Пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом та холодний тигель, використаний в ньому

Реферат: Винахід стосується пристрою та холодного тиглю для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом. Пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом включає холодний тигель з рухомим дном та чотирма стінками із секцій, що мають вертикальні щілини, причому кожна секція холодного тигля виконана з можливістю її вилучення і всі секції зафіксовані одна відносно іншої за допомогою діелектричних вставок. Крім того, в кожній секції, крім кутових, дві зовнішні бічні протилежні грані виконані як робочі поверхні, а інші дві грані мають заглиблення під діелектричну вставку. У кожній кутовій секції два бічні протилежні ребра виконані як робочі поверхні і є увігнуто-округленими, а на кожній грані кутової секції виконано заглиблення під діелектричну вставку. Пристрій також обладнаний протидеформаційними засобами тигля, що виконані у вигляді чотирьох діелектричних розпірних фіксуючих елементів, встановлених ззовні кутових секцій холодного тигля. Винахід забезпечує стабільність витягування зливків, збільшення строку експлуатації холодного тигля та підвищення ККД пристрою. UA 104640 C2 (12) UA 104640 C2 UA 104640 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Група винаходів стосується обладнання для отримання мультикристалічного кремнію індукційним методом, зокрема пристрою та холодного тиглю для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом, і можуть бути використані при виготовленні елементів сонячних батарей із мультикристалічного кремнію. Сонячні батареї, що дозволяють перетворювати сонячну енергію у електричну, виготовляють з кристалічного кремнію як монокристалічного, так і мультикристалічного полікристалічного кремнію, складеного великими кристалами. Інтерес до мультикристалічного кремнію постійно зростає, оскільки коефіцієнт корисної дії (ККД) сонячних батарей з мультикристалічного кремнію близький до ККД сонячних батарей з монокристалічного кремнію, а продуктивність обладнання з виробництва мультикристалічного кремнію у кілька разів вища за продуктивність обладнання з виробництва монокристалічного кремнію. Крім того, технологія отримання мультикристалічного кремнію простіша за технологію отримання монокристалічного кремнію. Мультикристалічний кремній отримують методом направленої кристалізації або індукційним методом. Метод направленої кристалізації включає розплавлення кремнієвої сировини в кварцовому або графітовому тиглі і кристалізацію отриманого розплаву у напрямку знизу вгору шляхом його переохолодження. Однак, процес отримання зливка мультикристалічного кремнію тривалий, плавлення кремнієвої сировини проводиться при високій температурі, що створює значне навантаження на тигель. В результаті тривалого перебування при високій температурі тигель пошкоджується і частинки графіту чи кварцу з тигля потрапляють до розплаву, що призводить до забруднення розплаву і порушення процесу кристалізації. Індукційний метод отримання мультикристалічного кремнію включає неперервну подачу кремнієвої сировини, індукційне її плавлення у ванні розплаву кремнію на рухомому дні холодного тигля, лиття розплаву за формою плавильного простору і кристалізацію зливка. В результаті при індукційному методі розплавлений кремній практично не контактує з холодним тиглем за винятком випадків проливання розплаву. Однак, в процесі вирощування зливків індукційним методом проливання розплаву і пошкодження внутрішньої поверхні стінок холодного тигля відбувається неминуче: виникнення електричних розрядів між секціями холодного тигля призводить до збільшення опору витягуванню зливка, до розриву гарнісажу та проливанню розплаву до стінок холодного тигля. Цей процес є лавиноподібним, оскільки розрив гарнісажу призводить до проливу розплаву до стінок холодного тигля, що в свою чергу збільшує опір на витягування зливка, особливо в місцях пошкоджень, і призводить знову до розриву