CN103397379A

CN103397379A - 一种高效多晶硅锭铸锭炉

Info

Publication number: CN103397379A
Application number: CN2013103579416A
Authority: CN
Inventors: 林洪峰; 冯媛; 李书森; 刘兴翀; 兰洵; 龙巍; 赵秀生
Original assignee: Tianwei New Energy Holdings Co Ltd
Current assignee: Tianwei New Energy Holdings Co Ltd
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明公开了一种高效多晶硅锭铸锭炉，包括炉体（1）、设置在炉体（1）内的隔热笼体（2）、设置在隔热笼体（2）内的石英坩埚（4），石英坩埚（4）底面贴附有底板（6），底板（6）主要由至少2种不同导热系数的板体构成，导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部。本发明技术方案带来的有益效果在于：通过改变侧部加热器上下各部位的热量供应能力和坩埚四周护板、底板与DS散热块各部位的热传导能力，可以有效控制铸锭炉内部的温场分布，改善熔化和长晶界面中心上凸现象，使固液界面趋于平坦，且有利于长晶过程中杂质的排出，从而产出杂质含量少、晶粒相对均匀的高效多晶硅锭。

Description

一种高效多晶硅锭铸锭炉

技术领域

本发明涉及多晶硅锭铸锭技术，具体是一种受热均匀、熔硅均匀的高效多晶硅锭铸锭炉。

背景技术

众所周知，能源是国民经济的命脉，是许多国家制定全球战略的首要问题。然而今天，

能源短缺和环境问题已成为全球能源问题的主题。如何有效开发利用清洁无污染的可再生能源就成为人类的一件迫在眉睫的事情。太阳能是取之不尽用之不绝的绿色能源，在太阳能的利用中，光电转换应用最为广泛，光伏电池是目前市场上最主要的一种产品，它以多晶硅作为基材，故硅晶体的制备是光伏电池的基础。

多晶硅铸锭炉是一种硅原料重熔再结晶设备，用于生产太阳能级多晶硅锭。在实际生产中，经过加热熔化、定向长晶、退火、冷却等步骤，将多晶硅原料制备成沿一定方向生长的多晶硅锭。硅原料重熔再结晶过程是在多晶硅铸锭炉的热场中进行，它由隔热笼组件、石墨加热器、DS散热块等零部件组成。热场不仅为多晶硅熔化提供所需的热能，在长晶过程中又提供一个温度梯度场，从而形成定向凝固。高品质多晶硅锭的生产，关键就在于能否精确地控制热场内的温度梯度，形成一个理想的固液界面条件。

然而，现有的多晶硅铸锭炉热场设计存在较大的缺陷，难以获得合理的温度分布，很难使固液界面达到理想状态，从而影响了多晶硅锭的品质。

现有技术的技术方案：现有的多晶硅铸锭炉内部热场大多由隔热笼组件、石墨加热器、DS散热块等零部件组成，在实际生产过程中，炉内温场通过这些零部件共同作用形成。目前，生产所用的石墨加热器整体宽度和厚度相同，从而各部位具有相同的供热能力；坩埚护板和底板均为等静压石墨板，各部位的导热能力相同；而现用的DS散热块呈台阶状，顶部四周均空出一部分，铸锭时空缺部分用与台阶尺寸相同的隔热保温条填充；再通过上下移动隔热笼体，达到开启和闭合隔热笼体的目的，进而调节炉内温场分布，实现高效多晶铸锭过程。

现有技术的缺点：现有的多晶硅铸锭炉内部热场设计，由于石墨加热器各部位供热能力相同、坩埚护板和底板各部位的导热能力相同，而与底板接触的DS散热块和保温条的导热能力不同，保温条具有隔热保温的作用，加之坩埚四周和顶部均有供热能力相同的石墨加热器供热，从而导致坩埚四周的温度高于坩埚中部，使得温度梯度分布不均，如图6所示，造成熔化界面和长晶界面中心向上凸起，且中心上凸现象自坩埚顶部到底部越来越明显，晶体内部杂质就会偏聚或沉淀，改变晶界的电活性，显著降低少数载流子的寿命，极大的影响了高效多晶硅锭的品质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效多晶硅锭铸锭炉，旨在解决高效多晶硅锭铸锭过程中熔化和长晶阶段固液界面中心上凸现象，使径向温度梯度趋向于零，提升高效多晶硅锭的品质。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种高效多晶硅锭铸锭炉，包括炉体、设置在炉体内的隔热笼体、设置在隔热笼体内的石英坩埚，石英坩埚底面贴附有底板，底板主要由至少2种不同导热系数的板体构成，导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部。

