CN103014853A - 多晶硅铸锭装置和铸锭方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多晶硅铸锭装置和铸锭方法，公开的铸锭装置包括容纳硅料的坩埚，其特征在于，还包括所述硅料熔化成硅液后向所述硅液中输送氩气的送气管，以及驱动所述送气管的出气端进出所述硅液的动力装置，所述送气管的进气端设于所述坩埚的外部，所述动力装置的动力输出端与所述送气管的出气端固定连接。在硅液中通入氩气，可以加速硅液中的杂质与硅液分离，使硅料中含有的杂质在分子运动的时候快速与硅液脱离，到达硅液表面并挥发出去，带走硅液中的杂质，从而增加杂质的挥发量，减少硅锭中的杂质含量，提高硅锭的质量。同时，向硅液中输送氩气是在硅料熔化成硅液后进行的，在硅液长晶过程前结束，此过程不会增长现有铸锭时间，不会影响现有铸锭工序，便于实现。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池片生产技术领域，特别是涉及一种多晶硅铸锭装置。此外，本发明还涉及一种利用上述多晶硅铸锭装置的铸锭方法。
背景技术
硅锭切割的硅片是制作光伏电池片的最根本的材料，硅锭质量的好坏直接影响光伏电池片的转换效率，而影响硅锭质量的最主要因素就是杂质的多少。
目前的铸锭工艺，首先是经过喷涂-装料工序后，再进入铸锭工序。
喷涂：硅料高温熔化后会与坩埚发生反应，引入杂质，并且造成粘锅，影响硅锭的质量，所以需要在坩埚与硅料之间喷涂一层氮化硅溶液，利用氮化硅可以有效的隔离硅料与坩埚，氮化硅溶液喷涂完成以后，再进行高温烘干，将氮化硅溶液中的水分蒸发，就可以使坩埚内壁附着一层氮化硅涂层。
装料：坩埚烘干以后，将散碎的硅料，按顺序、要求及重量将硅料装入坩埚中。
请参考图1，图1为现有技术中一种典型铸锭方法的工艺流程图。
装完料的坩埚就可以进行下一步的铸锭工艺，首先将装好料的坩埚装入铸锭专用设备-铸锭炉，按要求装好后，将铸锭炉合盖，合盖以后的铸锭炉，就形成一个密封的腔室，将装好硅料的坩埚密封在铸锭炉内部，开始运行铸锭工艺，整个铸锭工艺分6个过程，抽真空-加热-熔化-长晶-退火-冷却。
S11、抽真空：将铸锭炉密封腔室内的空气抽走，防止升温的过程中空气中的氧气与硅料发生氧化反应，影响硅锭质量。抽真空是利用真空泵将炉腔内的空气抽出，直到达到设备开启要求。
S12、加热：抽真空完成以后，进入加热阶段，加热是为了快速使硅料升温接近熔化温度，此时炉腔内的环境为真空环境，可以有利于将附着在硅料表面的水蒸气，通过抽真空的方法抽出，并且快速升温。
S13、熔化：熔化过程中，需要在密封的腔室内填充氩气，避免附着在坩埚内壁的氮化硅涂层发生分解反应。熔化开始后，密闭的腔室开始充气，按工艺程序充气到规定压力后，开始动态保持。动态保持的意思就是在保证进气稳定的同时，控制出气量的大小，从而保证炉腔压力不变，出气量的控制是通过专用的出气控制阀来控制的，炉腔的压力传感器，会将压力信号传输给压力中央控制器，中央控制器做出分析后，来控制出气控制阀的出气量，保证炉腔内压力。采用这种动态保持的方法，可以有效的保证炉腔内杂质挥发后利用空气带走。硅料开始熔化后，液体内易挥发杂质就会通过扩散的方式，到达液体表面挥发。但是这种扩散过程持续时间长，并且底部的杂质由于距液面较远扩散缓慢，往往还没有扩散到顶部，就已经开始结晶。整个熔化时间约为15个小时左右，并且还伴随的硅料的熔化，固定硅料内的杂质在没有变成液态硅之前无法进行挥发，而液面的面积有限，单位时间内的自由挥发量有限，在化料的过程中，固体硅随着熔化，杂质不断引入熔硅中，使液体中杂质会越来越多，整个熔化的时间短，大部分的可挥发杂质，还没有挥发就开始进入长晶段。
