù)搅硪粋€點的結構。在該示例性實施例中，內(nèi)管道240通過焊接與流路220的入口 224和板件202的內(nèi)表面206連接。在其它實施例中，內(nèi)管道240可以通過任何合適的緊固系統(tǒng)(例如，焊接或機械緊固件)連接。
[0082]在該示例性實施例中，外管道250通過連接器260連接到流路220的出口 226上。如圖24和25所示，該連接器260具有用于與罩蓋210連接的入口部262，和用于與外管道250連接的出口部264。連接器260的入口部262連接到罩蓋210上，以使得該入口部與流路220的出口 226流體連通。如圖26所示，內(nèi)管道240的一部分242設置在連接器260的中心開口 266中。在其它實施例中，省略了連接器260，而是使外管道250在鄰近罩蓋210中的開口 232的出口部236處與罩蓋210直接連接。
[0083]如圖28所不,外管道250與內(nèi)管道240同心,并且內(nèi)管道設置在外管道中。因此，外管道250與內(nèi)管道240形成多腔管道結構。在一些實施例中，可以鄰近內(nèi)管道240設置絕熱體(未示出)，以減少從外管道250中的冷卻劑向內(nèi)管道中的冷卻劑的熱傳遞。該絕熱體可以設置在內(nèi)管道240的內(nèi)表面244或外表面246中的任何一個或兩者上。而且，整個內(nèi)管道240或其一部分可以由導熱系數(shù)k低于熱交換器200的其它組成部件的材料制成，以限制熱量通過內(nèi)管道流動。
[0084]管道240、250遠離熱交換器200的罩蓋210延伸，并在終端連接器270處終止。終端連接器270具有與內(nèi)管道240流體連通的入口端口 272，和與外管道250流體連通的對應的出口端口 274 (圖17中最佳示出)。設置在終端連接器270中的墊圈狀元件276防止冷卻劑在入口端口 272和出口端口 274之間行進。入口端口 272通過流體連通系統(tǒng)170 (在圖1中示意性地示出)連接到源罐150上。類似地，出口端口 274通過流體連通系統(tǒng)170連接到接收罐160上。
[0085]在操作中，如圖1、17和18所示，新的冷卻劑從源罐150供給到終端連接器270的入口端口 272。所述新的冷卻劑穿過內(nèi)管道240行進至熱交換器200中的流路220的入口224。然后，所述新的冷卻劑流經(jīng)流路220，并且熱量從板件202的內(nèi)表面206傳遞到冷卻劑。熱量從硅通過坩堝102傳遞到板件202的內(nèi)表面206。傳遞到冷卻劑的熱量使得冷卻劑的溫度升高。在流經(jīng)流路220后，冷卻劑通過出口 226流出流路。這時，冷卻劑稱為失效的冷卻劑。冷卻劑通過外管道250流至終端連接器270。然后，冷卻劑通過終端連接器270的出口端口 274流至接收罐160。然后，可以通過使冷卻劑的溫度降低的任何合適的散熱系統(tǒng)來冷卻失效的冷卻劑。冷卻劑可以被傳送到源罐150以便日后重新使用?？蛇x地，失效的冷卻劑可以在從終端連接器270的出口端口 274流出后被處置。
[0086]在本文描述的實 施例中，通過內(nèi)管道240將新的冷卻劑供給到流路220的入口224。在另一反向流動的實施例中，通過流路220的冷卻劑流動可以是反向的，以使得新的冷卻劑相反從外管道250供給到流路220的出口 226。然后，失效的冷卻劑通過入口 224流出流路220并進入內(nèi)管道240。在這種反向流動的實施例中，終端連接器270的出口端口274連接到源罐150上，并且入口端口 272連接到接收罐160上。
[0087]熱交換器200的組成部件由耐腐蝕的合適材料構成。在該示例性實施例中，這些材料包括鋼及其合金(例如，不銹鋼)、鋁青銅化合物、或者能夠耐受高溫的合成材料(例如，含烴塑料)。
