CN102703968B - 一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法及装置。为了防止籽晶完全熔化，利用所述方法，在铸造单晶硅锭过程中的籽晶熔化阶段，通过控制保护气体流量变化，利用气流所带热量而不是加热器热量实现籽晶缓慢熔化，从而精确控制籽晶熔化程度，确保底部籽晶不完全熔化，正常生产出单晶硅锭。

Description

一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法及装置
技术领域
 本发明涉及一种铸造单晶过程中控制籽晶熔化程度的气流控制方法及装置。
背景技术
目前太阳能电池主要采用单晶硅片和多晶硅片来制造，其中单晶硅片具有晶界少、杂质低、少子寿命高的特点，对光的吸收和转换效率高；而多晶硅片则由于晶界多，杂质高，其制绒面对光的吸收转换效率要比单晶硅低1%-2%。单晶硅主要采用直拉法（Cz法）生产，单次投料量低，控制工艺要求高，产品成本较高；而多晶硅则多是采用定向凝固法，使用铸锭炉生产的，控制工艺要求比较低，且一次投料量大，产出多，成本低。
因此，采用多晶炉铸造单晶硅锭是一种结合多晶硅和单晶硅优势的生产方法。其所得硅锭既具有单晶硅的晶界少，少子寿命高等性能特点，同时也具有多晶硅的成本低、产量大的优势。
该铸造单晶方法主要实施过程为在石英坩埚底部铺上籽晶，并通过温度控制硅料熔化来使得熔融硅料的后续生长按底部籽晶晶向进行，从而生长出含有类似单晶体的硅锭。
在目前的铸造单晶制备工艺过程中，大多都是通过控制温度变化，使加热器热量产生变化来控制硅料以及籽晶熔化的程度，同时采用提升隔热笼高度的方法来减少底部籽晶的热量吸收。目前尚未见到通过气流控制热量来控制籽晶熔化程度的公开报道或专利申请。
铸锭炉底部籽晶高度较低，一般为5mm-50mm之间，在熔化时需要精确控制吸收热量，确保不过度熔化。铸锭炉加热器功率一般较大，且铸锭炉温度场为大惯性系统，温度变化稍有波动会导致铸锭炉温度场内热量变化较大，因此通过温度变化来控制加热器热量产生精确变化难度很大，很容易导致热量过大将底部籽晶全部熔化，这也是目前单晶硅锭的生产过程中仍然有籽晶完全熔完的情况发生的原因之一。若能够较好地解决铸造单晶籽晶熔化程度的精确控制问题，将有利于铸锭单晶的推广和发展。
发明内容
在多晶铸锭炉制备单晶硅锭的生产过程中，在硅料熔化阶段，为了防止籽晶完全熔化，本发明旨在提供一种铸锭炉铸造单晶硅料熔化过程中精确控制籽晶熔化程度的方法，通过控制气体流量从而控制气流传递热量，使底部籽晶不完全熔化，能较好解决铸造单晶过程中籽晶完全熔化的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法，在多晶铸锭炉内设有隔热笼，该隔热笼内设有控温热偶，所述多晶铸锭炉底部设有定向凝固块底部热偶，包括如下步骤：
1）、在多晶铸锭炉内的坩埚底部铺设籽晶层，籽晶层上放置多晶硅料，对炉体内抽真空至炉内压力为0.01mbar-0.05mbar，然后加热炉体，使多晶硅料受热开始熔化，当控温热偶温度为1450℃-1550℃时，向炉体内部通入保护性气体，使炉内压力达到500mbar-700mbar，同时提升隔热笼3-10cm，稳定时间为30min-500min；
2）、当定向凝固块底部热偶温度达到1150℃-1350℃时，保持控温热偶的温度及隔热笼的高度不变，向炉体内部通入保护性气体，流量为20-35L/min，稳定时间为30min-300min；
3）、保持控温热偶温度及隔热笼高度不变，当定向凝固块底部热偶温度达到1250℃-1400℃时，控制炉体内部通入保护性气体的流量为15-25L/min，稳定时间为30min-300min；
4）保持控温热偶温度及隔热笼高度不变，当定向凝固块底部热偶温度在1250℃-1400℃范围内，且温度变化量小于1℃/10min时，控制炉体内部通入保护性气体流量为10-20L/min，稳定时间为30min-300min；
5）、当控温热偶温度降至1410℃-1450℃时，进入籽晶长晶阶段。
根据本发明的实施例，所述向炉体内部通入保护性气体是通过设置在隔热笼顶部的石墨导气管通入的。
进一步地，本发明提供了一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的装置，包括多晶铸锭炉，所述多晶铸锭炉内设有隔热笼，所述隔热笼上设有向炉体内通保护气体的石墨导气管，所述隔热笼内设有控温热偶，所述多晶铸锭炉底部设有定向凝固块底部热偶。
由此，控温热偶用于检测隔热笼内的温度，定向凝固块底部热偶用于检测籽晶的受热温度。
所述石墨导气管优选设在多晶铸锭炉的顶部。
铸锭炉铸造单晶硅锭的工艺，一般是在炉体内坩埚底部铺设籽晶层，上面放置硅料，通过升温加热，使硅料逐渐熔化，但在熔化到底部籽晶层时，不能使底部籽晶完全熔化，在后续的长晶阶段，使熔化的硅料随着籽晶晶向生长，从而达到铸造单晶硅锭的目的。
本发明根据铸锭炉铸造单晶的工艺要求，在铸锭炉内硅料加热熔化过程中，熔化至底部籽晶高度时，保持温度及隔热笼高度不变，使炉内加热器产生的热量趋于稳定，减小加热器产生热量的波动。同时通过控制炉体内保护性气体的流动微调热量的传递，使炉体底部籽晶熔化程度主要受气流传递热量控制而不是加热器产生的热量控制，从而使籽晶熔化过程由于受热量较小而减缓，可精确控制籽晶熔化程度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本方法的运用，可以通过控制气流传递热量简单、有效的调整铸造单晶生产过程中炉体底部籽晶的熔化程度，使籽晶熔化速度减缓并可精确控制，进一步提高铸造单晶硅锭生产的成功率。
附图说明
图1是本发明一种实施例的原理示意图，
在图中：
1-石墨导气管；    2-隔热笼；           3-籽晶层；
4-控温热偶；       5-定向凝固块底部热偶。
具体实施方式
为使本发明更易于理解，目的、特征和优点更加突出，下面结合实例及附图1进行进一步说明。
一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的装置，如图1所示，包括多晶铸锭炉，所述多晶铸锭炉内设有隔热笼2，所述隔热笼顶部设有向炉内通保护气体的石墨导气管1，所述隔热笼2内设有控温热偶4，所述多晶铸锭炉底部设有定向凝固块底部热偶5
在炉体内坩埚底部铺设籽晶层3，上面放置多晶硅料，炉体通过抽真空方式保证炉内压力为0.01-0.05mbar，通过升温加热，使硅料逐渐受热开始熔化，当控温热偶4温度为1450℃-1550℃时，通入保护性气体，逐步使炉内压力达到500-700mbar，同时将隔热笼2提升5cm，稳定时间为50min；
第一步完成后，当定向凝固块底部热偶5温度达到1150℃-1350℃时，稳定控温热偶4温度及隔热笼2高度不变，通过隔热笼2顶部石墨导气管1向炉体内部通入保护性气体，流量为30L/min，稳定时间为60min；
第二步完成后，保持控温热偶4温度及隔热笼2高度不变，当定向凝固块底部热偶5温度达到1250℃-1400℃时，控制炉体内部通入保护性气体流量为20L/min，稳定时间为100min；
第三步完成后，保持控温热偶4温度及隔热笼2高度不变，当定向凝固块底部热偶5温度在1250℃-1400℃范围内，同时变化量到<1℃/10min时，控制炉体内部通入保护性气体流量为15L/min，稳定时间为70min；
然后控温热偶4温度降至1410℃-1450℃，进入籽晶长晶阶段。
利用上述方法，在铸造单晶硅锭过程中的籽晶熔化阶段，通过控制保护气体流量变化，利用气流所带热量而不是加热器热量实现籽晶缓慢熔化，从而精确控制籽晶熔化程度，确保底部籽晶不完全熔化，正常生产出单晶硅锭。
以上发明书中描述的只是本发明的具体实施方法，举例说明不对本发明的实质性内容构成限制，所属技术领域的技术人员在阅读了说明书以后可以对以前所叙述的具体实施方式做修改或者变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (2)

