[发明专利]半导体材料固结和/或结晶系统的热交换器

说明书

技术领域

本发明涉及通过由坩埚或模具底部排热在坩埚或模具中的半导体定向固结的技术领域。优选地，本发明涉及这样的材料：材料具有大于10⁹J/m³的潜热，和/或在其固相中小于50W/m.℃的导热率，和/或具有大于0.01℃.m²/W的热阻的材料/坩埚副。本发明尤其涉及可冷却坩埚或模具中容纳的材料、尤其是用于光伏应用的半导体材料的交换器。本发明还涉及使用这种交换器的半导体材料的固结和/或结晶方法。

背景技术

在高熔点（>1000℃）材料在坩埚中定向固结的方法中，例如在多晶光伏硅锭的制备方法中，定向固结通过对坩埚底部的受控冷却产生。如图1所示，在现有技术中，热通量通过从布置在坩埚下方的一组件（往往是支承坩埚的组件）辐射而被排出。更确切的说，液相M_L和固相M_S材料，也就是部分地定向固结的材料，被容纳在上部具有开口的坩埚Cr中。坩埚置于可能用作其机械支承件的热组件S_R上。热组件通过可控制热组件和冷组件这两个组件之间的热交换的装置，将从材料排出的热通量向冷组件S_F传递。热交换的控制例如通过决定辐射的构件F_v利用辐射进行（按照视觉系数）。以补充的方式，热交换控制也可例如通过热组件和冷组件之间的热传导来进行。

排出的热通量在高值上受限于热交换原理、热组件S_R和冷组件S_F的表面面积、热组件S_R和冷组件S_F之间的视觉系数、所用材料的性能（导热率、发射率）以及组件的温度，所述温度并非不受排出的热通量的影响。材料（液相M_L和固相M_S）处排出的热通量不管怎样都小于坩埚下方的组件所排出的热通量。

排出的热通量在低值上或受限于隔热性，或受限于热组件加热带来的供热，隔热实施部件取决于排热所采用的物理原理（辐射屏、无接触导热）。在后一种情况下，热通量始终从热组件排出，但可以消除或极大地减少坩埚C_R和热组件之间的热通量，因而消除或极大地减少从材料排出的热通量。去除热量的最有效的措施在于包括：

-尽可能低的下限，

-尽可能高的上限，以及

-这两个极限之间的尽可能连续的调节范围，这由在理想的情况下可预测和可重复地控制的和可实现的部件进行，无需附加的消耗品。

换句话说，寻求通过在可实现的范围中改变热通量而可调节的热量（或出自材料的热通量）的排除，这可能意味着使用坩埚或特殊材料，用以达到所述范围的极限。

用于光伏应用的硅的定向固结领域中所使用的和已知的所有工业用系统或实验室用系统，共同地都需可调节通过以下方式经过布置在坩埚下面的装置所排出的热通量，或者：

-主要通过辐射：

在这种情况下，调节用下述方式进行：

o屏（例如GT国际太阳能公司推销的DSS450HP装置上）的移动，其限定热组件的辐射表面和冷组件的表面之间的视觉系数，

o热组件（例如晶体系统公司推销的热交换器法装置上）的辐射表面相对于冷组件的表面的移动，所述辐射例如穿过屏进行，

o通过加热对坩埚下面的热组件（例如ALD真空技术GmgH公司推销的SCU400＋或SCU800＋装置上）的温度控制，用于固定在上限排除条件的排除系统，即由坩埚下面提供的热通量调节的不可调排热，以从材料排除较少的热量。

-主要通过传导：

在这种情况下，调节用下述方式进行：

o通过在其中注入相对较冷的流体，控制坩埚下面的冷组件的温度（例如晶体系统公司推销的氦冷却热交换器法装置上），

o使热组件和冷组件通过可控热阻接触的移动。

在第一类装置中，热通量的变化通过辐射交换表面积的变化获得，最大热通量受限于最大交换表面积，其至多接近热组件的水平截面面积。

在第二类装置中，传导/对流交换的热通量的变化在一种情况下通过流体流量变化获得，在另一种情况下通过分开两个导板的气体的厚度的变化获得。最大热通量于是或者受限于流体的最大流量、导热率和热容率，或者受限于被置于接触的两个板之间的热阻，其产生于相对的两个表面的不可避免的平面度缺陷。