CN103498194B - 一种定向凝固设备及其制备多晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定向凝固领域，具体涉及一种定向凝固设备及其制备多晶硅的方法，所述的一种定向凝固设备，固定在炉体上的排气筒伸入到保温套筒内，排气筒的出气口端连接有换热器，换热器的出气口端安装有阀门一，出气口端分为两支路，一支路上依次连接有比例阀和真空泵组，另一支路上依次连接有压差流量计和涡旋式真空泵，涡旋式真空泵的出气口端分为两支路，一支路与通气管道相连通，并安装有阀门三，另一支路连通有侧吹气管，侧吹气管上安装有阀门二，侧吹气管的出气口端插入炉体内部，位于保温套筒的底端。所述的一种定向凝固设备制备多晶硅的方法，包括装料抽真空、加热使硅料熔化后保温，拉锭直至铸锭完全凝固后，降温冷却至操作结束。

Description

一种定向凝固设备及其制备多晶硅的方法

技术领域

本发明涉及定向凝固领域，具体涉及一种定向凝固设备及其制备多晶硅的方法。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

太阳能光伏产业的发展依赖于对多晶硅原料的提纯。在对多晶硅原料进行提纯的过程中，存在一个关键的、必不可少的环节，就是对多晶硅原料进行定向凝固提纯，所用到的定向凝固技术广泛应用于冶金提纯领域。利用多晶硅原料中硅与金属杂质之间的分凝系数存在较大差异的这一特点，在凝固过程中，石英坩埚底端的硅液首先开始凝固，为达到分凝平衡，分凝系数小的杂质从凝固的硅中向液态不断扩散分离出来而聚集在液态，随着凝固不断进行，金属杂质在液态中的浓度越来越高，最后在铸锭的顶端凝固下来，凝固完成后在较高温度下保温一段时间，使各成分充分扩散以达到分凝平衡，最后将金属杂质含量较高的一端去除，得到提纯的多晶硅铸锭。

布里奇曼晶体生长法是一种常用的晶体生长方法，用于晶体生长用的材料装在圆柱型的坩埚中，缓慢地下降，并通过一个具有一定温度梯度的加热炉，炉温控制在略高于材料的熔点附近。根据材料的性质加热器件可以选用电阻炉或高频炉。在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。这种方法常用于制备碱金属和碱土金属卤化物和氟化物单晶。

目前在定向凝固的技术中，已经采用坩埚底部水冷降温、坩埚旋转冷却、坩埚下拉离开热场，坩埚底部吹气等技术手段。但是全程都使用新的氩气作为冷却气体，成本非常高。同时，在目前的定向凝固技术中，还不能有效地控制固液界面的凹凸及其曲率变化。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种定向凝固设备及其制备多晶硅的方法，应用于布里兹曼法多晶硅定向凝固技术上，通过侧部通气管的设置及调节氩气的循环速度，可以精确控制石英坩埚内部的温度场，控制固液界面达到最小的切除率，通过气冷加速铸锭冷却。

本发明所述的一种定向凝固设备，包括炉体，炉体外部安装有真空计，炉体内安装有石英坩埚，石英坩埚外部由内向外依次安装有发热体、保温套筒和感应线圈；石英坩埚底部安装有水冷盘，水冷盘通过水冷轴与炉体下方外置的拉锭机构相连，炉体外设置有氩气罐，氩气罐的出气口上安装有充气阀，充气阀的出气口处通过水冷轴内的通气管道伸入到水冷盘中心处，水冷盘相应位置设置有出气口；固定在炉体上的排气筒伸入到保温套筒内，排气筒的出气口端连接有换热器，换热器的出气口端安装有阀门一，出气口端分为两支路，一支路上依次连接有比例阀和真空泵组，真空泵组包括罗茨泵和滑阀泵，真空泵组与炉体相连通，另一支路上依次连接有压差流量计和涡旋式真空泵，涡旋式真空泵的出气口端分为两支路，一支路与通气管道相连通，并安装有阀门三，另一支路连通有侧吹气管，侧吹气管上安装有阀门二，侧吹气管的出气口端插入炉体内部，位于保温套筒的底端。

优选方案如下：

换热器内设置有环形水冷滑道。

氩气罐的出气口处设置有流量质量控制器。

定向凝固设备制备多晶硅的方法，包括装料抽真空、加热使硅料熔化后保温，拉锭直至铸锭完全凝固后，降温冷却至操作结束，抽真空过程中，将炉体内真空度抽到400～600Pa后进行熔化步骤，当温度升至1500～1550℃时，打开比例阀，控制炉体内真空度稳定在40～60KPa；当拉锭过程进行至20～40%时，石英坩埚内硅料的固液界面为凹型界面，通过控制阀门三来调节固液界面平整度，当拉锭过程进行至60～70%后，石英坩埚内硅料的固液界面为凸型界面，通过控制阀门二和阀门三来调节固液界面平整度；降温冷却阶段保持阀门一、涡旋式真空泵和阀门三处于打开状态，直至温度降到300℃以下。