本发明的设计原理为：由于原有的底板的每个区域的散热能力相同，因此加热器各部位供热能力相同的情况下，石英坩埚四周和顶部均有供热能力相同的石墨加热器供热，从而导致坩埚四周的温度高于石英坩埚中部石英坩埚，使得温度梯度分布不均。为了解决这个问题，本发明采用至少2种不同导热系数的板体构成底板，采用导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部的方式形成可在不同区域导热量不同的底板，当将上述改进后的底板放置在石英坩埚底面后，由于导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部，因此石英坩埚底面中心区域的散热效率低下，而石英坩埚周围区域对应导热系数大的板体，因此石英坩埚周围区域的散热效率高，这样使得石英坩埚周围区域和熔化速度下降，保证石英坩埚中心区域的熔化速度增加，如此一来可使得石英坩埚内部的固态硅料熔化的速度在任何一个点位的都趋于一致。以达到温度梯度分布均匀的目的。

优选的，底板主要由3种不同导热系数的板体构成，分别为：板体A、板体B、板体C，板体A的导热系数＜板体B的导热系数＜板体C导热系数，板体A嵌套在板体B内，板体B嵌套在板体C内。还可以优选的，底板主要由4种不同导热系数的板体构成，分别为：板体A、板体B、板体C、板体D，板体A的导热系数＜板体B的导热系数＜板体C导热系数＜板体D导热系数，板体A嵌套在板体B内，板体B嵌套在板体C内，板体C嵌套在板体D内。

底板可以视为导热系数最小板体和外围层叠的板体构成，导热系数最小的板体位于整个底板的中心区域，沿着导热系数最小的板体的四周依次层叠设置若干个导热系数依次增大的板体环，除导热系数最小的板体外，其余的板体均为环板结构。外围层叠的板体可以为矩形环，也可以为圆形环，视石英坩埚底面形状而定。

优选的，导热系数最小的板体中心点与石英坩埚底面中心点对齐。一面出现受热不均匀的现象。

还包括设置在石英坩埚四周面至隔热笼体区间的侧面加热器。

另外，除了上述解决方法外，本发明的侧面加热器的电阻自上而下逐步减小。开有对加热源进行改进，使得侧面加热器下部的供热能力小于上部的供热能力，辐射到坩埚四周的热量自上而下也就逐步减少，从而缓解上述现象。

另外，除了上述解决方法外，侧面加热器的电阻宽度在石英坩埚顶部指向底板方向上，从上至下宽度逐渐增大，从而导致侧面加热器的电阻自上而下逐步减小。使得侧面加热器下部的供热能力小于上部的供热能力，辐射到坩埚四周的热量自上而下也就逐步减少，从而缓解上述现象。

石英坩埚四周面贴附有护板。

护板靠近底板一端通过绝热材料板与底板连接。由于石英坩埚外敷的护板靠近底板一端通过绝热材料板与底板连接，因此石英坩埚下部的导热系数较小，在硅料熔化阶段可以减少一部分热量传向坩埚，从而缩小坩埚内部径向温度差，降低坩埚四周硅料的熔化速度，使熔化界面趋于平坦。

底板远离石英坩埚的一端连接有矩形的DS散热块。另外，本发明去掉DS散热块顶部四周的隔热保温条，将原本呈台阶状的DS散热块制作成长方体式样或正方体式样，使DS散热块整个顶部均与底板相接触，坩埚四周的部分热量则可通过DS散热块热传导的方式传递出去，增加其散热量，降低坩埚四周的温度，平衡坩埚内部的径向温差。以本发明的结构进行生产，从而生长出杂质含量少、晶粒相对均匀的柱状晶体，提升高效多晶硅锭的品质。

石英坩埚正上方设置有顶部加热器。

本发明技术方案带来的有益效果在于：通过改变侧部加热器上下各部位的热量供应能力和坩埚四周护板、底板与DS散热块各部位的热传导能力，可以有效控制铸锭炉内部的温场分布，改善熔化和长晶界面中心上凸现象，使固液界面趋于平坦，且有利于长晶过程中杂质的排出，从而产出杂质含量少、晶粒相对均匀的高效多晶硅锭。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为现有技术坩埚底板俯视示意图；

