CN102644104A - 铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，涉及硅锭热场装置及材料，在GT铸锭炉或四面及顶部加热器的铸锭炉内，在坩埚护板或坩埚外，设置有4面的保温层。进一步：所述保温层设置于下述位置之一或之二或之三或之四：固定在坩埚护板上，或固定在坩埚与护板之间，或固定在隔热笼上，或固定在加热器上，或固定在导热块上。保温层的设置高度为1～650mm。保温层厚度为0.01～100mm。本发明的有益效果在于：在GT炉或四面及顶部加热器的铸锭炉中采用该装置，可显著改善化料及生长等温曲线；进而可使晶种固化在炉底，不熔化或漂浮，同时可进一步降低晶种高度，通过本方法，可将晶种控制在20mm以下。晶种高度的下降，可有效地降低生产成本。

Description

铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置
技术领域
本发明涉及晶体生长技术领域，进一步涉及硅锭热场装置及材料，具体是铸造法生产类似单晶硅锭热场装置及材料。
背景技术
生产硅锭的方法有：CZ法生产单晶硅锭，铸锭法生产多晶硅锭，FZ法生产单晶硅锭、EFG生产硅带等方法。由于成本问题，目前太阳能电池片主要使用CZ法单晶硅片和铸造法多晶硅片。CZ法单晶硅由于制造成本是铸锭多晶硅的4～5倍，能耗上高出5～7倍，导致CZ单晶硅的市场份额越来越少。但由于铸锭法生产多晶硅锭，存在大量的位错、晶界，使得铸锭法多晶硅片制成的电池片，存在效率偏低的情况，一直使铸锭法多晶硅锭无法完全取代CZ单晶硅锭。
在国际上，跨国巨头BP公司的对用铸锭炉生产类似单晶（准单晶）硅锭的工艺已开发多年，2010年被ALD收购，使得ALD多晶铸锭炉已经小规模开发出铸锭法生产类似单晶硅锭的设备和工艺。
目前，尚未见到针对利用在GT或四面及顶面加热器的铸锭炉生长类似单晶（准单晶），铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置的内容的公开报道或专利申请。
由于铸锭炉生长晶体需要从底部开始生长，类似单晶的生长也只能从底部开始，这就要求在硅料熔化时，底部的晶种不能熔化或漂起。由于GT铸锭炉或四面加顶部加热器的铸锭炉化料和生长温度曲线并不平整，如果没有好的化料及生长等温曲线，晶种在熔化过程中会出现边缘熔化而中心无法正常熔接的情况，必须需要30mm（毫米，下同）高度以上的晶种才能保持化料后，炉底依然有晶种存在。这样势必增加晶种成本，导致类似单晶成本偏高，无法批量化生产。或者导致无法生产类似单晶。
GT或四面及顶面加热器的铸锭炉一般现有技术即改进前的结构如图1所示，导热块1置于石墨坩埚底护板2下部，石墨坩埚底护板2上放置有陶瓷坩埚5；陶瓷坩埚5的侧部设置有石墨坩埚侧护板3；在陶瓷坩埚5（坩埚一般高度为400毫米至600毫米，必要时可加高）的四周上方设置有侧面加热器4，在陶瓷坩埚5的上方设置有顶部加热器6；侧面加热器4和顶部加热器6的四周设置有隔热笼7。未改进前形成的模拟等温曲线8如图1所示，由图1可看出，其化料及生长等温曲线不够平整。表明：如果不对热场温度梯度进行改进，将无法用GT或四面及顶面加热器的铸锭炉生产类似单晶（准单晶）。这就是到目前为止，没有使用GT或四面及顶面加热器的铸锭炉的厂家宣布能产准单晶的原因。
发明内容
本发明的目的就是提供一种铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，在GT炉或四面及顶部加热器的铸锭炉中采用该装置，可显著改善化料及生长等温曲线；进而可解决类似单晶晶种熔化问题，解决类似单晶生产的高成本问题。
本发明通过改变GT炉或四面加热器加顶部加热器的热场装置及材料，从而改变热场内部温度曲线，实现该目的。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：在GT铸锭炉或四面及顶部加热器的铸锭炉内，在坩埚护板或坩埚外，设置有4面的保温层。用于对护板或坩埚进行保温。
本发明的目的可通过以下方案进一步实现：
所述保温层设置于下述位置之一或之二或之三或之四：固定在坩埚护板上，或固定在坩埚与护板之间，或固定在隔热笼上，或固定在加热器上，或固定在导热块上。
所述的保温层可分为竖向保温层和水平保温层，其中竖向保温层的高度确保向上不超过坩埚护板及坩埚的上沿；向下不超过导热块下沿或不超过导热块的下沿100mm。
所述保温层设置为下列情形a、b、c、d之一或组合：