优选方案如下：

在拉锭过程进行至20～40%时，控制阀门三使氩气流量减少，可使固液界面由凹变平；控制阀门三使氩气流量增加，可使固液界面由凹变凸。

在拉锭过程进行至60～70%后，需要将液面的凸度加大，则继续打开阀门三。

拉锭过程进行至60～70%后，需要将液面变平，则需打开阀门二通气，关闭阀门三。

在本发明中，所述的拉锭机构采用的是专利号：201320233456.3，专利名称为一种定向凝固设备的拉锭机构，炉体固定安装于机体架之上，炉门安装于炉体之上，炉体上固定安装有丝杠和真空泵；升降台通过丝母活动安装于丝杠下端；慢速电机和快速电机固定安装于升降台外壁之上，并通过电磁离合器和传动机构与丝母连接；旋转接头固定安装于升降台内部，水冷轴下端活动安装于旋转接头内部，其上端置于炉体内部，水冷盘安装于水冷轴顶部；旋转电机固定安装于升降台外壁，且通过旋转齿轮与水冷轴相互啮合连接。该装置构思独特，既可以使水冷轴上下移动，也可以水冷轴旋转。在旋转的过程中，可以保持设备的真空度在1～5Pa的范围内。快速电机可以使升降机构以60mm/min的速度上升下降，慢速电机可以使升降机构以0.1mm/min的速度上升下降。操作简单，易于控制和计算。

本发明的创新点是将水冷轴中心又加入了一个通气管道，通气管道伸入到水冷盘中心处，水冷盘相应位置设置有出气口。

在定向凝固的过程中，存在着三个循环系统，一个系统是低温的氩气经由氩气罐输出，用流量质量控制器控制充入的氩气量，通过通气管道对石英坩埚的底部进行冷却，在设备运行过程中，气体由排气筒进入换热器中，排出的高温氩气经过换热器变成常温气体，同时利用罗茨泵控制循环系统的开合度，氩气重新进入炉体，保持炉体真空度在40～60KPa；第二个系统是在换热器出口处的氩气经过压差流量计来测定氩气流量，通过PLC控制罗茨泵来控制循环系统的开合度，从而调控气体流量的大小，气体流量的大小可以非常细微的调节固液界面的曲率，同时气体经由涡旋式真空泵升压，经通气管道重新通入到石英坩埚底部；第三个系统是当开启阀门二，同时关闭阀门三时，氩气经由侧吹气管吹入炉体内，来调节石英坩埚中硅料的固液界面，达到所需效果。

多晶硅铸锭完全凝固时，整体的坩埚温度会在1200～1400℃，设备开炉时温度为200～400℃，这个冷却时间通常为20～24h。涡旋式真空泵带动氩气的流动，使氩气在设备快速循环冷却，冷却时间为15～19h，极大缩减了降温的时间，提高设备的使用效率。

本发明所具有的有益效果是：此装置及方法可以有效地完成定向凝固设备所需要的生产状态。氩气冷却循环系统通过氩气作为循环冷却的气源，调节铸锭周边热场，采用细微操作的方式影响铸锭的固液界面。

附图说明

图1为本发明中装置的示意图。

图中：1.排气筒，2.炉体，3.感应线圈，4.保温套筒，5.发热体，6.真空计，7.石英坩埚，8.水冷盘，9.侧吹气管，10.通气管道，11.流量质量控制器，12.氩气罐，13.换热器，14.阀门一，15.真空泵组，16.比例阀，17.压差流量计，18.罗茨泵，19.滑阀泵，20.涡旋式真空泵，21.阀门二，22.阀门三，23.充气阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1：

安装设备，将真空计6安装在炉体2外部，炉体2内部由内向外依次安装有发热体5、保温套筒4和感应线圈3，将石英坩埚7放入炉体2内；将水冷盘8安装在石英坩埚7底部，水冷盘8与拉锭机构相连，炉体2外连接上氩气罐12，氩气罐12的出气口处设置有流量质量控制器11和充气阀23，充气阀23的出气口处通过水冷轴内的通气管道10伸入到水冷盘8中心处，通气管道10的出气口端位于石英坩埚7底部，固定在炉体2上的排气筒1伸入到保温套筒4内，排气筒1的出气口端连接到换热器13，换热器13内设置有环形水冷滑道，换热器13的出气口端安装有阀门一14，出气口端分为两支路，一支路上依次连接有比例阀16和真空泵组15，真空泵组15包括罗茨泵18和滑阀泵19，真空泵组15与炉体2相连通，另一支路上依次连接有压差流量计17和涡旋式真空泵20，涡旋式真空泵20的出气口端分为两支路，一支路与通气管道10相连通，并安装有阀门三22，另一支路连通有侧吹气管9，侧吹气管9上安装有阀门二21，侧吹气管9的出气口端插入炉体2内部，安装于保温套筒4的底端。