гарнісажу. Існує ряд рішень, направлених на створення умов, що дозволяють зменшити періодичність проливання розплаву при індукційному методі отримання мультикристалічного кремнію, в тому числі за рахунок удосконалення холодного тигля. Відомий пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом, що включає камеру, до якої в верхній її частині приєднано пристрій для подачі сировини, а в нижній її частині знаходиться порт для витягування. Порт для подачі інертного газу знаходиться в верхній частині камери тавакуумний порт в нижній її частині. Холодний тигель, індуктор та нагрівачі, розташовані нижче холодного тигля, що разом є засобами отримання зливка, розміщені в центральній частині камери (US 2009/0044926 Α1, опубл. 19.02.2009 B22D 11/041 [1]). Холодний тигель являє собою циліндр з прямокутним поперечним перерізом, який є водоохолоджуваним. Нижня частина тигля розділена на секції, в той час як верхня залишається суцільною. Для збільшення стійкості холодний тигель виготовлений зі сплаву міді з берилієм, при цьому масова частка берилію складає 0.1-5 %. Однак, використання такого тиглю неекономічне і нетехнологічне через високу витрату електроенергії і суттєве пошкодження холодного тигля під час вирощування зливка. Так, електропровідність сплаву міді з берилієм з масовою часткою берилію, наприклад, 1.8-2.0 % становить 22-30 % від електропровідності чистої міді; а теплопровідність такого сплаву складає 105 Вт/мК, в той час як теплопровідність чистої міді близько 400 Вт/мК. В результаті збільшуються витрати енергії в холодному тиглі в процесі індукційної плавки, що призводить до зростання вартості вихідної продукції - зливка мультикристалічного кремнію. Крім того, оскільки проливання розплаву відбувається неминуче, то порушення умов кристалізації зливка призводить не тільки до деформації і руйнування секцій холодного тигля, але і до прогорання стінок холодного тигля через недостатній відвід тепла внаслідок значно меншої теплопровідності сплавів на основі міді порівняно з чистою міддю. 1 UA 104640 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найбільш близьким є пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом, що включає камеру, в якій встановлені засіб стартового розігріву кремнію, обхвачений індуктором холодний тигель з рухомим дном та чотирма стінками із секцій, що мають вертикальні щілини, які утворюють плавильний простір прямокутного чи квадратного поперечного перерізу, протидеформаційні засоби тигля, засоби переміщення, зв'язані з рухомим дном, і, розташоване нижче холодного тигля, відділення контрольованого охолодження, (WO/2011/077556 Α1, опубл. 30.06.2011 С01В 33//02) [2]. Протидеформаційні засоби тигля виконані у вигляді жорсткої конструкції із електроізоляційного матеріалу, прикріпленої до зовнішньої поверхні холодного тигля. В результаті проливання розплаву, яке відбувається неминуче під час плавлення сировини і витягування зливка, збільшується об'єм прилитого кремнію, і, відповідно, відбувається збільшення деформації стінок холодного тигля, незважаючи на їх закріплення, і збільшення зчеплення гарнісажу з внутрішньою поверхнею тигля. Таке збільшення зчеплення гарнісажу з внутрішньою поверхнею тигля і жорстко закріплені стінки по всьому периметру призводить до застрягнення зливка у холодному тиглі під час кристалізації. Вилучення зливка приводить до технологічних простоїв і потребує заміну холодного тигля і протидеформаційних засобів. Недоліком відомого пристрою є відсутність оптимальних умов для витягування зливка, що призводить до застрягнення зливка, а також короткий строк служби холодного тигля і протидеформаційних засобів, що знижує продуктивність пристрою. Найбільш близьким є також холодний тигель з рухомим дном та чотирма стінками із секцій, що мають вертикальні щілини, виконані з можливістю утворення плавильного простору прямокутного чи квадратного поперечного перерізу [2]. Недоліком відомого холодного тиглю є короткий строк його