CN103590103A

CN103590103A - 一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统及其导流方法

Info

Publication number: CN103590103A
Application number: CN201310505537.9A
Authority: CN
Inventors: 苏文佳; 左然
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Taizhou Haixin Energy Research Institute Co., Ltd.
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: CN103590103B

Abstract

本发明提供一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统及其导流方法，包括氩气进口直管、石墨坩埚和盖板，石墨坩埚的开口边缘开有凹槽，顶部盖板上绕氩气进口直管对称分布盖板排气口，氩气进口直管出口端与喇叭形进口管的进口端连接，氩气进口直管出口端侧壁上对称分布有出口气孔，喇叭形进口管的出口端与喷淋式进口管的进口端连接，喷淋式进口管为有底管，喷淋式进口管的底部对称分布有底部气孔，喷淋式进口管的侧壁上对称开有侧壁气孔。使用该系统时，针对熔料、生长和收尾的不同阶段，控制氩气进口直管的上下不同位置，从而能够优化氩气流动，降低晶体硅中的氧碳含量，同时方便地控制晶体硅和熔体硅的轴向温度梯度。

Description

一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统及其导流方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造太阳能级多晶硅铸锭的氩气导流系统，特指一种能够使杂质尽快排出坩埚，从而尽可能减少杂质对多晶硅铸锭污染的多晶硅铸锭炉氩气导流系统。

背景技术

定向凝固法（DSS）晶体生长技术是太阳能级多晶硅生长的主要方法。由于铸造多晶硅的制备工艺相对简单，成本远低于单晶硅，目前已经成为太阳光伏电池的主流产品。但相对于直拉单晶硅而言，铸造多晶硅有较高的杂质、缺陷和晶界，因此其转化效率低于单晶硅电池。多晶硅铸锭中含有的主要杂质为氧和碳，另外还含有金属、氮等杂质。洁净晶界对少数载流子的寿命并无影响或只有很微小的影响，而高密度位错对材料光电转换是特别有害的，特别是当位错上沉积了金属杂质和氧沉淀，更增加了位错的少子复合能力。多晶硅铸锭中碳浓度较高时，会促进氧沉淀的生成，且在高温退火后有SiC析出。

在实际生产过程中，多晶铸锭炉内发生大量复杂的化学反应，具体分为以下四个步骤：

（1）首先石英坩埚和熔体硅发生化学反应，氧杂质因此进入熔融硅中：

Figure 2013105055379100002DEST_PATH_IMAGE001

（a）

（2）反应生成的O通过熔体硅对流输运到熔体硅自由表面，一部分O发生如下化学反应，变成气态的SiO：

（b）

（3）SiO气体通过氩气导流输运到石墨坩埚、顶部盖板和保温碳毡表面，发生如下化学反应，生成CO气体，这也是多晶硅铸锭碳的主要来源：

（c）

（4）CO气体通过氩气导流输运到熔体硅自由表面，发生如下化学反应，从此C便结合进熔融硅中：

（d）

最后，C和O被熔体硅对流输运到生长界面处，通过杂质分凝效应进入多晶硅铸锭中。

而石墨坩埚内部的氩气流动对控制晶体硅中的氧碳含量起着至关重要的作用。一方面，氩气流过熔体硅自由表面会将从熔体硅中挥发出来的SiO带离自由液面；另一方面，当氩气流过石墨坩埚和盖板时，会携带部分化学反应产物CO，如果带到熔体硅自由液面处，会使晶体硅中的碳含量增加。因此，优化石英坩埚内的氩气流动，可有效减少多晶硅锭中的氧碳含量。

在传统的定向凝固法多晶硅炉的氩气导流系统中，如说明书附图1传统多晶硅炉氩气导流系统结构示意图和附图2传统氩气导流系统数值模拟氩气流动示意图所示，氩气沿传统氩气进口直管进入坩埚，横掠熔体硅自由表面后，一部分氩气从传统石墨坩埚顶部侧排气口流出坩埚，另一部分横掠传统顶部盖板后，又重新回到熔体硅自由表面。其结果是，熔体硅自由表面挥发出的SiO气体，只有一小部分被氩气沿传统石墨坩埚顶部侧排气口带离坩埚，大部分SiO气体输运到顶部盖板与之发生化学反应，反应产生的CO气体又被氩气携带到熔体硅自由表面，从而结合进入熔体硅，最终导致多晶硅铸锭中的氧碳含量增高。