[0088]與現(xiàn)有的熱交換器相比，本文描述的熱交換器200具有更低的復雜性和提高的效率。如上所述，內(nèi)管道240和外管道250為多腔構型。在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，使用了單獨的、非同心的管道來供給冷卻劑到熱交換器和使冷卻劑從熱交換器回流。而且，這種現(xiàn)有的系統(tǒng)不包括具有鄰近出口的入口的流路。相反地，入口和出口是分隔開的，從而導致更復雜且占據(jù)了更多空間的更大的裝置。在 使用四個熱交換器的上述系統(tǒng)中，這種更大的裝置甚至有更多的問題。[0089]此外，使用具有單獨的、非同心的管道的現(xiàn)有系統(tǒng)會導致在管道與熱交換器的接合處產(chǎn)生彎矩。這種彎矩在接合處產(chǎn)生很大的應力，該應力可能最終導致在接合處由于疲勞形成裂縫。內(nèi)和外管道240、250與熱交換器200的連接器260的設置增強和加固了管道與熱交換器的接合部。因此，該接合部能夠承受更大的應力并且產(chǎn)生裂縫的可能性很小。
[0090]爐100和上述相關組成部件使得能夠鑄造質(zhì)量大于約1000kg、大于約1200kg或大于約1600kg的晶錠。該晶錠同樣基本上沒有其它缺陷(例如，位錯)。缺陷可能限制由該晶錠形成的晶片的效率，并因此對利用該晶片形成的光伏器件有不良影響。這些晶片(例如，多晶硅晶片)內(nèi)的最普遍的晶粒內(nèi)缺陷類型是位錯。位錯形成了從某些取向的晶粒開始的晶簇，并且隨后可以從該晶簇擴散或扇形散開。這些位錯晶簇可以是雜質(zhì)沉淀的位置，這降低了由晶片形成的光伏器件的效率。位錯晶簇的存在影響了光伏器件的材料性能和操作性能。這些位錯是在晶錠的固化和晶體的生長期間由于熔融物和晶錠中的熱應力而產(chǎn)生的。
[0091]爐100和上述相關組成部件使得能夠控制熔融物和晶錠的熱曲線和生長曲線，以使施加在熔融物和晶錠上的熱應力最小。熔融物和晶錠中的熱應力最小化將使位錯形成減到最少，并且提高了用在光伏器件或應用中的由晶錠形成的晶片的效率。圖29和30示出了利用不同的爐制成的晶錠所形成的光伏器件的效率。數(shù)據(jù)組I和2示出由爐100中生產(chǎn)的晶錠所制造的器件的效率，而數(shù)據(jù)組3示出現(xiàn)有爐中制造的器件的效率。圖29將效率數(shù)據(jù)表示為概率圖，而圖30將數(shù)據(jù)表示為箱形圖。如這些附圖中清楚示出的，由爐100中生產(chǎn)的晶錠形成的光伏器件比現(xiàn)有爐中生產(chǎn)的晶錠形成的光伏器件具有更高的效率。此外，圖31為比較三個數(shù)據(jù)組的晶錠的位錯密度的箱形圖，該位錯密度以根/平方厘米為單位。數(shù)據(jù)組I和2顯然具有比現(xiàn)有爐中生產(chǎn)的晶錠低得多的位錯密度。而且，數(shù)據(jù)組I和2的位錯密度小于約100，000根/平方厘米，而數(shù)據(jù)組3的位錯密度大于約110，000根/平方厘米。應注意的是，在一些實施例中，在實施本發(fā)明的爐中生產(chǎn)的晶錠的位錯密度可以小于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。
`[0092]在本發(fā)明的一些方面中，晶錠的長度和寬度使得晶錠能被切成多件以形成較小的塊料，所獲得的每個塊料都具有標準的尺寸。該標準尺寸基本上類似于從標準爐中形成的晶錠上切割的塊料的尺寸。在該示例性實施例中，晶錠具有約1375mm的長度和寬度以及約400mm的高度。然后，該晶錠可以被切成64個更小的塊料，其具有相等的長度和寬度，例如，約156mm。在一些實施例中，在被切成8個具有約156mm的長度和寬度的較小晶錠之前，晶錠可以首先被切成4個較小晶錠。在其它實施例中，晶錠可以被切成36個較小塊料，其具有約210mm長度和寬度。在另外的實施例中，晶錠的高度可以達到或超過約800mm。
[0093]爐100和本文描述的相關組成部件允許硅熔融物的冷卻速率被精確地控制。控制硅熔融物的冷卻速率使得能夠精確控制熔融物的凝固速率。對凝固速率的這種精確控制導致在晶錠中形成定向凝固前沿。通過控制凝固速率，可以操縱和/或控制凝固前沿的位置和形狀，以使得凝固前沿遠離位于爐下方的熱交換器200垂直向上發(fā)展。而且，本文描述的系統(tǒng)還允許由硅熔融物產(chǎn)生基本水平的凝固前沿。因此，熔融物中的給定水平面內(nèi)的基本所有位置都在大約同一時間點固化。