a所述保温层设置于坩埚护板外侧面上，从距坩埚底部向上1～650mm的位置为起始位置开始设置保温层；进一步是从距坩埚底部向上5～600mm的位置为起始位置开始设置保温层；再进一步是从距坩埚底部向上10～550mm的位置为起始位置开始设置保温层；从距坩埚底部向上设置保温层的具体起始位置可选择以下之一：1mm，5mm，10mm，50mm，90mm，130mm，170mm，210mm，250mm，290mm，330mm，370mm，410mm，450mm，490mm，530mm，550mm，570mm，600mm，650mm。保温层竖向设置。
b所述保温层设置于坩埚护板外侧面及导热块外侧面上，从距坩埚底部向下1～200mm的位置为起始位置开始设置保温层；进一步是从距坩埚底部向下5～170mm的位置为起始位置开始设置保温层；再进一步是从距坩埚底部向下10～150mm的位置为起始位置开始设置保温层；从距坩埚底部向下设置保温层的具体起始位置可选择以下之一：1mm，5mm，10mm，30mm，50mm，80mm，100mm，130mm，170mm，200mm。保温层竖向设置。
c所述保温层设置于坩埚护板内侧、坩埚外侧，从距坩埚底部向上1～650mm的位置为起始位置开始设置保温层；进一步是从距坩埚底部向上5～600mm的位置为起始位置开始设置保温层；再进一步是从距坩埚底部向上10～550mm的位置为起始位置开始设置保温层；从距坩埚底部向上设置保温层的具体起始位置可选择以下之一：1mm，5mm，10mm，50mm，90mm，130mm，170mm，210mm，250mm，290mm，330mm，370mm，410mm，450mm，490mm，530mm，550mm，570mm，600mm，650mm。保温层竖向设置。
d所述保温层设置于隔热笼或加热器或导热块上，从距坩埚底部±1～400mm的位置设置保温层；进一步是从距坩埚底部±10～350mm的位置设置保温层；再进一步是从距坩埚底部±20～300mm的位置设置保温层；具体位置可选择以下之一：1mm，5mm，10mm，20mm，50mm，100mm，150mm，200mm，250mm，300mm，350mm，400mm。保温层水平设置，保温层的宽度为50～500mm；进一步是100～450mm；再进一步是150～400mm。
具体保温层的宽度可选择以下之一：50mm，100mm，150mm，200mm，250mm，300mm，350mm，400mm，450mm，500mm。
所述保温层的高度为1～650mm；进一步是20～600mm；再进一步是50～550mm。
具体保温层的高度可选择以下之一：1mm，10mm，20mm，50mm，90mm，130mm，170mm，210mm，250mm，290mm，330mm，370mm，410mm，450mm，490mm，530mm，550mm，570mm，600mm，650mm。
所述的保温层厚度为0.01～100mm；进一步是0.1～60mm；再进一步是1～40mm。
具体保温层的厚度可选择以下之一：0.01mm，0.1mm，3.0mm，6.0mm，9.0mm，12mm，15mm，18mm，21mm，24mm，27mm，30mm，33mm，36mm，39mm，42mm，45mm，48mm，51mm，55mm，60mm，65mm，70mm，75mm，80mm，85mm，90mm，95mm，100mm。
所述保温层采用由内向外、由上至下或由上下至中部的2～5级上薄下厚或上下薄中部厚或上薄中下部厚的阶梯设置，相邻阶梯的保温层所采用的材料相同或不同。
所述的保温层的材料采用非金属保温材料或金属保温材料。
所述保温层的材料采用非金属保温材料，非金属保温材料包括下述材料之一或组合：石墨毡、陶瓷、石英、各种固化毡、纤维毡、碳毡、采用碳纤维或陶瓷纤维为主要原料制作的保温毡或保温块、氧化铝纤维毡、采用各种结构氧化铝纤维为主要原料的保温毡或保温块、采用各种结构氧化锆纤维为主要原料的保温毡或保温块。
所述保温层的材料采用金属保温材料，金属保温材料包括下述材料之一或组合：钨、钼及与熔点在1600摄氏度以上的高温合金。
所述非金属保温材料的导热系数在0.001～5W/m.K（瓦特/米·开尔文）之间；进一步非金属保温材料的导热系数在0.05～3W/m.K之间；再进一步非金属保温材料的导热系数在0.1～1W/m.K之间。
本发明的有益效果在于：在GT炉或四面及顶部加热器的铸锭炉中采用该装置，可显著改善化料及生长等温曲线；进而可使晶种固化在炉底，不熔化或漂浮，同时可以进一步降低晶种高度，通过本方法，可将晶种控制在20mm以下。晶种高度的下降，可有效地降低生产成本。
附图说明
图1为现有技术示意图；图2～5为本发明示意图。