служби, що знижує продуктивність пристрою для отримання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом. Задачею винаходу є удосконалення пристрою для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом, в якому за рахунок запропонованого конструктивного виконання забезпечується стабільність витягування зливків мультикристалічного кремнію, можливість безперешкодного видалення зливка у разі його застрягнення, а також збільшення строку експлуатації холодного тигля. При цьому, у разі необхідності видалення застряглого зливка, внутрішня поверхня холодного тигля значно менше пошкоджується і поверхня допоміжного обладнання не пошкоджується, а у разі пошкодження окремих ділянок холодного тигля проводиться швидка заміна цих ділянок без заміни холодного тигля у цілому. Це призводить до підвищення ККД пристрою. Задачею винаходу є також удосконалення холодного тигля, в якому за рахунок запропонованого конструктивного виконання забезпечується збільшення строку експлуатації холодного тигля. Поставлені задачі вирішуються запропонованим пристроєм для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом і холодним тиглем, використаним в ньому. Запропонований пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію включає камеру, в якій встановлені засіб стартового розігріву кремнію, обхоплений індуктором запропонований холодний тигель з рухомим дном та чотирма стінками із секцій, що мають вертикальні щілини, які утворюють плавильний простір прямокутного чи квадратного поперечного перерізу, протидеформаційні засоби тигля, засоби переміщення, зв'язані з рухомим дном, і, розташоване нижче холодного тигля, відділення контрольованого охолодження. Згідно з винаходами, кожна секція холодного тигля виконана з можливістю її вилучення і всі секції зафіксовані одна відносно іншої за допомогою діелектричних вставок. При цьому кожна секція, крім кутових, являє собою прямий подовжений паралелепіпед з квадратом чи прямокутником в основі, де дві зовнішні бічні протилежні грані виконані як робочі поверхні, і кожна з інших двох зовнішніх бічних протилежних граней має заглиблення під діелектричну вставку. Кожна кутова секція холодного тигля виконана у вигляді прямого подовженого паралелепіпедоподібного елемента з квадратоподібною фігурою в основі, де два бічні протилежні ребра виконані як робочі поверхні і є увігнуто-округленими, і на кожній з чотирьох зовнішніх бічних граней кутової секції виконано заглиблення під діелектричну вставку. Протидеформаційні засоби тигля виконані у вигляді чотирьох діелектричних розпірних фіксуючих елементів, встановлених ззовні кутових секцій холодного тигля, в площині, поперечній повздовжній осі тигля. Зазначені діелектричні вставки забезпечують фіксацію секцій стінок холодного тигля одна відносно одної в напрямку, перпендикулярному площині стінки, і забезпечують необхідну ширину щілини між секціями. 2 UA 104640 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як говорилося вище, в процесі плавки кремнію і вирощування зливків індукційним методом відбувається неминуче пошкодження внутрішньої поверхні стінок холодного тигля, внаслідок виникнення електричних розрядів між секціями холодного тигля, що зумовлює розрив гарнісажу та призводить до проливу розплаву кремнію до стінки холодного тигля, розширенню кремнію при його кристалізації і збільшенню площі контакту зливка зі стінками холодного тигля, що, в свою чергу, призводить до збільшення опору на витягування зливка, особливо в місцях пошкоджень, і призводить знову до розриву гарнісажу. Пошкодження робочої (внутрішньої) поверхні холодного тигля унеможливлює неперервний процес отримання зливків мультикристалічного кремнію і призводить до погіршення якості матеріалу. Експериментально нами було встановлено, що запропоноване виконання кожної секції холодного тигля у вигляді незалежних секцій, з можливістю вилучення кожної з них, і, при цьому, такими, де секції мають дві робочі поверхні та фіксуються одна відносно