图3为本发明提供的坩埚底板俯视示意图；

图4为现有技术DS散热块侧视示意图；

图5为本发明提供的DS散热块侧视示意图；

图6为现有技术硅料熔化界面示意图；

图7为本发明结构中硅料熔化界面示意图。

图中的附图标记分别表示为：1-炉体，2-隔热笼体，3-护板，4-石英坩埚，5-硅熔体，6-底板，7-DS散热块，8-顶部加热器，9-固态硅料，10-侧面加热器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1至图7所示。

一种高效多晶硅锭铸锭炉，包括炉体1、设置在炉体1内的隔热笼体2、设置在隔热笼体2内的石英坩埚4，石英坩埚4底面贴附有底板6，底板6主要由至少2种不同导热系数的板体构成，导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部。

本发明的设计原理为：由于原有的底板的每个区域的散热能力相同，因此加热器各部位供热能力相同的情况下，石英坩埚四周和顶部均有供热能力相同的石墨加热器供热，从而导致坩埚四周的温度高于石英坩埚中部石英坩埚，使得温度梯度分布不均。为了解决这个问题，本发明采用至少2种不同导热系数的板体构成底板6，采用导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部的方式形成可在不同区域导热量不同的底板，当将上述改进后的底板放置在石英坩埚4底面后，由于导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部，因此石英坩埚4底面中心区域的散热效率低下，而石英坩埚4周围区域对应导热系数大的板体，因此石英坩埚4周围区域的散热效率高，这样使得石英坩埚4周围区域和熔化速度下降，保证石英坩埚4中心区域的熔化速度增加，如此一来可使得石英坩埚4内部的固态硅料熔化的速度在任何一个点位的都趋于一致。以达到温度梯度分布均匀的目的。

实施例2：

如图1至图7所示。

本实施例与实施例1 的区别在于，优选的，底板6主要由3种不同导热系数的板体构成，分别为：板体A、板体B、板体C，板体A的导热系数＜板体B的导热系数＜板体C导热系数，板体A嵌套在板体B内，板体B嵌套在板体C内。还可以优选的，底板6主要由4种不同导热系数的板体构成，分别为：板体A、板体B、板体C、板体D，板体A的导热系数＜板体B的导热系数＜板体C导热系数＜板体D导热系数，板体A嵌套在板体B内，板体B嵌套在板体C内，板体C嵌套在板体D内。

底板6可以视为导热系数最小板体和外围层叠的板体构成，导热系数最小的板体位于整个底板的中心区域，沿着导热系数最小的板体的四周依次层叠设置若干个导热系数依次增大的板体环，除导热系数最小的板体外，其余的板体均为环板结构。外围层叠的板体可以为矩形环，也可以为圆形环，视石英坩埚4底面形状而定。

优选的，导热系数最小的板体中心点与石英坩埚4底面中心点对齐。一面出现受热不均匀的现象。

实施例3：

如图1至图7所示。

本实施例在实施例1的基础上，还包括设置在石英坩埚4四周面至隔热笼体2区间的侧面加热器10。

另外，除了上述解决方法外，本发明的侧面加热器10的电阻自上而下逐步减小。开有对加热源进行改进，使得侧面加热器下部的供热能力小于上部的供热能力，辐射到坩埚四周的热量自上而下也就逐步减少，从而缓解上述现象。

另外，除了上述解决方法外，侧面加热器10的电阻宽度在石英坩埚4顶部指向底板方向上，从上至下宽度逐渐增大，从而导致侧面加热器10的电阻自上而下逐步减小。使得侧面加热器下部的供热能力小于上部的供热能力，辐射到坩埚四周的热量自上而下也就逐步减少，从而缓解上述现象。

实施例4：

如图1至图7所示。

本实施例在实施例1和实施例2的基础上，石英坩埚4四周面贴附有护板3。

护板3靠近底板6一端通过绝热材料板与底板6连接。由于石英坩埚外敷的护板靠近底板6一端通过绝热材料板与底板6连接，因此石英坩埚下部的导热系数较小，在硅料熔化阶段可以减少一部分热量传向坩埚，从而缩小坩埚内部径向温度差，降低坩埚四周硅料的熔化速度，使熔化界面趋于平坦。

实施例5：

如图1至图7所示。

本实施例在实施例1和实施例2的基础上，底板6远离石英坩埚的一端连接有矩形的DS散热块7。另外，本发明去掉DS散热块顶部四周的隔热保温条，将原本呈台阶状的DS散热块制作成长方体式样或正方体式样，使DS散热块整个顶部均与底板相接触，坩埚四周的部分热量则可通过DS散热块热传导的方式传递出去，增加其散热量，降低坩埚四周的温度，平衡坩埚内部的径向温差。