中国专利（专利号201220152709.X）公开了一种用于降低铸锭多晶硅碳含量的坩埚热屏，该装置具有中间进气口和中间进气口周围的多个出气口的碳-碳复合材料热屏，以控制碳的传输。此设计虽然实现了氩气的上排气，但缺少了侧排气孔，大大降低了碳排出坩埚的效率；而且上排气孔过多，严重影响顶部碳-碳复合材料热屏的强度。中国专利（专利号201320139697.1）公开了一种多晶硅铸锭炉氩气环流排杂装置，该装置由C-C热场上/下保温框、氩气导管、石英坩埚、氩气导流板、挡流盖板、氩气主导流筒构成，控制氩气在坩埚内的流动和排出。但该设计中坩埚顶部没有盖板使坩埚内部与外部分离，熔体硅自由表面挥发出的SiO会与石墨加热器、碳毡保温框等发生化学反应，产生大量CO气体，最终造成多晶硅铸锭中碳含量增加。中国专利（专利号201220047131.1）公开了一种用于多晶硅铸锭炉的进气排杂装置，该装置包括进气管和将从进气管进来的气体进行分流的分流组件。分流组件将气流分散，从而减弱对硅液表面的冲击，同时分散的气流不容易在铸锭炉内形成循环气流，从而减少气体在坩埚、护板及盖板组成的结构中停留的时间，使气体能够尽快排出，减少含碳气体流经硅液表面时被吸附及溶入硅液的碳含量。但该分流组件对气流的分配并不均衡，这将导致坩埚内的氩气流动产生大量对流涡胞，使气体排出不畅，甚至形成循环死区。英国专利（专利号1106559.6）公开了一种从侧壁保温碳毡上部开孔的上排气多晶炉。该装置虽然实现了将排出坩埚的含杂质氩气尽快排出炉体，但氩气在坩埚内部的流动并没有得到有效改善，也无法有效降低氧碳含量。

本发明的目的即在于解决传统的定向凝固多晶硅铸锭炉中氩气输运难于控制、氧碳含量过高等问题。

发明内容

本发明提供一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，能够优化氩气流动，降低晶体硅中的氧碳含量，同时方便地控制晶体硅和熔体硅的轴向温度梯度。

本发明采取的技术方案为：一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，包括氩气进口直管、石墨坩埚和盖在所述石墨坩埚顶部的盖板，所述氩气进口直管穿过所述盖板将氩气导入所述石墨坩埚内,所述石墨坩埚的开口边缘开有若干凹槽，所述盖板和所述凹槽构成石墨坩埚的顶部侧排气口，所述顶部盖板上绕所述氩气进口直管对称分布若干盖板排气口，所述氩气进口直管出口端与喇叭形进口管的进口端连接，所述氩气进口直管出口端侧壁上沿氩气进口直管的中心轴线对称分布有若干出口气孔，所述喇叭形进口管的出口端与喷淋式进口管的进口端连接，所述喷淋式进口管为有底管，所述喷淋式进口管的底部沿氩气进口直管的中心轴线对称分布有若干底部气孔，所述喷淋式进口管的侧壁上也沿氩气进口直管的中心轴线对称开有若干侧壁气孔。

