CN104591187A - 一种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法 - Google Patents

Abstract

一种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法，属于加热炉技术领域。先将硅料置于石英陶瓷坩埚里，石英陶瓷坩埚内表面涂覆Si₃N₄涂层，并将隔热板放置在硅料上部，然后将坩埚和硅料、Si₃N₄涂层及隔热板一道置于感应电炉内，通电熔化硅料，当硅料全部熔化后，对硅液进行定向凝固，即可得到多晶硅。

Description

一种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法

技术领域

本发明公开了一种加热炉，特别涉及一种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法，属于加热炉技术领域。

背景技术

伴随着太阳能电池业的迅猛发展，成本较低且适合于大规模生产的多晶硅已成为最主要的光伏材料之一，并逐步取代传统直拉单晶硅在太阳能电池材料市场当中的主导地位。当今全世界对多晶硅的需求非常大，电子级和太阳能级多晶硅的需求分别以每年5％和20％急剧增长。在太阳能光伏产业中，多晶硅铸锭炉是最为重要的设备之一，多晶硅铸锭炉是可以实现自动化的生产设备，通过采用定向凝固技术对多晶硅高温熔铸后实现冷凝结晶，制成高品质硅锭。目前国内外开发了多种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法。

中国专利201320348485.4公开了一种多晶硅炉底盘结构，包括底盘本体，底盘本体呈碗状结构，底盘本体内设有沿底盘本体分布的冷却液腔，底盘本体的下端外侧面上设有与冷却液腔连通的冷却液进口，底盘本体的上端外侧面设有与冷却液腔连通的冷却液出口，碗状结构的底盘本体的开口处向外延伸形成法兰连接面，底盘本体的中心设有进气孔，进气孔内连接有进气管；所述的底盘本体的内侧中心设有两端开口的支撑罩，支撑罩的侧面设有若干出气孔；底盘本体上的进气孔的正上方设有布气罩，布气罩上还均匀设有若干贯通的布气孔。因此，该发明具有冷却效果好的有益效果，同时，还能保证不同硅棒之间一致性好，硅棒生长质量好控制。

中国专利200920232986.X还公开了一种具硅液溢出安全保护装置的多晶硅炉，设有炉体，炉体内设有保温笼，装料坩埚放置在保温笼底部的承接台上，在保温笼内设有上加热器和下加热器，保温笼设有四周笼体、上盖和底板，上加热体与保温笼的上盖固定，下加热体设置在承接台与保温笼的底板之间，在保温笼的底板的中部设有热门，在热门的下面设有冷却板，在冷却板的下面炉体的底部设有铜质硅液溢流承接器。在坩埚硅液溢出的情况下，硅液沿保温笼的笼体与底板的接缝处、以及从热门缝隙处流到硅液溢流承接器上，承接器使硅液很快结晶，将损失降低到最低点。另外再通过测控装置起到两级安全保护，该发明设计合理，结构简单，能有效避免硅液对炉体的损伤和人身伤害。

中国专利200920232988.9还公开了一种上置式多晶硅炉，设有炉体，炉体内设有保温笼，装料坩埚放置在保温笼底部的承接台上，在保温笼内设有上加热器和下加热器，在炉体的顶部设有上炉门，上炉门的一侧与一个旋转轴固定，旋转轴与设在炉体侧壁上的升降装置连接，在上炉门的另一侧设有导向杆，相应的在炉体侧壁上设有与导向杆配合的导向孔。采用上置式炉单臂门结构，上炉门打开后，可以通过手动或机械驱动使上炉门从炉口旋转移开，具有结构简单，易操作，安全性好的特点，适用于大规模生产，填补了国内空白。

中国专利200920232987.4还公开了一种上下加热的上置式多晶硅炉，设有炉体，炉体内设有保温笼，装料坩埚放置在保温笼底部的承接台上，在保温笼内设有上加热器和下加热器，保温笼设有四周笼体、上盖和底板，上加热体与保温笼的上盖固定，下加热体设置在承接台与保温笼的底板之间，在保温笼的底板的中部设有热门，在热门的下面设有冷却板。由保温笼的四周笼体、隔热底板、隔热上盖构成一个封闭的热场腔室。在长晶时先开启热门，由下加热器、上加热器和冷却板组成一个新的温度场，再利用下、上加热器的功率匹配，形成一个垂直的温度梯度，待硅结晶后再利用下、上加热器的功率匹配对硅晶进行退火和冷却直至硅晶锭出炉。它不仅能生产出高品质硅锭，也缩短整个工艺时间，降低能耗。

