Устройство и способ для производства блоков кристаллического материала

Изобретение относится к технологии получения блоков кристаллического материала направленной кристаллизацией. Устройство включает нагреватель 3 и охладитель, расположенные так, чтобы создавать в кристаллизаторе 1 градиент температуры. Охладитель 22 включает теплообменник 17 и регулируемый дополнительный тепловой источник 18, при этом последний включает индукционную катушку 10 и электропроводящий индукционной сусцептор 11, расположенный между кристаллизатором 1 и индукционной катушкой 10. Модуль, включающий индукционную катушку 10 и ее охлаждающий контур 21, содержащий циркулирующую в индукционной катушке 10 охлаждающую жидкость, образует теплообменник 17. Способ включает нагревание кристаллизатора 1 сверху тепловым источником 3 и регулирование отвода тепла от кристаллизатора 1 снизу при помощи теплообменника 17 и регулируемого дополнительного теплового источника 18. Изобретение обеспечивает эффективное регулирование температуры и снижение стоимости данного устройства. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к устройству для производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации, включающему нагреватель и охладитель, расположенные таким образом, чтобы создавать в кристаллизаторе градиент температуры. Охладитель включает теплообменник и регулируемый дополнительный тепловой источник.

Известный уровень техники

В документе WO 2004/094704 описано устройство для производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации. Материалом блоков обычно является кремний. Как показано на Фиг.1, в это устройство входит кристаллизатор 1, днище 7 которого позволяет отводить тепло. Днище 7 кристаллизатора 1 обладает большей способностью к теплопередаче, чем боковые стенки 8. Для создания градиента температуры над и под кристаллизатором 1 установлены, соответственно, нагревательный элемент 3 и теплообменник 4.

При создании градиента температуры для затвердевания кремния необходимо эффективное отведение тепла. Анизотропные свойства кристаллизатора 1 позволяют получить, по существу, плоские и параллельные изотермические поверхности. Фронт затвердевания в направлении, параллельном днищу 7 кристаллизатора 1, следовательно, является, по существу, плоским.

При кристаллизации кремния толщина твердой фазы 5 увеличивается, и фронт затвердевания перемещается вверх, отодвигаясь от днища 7 кристаллизатора 2, как указано на Фиг.1 стрелкой 20. При том, что температура плавления кремния составляет 1410°С изотермическая поверхность 1410°С удаляется от днища 7 кристаллизатора 1, в результате в ходе кристаллизации температура у днища 7 кристаллизатора 1 снижается.

Увеличение количества затвердевшего материала на днище 7 кристаллизатора 1 сопровождается повышением термического сопротивления. Для сохранения градиента температуры на границе раздела твердое/жидкость постоянным тепловая энергия, отводимая теплообменником 4, должна оставаться, по существу, постоянной в течение всего процесса затвердевания. Следовательно, необходимо обеспечить соответствующую регулировку.

Теплообменник 4 включает, например, контур жидкого хладагента, эта жидкость, в зависимости от областей применения, может представлять собой синтетическое масло или жидкость, предназначенную для использования при высокой температуре, например газ под высоким давлением, такой как гелий, который может быть очень дорогим, если требуется дополнительный ожижитель. Возможно обеспечить регулирование температуры жидкого хладагента с тем, чтобы количество отводимой тепловой энергии оставалось постоянным в течение всего процесса затвердевания.

В документе WO 2004/094704 описан, например, графитовый войлок 9, расположенный между днищем 7 кристаллизатора 1 и охладителем 4, как показано на Фиг.1. Во время затвердевания кремния графитовый войлок 9 подвергается сжатию. Толщина графитового войлока 9, следовательно, уменьшается, а его теплопроводность увеличивается. То есть теплопередачу посредством теплопроводности графитового войлока 9 в ходе процесса затвердевания можно регулировать. Графитовый войлок 9 также можно постепенно удалять с целью регулирования охлаждения. Градиент температуры в кристаллизаторе 1, обычно, поддерживают на уровне от 8°С/см до 30°С/см.

Также существует система водяного охлаждения. Однако трудно регулировать температуру в широком диапазоне, если не используется скрытая теплота парообразования воды, осуществление чего затруднительно.