上述方案中，所述凹槽的形状可以为圆形、三角形、多边形。

上述方案中，所述盖板排气口的形状可以为三角形、圆形、多边形。

上述方案中，所述出口气孔的形状可以为三角形、圆形、多边形。

上述方案中，所述底部气孔的形状可以为三角形、圆形、多边形。

上述方案中，所述侧壁气孔的形状可以为三角形、圆形、多边形。

一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统的导流方法，包括如下步骤：

A 在多晶硅熔料阶段，向上提升氩气进口直管，使喇叭形进口管的进口端与盖板接触，保证氩气流量为10-100 slm，以减少氩气对熔体硅的冷却作用。

B 在晶体硅生长和收尾阶段，向下移动氩气进口直管，使喷淋式进口管的底部与熔体硅自由表面距离为10-200 mm，氩气流量为20-100 slm。

本发明的优点为：（1）氩气进口直管、氩气渐扩型进口管和氩气喷淋式进口管组成的渐扩型底部和侧面喷淋式氩气进口系统，可根据生长需要沿轴线方向按一定行程自由移动，使熔体硅轴向温度梯度、氩气横掠熔体硅自由表面的速度、固/液界面形状的控制更加方便；（2）氩气渐扩型进口管和氩气喷淋式进口管侧面进口形成的氩气横向射流，增大了熔体硅自由表面氩气的径向流动速度，降低了SiO在熔体硅自由表面的蒸汽压，有利于熔体硅中O的排出；（3）石墨坩埚顶部侧排气口可将石墨坩埚内表面化学反应刚刚生成的CO和SiO及时排出坩埚，避免了杂质在石墨坩埚内的循环流动；（4）顶部多出口盖板排气口可将顶部多出口盖板化学反应刚刚生成的CO和剩余的SiO及时排出坩埚，大大降低了杂质浓度；（5）设计的多晶硅铸锭炉氩气导流系统，使氩气在坩埚内形成一个大的对流涡胞，没有涡流死区，有利于杂质尽快排出坩埚。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是传统多晶硅炉氩气导流系统结构示意图。

图2是传统氩气导流系统数值模拟氩气流动示意图。

图3是新型多晶硅炉氩气导流系统结构示意图。

图4是新型多晶硅炉氩气导流系统安装示意图。

图5是顶部多出口盖板示意图。

图6是氩气进口直管示意图。

图7是氩气渐扩型进口管示意图。

图8是氩气喷淋式进口管示意图。

图9是新型氩气导流系统数值模拟氩气流动示意图。

图中，1. 晶体硅 2. 熔体硅 3. 底部气孔 4. 侧壁气孔 5. 喷淋式进口管 6.凹槽 7. 氩气进口直管 8. 盖板 9. 出口气孔 10.喇叭形进口管 11. 石英坩埚 12. 石墨坩埚 13. 盖板中心孔 14. 盖板排气口 15. 石墨坩埚顶部侧排气口。

具体实施方式

如图3—图9所示，在盖板8的中心开盖板中心孔13，在盖板8上沿盖板中心孔13对称设置若干矩形盖板排气口14。氩气进口直管7穿过盖板中心孔13，氩气进口直管7的出口端与喇叭形进口管10同轴连接，喇叭形进口管10的出口端与喷淋式进口管5同轴连接，喷淋式进口管5为有底管，所述喷淋式进口管5的底部沿氩气进口直管的中心轴线对称分布有若干圆形的底部气孔3，所述喷淋式进口管5的侧壁上也沿氩气进口直管的中心轴线对称开有若干圆形的侧壁气孔4。氩气进口直管7、喇叭形进口管10和喷淋式进口管5共同构成渐扩型底部和侧面喷淋式氩气进口系统。此外，在氩气进口直管7出口端侧壁上沿氩气进口直管的中心轴线对称设置若干圆形的出口气孔9，在石墨坩埚12最顶端开长方形的凹槽6，凹槽6和其上的盖板8共同构成石墨坩埚顶部侧排气口15。石墨坩埚12的内边边长与石英坩埚11的外边边长相等，石英坩埚11同轴安装在石墨坩埚12内，使石英坩埚11外壁面与石墨坩埚12内壁面重合。该氩气进口系统可根据多晶硅生长需要，同步沿氩气进口直管7的轴线方向按一定行程自由上下移动。将多晶硅原料放入石英坩埚11中。将盖板8盖在石墨坩埚12上，并使盖板8的四边与石墨坩埚12的四边重合。