одної за допомогою діелектричних вставок, а кутові секції додатково ззовні холодного тигля фіксуються за допомогою протидеформаційних засобів, дозволило забезпечити стабільність витягування зливків мультикристалічного кремнію, можливість безперешкодного видалення зливка у разі його застрягнення, а також збільшити строк експлуатації холодного тигля. Винахід демонструється, але не обмежується ілюстраціями, на яких зображено: Фіг. 1 - пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом (повздовжній розріз); Фіг. 2 - холодний тигель; Фіг. 3 - секція холодного тигля; Фіг. 4 - кутова секція холодного тигля; Фіг. 5 - діелектрична вставка між секціями холодного тигля; Фіг. 6 - секція холодного тигля зі вставкою, що розділяє вхідний та вихідний потоки охолоджуючої води. Пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом (Фіг. 1) включає камеру 1, зв'язану з бункером для шихти 2. В камері 1 встановлені засіб стартового розігріву кремнію 3, холодний тигель 4, обхоплений індуктором 5, і, розташоване нижче холодного тигля 4, відділення контрольованого охолодження 6. Холодний тигель 4 утворений рухомим дном 7 та секціями 8, між якими є вертикальні щілини 9. Рухоме дно 7 зв'язане із засобами переміщення 10 і виконане з можливістю вертикального переміщення вздовж відділення контрольованого охолодження 6. Секції 8, розділені вертикальними щілинами 9, утворюють чотири взаємно перпендикулярні стінки 11, 12, 13 і 14. Внутрішня поверхня холодного тигля 4 утворює плавильний простір 15 прямокутного чи квадратного поперечного перерізу, до якого потрапляє кускова шихта кремнію 16. Кожна стінка 11, 12, 13 і 14 холодного тигля 4 складається із секцій 8, кожна з яких виконана з можливістю її вилучення (Фіг.3). Кожна секція стінок, крім кутових, являє собою прямий подовжений паралелепіпед з квадратом чи прямокутником в основі, де дві зовнішні бічні протилежні грані виконані як робочі поверхні 17, і кожна з інших двох зовнішніх бічних протилежних граней має заглиблення 18 під діелектричну вставку 19. Кожна кутова секція 20 (Фіг. 4) виконана у вигляді прямого подовженого паралелепіпедоподібного елемента з квадратоподібною фігурою в основі, де два бічні протилежні ребра виконані як робочі поверхні 21 і виконані з радіусом, тобто є увігнуто-округленими, і на кожній з чотирьох зовнішніх бічних граней кутової секції виконано заглиблення 18 під діелектричну вставку 19. Холодний тигель 4 обладнаний протидеформаційними засобами у вигляді чотирьох діелектричних розпірних фіксуючих елементів 22, кожен з яких встановлений в площині, поперечній повздовжній його осі, вище індуктора, ззовні кутових секцій 20. Пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом додатково може містити опорну конструкцію із діелектрика, встановлену в камері 1 таким чином, що холодний тигель 4 знаходиться всередині опорної конструкції, і кожний з розпірних фіксуючих елементів 22 встановлений між відповідною кутовою секцією 20 холодного тигля 4 і опорною конструкцією із діелектрика. Пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом може бути виконаний і без опорної конструкції, при цьому кожний розпірний фіксуючий елемент 22 встановлений між відповідною кутовою секцією 20 холодного тигля 4 і стінкою камери (Фіг. 1). В кожну секцію 8, 20 встановлюється вставка 23 для розподілення вхідного та вихідного потоків охолоджуючої рідини (води). Кожна з секцій 8, 20 охолоджуваного тигля 4 виконані з міді і за допомогою внутрішньої та зовнішньої рамок приєднані до колектора. Колектор забезпечує подачу, розподілення і зливання охолоджуючої рідини (води). 