В документе US 6299682 описано устройство для производства слитков кремния, применяемых в фотоэлектрических системах. Это устройство состоит из нагревателя, расположенного над кристаллизатором, и охладителя, расположенного под кристаллизатором. Тепловой источник также расположен под кристаллизатором с целью регулирования количества отводимого через днище кристаллизатора тепла.

Цель изобретения

Целью настоящего изобретения является преодоление указанных недостатков, в частности обеспечение эффективного регулирования температуры и, в то же время, снижение стоимости данного устройства.

В соответствии с настоящим изобретением, эта цель достигается, как описано в прилагаемой формуле изобретения более конкретно, благодаря тому факту, что охладитель снабжен индукционной катушкой, охлаждаемой охлаждающей жидкостью, протекающей в индукционной катушке, и электропроводящим индукционным сусцептором, расположенным между кристаллизатором и индукционной катушкой.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение способа производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации с использованием соответствующего настоящему изобретению устройства, при этом способ включает:

- нагревание кристаллизатора сверху и охлаждение кристаллизатора снизу для создания в кристаллизаторе градиента температуры;

- регулирование отвода тепла от кристаллизатора снизу при помощи теплообменника и при помощи регулируемого дополнительного теплового источника,

причем охладитель включает индукционную катушку и электропроводящий индукционный сусцептор, расположенный между кристаллизатором и индукционной катушкой, для обеспечения регулируемого дополнительного теплового источника, и индукционная катушка охлаждается охлаждающей жидкостью, циркулирующей в индукционной катушке, для обеспечения теплообменника, причем

- способ одновременно включает нагревание при помощи индукционной катушки и охлаждение при помощи охлаждающей жидкости, циркулирующей в индукционной катушке, и

- способ включает постепенное уменьшение нагревания путем уменьшения электропитания индукционной катушки по мере того, как фронт затвердевания в кристаллизаторе удаляется от сусцептора.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и особенности настоящего изобретения будут более понятны из следующего ниже описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, являющихся примерами, не носящими ограничительного характера, и поясняемых прилагаемыми чертежами, где:

на Фиг.1 показано устройство для производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации, соответствующее известному уровню техники.

На Фиг.2 и 3 показаны два конкретных варианта осуществления устройства, соответствующего настоящему изобретению, в поперечном сечении.

Фиг.4 поясняет конкретный вариант осуществления сусцептора устройства, соответствующего настоящему изобретению, вид сверху.

Описание конкретных вариантов осуществления изобретения

Технологическое устройство, представленное на Фиг.2, включает тепловой источник 3 и систему охлаждения 22, расположенные так, чтобы создавать в кристаллизаторе 1 градиент температуры. Система охлаждения 22 состоит из теплообменника 17 и регулируемого дополнительного теплового источника 18, например резистивных нагревательных элементов, элементов инфракрасного нагрева или любых других пригодных регулируемых нагревательных элементов. Теплообменник 17, предпочтительно, включает в себя контур водяного охлаждения, схематически показанный стрелкой 21. Теплообменник 17, в частности, может проходить по всей ширине кристаллизатора 1.

Отведение тепла от кристаллизатора, таким образом, можно регулировать, в то же время, не отказываясь от преимуществ использования теплообменника с постоянной отводимой тепловой энергией, в частности, в его простейшем исполнении.

Данное устройство также может включать в себя извлекаемый войлок 19, расположенный над теплообменником 17 и под регулируемым дополнительным тепловым источником 18, благодаря чему образуется экран, предотвращающий передачу тепла излучением между тепловым источником 18 и теплообменником 17, и создается дополнительная возможность регулирования отведения тепла от кристаллизатора 1. При размещении извлекаемого войлока 19 между тепловым источником 18 и теплообменником 17 количество отводимого тепла уменьшается, а удаление войлока 19 открывает возможность непосредственного сброса излучения источника 18 в направлении теплообменника 17.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, представленном на Фиг.3, система охлаждения 22 включает в себя индукционную катушку 10, охлаждаемую охлаждающей жидкостью, циркулирующей в индукционной катушке 10, и электропроводящий и теплопроводящий индукционный сусцептор 11, расположенный между кристаллизатором 1 и индукционной катушкой 10.