[0094]此外，在一些實施例中，凝固前沿的形狀可以被控制成在凝固快要完成時在其邊緣處稍微向下彎曲。這種向下彎曲捕獲或集中了晶錠的邊緣附近的雜質(zhì)或位錯。因此，可以從晶錠上去除較少量的材料，以去除雜質(zhì)。此外，熔融物受控凝固成晶錠還使得能夠捕獲或集中晶錠的特定部分中的雜質(zhì)或缺陷。在該示例性實施例中，晶錠的該部分位于最遠離熱交換器的位置，并且是晶錠的要凝固的最后部分。
[0095]這種對固化速率的精確控制使得能夠在上述爐中形成質(zhì)量大于約1000kg的晶錠。精確控制固化速率還通過減少在爐中鑄造晶錠所需的時間而增加了爐的產(chǎn)量。以前的已知系統(tǒng)缺乏能夠在從低到高的水平之間控制硅熔融物的冷卻速率的上述特征。因而，在這種現(xiàn)有系統(tǒng)中，不能在此范圍上對固化速率進行精確控制。結果，鑄造大于約600kg的晶錠的嘗試獲得了具有位錯和/或缺陷的晶錠，所述位錯和/或缺陷導致晶錠和晶錠所形成的晶片不適合于最終用途(例如，制造光伏器件)。
[0096]當介紹本發(fā)明或本發(fā)明的實施例中的元件時，冠詞“一”、“該”和“所述”是指有一個或多個該元件。術語“包含”、“包括”和“具有”是指包含在內(nèi)的，并且意味著除了列出的元件以外可以有其他元件。
[0097]由于可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下對上文的方案進行各種改變，因此上文描述中包含的和附圖 中示出的所有內(nèi)容都應理解為示例性的，而非進行限制。
【權利要求】
1.一種多晶娃晶錠，所述晶錠具有至少約1000kg的質(zhì)量，所述晶錠具有小于約100，000根/平方厘米的位錯密度。
2.根據(jù)權利要求1所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠具有至少約1600kg的質(zhì)量。
3.根據(jù)權利要求1所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠是在定向固化爐中生產(chǎn)的。
4.根據(jù)權利要求1所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠具有一定的長度和寬度，所述長度和寬度的尺寸都設計為使得在所述晶錠被切成多件以形成較小塊料后，所述較小塊料具有基本上類似于在已知爐中形成的晶錠的標準尺寸。
5.根據(jù)權利要求3所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠的長度和寬度為約1375mm。
6.根據(jù)權利要求4所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠具有約400mm的高度。
7.根據(jù)權利要求4所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠被切成64個長度和寬度為約156mm的較小塊料。
8.根據(jù)權利要求4所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠被切成36個長度和寬度為約210mm的較小塊料。
9.根據(jù)權利要求1所述的晶錠，其特征在于，所述晶錠中的缺陷或位錯集中在所述晶錠的一部分中。
10.一種用于在定 向固化爐中生產(chǎn)多晶硅晶錠的方法，所述方法包括: 用多晶硅裝載所述爐中的坩堝，所述多晶硅的質(zhì)量為至少約1000kg ； 熔化所述多晶硅；以及 冷卻熔融的娃以形成多晶娃晶錠，所述晶錠具有至少約1000kg的質(zhì)量,所述晶錠具有小于約100，000根/平方厘米的位錯密度。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括控制所述晶錠的固化速率，以在所述晶錠中形成定向固化前沿，所述固化前沿遠離位于所述定向固化爐的坩堝下方的冷卻板垂直向上發(fā)展。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，所述定向固化前沿集中了所述晶錠的最后固化的部分中的缺陷或位錯。