3 UA 104640 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Засіб стартового розігріву кремнію 3 і рухоме дно 7 виконані з електропровідного матеріалу, наприклад графіту. Пристрій працює таким чином. Холодний тигель 4 встановлюють в камеру 1. Камеру 1 герметично закривають та створюють в ній контрольовану атмосферу. Рухоме дно 7 переміщують до верха охолоджуваного тигля 4 і обмежують плавильний простір 15 знизу. У плавильний простір 15 завантажують кускову шихту кремнію 16 з бункера для шихти 2 і вводять засіб стартового розігріву кремнію 3. Створюють високочастотне електромагнітне поле індуктором 5. Рухоме дно 7 і засіб стартового розігріву кремнію 3 нагріваються у електромагнітному полі індуктора 5 і за рахунок теплопередачі у плавильному просторі 15 нагрівається кускова шихта кремнію 16. Після досягнення температури 700-800 °С починається індукційне нагрівання шихти і її плавлення. Засіб стартового розігріву кремнію 3 видаляють з електромагнітного поля індуктора 5, а у плавильному просторі 15 за формою його поперечного перерізу формується ванна розплаву (Фіг. 1). Внаслідок теплопередачі по периферії ванни розплаву у стінок холодного тигля 4 відбувається кристалізація розплаву і утворюється гарнісаж, що утримує розплав від проливання розплаву з плавильного простору 15 і запобігає взаємодії розплаву кремнію з матеріалом стінок 11, 12, 13 і 14 холодного тигля 4. За рахунок електромагнітного поля індуктора 5 верхня частина ванни розплаву віджимається від стінок 11, 12, 13 і 14 холодного тигля 4 і утворюється меніск, на поверхню якого безперервно подають кускову шихту кремнію 16 з бункера для шихти 2. Кускова шихта кремнію 16 розплавляється, що збільшує гідростатичний тиск меніску. Рухоме дно 7 переміщують вниз із зони індуктора 5 і, по мірі процесу плавлення і руху зливка 24 вниз, в нижній частині ванни розплаву відбувається неперервна кристалізація розплаву кремнію і утворюється зливок мультикристалічного кремнію 24. Формований таким чином зливок мультикристалічного кремнію 24 неперервно переміщується вниз до відділення контрольованого охолодження 6. Переміщення здійснюють з такою швидкістю, щоб рівень розплаву залишався на незмінному рівні відносно індуктора 5 і холодного тигля 4, і неперервно проходила кристалізація зливка мультикристалічного кремнію. У відділенні контрольованого охолодження 6 здійснюють контрольоване охолодження зливка і знімання термічних напружень. За допомогою пристрою відрізання (не показано) проводиться відрізання блоків зливка. Після отримання зливка достатньої висоти згідно з програмою вирощування, зупиняють подачу шихти 16, опускають засіб стартового розігріву 3, закристалізовують ванну розплаву та проводять охолодження зливка 24 з одночасним його розрізанням на блоки за допомогою пристрою відрізання (не показано). Після вилучення зливка, розрізаного на блоки, відкривають камеру 1, проводять її чистку та знімають холодний тигель 4, проводять його чистку та огляд щодо пошкоджень секцій 8, 20. У разі виявлення пошкоджень на робочій поверхні принаймні однієї з секцій 8, 20 знімають колектор і пошкоджену секцію розвертають на 180° відносно її осі. В разі повторного пошкодження секції проводять її заміну. Після розвертання чи заміни пошкодженої чи пошкоджених секцій, секції 8, 20 приєднують до колектора, та холодний тигель 4 встановлюють в камеру 1. Були одержані зливки мультикристалічного кремнію у пристрої для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом запропонованої конструкції з використанням в ньому запропонованого холодного тигля з внутрішнім розміром у поперечному перерізі 350x350 мм . 2 Зливки мультикристалічного кремнію з розміром поперечного перерізу 350x350 мм були 2 отримані при витягуванні в холодному тиглі зовнішнього розміру 400400 мм складеного з незалежних секцій, кожна з яких виконана з можливістю її вилучення і всі секції зафіксовані одна відносно іншої за допомогою відповідної діелектричної вставки. Кожна секція, крім кутових, виконана у вигляді прямого подовженого паралелепіпеда з квадратом в основі, і дві зовнішні бічні протилежні грані виконані як робочі поверхні, а інші дві зовнішні бічні протилежні грані мають заглиблення під діелектричну вставку. Кожна кутова секція виконана у вигляді прямого подовженого паралелепіпедоподібного елемента з квадратоподібною фігурою в