1.一种铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法，在多晶铸锭炉内设有隔热笼（2），该隔热笼（2）内设有控温热偶（4），所述多晶铸锭炉底部设有定向凝固块底部热偶（5），其特征是，包括如下步骤：
1）、在多晶铸锭炉内的坩埚底部铺设籽晶层（3），籽晶层（3）上放置多晶硅料，对炉体内抽真空至炉内压力为0.01mbar-0.05mbar，然后加热炉体，使多晶硅料受热开始熔化，当控温热偶（4）温度为1450℃-1550℃时，向炉体内部通入保护性气体，使炉内压力达到500mbar-700mbar，同时提升隔热笼（2）3-10cm，稳定时间为30min-500min；
2）、当定向凝固块底部热偶（5）温度达到1150℃-1350℃时，保持控温热偶（4）的温度及隔热笼（2）的高度不变，向炉体内部通入保护性气体，流量为20-35L/min，稳定时间为30min-300min；
3）、保持控温热偶（4）温度及隔热笼（2）高度不变，当定向凝固块底部热偶（5）温度达到1250℃-1400℃时，控制炉体内部通入保护性气体的流量为15-25L/min，稳定时间为30min-300min；
4）保持控温热偶（4）温度及隔热笼（2）高度不变，当定向凝固块底部热偶（5）温度在1250℃-1400℃范围内，且温度变化量小于1℃/10min时，控制炉体内部通入保护性气体流量为10-20L/min，稳定时间为30min-300min；
5）、当控温热偶（4）温度降至1410℃-1450℃时，进入籽晶长晶阶段。
2.根据权利要求1所述的铸造单晶过程中通过气流控制籽晶熔化程度的方法，其特征是，所述向炉体内部通入保护性气体是通过设置在隔热笼（2）顶部的石墨导气管（1）通入的。
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