S14、长晶：熔化完成的硅料，开始进行长晶，长晶的过程是将炉腔内部的隔热装置向上升，液态硅从底部开始散热，底部的液态硅变成固态硅，并伴随着隔热装置的上升及热量的散失，缓慢向上凝固，大部分的易挥发杂质未挥发，就凝固到硅锭中，无法继续进行挥发。直至整个硅锭凝固完成，
S15、退火：由于长晶过程在底部开始，并伴随隔热笼升起，直至顶部，这样顶底之间因为散热的原因，就会存在一定得温度差，产生内应力。退火的作用就是在保证恒温环境下，消除温度差，从而消除内应力。
S16、冷却：在炉腔内快速冷却硅锭到出炉温度。
从上述工艺过程中不难看出，现有工艺是通过在熔化过程中采用自由挥发状态将硅溶液中的易挥发杂质挥发掉。但是，硅料熔化后时间过长会导致坩埚内部氮化硅涂层的破坏，所以，一般硅料熔化完成后就会开始降温到长晶温度，自由挥发时间较短，大部分的可挥发杂质还没有进行挥发，就进入长晶阶段，将杂质凝固在硅锭中，严重影响到硅锭本身的质量和性能。
因此，如何减少增加铸锭过程中杂质的挥发量，提高硅锭的质量，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多晶硅铸锭装置，该装置能有效提高铸锭过程中杂质的挥发量，提高硅锭的质量。本发明的另一目的是提供一种应用上述多晶硅铸锭装置的铸锭方法，以增加杂质的挥发量。
为实现上述发明目的，本发明提供一种多晶硅铸锭装置，包括容纳硅料的坩埚，还包括所述硅料熔化成硅液后向所述硅液中输送氩气的送气管，以及驱动所述送气管的出气端进出所述硅液的动力装置，所述送气管的进气端设于所述坩埚的外部，所述动力装置的动力输出端与所述送气管的出气端固定连接。
优选地，所述送气管包括固定段和升降段，所述坩埚的顶部设有加热器，所述固定段设于所述加热器的上部，所述升降段的出气端进出所述硅液。
优选地，所述固定段为具有盘状结构的石墨气管。
优选地，所述升降段包括陶瓷气管和石墨连接管，所述固定段的出气口连接所述石墨连接管的进气口，所述陶瓷气管的出气端进出所述硅料熔液。
优选地，所述石墨连接管的进气端和所述石墨气管的出气端均具有沿气流方向渐缩的斜面，两所述斜面相互配合。
优选地，所述陶瓷气管的内外表面均涂有氮化硅溶液。
优选地，所述动力装置包括伺服电机和丝杠，以及与所述丝杠配合的丝杠螺母，该丝杠螺母与升降段固定连接。
优选地，还包括控制所述伺服电机启停的压力传感器，该压力传感器设于所述升降段和所述丝杠螺母之间。
本发明还提供一种多晶硅铸锭方法，包括以下步骤：
1）将硅料装入坩埚中，加热至硅料熔化成硅液；
2）开启动力装置，驱动送气管进入硅液内部，向硅液内输送氩气；
3）硅液降温，驱动送气管退至硅液外部，停止输送氩气；
4）长晶。
本发明所提供的多晶硅铸锭装置，容纳硅料的坩埚，还包括所述硅料熔化成硅液后向所述硅液中输送氩气的送气管，以及驱动所述送气管的出气端进出所述硅液的动力装置，所述送气管的进气端设于所述坩埚的外部，所述动力装置的动力输出端与所述送气管的出气端固定连接。在硅液中通入氩气，氩气从硅液中向坩埚上部运动的过程中，会加速硅液内部分子的运动，达到快速搅拌的目的，加速硅液中的杂质与硅液分离，使硅料中含有的杂质在分子运动的时候快速与硅液脱离，到达硅液表面并挥发出去，带走硅液中的杂质，从而增加杂质的挥发量，减少硅锭中的杂质含量，提高硅锭的质量。