中国发明专利CN 1276026还公开了一种用多晶硅炉料制备硅熔体的方法，该硅熔体用于按照丘克拉斯基方法制取单晶硅锭。制备硅熔体所用的坩埚为底、侧壁结构，其中心线基本上平行于侧壁并截过底面几何中心点，半径为从中心线到侧壁的距离。本方法中，将块状多晶硅装入坩埚形成碗状炉料，其中炉料的初始形状是，通常沿径向从中心线向上向外朝着侧壁方向倾斜至坡顶，然后从坡顶向下向外倾斜至侧壁。加热碗形块状多晶硅炉料使之部分熔融，再在其上加入粒状多晶硅，形成块状和粒状多晶硅的混合料；继续加热混合多晶硅炉料使其形成硅熔体，而位于硅熔体表面上方的未熔块状多晶硅，在粒状多晶硅快速熔融并释放出氢时为可能飞溅的熔融硅导流。

中国发明专利1147032还公开了一种用多晶硅制备熔硅熔料的工艺，该熔硅熔料用于通过切克劳斯基方法生产单晶硅。初始向坩埚中填充多晶硅并加以熔化，形成包含熔硅和未熔化多晶硅的特殊熔化炉料。熔硅具有一个上表面，未熔化多晶硅部分暴露于该上表面之上。以一种方式向暴露的未熔化多晶硅上添加颗粒状多晶硅，该方法足以使颗粒状多晶硅在停留于暴露的未熔化多晶硅的表面期间和在逐渐沉入熔硅之前实现脱氢。然后颗粒状多晶硅和未熔化的多晶硅全部熔化形成熔硅熔料。该方法使生产单晶硅晶锭时的零缺陷成品率、产量和平均热循环时间均得到改善。

中国发明专利CN101412632还公开了一种多晶硅炉用炭/炭复合材料发热体的制备方法，将U形炭纤维坯体进行高温纯化预处理后沉积，热处理温度为1600～2800℃；将U形炭纤维坯体以高纯N₂为载气和稀释气体、C₃H₆为炭源进行裂解增密制备出炭/炭复合坯体，裂解温度850～1200℃，时间100～400h，炉内气压0.5kPa～2.5kPa；将增密至一定密度的炭/炭复合坯体进行机加工，酸洗+氯盐洗，进行高温纯化处理，处理温度为2000～2800℃；将炭/炭复合坯体以高纯N₂为载气和稀释气体、C₃H₆为炭源进行表面涂层处理，裂解温度900～1300℃，时间10～100h，炉内气压1.0kPa～4.0kPa；并测定炭/炭复合材料发热体成品的技术指标。该发明能制备出纯度高、电阻率随温度变化稳定、使用寿命长的大尺寸异形薄壁炭/炭复合材料发热体。

中国专利201420290437.9还公开了一种带加热柜节能多晶硅铸锭炉，属于多晶硅铸锭炉的热场结构设计与制造技术领域，包括炉体(1)、加热器(2)、保温顶板(4)和保温笼体(5)；加热器(2)固定在保温顶板(4)，保温笼体(5)设置在炉体(1)内，保温笼体(5)上部设有保温顶板(4)，保温笼体(5)下部设有带支柱(10)的保温底板(8)；还包括加热柜(12)，加热柜(12)固定在炉体(1)内部，保温笼体(5)与加热柜(12)连接，保温顶板(4)、保温笼体(5)、保温底板(8)组成一个封闭的热场腔体。采用加热柜，有效提高加热效率，保温效果更好，可以生产出高品质硅锭，缩短整个工艺时间，降低结晶过程中的能耗。

中国发明专利CN104229802还公开了一种多晶硅的制作方法，该发明通过下述技术方案来实现：将石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98％并生成工业硅；把工业硅粉碎并在流化床反应器中，用无水氯化氢(HCl)与之反应，生成三氯氢硅(SiHCl₃)，反应温度为300度，反应形成气态混合物(H₂，HCl，SiHCl₃，SiCl₄，Si)；将气态混合物过滤硅粉，冷凝SiHCl₃、SiCl₄，气态H₂，HCl返回到反应中或排放到大气中，然后分解冷凝物SiHCl₃、SiCl₄，净化三氯氢硅；净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl₃在H₂气氛中还原沉积而生成多晶硅。

但是，上述生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法，普遍存在多晶硅加热炉结构复杂，维修困难，以及多晶硅生产周期长，能耗高等不足。

发明内容

本发明通过对多晶硅加热炉进行改进，实现了多晶硅的制备具有节能降耗、成本低、质量好、以及对环境不产生污染等特点，具有明显的竞争优势。

本发明一种生产多晶硅的加热炉，其特征在于，石英陶瓷坩埚(4)内表面涂覆厚度1.5～2.5mm的Si₃N₄涂层(3)，石英陶瓷坩埚上开口配有隔热板(1)；石英陶瓷坩埚可分离地置于感应电炉内，感应电炉最内层为感应炉炉衬(6)，感应炉炉衬(6)的外面自上而下分别设有独立电源控制的多个平行的感应线圈(5)，在感应电炉的最下面是水冷铜套(7)。

