CN101851782A - 一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，属于晶体硅铸锭炉技术领域。它解决了现有的多晶硅铸锭炉在制备时存在硅液内部温度梯度过小，造成籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间很短，难以控制最终结果的问题。本次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，在隔热笼内壁设有将隔热笼分隔成上腔室和下腔室的环形挡块，环形挡块的中间连通上下两个腔室。本发明能够延长了籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间，并且降低工艺难度，使得次单晶硅铸锭炉能够生产出品质接近单晶的次单晶硅。

Description

一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼

技术领域

本发明属于晶体硅铸锭炉技术领域，涉及一种能生产出接近单晶硅品质的次单晶硅铸锭炉，特别涉及这种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼。

背景技术

现有的晶体硅太阳能电池片主要由单晶硅片或者多晶硅片制成。由单晶硅片制成的太阳能电池片有着较高的转换效率，成品质量较好，但这种单晶硅片的制备存在生产周期长、能耗高、产量低、损耗大和非常依赖操作人员自身的素质等缺陷。由多晶硅片制成的太阳能电池片，其转换效率要低于由单晶硅片制成的太阳能电池片，品质也不高，但是多晶硅片的制备有着生产周期短、单位能耗低、产量大和自动化程度高等优势。

单晶硅片多采用提拉法制备单晶硅棒，然后通过切边滚圆等诸多工艺后，进行切片制得。单晶硅棒的制备过程是在单晶硅炉内将硅原料完全熔化，然后从炉顶伸入单晶籽晶，按照一定的工艺，慢慢提升籽晶，让熔化的硅液遵循籽晶的晶体模式，在籽晶的表面继续生长放大，最后出炉。

多晶硅片多采用基于热交换原理的定向凝固法进行铸锭，在多晶硅铸锭炉里将硅原料完全熔化，然后通过两至三处控制装置的调节，使得熔化的硅液自坩埚底部往上形成合适的温度梯度，硅液自发地在坩埚底部成核，然后在温度梯度的促使下，宏观上表现为自下而上凝固生长，形成多晶硅锭，然后通过剖方，切片制得。硅晶体在坩埚底部成核要受到温度、底部散热结构开度和坩埚内表面粗糙度等诸多因素影响，整个成核过程在宏观上表现出极大地随机性，即难以控制最终结果。所以定向凝固生长出来的晶体硅的晶粒和晶界众多，单个晶体生长模式不一，大小不同，杂质也容易侵入硅晶体，工艺上很难控制，导致多晶硅片品质不佳。

因此，有必要开发一种制备方法，通过该制备方法能够尽可能保留上述两种方法的优势并且克服上述两种方法所存在的缺陷。我们将这种制备方法所得到的晶体硅称为次单晶硅，因为次单晶硅的品质接近单晶硅的品质。该方法称为次单晶硅的制备方法，所使用的设备称为次单晶硅铸锭炉。

次单晶硅铸锭炉作为次单晶硅的制备设备，是通过现有多晶硅铸锭炉的基础上改进制得。现有的多晶硅铸锭炉如中国专利号为200710168125.5所公开的“一种多晶硅铸锭炉”，其包括支架、炉体和设置在炉体内的坩埚，在炉体内设置一个保温用的隔热笼，隔热笼和能上下活动的隔热板构成一个单独的腔室，在炉体上设置能够使隔热板上下移动的提升装置，在隔热笼内设置加热器和热交换台，热交换台设置在隔热板上方，坩埚放置在热交换台上，由加热器对坩埚加热。

这种多晶硅铸锭炉在铸锭时，硅液内部温度梯度过小，造成籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间很短，难以控制最终结果，才使得晶体硅的晶粒和晶界众多，单个晶体生长模式不一。如果需要在熔化阶段拉大温度梯度，可以采用外界接触式测量或者开笼熔化的方法。接触式测量直观，但风险很大，如果操作不慎则整个锭的质量就会大幅下降。而因硅液内部温度梯度小，使得炉内环境稍有变动，例如加热器更换、装料量改变和新的坩埚选用等，都需要重新测定。这样虽然能够合理控制籽晶的状态，但是却极大地延长了工艺时间，并增加了能耗。

发明内容

本发明针对多晶硅铸锭炉存在的上述问题，提供一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，以延长了籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间，并且降低工艺难度，使得次单晶硅铸锭炉能够生产出品质接近单晶的次单晶硅。

本发明通过下列技术方案来实现：一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，其特征在于，在隔热笼内壁设有将隔热笼分隔成上腔室和下腔室的环形挡块，环形挡块的中间连通上腔室和下腔室。

