用于获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备技术

本发明专利技术提供一种用于获取多晶硅的设备(1)，包括：至少一个由石英制成的用于硅的坩埚(1)，其可拆卸地嵌设在杯状石墨容器(4)中；流体密封罩壳(5)，包括固定的下半壳(6)和垂直移动的上半壳(7)；上感应线圈(12)，面对坩埚设置，在上感应线圈(12)与坩埚之间设有有石墨板(14)，侧感应线圈(16)，设置在石墨容器的侧壁(17)周围，下感应线圈(18)，面对石墨容器的下壁(19)设置，且可垂直移动用以改变其离下壁的距离(D)；装置(20)，用于彼此独立地为感应线圈提供交流电源；至少侧感应线圈(16)包括一个在另一个之上地设置的多个平面线匝(13a、…13e)，以及装置(25)，用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路、供电或不供电线匝，并用于同时全部或单独一次一个或多个地改变电源的频率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种通过半导体材料的熔化及其随后定向凝固获取多晶半导体材料，特别是硅的方法和设备。
技术介绍
对具有称为“太阳能纯度”的高纯度级别的半导体材料，特别是硅的需求越来越大，这是由于所述材料对生产高效光伏电池来说是必需的。为了获取这种材料，需要先通过传统的冶金方法进行提炼，最后形成铸块，然后从中切割得到生产光伏电池所需的晶圆。所述铸块采用被称为“定向凝固系统”(DSS)的方法而形成，即，通过在坩埚中熔化半导体材料，然后使其定向凝固，以最终获取到多晶硅。 为了获取定向凝固，需要通过在正在形成的铸块中维持垂直热梯度，以获取适当的冷却速率，使得凝固前沿的发展速度l-2cm/h，这样在坩埚中产生所述凝固。这种技术的优势在于原始材料中存在的杂质优先地残留在被熔化的材料中，因此与凝固前沿一起向上升起。一旦铸块被凝固，除去铸块自身的顶端部分便足以获取被提炼的所需纯度级别的多晶娃。为了获取该结果，需要能够对热流施加非常精确的控制，特别是阻止热量从坩埚中有任何横向泄露，即，阻止横穿凝固前沿的发展方向的热流，所述凝固前沿的发展方向是垂直的。在现有的DSS熔炉中，其通过电阻加热或感应加热，这是采用厚重的绝缘层获取到的，这些厚重的绝缘层增加了成本和熔炉的整个尺寸，因此增大了控制它的能耗水平。另夕卜，待提炼的固态半导体材料的熔化步骤需要长时间以及高能耗水平。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，通过提供一种用于获取具有“太阳能”纯度级别的多晶半导体材料、典型地为硅的设备和方法，其实施简单且廉价，能够可靠且有效地控制热流，且能够降低必要器件的整体尺寸和能耗水平。此处以及后续的“太阳能”纯度级别的意思是生产高效光伏电池所需的纯度级别。因此，本专利技术涉及一种根据权利要求I的用于半导体材料的熔化和随后定向凝固的设备，以典型地获取具有太阳能纯度级别的多晶硅，以及一种根据权利要求9的获取具有太阳能纯度级别的多晶半导体材料，典型地为硅的方法，采用所述半导体材料的熔化步骤和所述半导体材料的定向凝固的随后步骤。特别地，根据本专利技术该装置包括至少一个下感应线圈，其可垂直移动的，以能够在使用中改变其离设置在坩埚上的杯状石墨容器的下壁的距离，半导体材料在该坩埚中被提炼获取到；至少一个侧感应线圈，包括多个共轴设置的线匝，各线匝沿垂直方向一个在另一个之上地设置；以及用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝、或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与交流供电装置连接或断开的装置；另外，至少侧感应线圈包括用于同时全部或单独一次一个或多个地在至少两个不同值之间改变线匝的供电电源的频率的装置，一旦半导体材料已达到传导温度，通过感应产生对石墨和/或包含在坩埚中的半导体材料的选择性加热。用于改变线匝的供电电源的频率的装置包括第一电容电池和第二电容电池，其与用于同时全部或单独一次一个或多个地选择性短路所述线匝或者同时全部或单独一次一个或多个地分别与交流供电装置连接或断开的装置连接。该用于选择性短路线匝或分别与交流供电装置连接或断开的装置因此包括适当连接的一组开关。