采用上述加热炉生产多晶硅方法，可以通过以下技术方案来实现：

1)先将硅料置于内表面涂覆有厚度1.5～2.5mm的Si₃N₄涂层的石英陶瓷坩埚里，并将隔热板放置在硅料上部，然后将石英陶瓷坩埚和硅料及隔热板一道置于感应电炉内，通电熔化硅料；

2)当硅料熔化成硅液，且硅液温度达到1425-1435℃时，对水冷铜套进行通水冷却，进水温度5-12℃，水压0.3～0.45MPa，水流量5.0-5.5m³/h，并从感应炉的下部至上部依次切断感应线圈的电源，实现坩埚内硅液的定向凝固，使坩埚内硅液的凝固冷却速度控制在0.5～1.2mm/分钟；

3)当坩埚内硅液全部定向凝固成硅锭，且冷却至温度为200-250℃时，关闭冷却水，停止水冷铜套的通水冷却，并重新开启感应电炉电源，将坩埚内的硅锭重新加热至650～720℃，然后切断电源，将硅锭冷却至室温即可得到多晶硅。

如上所述隔热板是由质量分数45～50％的六钛酸钾K₂Ti₆O₁₃晶须、40～45％的氧化铝Al₂O₃微粉、4.0～5.5％的水玻璃、0.8～1.2％的水泥和4.2～5.0％的水混合均匀后，置于模具中成型制坯，自然风干后入炉焙烧至350～400℃，保温12～15小时后炉冷至室温而成；隔热板厚度为30～40mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明生产多晶硅的加热炉结构简单，设备使用和维护方便；

2)本发明生产的多晶硅，具有节能降耗、成本低、质量好、对环境不产生污染等特点，具有明显的竞争优势。

附图说明

图1生产多晶硅的加热炉示意图

1-隔热板，2-硅料，3-Si₃N₄涂层，4-石英陶瓷坩埚，5-感应线圈，6-感应炉炉衬，7-水冷铜套。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

所用加热炉见附图1。石英陶瓷坩埚4内表面涂覆厚度1.5～2.5mm的Si₃N₄涂层3，石英陶瓷坩埚上开口配有隔热板1；石英陶瓷坩埚可分离地置于感应电炉内，感应电炉最内层为感应炉炉衬6，感应炉炉衬6的外面自上而下分别设有独立电源控制的多个平行的感应线圈5，在感应电炉的最下面是水冷铜套7。其中隔热板是由质量分数45～50％的六钛酸钾K₂Ti₆O₁₃晶须、40～45％的氧化铝Al₂O₃微粉、4.0～5.5％的水玻璃、0.8～1.2％的水泥和4.2～5.0％的水混合均匀后，置于模具中成型制坯，自然风干后入炉焙烧至350～400℃，保温12～15小时后炉冷至室温而成；隔热板厚度为30～40mm。

实施例1：

一种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法，其工艺步骤是：

1)先将硅料2置于石英陶瓷坩埚4里，石英陶瓷坩埚4内表面涂覆厚度1.5mm的Si₃N₄涂层3，并将隔热板1放置在硅料2上部，然后将石英陶瓷坩埚4和硅料2、Si₃N₄涂层3及隔热板1一道置于感应电炉6内，通电熔化硅料2，其中隔热板是由质量分数45％的六钛酸钾K₂Ti₆O₁₃晶须、45％的氧化铝Al₂O₃微粉、4.0％的水玻璃、1.2％的水泥和4.8％的水混合均匀后，置于模具中成型制坯，自然风干后入炉焙烧至350℃，保温15小时后炉冷至室温而成，隔热板厚度为30mm；

2)当硅料2熔化成硅液，且硅液温度达到1426℃时，对水冷铜套7进行通水冷却，进水温度6℃，水压0.3MPa，水流量5.0m³/h，并从感应炉6下部至上部依次切断感应线圈的电源，实现坩埚内硅液的定向凝固，使坩埚内硅液的凝固冷却速度控制在0.6mm/分钟；

3)当坩埚内硅液全部定向凝固成硅锭，且冷却至温度为200-230℃时，关闭冷却水，停止水冷铜套的通水冷却，并重新开启感应电炉电源，将坩埚内的硅锭重新加热至650～663℃，然后切断电源，将硅锭冷却至室温即可得到多晶硅。

实施例2：

一种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法，其工艺步骤是：

1)先将硅料2置于石英陶瓷坩埚4里，石英陶瓷坩埚4内表面涂覆厚度2.5mm的Si₃N₄涂层3，并将隔热板1放置在硅料2上部，然后将石英陶瓷坩埚4和硅料2、Si₃N₄涂层3及隔热板1一道置于感应电炉6内，通电熔化硅料2，其中隔热板是由质量分数50％的六钛酸钾K₂Ti₆O₁₃晶须、40％的氧化铝Al₂O₃微粉、5.0％的水玻璃、0.8％的水泥和4.2％的水混合均匀后，置于模具中成型制坯，自然风干后入炉焙烧至400℃，保温12小时后炉冷至室温而成，隔热板厚度为40mm；

