CN105133008B - 一种多晶硅铸锭装置及硅锭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多晶硅铸锭装置及硅锭的制备方法，该装置包括石英坩埚和设置在所述石英坩埚外周的若干块复合护板；每块所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层；所述金属隔离层与石英坩埚接触。该多晶硅铸锭装置在石墨层上设置金属隔离层，所述金属隔离层能够阻碍石英坩埚和石墨之间的干性反应产生碳的化合物，降低了硅锭中的碳含量，进而提高了硅锭的有效利用率；硅锭进行切片制得的多晶硅片的A级率提高，断线率降低。实验结果表明：采用本申请提供的多晶硅铸锭装置，硅片中的碳含量降低1.5～3ppm；硅锭的有效利用率增加1.2～3.5％；同时硅片的断线率下降0.5～2.5％，硅片的A级率增加0.5～1.5％。

Description

一种多晶硅铸锭装置及硅锭的制备方法

技术领域

本申请涉及多晶硅铸锭技术领域，尤其涉及一种多晶硅铸锭装置及硅锭的制备方法。

背景技术

目前，在光伏行业铸锭炉铸造硅锭时，一般采用先进的定向凝固技术使晶粒定向生长，该技术的关键点是需要使熔化状态的硅料从坩埚的底部向上逐渐冷却，从而达到硅锭从坩埚底部至坩埚顶部定向结晶的目的。

参见图1，图1为现有技术中的光伏铸锭炉的结构示意图，由于石英坩埚02在高温下会软化，坩埚成软化状态时，其由于受到硅料加热膨胀挤压，无法承载内部的硅料，因此在铸锭时需要将石英坩埚02放置于石墨支撑底板03上，石墨支撑底板03与散热台04接触，以保证石英坩埚02内部的硅料从底部向顶部定向结晶，同时采用四块石墨护板01固定石英坩埚四周外围，石墨支撑底板03和石墨护板01在铸锭过程中支撑高温下软化的石英坩埚02，保证石英坩埚02的完整。

目前多晶铸锭热场环境均是碳环境，石墨护板是直接与石英坩埚接触导热保温，石墨护板在高温条件下，与石英坩埚接触会发生干性反应产生含碳化合物，如二氧化碳，产生的二氧化碳将会进入到硅液中，最终增加了硅锭的碳含量，带来硬质点、阴影等杂质，影响硅锭的有效利用率。现有技术通过增加多晶铸锭过程中的气体流量，依靠气体带走含碳的化合物，但是这样处理得到的硅锭的有效利用率仍然较低。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种多晶硅铸锭装置及硅锭的制备方法，本申请提供的多晶硅铸锭装置能够提高硅锭的有效利用率。

本申请提供了一种多晶硅铸锭装置，包括石英坩埚和设置在所述石英坩埚外周的若干块复合护板；

每块所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层；所述金属隔离层与石英坩埚接触。

优选地，所述金属隔离层为钼层或钨层。

优选地，所述金属隔离层为钼层。

优选地，所述金属隔离层的厚度为3～10mm。

优选地，所述若干块复合护板之间首尾依次连接。

优选地，所述若干块复合护板之间通过石墨螺栓连接。

优选地，垂直于若干块复合护板的厚度方向，复合护板的边缘设有若干个护板孔。

本发明提供了一种硅锭的制备方法，包括以下步骤：

将多晶硅原料置于上述技术方案所述的多晶硅铸锭装置中依次进行加热、熔化、长晶、退火和冷却，得到硅锭。

优选地，所述熔化的温度为1500℃～1550℃，所述熔化的时间为12～14.5小时；

所述长晶的温度为1400℃～1440℃，所述长晶的时间为30～37小时。

本申请提供了一种多晶硅铸锭装置，包括坩埚和设置在所述坩埚外周的若干块复合护板；每块所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层；所述金属隔离层与石英坩埚接触。与现有技术相比，本申请提供的多晶硅铸锭装置在石墨层上设置金属隔离层，所述金属隔离层能够阻碍石英坩埚和石墨之间的干性反应产生碳的化合物，降低硅锭中的碳含量，进而提高硅锭的有效利用率；硅锭进行切片制得的多晶硅片的A级率提高，断线率降低。实验结果表明：采用本申请提供的多晶硅铸锭装置，硅片中的碳含量降低1.5～3ppm；硅锭的有效利用率增加1.2～3.5％；硅片的断线率下降0.5～2.5％，硅片的A级率增加0.5～1.5％。