本发明由于环形挡块分隔，在坩埚放置在隔热笼内时，坩埚的底部位于下腔室，坩埚顶部位于上腔室内，上腔室内的高温热量被环形挡块所挡，无法直接辐射到下腔体，上部能量只能通过热传导以及边界层流动的方式输送到下腔室，热传递速度慢，可确保铺设在坩埚底部的单晶籽晶块在较长工作时间中不会完全熔化，延长了籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间，并且拉大了在熔化阶段的温度梯度，便于控制硅块熔化-结晶切换，降低工艺难度，并且籽晶覆盖面积可以得到扩大。

在上述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼中，所述的上腔室内设置加热器，加热器位于环形挡块的上方且两者之间存在间距。

在上述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼中，所述的下腔室内设置用于放置坩埚的热交换台，在热交换台放置有坩埚时，坩埚的底部位于环形挡块的下侧，坩埚的顶部位于环形挡块的上侧，且坩埚外侧壁与环形挡块之间存在间距。坩埚外侧壁与环形挡块之间存在间距为热量从上腔室进入到下腔室的通道。

在上述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼中，所述的隔热笼底部设有能够与隔热笼开合连接的隔热板，隔热笼的底部内侧壁设有能够与隔热板接触的密封凸环，所述的隔热板的顶面为一个平面。这种可以防止从坩埚中流出的液体不会积聚在隔热板上。

在上述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼中，所述的环形挡块采用与隔热笼相同的材料。

与现有技术相比，本发明将单腔室的隔热笼通过环形挡块分隔成双腔室的隔热笼，通过这个环形挡块，上腔室内的加热器产生的高温高热无法直接辐射到下腔室，使得下腔室的加热效率减慢，可确保铺设在坩埚底部的单晶籽晶块在较长工作时间中不会完全熔化，延长了籽晶在尚未熔化和完全熔化之间的时间。并且，由于下双腔室的热场中温度梯度大，且坩埚中部区域界面平整，本发明可以将籽晶覆盖面积扩大到780mm见方，并且能同时保证各个籽晶片的熔化、生长时刻吻合，能够生产出品质接近单晶的次单晶硅。隔热笼上下腔室的设计，在下腔室打开时，由于环形挡块的阻挡，上腔室内的热量流失缓慢，减少了能耗。

附图说明

图1是本发明次单晶硅铸锭炉的结构示意图。

图2是使用双腔体隔热笼时坩埚内硅熔液的温度场的变化图。

图3是使用单腔体隔热笼时坩埚内硅熔液的温度场的变化图。

图4是使用双腔体隔热笼进行铸锭实验得到的单晶籽晶硅块的实验结果图。

图5是使用双腔体隔热笼进行铸锭实验得到的可见籽晶保留厚度实验结果图。

图中，1、上炉体；2、下炉体；3、传动装箱；4、升降机；5、立柱；6、结合块；7、隔热笼；8、吊杆；9、加热器；10、馈电装置；11、环形挡块；12、支柱；13、热交换台；14、提升装置；15、隔热板。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本次单晶硅铸锭炉，包括上炉体1、下炉体2和立柱5，在上炉体1固定在立柱5上，且上炉体1与立柱5之间设置传动装箱3，传动装箱3内设置升降机4，下炉体2固接在升降机4上。上炉体1和下炉体2之间设置结合块6，升降机4通过结合块6可以将下炉体2整个部件脱离上炉体1从而使下炉体2打开。

上炉体1内安装有隔热笼7，通过吊杆8悬挂于上炉体1内并固定不动，在隔热笼7内四周包围安装着加热器9，通过馈电装置10将外部电能引入炉内，以加热多晶硅原料。隔热笼7中间的环形挡块11把隔热笼7分成上腔室和下腔室，环形挡块11采用与隔热笼7相同的材料制成，加热器9位于环形挡块11的上方且两者之间存在间距。

在下炉体2内，支柱12支撑着热交换台13，热交换台13上放置坩埚，坩埚16内承装着待加工的多晶硅原料。热交换台13位于下腔室内，该坩埚的底部位于环形挡块11的下侧，坩埚的顶部位于环形挡块11的上侧，且坩埚外侧壁与环形挡块11之间存在间距。在热交换台13的下方，隔热笼7底部设有能够与隔热笼7开合连接的隔热板15，隔热板15与提升装置14连接，这些组件构成下炉体部件。隔热笼7的底部内侧壁设有能够与隔热板15接触的密封凸环，隔热板15的顶面为一个平面。