同时，向硅液中输送氩气是在硅料熔化成硅液后进行的，在硅液长晶过程前结束，此过程不会增长现有铸锭时间，不会影响现有铸锭工序，便于实现。
在一种优选的实施方式中，所述送气管包括固定段和升降段，所述坩埚的顶部设有加热器，所述固定段设于所述加热器的上部，所述升降段的出气端进出所述硅液。现有的铸锭工艺中，坩埚的顶部就设有加热器，将送气管的固定段设于加热器的上部，可以利用加热器将送气管中的氩气加热，避免温度较低的氩气进入硅液中对硅液的品质产生影响。此结构不仅可以减少新结构对铸锭工艺的影响，而且可以最大限度地利用现有设备，方便本发明的实施。
在另一种优选的实施方式中，动力装置包括伺服电机和丝杠，以及与所述丝杠配合的丝杠螺母，该丝杠螺母与升降段固定连接。启动伺服电机，使之带动丝杠正向转动，进而带动与丝杠配合的丝杠螺母，丝杠螺母再带动与之固定连接的升降段向下移动，使升降段的出气端进入硅液内，将氩气通入硅液中；反之，伺服电机反向转动，带动丝杠反向转动，丝杠螺母带动升降段向上移动，使升降段的出气端离开硅液，停止向硅液中通氩气。此传动方式运行平稳，可以确保系统的稳定性。而且，通过控制伺服电机的电流来控制转速，实现不同速度的转换，满足氩气输送需要。
在提供上述多晶硅铸锭装置的基础上，本发明还提供一种包括应用上述多晶硅铸锭装置的铸锭方法；由于多晶硅铸锭装置具有上述技术效果，应用该多晶硅铸锭装置的铸锭方法也具有相应的技术效果。
附图说明
图1为图1为现有技术中一种典型铸锭方法的工艺流程图；
图2为本发明所提供多晶硅铸锭装置一种具体实施方式中送气管插入硅液中的结构示意图；
图3为本发明所提供多晶硅铸锭装置一种具体实施方式中送气管未插入硅液中的结构示意图；
图4为本发明所提供固定段一种具体实施方式的结构示意图；
图5为本发明所提供石墨连接管与石墨气管一种具体实施方式的结构示意图；
图6为本发明所提供多晶硅铸锭方法一种具体实施方式的工艺流程图；
其中，坩埚2、伺服电机33、加热器4、石墨气管5、石墨连接管6、陶瓷气管7、压力传感器8、连接杆9。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种多晶硅铸锭装置，该装置能有效提高铸锭过程中杂质的挥发量，提高硅锭的质量。本发明的另一核心是提供一种应用上述多晶硅铸锭装置的铸锭方法，以增加杂质的挥发量。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图2和图3，图2为本发明所提供多晶硅铸锭装置一种具体实施方式中送气管插入硅液中的结构示意图；图3为本发明所提供多晶硅铸锭装置一种具体实施方式中送气管未插入硅液中的结构示意图。
本发明所提供的多晶硅铸锭装置，容纳硅料的坩埚2，还包括硅料熔化成硅液后向硅液中输送氩气（可以用其它惰性气体代替）的送气管，以及驱动送气管的出气端进出硅液的动力装置，送气管的进气端设于坩埚2的外部，动力装置的动力输出端与送气管的出气端固定连接。在硅液中通入氩气，氩气从硅液中向坩埚2上部运动的过程中，会加速硅液内部分子的运动，达到快速搅拌的目的，加速硅液中的杂质与硅液分离，使硅料中含有的杂质在分子运动的时候快速与硅液脱离，到达硅液表面并挥发出去，带走硅液中的杂质，从而增加杂质的挥发量，减少硅锭中的杂质含量，提高硅锭的质量。
同时，向硅液中输送氩气是在硅料熔化成硅液后进行的，在硅液长晶过程前结束，此过程不会增长现有铸锭时间，不会影响现有铸锭工序，便于实现。
