TWM441675U - Unidirectional solidification device - Google Patents

Description

M441675 五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本創作是有關一種凝固裝置，且特別是有關於一種定 向凝固裝置。 【先前技術】 由於電子時代之來臨，電子性產品大量受到重視，故 晶圓材料即成為半導體產業與光電產業大量需求之產品。 而晶圓之生長方式有很多種，例如浮融帶長晶法(Fl〇ating

Zone Method)、雷射加熱提拉長晶法(user Heated Pedestal Growth)、及柴式長晶法(Czochralski Method)等，而更因每 種長晶方式不同而所使用之設備亦不盡相同。 類最為常見 太陽能電池屬半導體之一種，故又稱為太陽能晶片， 石夕(silicon)為目削通用的太陽能電池之原料代表，其發電原 理為利用太陽光轉換成電能。太陽能光f基板(SQlar pv Cell)的晶片材質有很多種’大致上可分為單晶石夕、多晶石夕 、非晶碎’以及其它非特料，其+以單晶料多晶石夕兩 矽熔湯，以長晶 凝固矽熔湯時， 曰曰形成秒敎，進而供切割形成晶片。但於

然而’於㈣太陽能晶片前，須先以賴凝固其内 ^ , \：ι a Λί ^ λ* 3/15 M441675 【新型内容】 本創作實施例在於提供一種定向凝固裝置，其用以使 形成的矽鑄錠内部具有較少的缺陷。 、 本創作實施例提供-種定向凝難置，用以凝固一石夕 炫湯，該定向義裝置包括：—職，其包含—内底面及 連接於該喊_面；以及—碳化物結構其設置 於捕納底©_L ’且該環側面頂緣離朗底面的距離為 該碳化物結構頂緣離該内底面的距離之至少五倍，該碳化 物結構界定成核用以於翻該贿湯時，能抑 制位於該成核空間内的矽熔湯之晶粒生長的尺寸。 較佳地，該碳化物結構包含數個層狀地排列於該坩鍋 内底面的引晶齡’且該些5丨晶顆粒與制底面包圍界定 出該成核空間。 —較佳地，該些引晶顆粒分別為直徑相同之圓球狀，且

每一引晶顆粒的直徑大致為0 5公釐至40公釐，該些引晶 顆粒彼此緊鄰地排列。 —BB 較佳地，該些引晶顆粒分別為外型相同的方柱，且每 一引晶顆粒的橫截面邊長大致為0·5公釐至40公釐，該些 引晶顆粒彼此間隔地呈矩陣式排列。 較佳地，該碳化物結構具有一基部及一突出部，該基 部呈板狀且具有相對應的一第一表面與一第二表面，該^ 出部自該基部的第一表面延伸所形成，且該基部與該突出 部包圍界定出該成核空間，該基部的第二表面設置於該坩 鋼内底面上’且該基部的第二表面形狀與該内底面形 狀大致相同。 較佳地，該突出部包含數個橫向凸條及數個縱向凸條 4/15 ’該些橫向凸條與該些縱向凸條彼此交錯排列，以使該成 核空間形成數個矩陣式排列的開孔。 較佳地’每一開孔的孔徑自鄰近該基部朝遠離該基部 的方向皆大致相同。 較佳地’該突出部包含數個凸柱，該些凸柱彼此間隔 地呈矩陣式排列，以使該成核空間形成數個彼此交錯的溝 槽。 較佳地，該碳化物結構進一步限定為一碳化矽結構。 本創作另提供一種如上所述之定向凝固裝置，其具有 一氮化物結構以替代該碳化物結構。 車又佳地，该氮化物結構進一步限定為一氮化矽結構。 本創作又提供一種如上所述之定向凝固裝置，其具有 石墨結構以替代該碳化物結構。 4上所述，本創作實施例所提供的定向凝固裝置，其 购底部的魏湯騎H粒具有較小的粒 二進而降低雜湯所凝_成㈣鑄_部缺陷。 =能更it-步瞭解本創作之㈣及技術 ==作=r與附圖，然而所附圖式= 制/、肖並非用來對本創作的_朗作任何的限 【實施方式】 〔第—實施例 睛參閱圖1至圖6，名丨_ 圖:、.及圖5為本實施例的剖視示意圖，圖2、 其為本創作的第—實 、圖4、及圖5盔士盘......... 其中， 及圖6為本實施例的俯視示意圖。 復參照圖1和圖2 % - , $回2所不，本實施例為一種 圖3 定向凝固裝 置10〇，其包括一坩鍋110以及一碳化物結構12〇。 其中，上述坩鍋110呈中空方柱狀且包含一内 =連接於上述内絲⑴的—環側面藉此透過掛 鍋110的内底面⑴與環側面112㈣形成的空間’ 一矽熔湯200(如圖7)β 所述碳化物結構12〇的較佳選擇為碳化石夕結構。再者 二就材質上來說，其亦可以為氮化物結構，且較佳選擇為 氦化矽結構；或者為石墨結構。 但於實際躺時，只要碳化物結構12〇(或氮化物結構 、石墨結構)可在高溫環境(如：石夕炫料炫融成魏湯時的溫 度)下不與⑪反應且不分解即可，並不受限於上述的碳化石夕 結構、石墨結構或氮化石夕結構。 再者所述兔化物結構12〇包含數個引晶顆粒κι，所 述引晶顆粒121係層狀地排列於坩鍋110内底面111，且該 些引晶顆粒121與内底面⑴包圍界定出—成核空間122 〇 .須說明的是，於本實施例中，該些引晶顆粒121可分 別為圓球狀，且彼此緊鄰地排列。而引晶顆粒121的排列 方式可如同圖2所示的錯位排列，或者如同圖3所示的矩 陣式排列。 其中，a亥些引晶顆粒J21的直徑實質相同，且每一引 晶顆粒121的直徑大致為〇 5公楚至4〇公爱。而上述引晶 顆粒121與坩鍋110内底面nl所界定之成核空間122，其 密度在此不加以限制，較佳為3〇%至9〇%。 再者，所述碳化物結構120(即上述引晶顆粒121)設置 於坩鍋11〇内底面lu上時，坩鍋11〇環側面112頂緣離内 6/15 M441675 ==為Sf—底面_ 叫父佳為_ m環側面》，碳化物結構⑽的高度 拯古夕，户、去讀面】】2而度D1的15%以下。 可不相上述條件的情況下’該曰顆极121 :==_若_粒12心= 的 的直魏佳為一環側面"2高㈣