图中：1、导热块，2、坩埚底护板，3、坩埚侧护板，4、侧面加热器，5、坩埚，6、顶部加热器，7、隔热笼，8、模拟的等温曲线，9、保温层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图2所示，导热块1置于坩埚底护板2（底护板一般为石墨材料制作）下部，坩埚底护板2上放置有坩埚5（一般为陶瓷坩埚）；坩埚5的四个侧部设置有坩埚侧护板3（侧护板一般为石墨材料制作）；在坩埚5（坩埚5一般高度为400mm至600mm，必要时可加高）的四周上方设置有侧面加热器4，在坩埚5的上方设置有顶部加热器6；侧面加热器4和顶部加热器6的四周设置有隔热笼7，其中下面的隔热笼7为固定，上面与四周的隔热笼7为一体，可提升。
四周环绕的保温层9（为图示清晰起见，仅画出一侧保温层9）设置于坩埚5的坩埚侧护板3与导热块1外部，紧贴于坩埚侧护板3与导热块1上；改进后形成的模拟等温曲线8如图2所示，由图中可以看出，其等温曲线明显平整，表明：改进后的热场已经具备生产类似单晶的基本条件。
其中，保温层9分竖向与水平向两处，竖向保温层分为三层，最内层材料为石墨毡，石墨毡的厚度为10mm，石墨毡上端与坩埚侧护板3上沿齐，下端与导热块1下端齐；整体的高度为1000mm（或1000mm左右）（本高度可称为保温层的高度，即多层保温层其中最大一单层的高度，可称为多层保温层的高度）。
中间层材料为石英，石英的厚度为5mm，石英上端距坩埚侧护板3上沿150mm（或150mm左右），下端与导热块1下端齐；整体的高度为850mm（或850mm左右）。
最外层材料为氧化铝纤维毡，氧化铝纤维毡的厚度为20mm，氧化铝纤维毡上端距坩埚侧护板3上沿450mm（或450mm左右），下端与导热块1下端齐；整体的高度为550mm（或550mm左右）。
3层竖向保温层9形成了由内向外、由上至下的上薄下厚的阶梯设置。
在导热块下边缘部分设置水平向保温层9，材料选择氧化铝纤维毡，宽度为300mm（或300mm左右），外端与竖向保温层的外沿齐，保温层厚度为20mm。
实施例2：
如图3所示，导热块1置于坩埚底护板2（底护板一般为石墨材料制作）下部，坩埚底护板2上放置有坩埚5（一般为陶瓷坩埚）；坩埚5的四个侧部设置有坩埚侧护板3（侧护板一般为石墨材料制作）；在坩埚5（坩埚5一般高度为400mm至600mm，必要时可加高）的四周上方设置有侧面加热器4，在坩埚5的上方设置有顶部加热器6；侧面加热器4和顶部加热器6的四周设置有隔热笼7，其中下面的隔热笼7为固定，上面与四周的隔热笼7为一体，可提升。
四周环绕的保温层9（为图示清晰起见，仅画出一侧保温层9）设置于坩埚5的坩埚侧护板3外部，不贴于坩埚侧护板3，紧贴于隔热笼7；改进后形成的模拟等温曲线8如图3所示，由图中可以看出，其曲线明显平整，表明：改进后的热场已经具备生产类似单晶的基本条件。
其中，保温层9为水平向一处，材料为碳纤维为主要原料制作的保温块，外边缘固定于隔热笼7上，位置处于坩埚5底部向上250mm（或250mm左右）的位置，保温块的宽度为300mm（或300mm左右），厚度为100mm（或100mm左右）。
实施例3：
如图4所示，导热块1置于坩埚底护板2（底护板一般为石墨材料制作）下部，坩埚底护板2上放置有坩埚5（一般为陶瓷坩埚）；坩埚5的四个侧部设置有坩埚侧护板3（侧护板一般为石墨材料制作）；在坩埚5（坩埚5一般高度为400mm至600mm，必要时可加高）的四周上方设置有侧面加热器4，在坩埚5的上方设置有顶部加热器6；侧面加热器4和顶部加热器6的四周设置有隔热笼7，其中下面的隔热笼7为固定，上面与四周的隔热笼7为一体，可提升。
四周环绕的保温层9（为图示清晰起见，仅画出一侧保温层9）设置于坩埚5的坩埚侧护板3外部，紧贴于坩埚侧护板3上；改进后形成的模拟等温曲线8如图4所示，由图中可以看出，其曲线明显平整，表明：改进后的热场已经具备生产类似单晶的基本条件。
其中，保温层9为竖向分为三层，最内层材料为碳毡，碳毡的厚度为5mm，端与坩埚侧护板3上沿齐，下端与导热块1下端齐；整体的高度约为1000mm（或1000mm左右）（本高度可称为保温层的高度，即多层保温层其中最大一单层的高度，可称为多层保温层的高度）。
中间层材料为碳毡，碳毡的厚度为10mm，碳毡上端距坩埚侧护板3上沿150mm，下端置于坩埚底护板2导热块1下端齐；整体的高度约为500mm（或500mm左右）。
最外层材料为钨高温合金，钨高温合金的厚度为0.1mm，钨高温合金下端与坩埚底护板2下端齐；整体的高度约为250mm（或250mm左右）。
3层竖向保温层9形成了由内向外、由上至下的上薄下厚的阶梯设置。
实施例4：