在一种具体的实施方式中，送气管包括固定段和升降段，坩埚2的顶部设有加热器，固定段设于加热器的上部，升降段的出气端进出硅液。现有的铸锭工艺中，坩埚2的顶部就设有加热器，将送气管的固定段设于加热器的上部，可以利用加热器将送气管中的氩气加热，避免温度较低的氩气进入硅液中对硅液的品质产生影响。此结构不仅可以减少新结构对铸锭工艺的影响，而且可以最大限度地利用现有设备，方便本发明的实施。
请参考图4，图4为本发明所提供固定段一种具体实施方式的结构示意图。
具体地，固定段为具有盘状结构的石墨气管5。石墨具有较好的导热性，固定段采用石墨材料可以有效起到传热作用，提高氩气的温度。同时，氩气进入石墨气管5后，加热器会为氩气升温，设置为盘状结构可以加长氩气在石墨气管5内的运动距离，提高氩气的加热时长，使氩气的温度升高达到要求温度。
进一步地，升降段包括陶瓷气管7和石墨连接管6，固定段的出气口连接石墨连接管6的进气口，陶瓷气管7的出气端进出硅液。陶瓷气管7可以耐高温，其进入硅液中不会发生物理、化学反应。石墨连接管6与石墨气管5作用相同，也能起到有效导热的作用，有利于提高氩气温度。
其中，陶瓷气管7与石墨连接管6固定连接，可以在石墨连接管6的下方设置内螺纹，陶瓷气管7采用外螺纹，利用螺纹连接将石墨连接管6和陶瓷气管7到一起。
请参考图5，图5为本发明所提供石墨连接管与石墨气管一种具体实施方式的结构示意图。
石墨连接管6与石墨气管5之间通过斜面连接，即石墨连接管6的进气端和石墨气管5的出气端均具有沿气流方向渐缩的斜面，且两斜面相互配合。石墨连接管6与石墨气管5连接时，两个渐缩的斜面相互配合，可以起到导向的作用，使石墨连接管6与石墨气管5之间能快速连接，提高连接准确性。同时，石墨连接管6和石墨气管5一者的内表面为渐缩斜面，另一者的外表面为渐缩斜面，可以在两者连接时起到限位的作用，使动力装置带动石墨连接管6与石墨气管5连接时，其可靠性更高。
同时，可以在陶瓷气管7的内外表面均涂有氮化硅溶液。氮化硅性质稳定，与硅料及陶瓷气管7均不发生反应，可以有效的隔离硅料与陶瓷气管7，也不会污染硅料，确保硅锭的质量。
在一种具体的实施方式中，上述的动力装置可以包括伺服电机和丝杠，以及与丝杠配合的丝杠螺母，该丝杠螺母与升降段固定连接。启动伺服电机，使之带动丝杠正向转动，进而带动与丝杠配合的丝杠螺母，丝杠螺母再带动与之固定连接的升降段向下移动，使升降段的出气端进入硅液内，将氩气通入硅液中；反之，伺服电机反向转动，带动丝杠反向转动，丝杠螺母带动升降段向上移动，使升降段的出气端离开硅液，停止向硅液中通氩气。此传动方式运行平稳，可以确保系统的稳定性。而且，通过控制伺服电机的电流来控制转速，实现不同速度的转换，满足氩气输送需要。
具体地，还可以在丝杠螺母与石墨连接管6之间设置刚性连接杆9，以连接丝杠螺母与石墨连接管6。
进一步地，可以在升降段和丝杠螺母之间的压力传感器8，该压力传感器8用于控制伺服电机启动或停止。压力传感器8可以检测到升降段下降时的压力感应，当压力传感器8接收到一定的压力信号后，压力传感器8就会传出相应的电信号给中央处理器，中央处理器就会控制伺服电机停止，从而停止升降段运动，主要作用为了使升降段下方的石墨连接管6与石墨气管5的接口处能结合紧密配合，防止漏气，并且还可以防止升降段向下运动的过程中损坏其他器件，提高系统的可靠性。
请参考图6，图6为本发明所提供多晶硅铸锭方法一种具体实施方式的工艺流程图。
除了上述多晶硅铸锭装置，本发明还提供一种应用上述多晶硅铸锭装置的铸锭方法，具体包括下述步骤：
S21将硅料装入坩埚2中，加热至硅料熔化成硅液；此步骤与现有技术中的铸锭方法相同，不赘述；