ΐ間122。於實際應用時，較佳的排列方式為 曰曰顆粒121亦可為不規則狀，但 细地說，該些引晶顆粒121為外^實質相同的方 ^，且母-引晶_ 121的橫戴面(大致平行於内底面ιη) 邊長L大致為0.5純至4G Μ。並且，上述引晶顆粒ΐ2ι 與内底面111所界定之成核空間122，其密度較佳亦為 30%

至 90%。 綜上所述，定向凝固裝置100的碳化物結構12〇用以 於凝固矽熔湯200時，能抑制位於成核空間122内的矽熔 湯200之晶粒生長的尺寸。藉此，使得利用本實施例定向 凝固裝置100所形成的石夕鑄鍵(圖未示），可降低其内部之缺 陷。 ' 此外’由於本實施例所述之碳化物結構120(:或氮化物 結構、石墨结構）可在南溫丨哀境下不與碎反應且不分解，因 此’碳化物結構120(或亂化物結構、石墨結構)適於重複使 用。 7/15 粒πΠ。兄明一點’如圖7A戶斤示’其為本實施例於引晶顆 直徑為1mm時所形成的矽鑄錠213相較於習知未使 日結構時所形成之石夕鑄旋的兩者缺陷面積密度比較示 思圖。 ’ Α1 «I本實施例的矽鑄錠213經切割後位於中 、區域的日日碗，A2代表本實施例的碎铸鍵2丨3經切割後位 =側邊與角落區域的㈣。而B1代表習知的石夕鑄旋經切割 後位於中央區域的晶石定，B2代表習知的石夕鑄旋經切割後位 於侧邊與角落區域的晶碇。 由圖7A即可清楚得知，本實施例所形成的矽鑄錠213 相車乂於習知而言，其缺陷面積密度顯然得到大幅地改善， 具有習知技術無法預期之效果。 此外，本實施例的矽鑄錠213經切割後的晶碇，於其 底部的晶粒經測試後得知直徑約為〇.7cm。然而，習知的石夕 鑄錠經切割後的晶碇之底部晶粒直徑約為13至L8crn。也 就是說，本實施例所述定向凝固裝置1〇〇的碳化物結構12〇 用以於凝固矽熔湯200時，確實能抑制位於成核空間122 内的石夕炼湯200之晶粒生長的尺寸。 〔第二實施例〕 請參閱圖8至圖14，其為本創作的第二實施例，其中 ’圖8、11、13為本實施例的剖視示意圖，圖9、1〇、12 、14為本實施例的俯視示意圖。 本實施例與第一實施例類似’而兩者不同之處主要在 於碳化物結構120，故坩鍋110的構造不再復述，而碳化物 結構120的具體差異如下所述。 復參照圖8和圖9，所述碳化物結構120具有—基部 8/15 M441675 123及一突出部124。其中，上述基部i23呈板狀且具有相 對的一第一表面1231與一第二表面1232。上述突出部ι24 自基。卩123的第一表面1231延伸所形成，而基部丨23與突 ‘ 出邛I24包圍界定出一成核空間丨22。 : 更詳細地說，所述基部123的第二表面1232形狀與坩 鍋110内底面111形狀大致相同，當基部123第二表面〗 設置於_ 11G内底面]n上，基部123第二表面咖盘 坩鋼no内底面⑴之間大致呈無縫隙接觸，但不受限於 • 此。 所述突出部124包含數個橫向凸條124ι及數個縱向凸 條1242，上述橫向凸條】241與縱向凸條1242的縱截面（ 大致垂直於内底面111)之面積大致相同且呈方形(如·長方 形或正方形）。並且，所述橫向凸條1241與縱向凸條1242 彼此乂錯排列，以使上述成核空間122形成數個矩陣式排 列的開孔1221。 其中，每一開孔1221的橫截面(大致平行於内底面ηι) • 呈方开且其孔控D3自鄰近基部123朝遠離基部123的方 向皆大致相同。須說明的是，上述開孔】221的孔徑仍大 致為0.5公釐至4〇公釐，且其密度較佳亦為鄕至卯％， 但不受限於此。 此外，亦可透過改變橫向凸條】241及縱向凸條㈣ 的外型，而使所侧孔1221的橫截面被設計為圓形(如圖 川所示）或者使開孔咖的縱截面被設計為梯形(如圖n 和圖12所示）。 附帶說明-點，所述成核空間122除了形成上述開孔 】221之型態外，亦可如圖13和圖14所示，突出部⑶為 9/15 M441675 數個凸柱1243’且上述凸柱1243彼此間隔地呈矩陣式排列 ，以使成核空間122形成數個彼此交錯的長條狀溝槽1222 〇 其中，所述凸柱1243於本實施例中係以方柱為例，並 且溝槽1222的寬度D4大致為〇.5公釐至4〇公釐，且其密 度較佳亦為30%至90%，但不以上述為限. 八