实施例2：

采用实施例1中的装置，将多晶硅650KG置于石英坩埚7内部，启动升降平台将石英坩埚7升到熔炼位置，开启滑阀泵19，使设备内部的真空度降到400Pa，开启罗兹泵18，使设备内部的真空度降到2Pa。

对感应线圈3通电，升温至800℃时，关闭真空泵组15，打开充气阀23和流量质量控制器11，使炉体2内的真空度达到50KPa后，关闭充气阀23和流量质量控制器11。继续升温至1500℃，打开比例阀16，使炉体2内真空度稳定在40KPa，打开充气阀23，设定流量质量控制器11的流量为30L/min，使用流动的氩气将融化过程中挥发出的杂质带走。

待多晶硅完全融化后，调整热场，将拉锭机构的拉锭速率调整到0.12mm/min，开启拉锭机构，使石英坩埚7随水冷轴同时旋转。

设置流量质量控制器11的流量为50L/min，依次打开阀门三22和涡旋式真空泵20。经过40小时，定向凝固过程进行到三分之二，在不吹气的情况下，固液界面是凸型界面。操作时，为了使液面变的更凸，使杂质向铸锭的四周富集，继续打开阀门三22，使冷的氩气吹到石英坩埚7的底部。当拉锭60个小时后，铸锭完全凝固。

切断感应线圈3的电源，将石英坩埚7完全脱离开热场。关闭充气阀23和流量质量控制器11，关闭真空泵组15。维持阀门一14、涡旋式真空泵20、阀门三22处于开启状态，使设备内部的氩气一直处于循环状态。6min循环一次，加速设备内部的对流，加快散热，使铸锭的降温时间为19h。

待铸锭温度降到300℃时，打开设备将铸锭取出。拆开换热器13，将沉积在换热管上的杂质进行清除。清理干净后重新安装，准备下一次定向提纯生产。

实施例3：

采用实施例1中的装置，将多晶硅650KG置于石英坩埚7内部，启动升降平台将石英坩埚7升到熔炼位置，开启滑阀泵19，使设备内部的真空度降到500Pa，开启罗兹泵18，使设备内部的真空度降到3Pa。

对感应线圈3通电，升温至800℃时，关闭真空泵组15，打开充气阀23和流量质量控制器11，使炉体2内的真空度达到50KPa后，关闭充气阀23和流量质量控制器11。继续升温至1500℃，打开比例阀16，使炉体2内真空度稳定在50KPa，打开充气阀23，设定流量质量控制器11的流量为40L/min，使用流动的氩气将融化过程中挥发出的杂质带走。

待多晶硅完全融化后，调整热场，将拉锭机构的拉锭速率调整到0.1mm/min，开启拉锭机构，使石英坩埚7随水冷轴同时旋转。

设置流量质量控制器11的流量为40L/min，依次打开阀门三22和涡旋式真空泵20。经过38小时，定向凝固过程进行到三分之二，在不吹气的情况下，固液界面是凸型界面。操作时，为了使液面变平，杂质向顶端平面富集，则打开阀门二21，关闭阀门三22，使冷的氩气经过侧吹气管9吹到石英坩埚7的侧壁，使硅液界面变平。当拉锭58个小时后，铸锭完全凝固。

切断感应线圈3的电源，将石英坩埚7完全脱离开热场。关闭充气阀23和流量质量控制器11，关闭真空泵组15。维持阀门一14、涡旋式真空泵20、阀门三22处于开启状态，使设备内部的氩气一直处于循环状态。5min循环一次，加速设备内部的对流，加快散热，使铸锭的降温时间为16h。

待铸锭温度降到350℃时，打开设备将铸锭取出。拆开换热器13，将沉积在换热管上的杂质进行清除。清理干净后重新安装，准备下一次定向提纯生产。

实施例4：

采用实施例1中的装置，将多晶硅650KG置于石英坩埚7内部，启动升降平台将石英坩埚7升到熔炼位置，开启滑阀泵19，使设备内部的真空度降到600Pa，开启罗兹泵18，使设备内部的真空度降到4Pa。