如图5所示，导热块1置于坩埚底护板2（底护板一般为石墨材料制作）下部，坩埚底护板2上放置有坩埚5（一般为陶瓷坩埚）；坩埚5的四个侧部设置有坩埚侧护板3（侧护板一般为石墨材料制作）；在坩埚5（坩埚5一般高度为400mm至600mm，必要时可加高）的四周上方设置有侧面加热器4，在坩埚5的上方设置有顶部加热器6；侧面加热器4和顶部加热器6的四周设置有隔热笼7，其中下面的隔热笼7为固定，上面与四周的隔热笼7为一体，可提升。
四周环绕的保温层9（为图示清晰起见，仅画出一侧保温层9）设置于坩埚侧护板3内侧、坩埚5外侧。改进后形成的模拟等温曲线8如图5所示，由图中可以看出，其曲线明显平整，表明：改进后的热场已经具备生产类似单晶的基本条件。
其中，材料选择碳纤维为主要原料的保温毡，高度与坩埚5同高，保温层厚度为20mm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：在GT铸锭炉或四面及顶部加热器的铸锭炉内，在坩埚护板或坩埚外，设置有4面的保温层。
2.根据权利要求1所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述保温层设置于下述位置之一或之二或之三或之四：固定在坩埚护板上，或固定在坩埚与护板之间，或固定在隔热笼上，或固定在加热器上，或固定在导热块上。
3.根据权利要求2所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述保温层设置为下列情形之一或组合：
a保温层设置于坩埚护板外侧面上，从距坩埚底部向上1～650mm的位置为起始位置开始设置保温层；保温层竖向设置，保温层的高度为1～650mm；保温层的厚度为0.01～100mm；
b所述保温层设置于坩埚护板外侧面及导热块外侧面上，从距坩埚底部向下1～200mm的位置为起始位置开始设置保温层；保温层竖向设置，保温层的高度为1～650mm；保温层的厚度为0.01～100mm；
c所述保温层设置于坩埚护板内侧、坩埚外侧，从距坩埚底部向上1～650mm的位置为起始位置开始设置保温层；保温层竖向设置，保温层的高度为1～650mm；保温层的厚度为0.01～100mm；
d所述保温层设置于隔热笼或加热器上，从距坩埚底部向上±1～400mm的位置为起始位置开始设置保温层；保温层水平设置，保温层的宽度为1～650mm；保温层的厚度为0.01～100mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述保温层采用由内向外、由上至下或由上下至中部的2～5级上薄下厚或上下薄中部厚或上薄中下部厚的阶梯设置，相邻阶梯的保温层所采用的材料相同或不同。
5.根据权利要求1或2或3所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述保温层的材料采用非金属保温材料，非金属保温材料包括下述材料之一或组合：石墨毡、陶瓷、石英、各种固化毡、纤维毡、碳毡、采用碳纤维或陶瓷纤维为主要原料制作的保温毡或保温块、氧化铝纤维毡、采用各种结构氧化铝纤维为主要原料的保温毡或保温块、采用各种结构氧化锆纤维为主要原料的保温毡或保温块。
6.根据权利要求4所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述保温层的材料采用非金属保温材料，非金属保温材料包括下述材料之一或组合：石墨毡、陶瓷、石英、各种固化毡、纤维毡、碳毡、采用碳纤维或陶瓷纤维为主要原料制作的保温毡或保温块、氧化铝纤维毡、采用各种结构氧化铝纤维为主要原料的保温毡或保温块、采用各种结构氧化锆纤维为主要原料的保温毡或保温块。
7.根据权利要求1或2或3所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述保温层的材料采用金属保温材料，金属保温材料包括下述材料之一或组合：钨、钼及熔点在1600摄氏度以上的高温合金。
8.根据权利要求4所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述保温层的材料采用金属保温材料，金属保温材料包括下述材料之一或组合：钨、钼及熔点在1600摄氏度以上的高温合金。
9.根据权利要求5所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述非金属保温材料的导热系数在0.001～5W/m.K之间。
10.根据权利要求6所述的铸造法生产类似单晶硅锭热场梯度改进装置，其特征在于：所述非金属保温材料的导热系数在0.001～5W/m.K之间。
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