实施例6：

如图1至图7所示。

本实施例在实施例1和实施例2的基础上，石英坩埚4正上方设置有顶部加热器8。

实施例7：

如图1至图7所示。

本发明的总设计方案为：包括炉体、隔热笼体、护板、石英坩埚、硅熔体5、底板、DS散热块、顶部加热器、固态硅料9、侧面加热器。石英坩埚采用现有的热场结构生产高效多晶硅锭时，由于顶部加热器、侧部加热器各部位具有相同的供热能力，坩埚外敷护板和底板也具有相同的导热能力，而与底板接触的DS散热块和保温条的导热能力不同，DS散热块顶部外径设置保温条，保温条具有隔热保温的作用，造成坩埚四周的温度高于中部，炉内径向温度梯度较大，固液界面呈波浪式、中心向上突起，且中心上凸现象自坩埚顶部到底部越来越明显，如图6所示。这样一来，石英坩埚底部的结晶层一开始就存在应力，不利于高效多晶硅锭的生长。而本发明所设计的热场结构，由于石英坩埚外敷的护板3连接绝热材料板，导热系数较小，在硅料熔化阶段可以减少一部分热量传向坩埚，从而缩小坩埚内部径向温度差，降低坩埚四周硅料的熔化速度，使熔化界面趋于平坦。同时坩埚底板6从中心到外围分别采用导热系数不同的材料制成，如图3所示，导热系数A区<B区<C区,中心采用导热系数较小的材料，减少中心的热量损失，外围则采用导热系数较大的材料，增强四周的导热能力，从而缓解熔化界面中心上凸现象。另外，本发明去掉DS散热块7顶部四周的隔热保温条，将原本呈台阶状的DS散热块制作成长方体式样，使整个顶部均与坩埚底板相接触，坩埚四周的部分热量则可通过热传导的方式传递出去，增加其散热量，降低坩埚四周的温度，平衡坩埚内部的径向温差。针对熔化界面中心上凸现象自坩埚顶部到底部越来越明显，本发明将侧部加热器10制作成上下宽度、厚度均不一致的样式，使加热器的电阻自上而下逐步减小，在同样的条件下，加热器下部的供热能力小于上部的供热能力，辐射到坩埚四周的热量自上而下也就逐步减少，从而缓解上述现象，使固液界面进一步趋于平坦，如图7所示，从而生长出杂质含量少、晶粒相对均匀的柱状晶体，提升高效多晶硅锭的品质。上述石英坩埚简称坩埚。

上述针对DS散热块的改进方案、底板的改进方案、侧面加热器的改进方案、护板的改进方案均可以单独实施，当四个方案结合和效果最佳。

如上则可较好的实现本发明。

Claims

1.一种高效多晶硅锭铸锭炉，包括炉体（1）、设置在炉体（1）内的隔热笼体（2）、设置在隔热笼体（2）内的石英坩埚（4），其特征在于：石英坩埚（4）底面贴附有底板（6），底板（6）主要由至少2种不同导热系数的板体构成，导热系数小的板体嵌套在导热系数大的板体内部。

2.根据权利要求1所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：底板（6）主要由3种不同导热系数的板体构成，分别为：板体A、板体B、板体C，板体A的导热系数＜板体B的导热系数＜板体C导热系数，板体A嵌套在板体B内，板体B嵌套在板体C内。

3.根据权利要求1所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：导热系数最小的板体中心点与石英坩埚（4）底面中心点对齐。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：还包括设置在石英坩埚（4）四周面至隔热笼体（2）区间的侧面加热器（10）。

5.根据权利要求4所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：侧面加热器（10）的电阻自上而下逐步减小。

6.根据权利要求4所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：侧面加热器（10）的电阻宽度在石英坩埚（4）顶部指向底板方向上，从上至下宽度逐渐增大。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：石英坩埚（4）四周面贴附有护板（3）。

8.根据权利要求7所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：护板（3）靠近底板（6）一端通过绝热材料板与底板（6）连接。

9.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：底板（6）远离石英坩埚的一端连接有矩形的DS散热块（7）。

10.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种高效多晶硅锭铸锭炉，其特征在于：石英坩埚（4）正上方设置有顶部加热器（8）。