S22开启动力装置，驱动送气管进入硅液内部，向硅液内输送氩气；启动伺服电机，带动送气管的升降段下降，直到石墨连接管6和石墨气管5的斜面连接部分闭合后，升降段与丝杠螺母之间的压力传感器8受压，伺服电机停止转动，石墨气管5开始通氩气，氩气在石墨气管5运动的过程中，受顶部加热器的加热，达到一定的温度，进入石墨连接管6，并通过陶瓷气管7通入硅溶液中，通过氩气带动硅液中的杂质挥发，控制好气量，直到硅液降温到熔点。
S23硅液降温，驱动送气管退至硅液外部，停止输送氩气；当硅液温度降到结晶温度后，开始结晶，停止向硅液中输送氩气，升降段上升，带动陶瓷气管7脱离硅液。此过程是在熔化完成到长晶开始的这一段时间进行的，所以不影响现有程序的进行，程序运行完成以后，将铸造好的硅锭出炉，更换陶瓷气管7，准备下一炉硅锭的铸造。
S24长晶。此工序及后续工序均与现有技术相同，在此不赘述。
以上对本发明所提供的多晶硅铸锭装置和铸锭方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种多晶硅铸锭装置，包括容纳硅料的坩埚，其特征在于，还包括所述硅料熔化成硅液后向所述硅液中输送氩气的送气管，以及驱动所述送气管的出气端进出所述硅液的动力装置，所述送气管的进气端设于所述坩埚的外部，所述动力装置的动力输出端与所述送气管的出气端固定连接。
2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述送气管包括固定段和升降段，所述坩埚的顶部设有加热器，所述固定段设于所述加热器的上部，所述升降段的出气端进出所述硅液。
3.根据权利要求2所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述固定段为具有盘状结构的石墨气管。
4.根据权利要求3所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述升降段包括陶瓷气管和石墨连接管，所述固定段的出气口连接所述石墨连接管的进气口，所述陶瓷气管的出气端进出所述硅料熔液。
5.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述石墨连接管的进气端和所述石墨气管的出气端均具有沿气流方向渐缩的斜面，两所述斜面相互配合。
6.根据权利要求5所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述陶瓷气管的内外表面均涂有氮化硅溶液。
7.根据权利要求1至6任一项所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述动力装置包括伺服电机和丝杠，以及与所述丝杠配合的丝杠螺母，该丝杠螺母与升降段固定连接。
8.根据权利要求7所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，还包括控制所述伺服电机启停的压力传感器，该压力传感器设于所述升降段和所述丝杠螺母之间。
9.一种多晶硅铸锭方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将硅料装入坩埚中，加热至硅料熔化成硅液；
2）开启动力装置，驱动送气管进入硅液内部，向硅液内输送氩气；
3）硅液降温，驱动送气管退至硅液外部，停止输送氩气；
4）长晶。
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