实际应用中，在多晶硅熔料阶段，氩气的作用只是尽快携带来自熔体硅2自由表面挥发的SiO尽快脱离石墨坩埚12内部，因此需向上提升氩气进口直管7，使喇叭形进口管10的进口端与盖板8接触，并保证氩气流量为10-100 slm，以减少氩气对熔体硅2的冷却作用。在晶体硅1生长和收尾阶段，需将向下移动氩气进口直管7，使喷淋式进口管5的底部与熔体硅自由表面距离为10-200 mm，氩气流量为20-100 slm。这不仅使熔体硅2自由表面的氩气流速大大提高，增强了杂质的排除效果，而且进一步冷却了熔体硅2自由表面、增大了熔体硅2轴向温度梯度，促使固/液界面略凸向熔体硅2，有利于获得大晶粒多晶硅铸锭。氩气沿氩气进口直管7、喇叭形进口管10和喷淋式进口管5组成的导流系统进入石墨坩埚12内，一部分氩气从喷淋式进口管5底部的底部气孔3射流喷向熔体硅2自由表面，将从熔体硅2自由表面挥发出的SiO带离；另一部分氩气从喷淋式进口管5的侧壁气孔4进入石墨坩埚12，增大了熔体硅2自由表面氩气的径向流动速度，降低了SiO在熔体硅2自由表面的蒸汽压，有利于熔体硅2中O的排出；还有一部分氩气从氩气进口直管7出口端侧壁上的出口气孔9进入石墨坩埚12，可消除氩气进口直管7底部附近的氩气对流涡胞，从而避免氩气对流死区，同时可将化学反应生成的CO吹向顶部，从盖板排气口14排出石墨坩埚12。氩气流经石墨坩埚12内壁面时，SiO与石墨坩埚12发生化学反应生成CO，一部分携带有SiO和CO的氩气从石墨坩埚顶部侧排气口15排出石墨坩埚12。氩气流经顶部盖板8时，SiO与盖板8继续发生化学反应生成CO，但部分生成的CO和残余的SiO会及时从盖板排气口14排出石墨坩埚12，而不会流经熔体硅2自由表面。从而完成对多晶硅铸锭炉内氩气的有效导流，降低了多晶硅铸锭中的氧碳含量。本发明不仅限于多晶硅的生长，同样适用于利用布里奇曼法生长的Al₂O₃、GaAs等其它光学晶体的生长。

Claims

1.一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，包括氩气进口直管（7）、石墨坩埚（12）和盖在所述石墨坩埚（12）顶部的盖板（8），所述氩气进口直管（7）穿过所述盖板（8）将氩气导入所述石墨坩埚（12）内，其特征在于，所述石墨坩埚（12）的开口边缘开有若干凹槽(6)，所述盖板(8)和所述凹槽(6)构成石墨坩埚的顶部侧排气口(15)，所述顶部盖板(8)上绕所述氩气进口直管(7)对称分布若干盖板排气口(14)，所述氩气进口直管(7)出口端与喇叭形进口管(10)的进口端连接，所述氩气进口直管(7)出口端侧壁上沿氩气进口直管的中心轴线对称分布有若干出口气孔(9)，所述喇叭形进口管(10)的出口端与喷淋式进口管(5)的进口端连接，所述喷淋式进口管(5)为有底管，所述喷淋式进口管(5)的底部沿氩气进口直管的中心轴线对称分布有若干底部气孔(3)，所述喷淋式进口管(5)的侧壁上也沿氩气进口直管的中心轴线对称开有若干侧壁气孔(4)。

2.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，其特征在于，所述凹槽(6)的形状为圆形或三角形或多边形。

3.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，其特征在于，所述盖板排气口(14)的形状为圆形或三角形或多边形。

4.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，其特征在于，所述出口气孔(9)的形状为圆形或三角形或多边形。

5.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，其特征在于，所述底部气孔(3)的形状为圆形或三角形或多边形。

6.根据权利要求1所述的一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统，其特征在于，所述侧壁气孔(4)的形状为圆形或三角形或多边形。

7.一种多晶硅铸锭炉氩气导流系统的导流方法，包括如下步骤：

A 在多晶硅熔料阶段，向上提升氩气进口直管(7)，使喇叭形进口管(10)的进口端与盖板(8)接触，保证氩气流量为10-100 slm，以减少氩气对熔体硅的冷却作用;

B 在晶体硅生长和收尾阶段，向下移动氩气进口直管(7)，使喷淋式进口管(5)的底部与熔体硅自由表面距离为10-200 mm，氩气流量为20-100 slm。