Сочетание индукционной катушки 10 и индукционного сусцептора 11 обеспечивает регулируемый дополнительный тепловой источник 18. Регулирование осуществляется при помощи источника электропитания 24 (см. Фиг.3) индукционной катушки 10. В то же время, модуль, включающий индукционную катушку 10 и ее охлаждающий контур, содержащий циркулирующую в индукционной катушке 10 охлаждающую жидкость, как показано на Фиг.3 стрелкой 21, образует теплообменник 17.

Тепловой источник 3, образованный, например, резистивными нагревательными элементами, дополнительной индукционной катушкой и соответствующим дополнительным сусцептором, или другими подходящими нагревательными элементами, такими как элементы инфракрасного нагрева, расположен над кристаллизатором 1. Индукционная катушка 10 расположена под кристаллизатором. Индукционный сусцептор 11 находится между кристаллизатором 1 и индукционной катушкой 10. Кристаллизатор 1, предпочтительно, имеет прозрачное днище 7, изготовленное из не содержащего примесей аморфного оксида кремния, прозрачного для инфракрасного излучения. Если, как описано выше, используется извлекаемый войлок 19, он может располагаться между индукционной катушкой 10 и сусцептором 11.

В соответствии с известным уровнем техники, индукционную катушку, обычно, охлаждают охлаждающей жидкостью, циркулирующей в индукционной катушке. Однако нагревательные индукционные катушки, традиционно, не имеют теплового контакта с нагреваемым объектом, а многие даже теплоизолированы от этого объекта. Охлаждение, следовательно, действует только на катушку и не может действовать на нагреваемый объект.

Сусцептор 11, предпочтительно, изготавливают из теплопроводяшего материала, поглощающего инфракрасное излучение, например графита или карбида кремния, которые являются проводниками и в должной степени обладают свойством абсолютно черных тел. Таким образом, тепло, излучаемое днищем 7 кристаллизатора 1, поглощается лицевой поверхностью 12 сусцептора, обращенного этой поверхностью к кристаллизатору 1, передается через сусцептор 11 и снова излучается через лицевую поверхность 13 сусцептора 11, обращенную к индукционной катушке 10. Индукционная катушка 10 позволяет осуществлять отвод тепла. Сусцептор 11 может образовывать опору для кристаллизатора 1 и обеспечивает хороший теплообмен между сусцептором 11 и кристаллизатором 1. Индукционную катушку 10, предпочтительно, располагают в электрически изолированной зоне, используя для этого пластины 23 из оксида кремния, чтобы предотвратить короткое замыкание и образование искр вблизи графита 14. Как показано на Фиг.3, пластины 23 из оксида кремния расположены около индукционной катушки 10.

Сусцептор 11 может представлять собой просто плоскую пластину. В конкретном варианте осуществления изобретения сусцептор 11 имеет зоны 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности, благодаря чему возможно локальное снижение индукционного нагрева, а также локальное стимулирование теплоотвода от кристаллизатора 1 к индукционной катушке 10. Зоны кристаллизатора 1, расположенные напротив зон 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности, следовательно, нагреваются меньше и поэтому являются центрами зародышеобразования при кристаллизации. Кроме того, зоны кристаллизатора 1, расположенные напротив зон 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности, лучше охлаждаются, поскольку зоны 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности также локально стимулируют отвод тепла от кристаллизатора 1 к индукционной катушке 10.

Зоны 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности образованы, например, при помощи отверстий в сусцепторе 11, как показано на Фиг.4. Зоны 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности также могут быть образованы при помощи материала с более низкой удельной электропроводностью, чем материал сусцептора 11, или при помощи формирования зон с меньшей толщиной, чем толщина сусцептора. Поперечный размер зон 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности, предпочтительно, больше или равен толщине сусцептора. Расстояние между зонами 15 с более низкой удельной электропроводностью поверхности составляет, например, 10 см для сусцептора размером несколько десятков дециметров.

Способ производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации с использованием устройства, соответствующего настоящему изобретению, включает нагревание кристаллизатора 1 сверху и охлаждение кристаллизатора 1 снизу с целью создания в кристаллизаторе 1 градиента температуры. Этот способ, кроме того, включает отведение тепла от кристаллизатора 1 снизу посредством теплообменника 17 и посредством регулируемого дополнительного теплового источника 18. Теплообменник 17 может, в частности, функционировать в постоянном режиме, что облегчает его реализацию.

