[实用新型]用于长晶的坩埚单元

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种坩埚单元(crucible unit)，特别是涉及一种用于长晶的坩埚单元。

背景技术

多晶硅(polycrystalline Si)的晶粒尺寸(grain size)及形态影响到太阳能电池(solar cell)的性能。晶粒尺寸适中(如约10mm)且均一的多晶硅晶片(Si wafer)有助于提高太阳能电池的光电转化效率(photon-to-current conversion efficiency；PCE)。然而，此技术领域的相关技术人员皆知，欲得到晶粒尺寸适中且均一的晶粒，主要是取决于晶锭(ingot)在成长过程中，其初始的成核(nucleation)是否控制得当。

就成长一多晶硅晶锭的技术简单地来说，其主要是先将一硅原料放置在一石英(quartz)坩埚内并高温加热该硅原料，使石英坩埚内的硅原料因高温而融解成一硅熔汤；进一步地，通过该石英坩埚下方所设置的一定向取热块来对该硅熔汤进行吸热，使该硅熔汤自该石英坩埚底部朝上渐渐地凝固以成长出该多晶硅晶锭。

此技术领域的相关技术人员当知，由于晶体的法向生长速率(normal growth rate，Rn=c．ΔT)是与熔汤的过冷度(undercooling，ΔT)呈线性关系。所谓熔汤的过冷度(ΔT)，指的是晶锭在定向凝固成长的成核期，晶核(nucleus of crystalline)在石英坩埚底部内外的温度差。一旦石英坩埚底部的厚度相同时，晶核在石英坩埚底部内外的温度差便相同。因此，多晶硅晶锭在定向凝固成长过程中的成核期，石英坩埚底部便会不均匀地随机形成出一层杂乱分布的晶核。也正因为晶核的杂乱分布以致于晶核在晶粒成长的过程中，往往会受到周围其他相似晶粒的束缚，因而没有充分自由的成长空间，使得晶粒的成长受到限制，导致最终得到的晶粒尺寸不均。为解决晶粒尺寸不均的问题，此技术领域的相关技术人员近几年来也提出了一些解决的方案。

参图1与图2，中国授权公告号CN201962402U实用新型专利案公开一种多晶硅铸锭用石英坩埚1。该多晶硅铸锭用石英坩埚1包括：一个底壁11及一个围绕该底壁11的围壁12，并由该底壁11与该围壁12共同界定出一个容置硅原料的容置空间10。该底壁11形成有多个自该底壁11的一上表面朝下相间隔地凹陷的圆锥形凹坑111。该多晶硅铸锭用石英坩埚1的各圆锥形凹坑111设计的主要目的是在于，形成粗大且均匀的硅晶粒，进而提高多晶硅太阳能电池片的光电转换效率。

然而，该底壁11中的圆锥形凹坑111设计大多为尖锐轮廓；因此，该底壁11的应力集中因子(stress concentration factor)高。采用该多晶硅铸锭用石英坩埚1来制造成长硅晶铸锭时，该底壁11容易因其本身材质与硅熔汤两者间的高热膨胀系数(thermal expansion coefficient)差而诱发裂缝，进而使得该多晶硅铸锭用石英坩埚1破裂，并导致硅熔汤溢流的风险。

参图3与图4，中国台湾证书号M444886新型专利案公开一种用于制造硅晶铸锭的铸造模2。该用于制造硅晶铸锭的铸造模2，包括：一个底壁21及一个围绕该底壁21的围壁22，并由该底壁21与该围壁22共同界定出一容置硅熔汤(图未示)的容置空间20。该底壁21形成有多个自该底壁21的一上表面朝下相间隔地凹陷的弧形凹坑211；其中，各弧形凹坑211的尺寸是介于5mm至10mm间，且两相邻弧形凹坑211间距是介于0.1mm至10mm间。该用于制造硅晶铸锭的铸造模2主要是利用该底壁21的各弧形凹坑211，以避免该底壁21于硅晶铸锭的制造时诱发出裂缝，进而降低硅熔汤溢流的风险。

然而，所述弧形凹坑211布满于该铸造模2的底壁21；相对地，最终所完成的硅晶铸锭的底部也会在各弧形凹坑211对应处，形成有多个外观互补于各弧形凹坑211的弧形凸块(图未示)。因此，所述布满于硅晶铸锭底部的弧形凸块也导致该硅晶铸锭在纵向垂直切割(squaring)过程中，因各弧形凸块所残存的内应力而导致硅晶铸锭崩裂。因此，所述弧形凹坑211的设计无形中也降低了硅晶铸锭的有效使用率。

经上述说明可知，改良长晶用的坩埚结构以使得晶锭于成核期所形成的晶核得以较为均匀地分布于坩埚底部，并提高晶核在晶粒成长过程中的成长空间，以避免晶粒的成长受到限制，同时也提升晶锭的有效使用率，是此技术领域的相关技术人员所待突破的课题。

发明内容