对感应线圈3通电，升温至800℃时，关闭真空泵组15，打开充气阀23和流量质量控制器11，使炉体2内的真空度达到60KPa后，关闭充气阀23和流量质量控制器11。继续升温至1500℃，打开比例阀16，使炉体2内真空度稳定在60KPa，打开充气阀23，设定流量质量控制器11的流量为50L/min，使用流动的氩气将融化过程中挥发出的杂质带走。

待多晶硅完全融化后，调整热场，将拉锭机构的拉锭速率调整到0.11mm/min，开启拉锭机构，使石英坩埚7随水冷轴同时旋转。

设置流量质量控制器11的流量为50L/min，依次打开阀门三22和涡旋式真空泵20。经过36小时，定向凝固过程进行到三分之二，在不吹气的情况下，固液界面是凸型界面。操作时，为了使液面变平，杂质向顶端平面富集，则打开阀门二21，关闭阀门三22，使冷的氩气经过侧吹气管9吹到石英坩埚7的侧壁，使硅液界面变平。当拉锭56个小时后，铸锭完全凝固。

切断感应线圈3的电源，将石英坩埚7完全脱离开热场。关闭充气阀23和流量质量控制器11，关闭真空泵组15。维持阀门一14、涡旋式真空泵20、阀门三22处于开启状态，使设备内部的氩气一直处于循环状态。6min循环一次，加速设备内部的对流，加快散热，使铸锭的降温时间为18.5h。

待铸锭温度降到300℃时，打开设备将铸锭取出。拆开换热器13，将沉积在换热管上的杂质进行清除。清理干净后重新安装，准备下一次定向提纯生产。

此装置能够实现硅熔体的定向生长，能够很好的实现定向凝固去除多晶硅中金属性杂质的目的。使用该装置能够很好的将石英坩埚7侧壁在下拉过程中的热辐射拦截，有效的降低了侧壁的辐射散热，使定向凝固效果较常规方式更好，且侧壁向中心方向生长的晶粒相对于常规装置减少90%以上，铸锭效果好。

Claims (7)

1.一种定向凝固设备，包括炉体，炉体外部安装有真空计，炉体内安装有石英坩埚，石英坩埚外部由内向外依次安装有发热体、保温套筒和感应线圈；石英坩埚底部安装有水冷盘，水冷盘与拉锭机构相连，其特征在于炉体外设置有氩气罐，氩气罐的出气口上安装有充气阀，充气阀的出气口处通过水冷轴内的通气管道伸入到水冷盘中心处，通气管道的出气口端位于石英坩埚底部，固定在炉体上的排气筒伸入到保温套筒内，排气筒的出气口端连接有换热器，换热器的出气口端安装有阀门一，出气口端分为两支路，一支路上依次连接有比例阀和真空泵组，真空泵组包括罗茨泵和滑阀泵，真空泵组与炉体相连通，另一支路上依次连接有压差流量计和涡旋式真空泵，涡旋式真空泵的出气口端分为两支路，一支路与通气管道相连通，并安装有阀门三，另一支路连通有侧吹气管，侧吹气管上安装有阀门二，侧吹气管的出气口端插入炉体内部，位于保温套筒的底端。

2.根据权利要求1所述的一种定向凝固设备，其特征在于换热器内设置有环形水冷滑道。

3.根据权利要求1所述的一种定向凝固设备，其特征在于氩气罐的出气口处设置有流量质量控制器。

4.一种采用权利要求1所述的定向凝固设备制备多晶硅的方法，包括装料抽真空、加热使硅料熔化后保温，拉锭直至铸锭完全凝固后，降温冷却至操作结束，其特征在于抽真空过程中，将炉体内真空度抽到400～600Pa后进行熔化步骤，当温度升至1500～1550℃时，打开比例阀，控制炉体内真空度稳定在40～60KPa；当拉锭过程进行至20～40%时，石英坩埚内硅料的固液界面为凹型界面，通过控制阀门三来调节固液界面平整度，当拉锭过程进行至60～70%后，石英坩埚内硅料的固液界面为凸型界面，通过控制阀门二和阀门三来调节固液界面平整度；降温冷却阶段保持阀门一、涡旋式真空泵和阀门三处于打开状态，直至温度降到300℃以下。

5.根据权利要求4所述的一种定向凝固设备制备多晶硅的方法，其特征在于在拉锭过程进行至20～40%时，控制阀门三使氩气流量减少，可使固液界面由凹变平；控制阀门三使氩气流量增加，可使固液界面由凹变凸。

6.根据权利要求4所述的一种定向凝固设备制备多晶硅的方法，其特征在于在拉锭过程进行至60～70%后，需要将液面的凸度加大，则继续打开阀门三。

7.根据权利要求4所述的一种定向凝固设备制备多晶硅的方法，其特征在于在拉锭过程进行至60～70%后，需要将液面变平，则需打开阀门二通气，关闭阀门三。