根据本专利技术的方法，定向凝固的步骤通过下述步骤获取得到去激活至少一个下感应线圈，然而，保持下感应线圈的线匝中的冷却剂流的循环状态；将下感应线圈靠近所述坩埚，直到其充分接触设置在坩埚下面的下电磁感受器；选择性地且彼此单独地依次激活和去激活至少一个侧感应线圈的一个或多个线 匝，线匝被制成在垂直方向上彼此共轴的线匝集合，以在使用中至少覆盖由熔融的半导体材料占据坩埚中的整个高度，以这种方式通过感应来实现设置在坩埚侧部的电磁感受器中的热量的区域化生成，以补偿坩埚自身的侧部热量泄露；以及选择性地每次短路侧感应线圈中的至少一个线匝，以逐渐增高的次序从线匝集合中选择待被短路的一个或多个线匝，以便用它/它们形成基本上跟随所述半导体材料的凝固前沿的电磁场屏蔽。另外，通过下述步骤来执行熔化步骤通过以第一预设频率(具有千赫兹级别)进行供电，激活设置在坩埚下部、上部和侧部的感应线圈，以通过电磁感应产生对电磁感受器的加热；当半导体材料被电磁感受器加热到变成传导性的温度时，将至少一个侧感应线圈以及可能的下感应线圈中至少一些线匝的供电电源的频率降低到第二预设频率(具有几十赫兹至几百赫兹级别)，其中，电磁感应的至少部分开始直接影响半导体材料。在这种方式下，熔化步骤以一种快速方式得到，且降低了能耗水平，以便在待熔化材料中直接产生至少部分所需能量，事实是通过电磁感受器还限制了由扩散产生的泄露。另外，特别通过对频率的适当控制，得到了对熔融的材料进行搅拌所产生的效果，使其更加均匀，将其达到理想条件后执行定向凝固。在后面的步骤中，还可以通过采用合适的温度传感器，基于本专利技术的阅读，干预各感应线圈，特别是通过短路侧感应线圈中的线匝和/或为侧感应线圈中的线匝单独供电，并使用去激活的下感应线圈作为冷却元件，可以维持对热流的极其良好的控制。附图说明本专利技术的进一步特点和优势将从实施例的下述非限制示例的描述中清楚地显示，参照附图以示例的方式完整地阐述本专利技术实施例，其中图I为根据本专利技术获取的设备的沿平行于其垂直对称轴方向的正视截面示意图，所述设备用于半导体材料的熔化和随后定向凝固，且以设计为能够装载待处理的半导体材料的结构来阐明；图2为再一次以横截面和正视图的形式显示了图I中设备的运行工作结构，其中仅半个被示出，省略部分与其相对称；图3和4再一次以横截面和正视图的示意图形式显示了图I和图2中设备的各结构细节的放大尺寸；以及图5和6再一次以示意图的方式显示了图I和图2中设备的一些组件的放大尺寸。具体实施例方式参照图I-图4，I整体指代的是用于半导体材料2的熔化和后续定向凝固的设备，典型地获取具有太阳能纯度级别的多晶硅。设备I包括至少一个用于半导体材料2的坩埚3，其优选地由石英或陶瓷材料制成，可拆卸地设置在杯状石墨容器4中；以及流体密封罩壳5，石墨容器4设置其中，该流体密封罩壳5由均为杯状的下半壳6和上半壳7界定；这些壳优选地由钢制成，通常彼此上下相对连接(图2)，它们的凹面彼此相对，各自的具有适当垫圈(未示出)的边缘8、9以流体密封的方式毗连在一起。 设备I还包括用于垂直地移动上半壳7远离下半壳6的装置10，如此情况下以这种方式使得罩壳5将呈现“开”结构，如图I所示，使得能够进入石墨容器4。根据本专利技术的一方面，下半壳6被垂直地固定安装在例如位于地面上的脚11上，同时,上半壳7以垂直移动的方式由支撑结构11来支撑，支撑结构11还支撑已知类型的移动装置10，以使得上半壳7能够朝远离或靠近下半壳6的方向移动。根据本专利技术的一方面，设备I还包括至少一个上感应线圈(或数个独立感应线圈组成的“块”)12，该感应线圈12包括各个线匝13，线匝13可做成例如基于平面螺旋的形状，其面对石墨容器4的口 15设置，且在石墨容器4与上感应线圈12之间至少设置有石墨板14;至少一个侧感应线圈(或数个独立感应线圈组成的“块”)16，在使用中，当半壳6、7对合在一起(图2)时，侧感应线圈16围绕石墨容器4的侧壁17设置；以及下感应线圈18，直接面对石墨容器4的下壁19设置。最后，设备I包括交流供电装置20，其是现有的，因此通过方框简单示意表示，其用于为感应线圈12、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：发布里奇奥·杜吉罗，米歇尔·福尔赞，达里奥·齐斯卡托，马里奥力诺·切萨诺，发布里奇奥·克里韦洛，保罗·贝尔纳比尼，
申请(专利权)人：赛亚特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：