основі, при цьому два бічні протилежні ребра виконані як робочі поверхні і є увігнуто-округленими, а на кожній бічній грані виконано заглиблення під діелектричну вставку. Секції, в тому числі кутові, були зафіксовані між собою за допомогою діелектричних вставок. Кожна кутова секція холодного тигля була додатково зафіксована відповідним діелектричним розпірним фіксуючим елементом у вигляді клина, встановленого між холодним тиглем і опорною конструкцією із 2 діелектрика, що мала внутрішній розмір 409409 мм . Було проведено 25 плавок, які пройшли при стабільному витягуванні зливків мультикристалічного кремнію. Після 12-ї і 22-ї плавок було виявлено пошкодження трьох секцій 4 UA 104640 C2 5 стінки і однієї кутової секції холодного тигля. Пошкоджені секції були розвернуті під час огляду і чищення на 180° відносно своєї вісі. Заміни секцій не проводилися. Таким чином, запропоновані пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію і холодний тигель забезпечують стабільність витягування зливків мультикристалічного кремнію, можливість безперешкодного видалення зливка у разі його застрягнення, а також збільшення строку експлуатації холодного тигля, що в цілому підвищує коефіцієнт корисної дії пристрою. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 1. Пристрій для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом, що включає камеру, в якій встановлені засіб стартового розігріву кремнію, обхоплений індуктором холодний тигель з рухомим дном та чотирма стінками із секцій, що мають вертикальні щілини, які утворюють плавильний простір прямокутного чи квадратного поперечного перерізу, протидеформаційні засоби тигля, засоби переміщення, зв'язані з рухомим дном, і, розташоване нижче холодного тигля, відділення контрольованого охолодження, який відрізняється тим, що кожна секція холодного тигля виконана з можливістю її вилучення і всі секції зафіксовані одна відносно іншої за допомогою діелектричних вставок, при цьому кожна секція, крім кутових, являє собою прямий подовжений паралелепіпед з квадратом чи прямокутником в основі, де дві зовнішні бічні протилежні грані виконані як робочі поверхні, і кожна з інших двох зовнішніх бічних протилежних граней має заглиблення під діелектричну вставку, а кожна кутова секція виконана у вигляді прямого подовженого паралелепіпедоподібного елемента з квадратоподібною фігурою в основі, де два бічні протилежні ребра виконані як робочі поверхні і є увігнутоокругленими, і на кожній з чотирьох зовнішніх бічних граней кутової секції виконано заглиблення під діелектричну вставку, а протидеформаційні засоби тигля виконані у виглядічотирьох діелектричних розпірних фіксуючих елементів, встановлених ззовні кутових секцій холодного тигля, в площині, поперечній повздовжній осі тигля. 2. Холодний тигель для одержання зливків мультикристалічного кремнію індукційним методом, що включає рухоме дно та чотири стінки із секцій, що мають вертикальні щілини, виконані з можливістю утворення плавильного простору прямокутного чи квадратного поперечного перерізу, який відрізняється тим, що кожна секція холодного тигля виконана з можливістю її вилучення і всі секції зафіксовані одна відносно іншої за допомогою діелектричних вставок, при цьому кожна секція, крім кутових, являє собою прямий подовжений паралелепіпед з квадратом чи прямокутником в основі, де дві зовнішні бічні протилежні грані виконані як робочі поверхні, і кожна з інших двох зовнішніх бічних протилежних граней має заглиблення під діелектричну вставку, а кожна кутова секція виконана у вигляді прямого подовженого паралелепіпедоподібного елемента з квадратоподібною фігурою в основі, де два бічні протилежні ребра виконані як робочі поверхні і є увігнуто-округленими, і на кожній з чотирьох зовнішніх бічних граней кутової секції виконано заглиблення під діелектричну вставку. 5 UA 104640 C2 6 UA 104640 C2 7 UA 104640 C2 8 UA 104640 C2 9 UA 104640 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10