附图说明

图1为现有技术中的光伏铸锭炉的结构示意图；

图2为本申请提供的多晶硅铸锭装置中的复合护板的结构示意图。

具体实施方式

本申请提供了一种多晶硅铸锭装置，包括坩埚和设置在所述坩埚外周的若干块复合护板；

每块所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层；所述金属隔离层与石英坩埚接触。

本申请提供的多晶硅铸锭装置在石墨层上设置了一层金属隔离层，所述金属隔离层能够阻碍石英坩埚和石墨之间的干性反应产生碳的化合物，降低了硅锭中的碳含量，进而提高了硅锭的有效利用率；硅锭进行切片制得的多晶硅片的A级率提高，断线率降低。

参见图2，图2为本申请提供的多晶硅铸锭装置中的复合护板的结构示意图；其中，1为第一开口，2为第二开口，3为第三开口，4为护板孔，5为金属隔离层。

本申请提供的多晶硅铸锭装置包括石英坩埚。本申请对石英坩埚没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的石英坩埚即可。在本申请中，所述石英坩埚优选为正方体形。在本申请的实施例中，所述石英坩埚的长为1040mm，宽为1040mm，厚度为480mm。在本申请中，石英坩埚在1200℃左右会出现软化的过程中，石英坩埚形状及容积发生变化，复合护板能够规范石英坩埚软化的形状，控制石英坩埚软化的变形，防止石英坩埚因软化，厚度方向尺寸变化太大，石英坩埚因热胀冷缩的作用，损裂坩埚，最终漏硅。

本申请提供的多晶硅铸锭装置包括设置在所述坩埚外周的若干块复合护板；每块所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层；所述金属隔离层与石英坩埚接触。

在本申请中，每块所述复合护板包括石墨层。在本申请中，所述石墨层的厚度优选为25～30mm，长度为1075～1085mm，宽度为605～615mm；在本申请的具体实施例中，所述石墨层的长度为1081mm，宽度为609mm，厚度为28mm。

在本申请中，每块所述复合护板包括设置在所述石墨层上的金属隔离层5；所述金属隔离层5与石英坩埚接触。在本申请中，所述金属隔离层为钼层或钨层，更优选为钼层。在本申请中，所述金属隔离层的厚度为3～10mm。在本申请中，所述金属隔离层在使用时，1600℃下厚度方向的形变量≤2mm。在本申请中，所述金属隔离层与碳发生化学反应，生成物具有较高的抗折强度，所述抗折强度≥85MPa。在本申请中，所述金属隔离层阻碍了石墨护板与石英坩埚的接触，避免因石墨层与坩埚直接接触产生二氧化碳进入到硅液中，同时，金属能够与碳及碳的氧化物进行反应，生产硬度及强度较大的金属碳化物。

在本申请中，所述若干块复合护板之间首尾依次连接；所述若干块复合护板之间通过石墨螺栓连接。在本申请中，所述若干块复合护板的块数优选为4块。

在本申请中，垂直于每块所述复合护板的厚度方向，复合护板的边缘设有若干个护板孔4；所述若干个护板孔竖直方向依次设置于复合护板的边缘；所述若干个护板孔的个数为2个、3个、5个或6个。在本申请中，垂直于每块所述复合护板的厚度方向，所述护板孔的截面为椭圆形；所述椭圆形的长轴为28～32mm，优选为30mm；短轴为5～7mm，优选为6mm。

在本申请中，以石英坩埚开口方向为上，每块所述复合护板的上端沿水平方向设有三个开口；所述三个开口的高度和每块所述复合护板的高度比为38～42：38～42：38～42：605～615；优选地，三个开口的高度一致。在本申请中，所述三个开口的长度比为58～62：38～42：48～52；为了利于气流的导向，优选地，中间设置的开口的长度最小。在本申请具体实施例中，以设有护板孔的一端为右侧，每块所述复合护板的上端从右侧向左侧，沿水平方向依次设置有第一开口1、第二开口2和第三开口3；复合护板的高度为609mm，长度为1081mm；所述第一开口的高度为38～42mm；所述第二开口的高度为38～42mm；所述第三开口的高度为38～42mm；所述第一个开口的宽度为48～52mm；所述第二个开口的宽度为38～42mm；所述第三个开口的宽度为58～62mm。在本申请的某些实施例中，所述第一开口的高度为40mm；所述第二开口的高度为40mm，所述第三开口的高度为40mm；所述第一开口的宽度为60mm；所述第二开口的宽度为40mm；所述第三开口的宽度为50mm。在本申请中，所述第一开口的最左端和第二开口的最右端的水平距离优选28～32mm；所述第二开口的最左端和第三开口的最右端的水平距离优选为48～52mm；在本申请的实施例中，所述第一开口的最左端和第二开口的最右端的水平距离优选30mm；所述第二开口的最左端和第三开口的最右端的水平距离优选为50mm。在本申请中，所述第一开口的底端的倒角为93°～97°；所述第二开口的底端的倒角为93°～97°；所述第三开口的底端的倒角为93°～97°；在本申请的具体实施例中，所述第一开口的倒角为95°；第二开口的倒角为95°；第三开口的倒角为95°。