Способ производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации с использованием устройства, соответствующего настоящему изобретению, может, в частности, включать нагревание посредством индукционной катушки 10 и соответствующего сусцептора, с одной стороны, и, в то же время, охлаждение посредством охлаждающей жидкости, циркулирующей внутри индукционной катушки 10, с другой стороны. В то время как фронт затвердевания 16 перемещается в кристаллизаторе 1, удаляясь от сусцептора 11 в направлении, показанном на Фиг.3 стрелкой 20, нагревание постепенно уменьшают путем уменьшения электропитания индукционной катушки 10, тогда как охлаждающая жидкость может циркулировать внутри индукционной катушки 10 с постоянным расходом.

Данный способ также может включать осуществляемую перед кристаллизацией стадию плавления материала, который будет подвергнут кристаллизации, при помощи теплового источника 3 и регулируемого дополнительного теплового источника 18, включающего, например, индукционную катушку 10 и соответствующий сусцептор 11. Благодаря этому, в частности, возможно полностью расплавить материал, который будет подвергнут кристаллизации.

Настоящее изобретение не ограничивается представленными вариантами его осуществления. В частности, градиент не обязательно направлен сверху вниз, но может быть ориентирован вдоль любой оси, например, горизонтально или наклонно. В последнем случае нагреватель и охладитель располагаются, соответственно, с каждой стороны зоны, в которой создается градиент.

1. Устройство для производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации, включающее нагреватель (3) и охладитель, расположенные так, чтобы создавать в кристаллизаторе (1) градиент температуры, при этом устройство отличается тем, что охладитель (22) включает индукционную катушку (10) и электропроводящий индукционной сусцептор (11), расположенный между кристаллизатором (1) и индукционной катушкой (10) для обеспечения регулируемого дополнительного теплового источника (18), при этом индукционная катушка (10) выполнена с возможностью охлаждения охлаждающей жидкостью, циркулирующей в индукционной катушке (10) для обеспечения теплообменника (17).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сусцептор изготовлен из теплопроводящего материала, поглощающего инфракрасное излучение.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сусцептор изготовлен из графита или карбида кремния.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сусцептор образует опору кристаллизатора.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сусцептор имеет зоны с более низкой удельной электропроводностью поверхности, благодаря чему возможно локальное снижение индукционного нагрева, а также локальное стимулирование теплоотвода от кристаллизатора к индукционной катушке.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что зоны с более низкой удельной электропроводностью поверхности образованы при помощи
- отверстий,
- материала с более низкой удельной электропроводностью, чем материал сусцептора,
- зон с меньшей толщиной, чем толщина сусцептора.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит пластины из оксида кремния, расположенные около индукционной катушки.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кристаллизатор имеет прозрачное днище, изготовленное из не содержащего примесей аморфного оксида кремния.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит извлекаемый войлок, расположенный над теплообменником.

10. Способ производства блоков кристаллического материала путем направленной кристаллизации с использованием устройства, соответствующего пп.1-9, при этом способ включает:
- нагревание кристаллизатора сверху и охлаждение кристаллизатора снизу для создания в кристаллизаторе градиента температуры;
- регулирование отвода тепла от кристаллизатора снизу при помощи теплообменника и при помощи регулируемого дополнительного теплового источника,
отличающийся тем, что охладитель включает индукционную катушку и электропроводящий индукционный сусцептор, расположенный между кристаллизатором и индукционной катушкой, для обеспечения регулируемого дополнительного теплового источника, и индукционная катушка охлаждается охлаждающей жидкостью, циркулирующей в индукционной катушке, для обеспечения теплообменника, причем
- способ одновременно включает нагревание при помощи индукционной катушки и охлаждение при помощи охлаждающей жидкости, циркулирующей в индукционной катушке, и
- способ включает постепенное уменьшение нагревания путем уменьшения электропитания индукционной катушки по мере того, как фронт затвердевания в кристаллизаторе удаляется от сусцептора.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что включает осуществляемую перед кристаллизацией стадию плавления материала, который будет подвергнут кристаллизации, при помощи нагревателя и регулируемого дополнительного теплового источника.