再者，所述碳化物結構12〇設置於坩鍋11〇内底面1U 上時，坩鍋110環側面112頂緣離内底面lu的距離D1為 碳化物結構120頂緣離内底面ln的距離D2之至少五倍。 更詳細地說，碳化物結構120的高度D2較佳為掛 側面m高度01的15%以下。 巧110衣 藉此，本實施例的碳化物結構120所形成之成核空間 122，能抑制位於其内之晶粒生長的尺寸。藉以使得利用本 實施例定向凝固裝置1〇〇所形成的矽鑄錠(圖未示），可降低 其内部之缺陷。 _ 本實施例所述之碳化物結構12〇的較佳選擇為 結構。再者，就材質上來說，其亦可以為氮化物結構，且 較佳選擇為氮化石夕結構；或者為石墨結構。 但於實際應用時’只要碳化物結構12〇(或氮化石夕結構 、石墨結構)可在尚溫環境(如：矽熔料熔融成矽炫湯時的溫 度)下不與矽反應且不分解即可，並不受限於上述的碳化矽 結構或氮化矽結構。 此外，由於本實施例所述之碳化物結構12〇(或氮化物 結構、石墨結構）可在高溫環境下不與石夕反應且不分解，因 此，碳化物結構12〇(或氮化物結構、石墨結構)適於重複使 用。 10/15 、而補充說明的是’本實施例所述的碳化物結構120 β 以一體成型的板狀構造為例，但於實際應用時，碳化物= 構120亦可依设计者需求而加以變化。舉例來說碳化物 結構可為k合式的構造，亦即，透過數個碳化物： 形成如本實施例所述之板狀構造。 — 〔實施例的可能功效〕 综合來說，本創作實施例的定向凝固裝置，其透過β 化物結構（或氮化物結構、；5墨結構）所界定出的成核空= 三以使位於坩鍋底部的矽熔湯所凝固之晶粒具有較小的粒 咎，進而降低矽熔湯所凝固形成的矽鑄錠内部缺陷。, 再者，使用者可透過選用引晶顆粒之型態、以不同排 列方式設置引晶顆粒、或設計突出部之外型，以使成核* 間形成使用者所需之空間型態。 乂二 另，由於所述之碳化物結構（或氮化物結構、石墨結構 )可在向溫壞境下不與⑦反應且不分解，因此，碳化物結 或氮化物結構、石墨結構)適於重複使用。 ° 以上，述僅為本創作之實施例，其並非用以侷限本創 作之專利範圍。 【圖式簡單說明】 圖1為本創作第-實施例所述定向凝固裝置的剖視示意圖 圖2為圖1的俯視示意圖； 圖3為圖1另-排列形式的俯視示意圖； 圖4為本創作第—實施例所述定向凝固裝置之5丨晶顆粒排 列為兩層的剖視示意圖； 圖5為本創作第-實施例所較向凝固裝置之引晶顆粒為 11/15 M441675 另一態樣的剖視示意圖； 圖6為圖5的俯視示意圖； 圖7為本創作第一實施例所述定向凝固裝置的使用狀態示 意圖； 圖7A為本創作所形成之矽鑄錠相較於習知矽鑄錠兩者的 缺陷面積密度示意圖； 圖8為本創作第二實施例所述定向凝固裝置的剖視示意圖 圖9為圖8的俯視示意圖， 圖10為圖8另一態樣的俯視示意圖； 圖11為本創作第二實施例所述定向凝固裝置另一型態的 剖視示意圖； 圖12為圖11的俯視示意圖； 圖13為本創作第二實施例所述定向凝固裝置之突出部為 凸柱的剖視示意圖；及 圖14為圖13的俯視示意圖。 【主要元件符號說明】 100定向凝固裝置 Π0坩鍋 111内底面 112環側面 120碳化物結構 121引晶顆粒 122成核空間 1221開孔 1222溝槽 12/15 M441675 ]23基部 1231第一表面 1232第二表面 124突出部 1241橫向凸條 1242縱向凸條 1243凸柱 200矽熔湯 L引晶顆粒的橫戴面邊長 D1坩鍋環側面頂緣離内底面的距離 D2碳化物結構頂緣離内底面的距離 D3開孔的孔徑 D4溝槽寬度 13/15