本申请对金属隔离层复合在所述石墨板的制备方法没有特殊的限制，优选采用本领域技术人员熟知的等离子喷涂法将金属隔离层喷涂在所述石墨层上。

在本发明中，所述金属隔离层喷涂在石墨层上的过程包括：

将金属物料等离子喷涂在石墨层上，得到复合护板；

所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层。

本发明优选采用本领域技术人员公知的等离子弧发生器将通入喷嘴内的气体加热和电离，形成高温高速等离子射流，熔化和雾化金属物料，并使其喷射到石墨板层表面上，形成金属隔离层。

在本发明中，所述气体包括氩气、氮气和氢气中的一种或多种。

本发明提供了一种硅锭的制备方法，包括以下步骤：

将多晶硅原料置于上述技术方案所述的多晶硅铸锭装置中依次进行加热、熔化、长晶、退火和冷却，得到硅锭。

本发明对所述多晶硅原料没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的多晶硅原料即可。在本发明的具体实施例中，所述多晶硅原料购买于新疆大全新能源有限公司。

本发明优选在本领域技术人员熟知的铸锭炉中进行加热、熔化、长晶、退火和冷却。在本发明中，所述加热的温度优选为15℃～1500℃，所述加热的时间优选为7～8.5小时；所述熔化的温度优选为1500℃～1550℃，所述熔化的时间优选为12～14.5小时；所述长晶的温度优选为1400℃～1440℃，所述长晶的时间优选为30～37小时；所述退火的温度优选为1100℃～1370℃，所述退火的时间优选为5.5～7小时。

本发明在退火结束后，将长晶得到的产物进行冷却，得到硅锭。本发明对冷却的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的长晶得到的产物进行冷却的技术方案即可。在本发明中，所述冷却的温度优选为400℃～1100℃；所述冷却的时间优选为10～15.5小时。

冷却结束后，本发明优选将硅锭进行在室温下再次冷却。在本发明中，所述再次冷却的时间优选为24～28小时。本发明优选将再次冷却的硅锭进行切方，得到小方块；将所述小方块进行打磨和倒角处理，得到多晶硅片。本发明对切方、打磨和倒角的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的用于硅锭切方、打磨和倒角的技术方案即可。

为了进一步说明本申请，下面结合实施例对本申请提供的一种多晶硅铸锭装置及硅锭的制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本申请保护范围的限定。

实施例1

采用等离子弧发生器将通入喷嘴内的气体加热和电离，形成高温高速等离子射流，熔化和雾化金属钼，并使其喷射到石墨板层表面上，所述石墨板层的长度为1081mm，宽度为609mm，厚度为28mm，得到厚度为5mm钼层的复合护板；

垂直于每块所述复合护板的厚度方向，每块所述复合护板的边缘设有2个护板孔；以设有护板孔的一端为右侧，每块所述复合护板的上端从右侧向左侧，沿水平方向依次设置有第一开口、第二开口和第三开口，第一开口的长度为50mm，高度为40mm；第二开口的长度为40mm，高度为40mm；第三开口的长度为60mm，高度为40mm；沿水平方向，第一开口的最左端距离第二开口的最右端的距离为30mm，第二开口的最左端与第三开口的最右端的距离为50mm。

将石英坩埚中装入800kg原生多晶硅料，在石英坩埚四周安装4块上述复合护板，进入硅锭铸锭炉中进行铸锭，铸锭工艺包括加热、熔化、长晶、退火和冷却，所述加热的温度为15℃～1500℃，所述加热的时间为7～8.5小时；所述熔化的温度为1500℃～1550℃，熔化的时间为12～14.5小时；所述长晶的温度为1400℃～1440℃，长晶的时间为30～37小时；所述退火的温度为1100℃～1370℃，退火的时间为5.5～7小时；铸锭结束后，硅锭脱模；硅锭再次冷却24小时至室温后，对硅锭进行切方处理，将硅锭线剖成36块小方块；小方块表面经过打磨、倒角以后，质量部对小方块进行检测，计算出硅锭有效利用率为70.23％进行切片，最终产出厚度为190μm的多晶硅片的A级率为96.3％，切片过程中出现的断线率为1.5％。

实施例2

采用等离子弧发生器将通入喷嘴内的气体加热和电离，形成高温高速等离子射流，熔化和雾化金属钨，并使其喷射到石墨板层表面上，所述石墨板层的长度为1081mm，宽度为609mm，厚度为28mm，得到厚度为6mm钨层的复合护板；