13.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括打開在設置于所述坩堝附近的絕熱體中形成的一個或多個門部件，以控制晶錠的固化速率，從而在晶錠中形成定向固化前沿，所述固化前沿遠離位于定向固化爐的坩堝下方的冷卻板垂直向上發(fā)展。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在第一位置和第二位置之間移動設置在所述坩堝下方的一個或多個絕熱元件，在所述第一位置，所述絕熱元件設置在所述坩堝的底座的下方，在所述第二位置，所述絕熱元件未設置在所述坩堝的所述底座的下方。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，當熔化所述多晶硅時，將所述絕熱元件設置在所述第一位置。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，當冷卻所述熔融的硅以形成多晶硅晶錠時，將所述絕熱元件設置在所述第二位置。
17.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，所述絕熱元件能夠沿側(cè)向在所述第一位置和所述第二位置之間移動。
18.一種定向固化爐，所述爐用于生產(chǎn)質(zhì)量為至少約1000kg并且位錯密度小于約·100, 000根/平方厘米的多晶硅晶錠，所述爐包括: 用于容納硅裝載物的坩堝； 鄰近所述坩堝設置的絕熱體，所述絕熱體能夠在第一位置和第二位置之間移動，在所述第一位置，所述絕熱體限制熱量從所述坩堝流出，在所述第二位置，所述絕熱體不限制熱量從所述坩堝流出；和 設置在所述坩堝下方的一個或多個冷卻板。
19.根據(jù)權利要求18所述的爐，其特征在于，所述絕熱體包括鄰近所述坩堝的垂直壁沿側(cè)向設置的一個或多個門部件。
20.根據(jù)權利要求19所述的爐，其特征在于，在所述第一位置，所述門部件基本閉合以防止熱量從所述坩堝流出，在所述第二位置，所述門部件打開以允許熱量從所述坩堝流出。
21.根據(jù)權利要求19所述的爐，其特征在于，所述一個或多個門部件能夠圍繞總體垂直于所述坩堝的所述壁的軸線旋轉(zhuǎn)。
22.根據(jù)權利要求18所述的爐，其特征在于，所述絕熱體包括設置在所述坩堝下方的能夠側(cè)向移動的一個或多個元件。
23.根據(jù)權利要求22所述的爐，其特征在于，在所述第一位置，所述元件設置在所述坩堝的底座的下方，在所述第二位置，所述元件未設置在所述坩堝的所述底座的下方。
24.根據(jù)權利要求23所述的爐，其特征在于，所述元件能夠沿側(cè)向在所述第一位置和所述第二位置之間移動。
25.根據(jù)權利要求·23所述的爐，其特征在于，所述一個或多個冷卻板能夠在第一位置和第二位置之間移動，在所·述第一位置，所述冷卻板與位于所述坩堝的底部附近的組件不接觸，在所述第二位置，所述冷卻板與所述組件接觸。
26.根據(jù)權利要求25所述的爐，其特征在于，當所述冷卻板位于所述第一位置時，所述元件位于所述第一位置。
27.根據(jù)權利要求25所述的爐，其特征在于，當所述冷卻板位于所述第二位置時，所述元件位于所述第二位置。
28.一種定向固化爐，所述爐用于生產(chǎn)質(zhì)量為至少約1000kg且位錯密度小于約100, 000根/平方厘米的多晶硅晶錠，所述爐包括: 用于容納硅裝載物的坩堝；和 位于所述坩堝下方的一個或多個冷卻板，所述板能夠在第一位置和第二位置之間移動，在所述第一位置，所述冷卻板與位于所述坩堝的底部附近的組件不接觸，在所述第二位置，所述冷卻板與所述組件接觸。
29.根據(jù)權利要求28所述的爐，其特征在于，在所述坩堝下方設置有4個冷卻板。
30.根據(jù)權利要求28所述的爐，其特征在于，所述冷卻板能夠沿基本垂直的方向在所述第一位置和所述第二位置之間移動。
【文檔編號】C01B33/037GK103827031SQ201280045096
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月14日 優(yōu)先權日:2011年9月14日
【發(fā)明者】A·德什潘德, L·W·弗里, B·M·邁耶 申請人:Memc新加坡私人有限公司