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍： 置=向凝固裝置’用以凝固一石夕炼湯，該定向凝固裝 -坩t其包含一内底面及連接於該内底面的一環側面 ，Μ及 二二其設置於該增鍋内底面上，且該環側面 $緣離該内底面的距離為該碳化物結構頂緣離該内底 =的距離之至少五倍，該碳化物結構界定出—成核空 用以於凝固該石夕炫湯時，能抑制位於該成核空 内的矽熔湯之晶粒生長的尺寸。 明專利第1項所述之定向凝固裝置，其中該碳 物結構包含數個層狀地排列於該⑽内底面的引晶顆 ，’且該些引晶顆粒與該内底面包圍界定出該成核空間 如申叫專利範g第2項所述之定向凝固裝置，其中該些 =晶顆粒分別為直#相同之圓球狀，且每—引晶顆= 徑大致為〇. 5公f至4 0公楚，該些引晶顆粒彼此緊鄰 地排列。 如申睛專利範圍第2項所述之定向凝固裝置，其中該些 引晶顆粒分別為外餘_方柱，且每一引晶顆粒的& 戴面邊長大致為0.5公釐至4〇公釐，該些引晶顆粒彼此 間隔地呈矩陣式排列。 如申請專利範圍第1項所述之定向凝固裝置，其中該碳 化物結構具有一基部及一突出部，該基部呈板狀且具有 相^應的一第一表面與一第二表面，該突出部自該基部 的第一表面延伸所形成，且該基部與該突出部包圍界定 14/15 肌441675 出該成核空間’該基部的第二表面設置於該㈣内底面 上，且該基部的第二表面形狀與該坩鍋内底面形狀大致 相同。 6.如申請專利範圍第5項所述之定向凝固裝置，其中該突 出部包含數個橫向凸條及數贿向凸條，該些橫向= 與該些縱向凸條彼此交錯排列，以使該成核空間數 個矩陣式排列的開孔。 7’如申凊專利範圍第6項所述之定向凝固裝置，其中每一 =孔的孔徑自料該基部朝遠離該基部的方肖皆大致相 8·如申凊專利範圍第5項所述之定向凝固褒置， ==柱，該些凸柱彼此間隔地呈矩陣式： 吏^成核空間形成數個彼此交錯的溝槽。 I Ϊ申圍第1至8項中任-項所述之定向凝固裝 1〇 -箱Γ由#化物結構進一步限定為一碳化石夕結構。 .固裝置:::範圍至8項令任-項所述之定向凝 ==二=广置，其- 12.—種如申請專 固裝置m 令任一項所述之定向凝 、有一石墨結構以替代該碳化物結構。 15/15