2)当硅料2熔化成硅液，且硅液温度达到1435℃时，对水冷铜套7进行通水冷却，进水温度11℃，水压0.45MPa，水流量5.5m³/h，并从感应炉6下部至上部依次切断感应线圈的电源，实现坩埚内硅液的定向凝固，使坩埚内硅液的凝固冷却速度控制在1.1mm/分钟；

3)当坩埚内硅液全部定向凝固成硅锭，且冷却至温度为230-250℃时，关闭冷却水，停止水冷铜套的通水冷却，并重新开启感应电炉电源，将坩埚内的硅锭重新加热至705～720℃，然后切断电源，将硅锭冷却至室温即可得到多晶硅。

实施例3：

一种生产多晶硅的加热炉及生产多晶硅方法，其工艺步骤是：

1)先将硅料2置于石英陶瓷坩埚4里，石英陶瓷坩埚4内表面涂覆厚度1.9mm的Si₃N₄涂层3，并将隔热板1放置在硅料2上部，然后将石英陶瓷坩埚4和硅料2、Si₃N₄涂层3及隔热板1一道置于感应电炉6内，通电熔化硅料2，其中隔热板是由质量分数48％的六钛酸钾K₂Ti₆O₁₃晶须、41％的氧化铝Al₂O₃微粉、5.5％的水玻璃、1.2％的水泥和4.3％的水混合均匀后，置于模具中成型制坯，自然风干后入炉焙烧至380℃，保温14小时后炉冷至室温而成，隔热板厚度为35mm；

2)当硅料2熔化成硅液，且硅液温度达到1431℃时，对水冷铜套7进行通水冷却，进水温度9℃，水压0.38MPa，水流量5.2m³/h，并从感应炉6下部至上部依次切断感应线圈的电源，实现坩埚内硅液的定向凝固，使坩埚内硅液的凝固冷却速度控制在0.9mm/分钟；

3)当坩埚内硅液全部定向凝固成硅锭，且冷却至温度为215-235℃时，关闭冷却水，停止水冷铜套的通水冷却，并重新开启感应电炉电源，将坩埚内的硅锭重新加热至680～705℃，然后切断电源，将硅锭冷却至室温即可得到多晶硅。

本发明生产多晶硅的加热炉结构简单，设备使用和维护方便，用于生产多晶硅，具有节能降耗、成本低、质量好、对环境不产生污染等特点，具有明显的经济和社会效益。

Claims (3)

1.一种生产多晶硅的加热炉，其特征在于，石英陶瓷坩埚(4)内表面涂覆厚度1.5～2.5mm的Si₃N₄涂层(3)，石英陶瓷坩埚上开口配有隔热板(1)；石英陶瓷坩埚可分离地置于感应电炉内，感应电炉最内层为感应炉炉衬(6)，感应炉炉衬(6)的外面自上而下分别设有独立电源控制的多个平行的感应线圈(5)，在感应电炉的最下面是水冷铜套(7)。

2.权利要求1的一种生产多晶硅的加热炉，其特征在于，隔热板是由质量分数45～50％的六钛酸钾K₂Ti₆O₁₃晶须、40～45％的氧化铝Al₂O₃微粉、4.0～5.5％的水玻璃、0.8～1.2％的水泥和4.2～5.0％的水混合均匀后，置于模具中成型制坯，自然风干后入炉焙烧至350～400℃，保温12～15小时后炉冷至室温而成；隔热板厚度为30～40mm。

3.采用权利要求1或2的加热炉生产多晶硅方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)先将硅料置于内表面涂覆有厚度1.5～2.5mm的Si₃N₄涂层的石英陶瓷坩埚里，并将隔热板放置在硅料上部，然后将石英陶瓷坩埚和硅料及隔热板一道置于感应电炉内，通电熔化硅料；

2)当硅料熔化成硅液，且硅液温度达到1425-1435℃时，对水冷铜套进行通水冷却，进水温度5-12℃，水压0.3～0.45MPa，水流量5.0-5.5m³/h，并从感应炉的下部至上部依次切断感应线圈的电源，实现坩埚内硅液的定向凝固，使坩埚内硅液的凝固冷却速度控制在0.5～1.2mm/分钟；

3)当坩埚内硅液全部定向凝固成硅锭，且冷却至温度为200-250℃时，关闭冷却水，停止水冷铜套的通水冷却，并重新开启感应电炉电源，将坩埚内的硅锭重新加热至650～720℃，然后切断电源，将硅锭冷却至室温即可得到多晶硅。