隔热板15可按工艺需要，向上移动与隔热笼7底部合闭，封闭隔热笼7下腔室，向下则打开，以利于热交换台13对炉壁散热。

置于炉体不同部位的测温装置17、18用于测量工艺温度，置于上炉体1顶部的注气管19可向炉内注入所需要的工艺气体。置于下炉体2底部的高温岩棉20可将因事故而流出的硅液吸收，以保证铸锭炉的安全。

次单晶硅铸锭炉工作流程是，工作时，将单晶籽晶块按工艺铺设在坩埚底部，再在单晶籽晶块上装满硅原料。驱动升降机4，降下下炉体部件，将装满原料的坩埚放置在热交换台13上，然后合紧下炉体部件。隔热板15也向上封闭隔热笼7下腔室。加热原料，直至接近熔化。由于隔热笼是双腔室7设计，上腔室内热量在环形挡块11的阻挡下传递到下腔室速度缓慢，因此可确保铺设在坩埚底部的单晶籽晶块在较长工作时间内不会完全熔化。随后，调节提升装置14，带动隔热板15按工艺要求下降，同时改变加热器9发热功率，使隔热笼7内的温度发生变化，实现硅晶体的定向凝固。

具体来说，上腔室拥有一组大功率加热器9，为高温区域；下腔室仅有热交换台13和部分石墨坩埚，在晶体生长过程中该区域通过和炉壁进行热量交换来完成晶体的定向凝固。在熔化过程中，以环形挡块11为分界，上部加热效率高，由于强迫对流存在原因，所以传热效果好，熔化速度也快；环形挡块11下部区域无法得到加热器9的直接辐射，只能通过上部能量通过热传导以及边界层流动的方式输送下来。功率就会随着时间推进缓慢线性下降，同样的熔化速度随着工艺时间进行，也会越来越慢。熔化初期速度约为80mm/h，进入环形挡块11部分时，速度降为20-25mm/h，当进入底部30mm处，则速度降为约10-15mm/h，在这个阶段可以通过一，两次接触式测量确定籽晶位置。以后进行大规模铸锭时，就有至少2小时来判断并进行熔化/结晶切换，不需要反复测量，也不会影响到籽晶质量。

计算实例，保持热场其它结构不变，仅仅取消上下双腔室的环形挡块11，可以看到硅熔液中的温度场的变化。到达熔化-结晶切换阶段时刻，上下双腔室的热场中温度梯度可以达到约0.06℃/mm，且坩埚中部区域界面平整，见图2；单腔室热场的温度梯度明显偏低，大约为0.03℃/mm，只有双腔室热厂的一半，且更上凸，等温线不平整，见图3。由于下双腔室的热场中温度梯度大，且坩埚中部区域界面平整，控制熔化阶段的固液界面，使得单晶籽晶的利用率达到最大，将籽晶覆盖面积扩大到780mm见方，国外目前的技术最多都只能做到维持4-5块单晶籽晶的状态。通过精确的热场计算，使得硅晶体熔化末期和长晶初期阶段，固液界面在底部中央部分成水平状分布。将25块30mm厚籽晶片排成四方形放置在双腔体隔热笼7内的坩埚内，进行铸锭实验，通过实验结果可以得到，最初放入的25块30mm厚籽晶片都完好无缺的保留了下来。如图4，该硅块是最中央的硅块，可以看到多晶籽晶和晶体生长部分完美连在一起，籽晶摆放处晶体生长连续性非常完美，接近单晶硅的品质。如图5，该硅块为边部硅块，说明两块籽晶间距部分，存在着未熔化硅晶体，而这些硅晶体产生的气孔成水平分布，且高度为15mm。

Claims (5)

1.一种次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，其特征在于，在隔热笼(7)内壁设有将隔热笼(7)分隔成上腔室和下腔室的环形挡块(11)，环形挡块(11)的中间连通上腔室和下腔室。

2.根据权利要求1所述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，其特征在于，所述的上腔室内设置加热器(9)，加热器(9)位于环形挡块(11)的上方且两者之间存在间距。

3.根据权利要求1或2所述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，其特征在于，所述的下腔室内设置用于放置坩埚的热交换台(13)，在热交换台(13)放置有坩埚时，坩埚的底部位于环形挡块(11)的下侧，坩埚的其他部分位于环形挡块(11)的上侧，且坩埚外侧壁与环形挡块(11)之间存在间距。

4.根据权利要求3所述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，其特征在于，所述的隔热笼(7)底部设有能够与隔热笼(7)开合连接的隔热板(15)，隔热笼(7)的底部内侧壁设有能够与隔热板(15)接触的密封凸环，所述的隔热板(15)的顶面为一个平面。

5.根据权利要求4所述的次单晶硅铸锭炉的双腔体隔热笼，其特征在于，所述的环形挡块(11)采用与隔热笼(7)相同的材料。

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