垂直于每块所述复合护板的厚度方向，每块所述复合护板的边缘设有2个护板孔；以设有护板孔的一端为右侧，每块所述复合护板的上端从右侧向左侧，沿水平方向依次设置有第一开口、第二开口和第三开口，第一开口的长度为50mm，高度为40mm；第二开口的长度为40mm，高度为40mm；第三开口的长度为60mm，高度为40mm；沿水平方向，第一开口的最左端与第二开口的最右端的距离为30mm，第二开口的最左端与第三开口的最右端的距离为50mm。

将石英坩埚中装入800kg原生多晶硅料，在石英坩埚四周安装4块上述复合护板，进入硅锭铸锭炉中进行铸锭，铸锭工艺包括加热、熔化、长晶、退火和冷却，所述加热的温度为15℃～1500℃，所述加热的时间为7～8.5小时；所述熔化的温度为1500℃～1550℃，熔化的时间为12～14.5小时；所述长晶的温度为1400℃～1440℃，长晶的时间为30～37小时；所述退火的温度为1100℃～1370℃，退火的时间为5.5～7小时；铸锭结束后，硅锭脱模；硅锭冷却25小时至室温后，对硅锭进行切方处理，将硅锭线剖成36块小方块；小方块表面经过打磨、倒角以后，质量部对小方块进行检测，计算出硅锭有效利用率为70.68％进行切片，最终产出厚度为190μm的多晶硅片的A级率为96.2％，切片过程中出现的断线率为1.6％。

比较例

石英坩埚装完800kg原生多晶硅料后，在石英坩埚四周安装石墨护板，进入硅锭铸锭炉中进行铸锭，铸锭工艺包括加热、熔化、长晶、退火和冷却，所述加热的温度为15℃～1500℃，所述加热的时间为7～8.5小时；所述熔化的温度为1500℃～1550℃，熔化的时间为12～14.5小时；所述长晶的温度为1400℃～1440℃，长晶的时间为30～37小时；所述退火的温度为1100℃～1370℃，退火的时间为5.5～7小时；铸锭结束后，硅锭脱模；硅锭再次冷却24小时至室温后，对硅锭进行切方处理，将硅锭线剖成36块小方块；小方块表面经过打磨、倒角以后，质量部对小方块进行检测，计算出硅锭有效利用率为67.52％进行切片，最终产出厚度为190μm的多晶硅片的A级率为95.7％，切片过程中出现的断线率为2.8％。

由以上实施例可知，本申请提供了一种多晶硅铸锭装置，包括石英坩埚和设置在所述石英坩埚外周的若干块复合护板；每块所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层；所述金属隔离层与石英坩埚接触。与现有技术相比，本申请提供的多晶硅铸锭装置在石墨层上设置金属隔离层，所述金属隔离层能够阻碍石英坩埚和石墨之间的干性反应产生碳的化合物，降低了硅锭中的碳含量，进而提高了硅锭的有效利用率；硅锭进行切片制得的多晶硅片的A级率提高，断线率降低。实验结果表明：采用本申请提供的多晶硅铸锭装置，硅片中的碳含量降低1.5～3ppm；硅锭的有效利用率增加1.2～3.5％；同时硅片的断线率下降0.5～2.5％，硅片的A级率增加0.5～1.5％。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种多晶硅铸锭装置，包括石英坩埚和设置在所述石英坩埚外周的若干块复合护板；

每块所述复合护板包括石墨层和设置在石墨层上的金属隔离层；所述金属隔离层与石英坩埚接触；

所述金属隔离层为钼层或钨层；所述金属隔离层的厚度为3～10mm；

以石英坩埚开口方向为上，以设有护板孔的一端为右侧，每块所述复合护板的上端从右侧向左侧，沿水平方向依次设置有第一开口、第二开口和第三开口；

所述三个开口的高度和每块所述复合护板的高度比为38～42：38～42：38～42：605～615；所述第三开口、第二开口和第一开口的长度比为58～62：38～42：48～52；所述第一开口的最左端和第二开口的最右端的水平距离28～32mm；所述第二开口的最左端和第三开口的最右端的水平距离为48～52mm；

中间设置的开口的长度最小；

所述若干块复合护板之间首尾依次连接；

垂直于每块所述复合护板的厚度方向，复合护板的边缘设有若干个护板孔。

2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述金属隔离层为钼层。

3.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭装置，其特征在于，所述若干块复合护板之间通过石墨螺栓连接。

4.一种硅锭的制备方法，包括以下步骤：

将多晶硅原料置于权利要求1～3任意一项所述的多晶硅铸锭装置中依次进行加热、熔化、长晶、退火和冷却，得到硅锭。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔化的温度为1500℃～1550℃，所述熔化的时间为12～14.5小时；

所述长晶的温度为1400℃～1440℃，所述长晶的时间为30～37小时。