CN106087036A - 一种直拉单晶炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直拉单晶炉，包括炉体，炉体包括炉座和炉腔，炉腔设置在炉座上，所述炉体内设有加热装置和直拉成型装置，加热装置包括石英坩埚、石墨坩埚、加热器和石墨电极，石墨坩埚包裹在石英坩埚的外侧，加热器设置在石墨坩埚的外侧，石墨电极设置在加热器的底端，直拉成型装置包括竖直设置的籽晶轴和坩埚轴，籽晶轴设置在石英坩埚的上方，坩埚轴设置在石英坩埚的底部，籽晶轴的上方设有与籽晶轴相连接的籽晶轴驱动装置，坩埚轴的底部设有坩埚轴驱动装置，生产效率高，易于制备大直径硅单晶，并且晶体生长速度快、晶体的纯度和完整性高。

Description

一种直拉单晶炉
技术领域
本发明涉及光伏单晶硅生产领域，特别涉及一种直拉单晶炉。
背景技术
随着世界光伏行业的发展，对硅单晶的质量要求越来越高，直径也越来越大。硅单晶已经成为通用高品质光伏电池的材料基础，有不可替代的作用。就硅晶体生长和制备而言，有天然硅晶体和人工硅晶体。天然硅晶体的数量很少，一般硅单晶都是人工制造的。为了制备性能良好的硅单晶，在生产实践中，通过不断地研究、实践和探索，不断完善了硅单晶生长技术。从熔体中生长单晶所用方法有区熔法、基座法、片状单晶生长法、蹼状单晶生长法等。尽管制备硅单晶方法有很多种，但由于设备和工艺比较复杂，生产效率较低，不易于制备大直径无位错硅单晶片，导致晶体生长速度、晶体的纯度和完整性均不适合光伏大规模硅单晶生产的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种直拉单晶炉，生产效率高，易于制备大直径硅单晶，并且晶体生长速度快、晶体的纯度和完整性高，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种直拉单晶炉，包括炉体，炉体包括炉座和炉腔，炉腔设置在炉座上，其特征在于，所述炉体内设有加热装置和直拉成型装置，加热装置包括石英坩埚、石墨坩埚、加热器和石墨电极，石墨坩埚包裹在石英坩埚的外侧，加热器设置在石墨坩埚的外侧，石墨电极设置在加热器的底端，直拉成型装置包括竖直设置的籽晶轴和坩埚轴，籽晶轴设置在石英坩埚的上方，坩埚轴设置在石英坩埚的底部，籽晶轴的上方设有与籽晶轴相连接的籽晶轴驱动装置，坩埚轴的底部设有坩埚轴驱动装置。
优选的，所述加热装置设置在炉座内，所述直拉成型装置沿着炉腔设置。
优选的，所述籽晶轴的端部设有籽晶夹头。
优选的，所述炉座上设有直径测量仪，直径测量仪的测量头倾斜设置，对着石英坩埚中心位置。
优选的，所述炉腔上设有测温仪。
优选的，所述炉腔上设有观察窗。
优选的，所述石墨电极的外侧设有保温罩，保温罩形成包裹石墨坩埚的腔体。
优选的，所述炉腔上设有氩气进气口和氩气出气口，氩气进气口位于氩气出气口顶部，所述炉座底部也设有氩气出气口。
采用以上技术方案的有益效果是：本发明结构的直拉单晶炉依靠将普通硅材料进行熔化一重新结晶来完成的。根据硅单晶的结晶规律，制造一个熔化和结晶的环境:将原材料放在坩埚中加热熔化，控制温度比硅单晶的结晶温度略高，确保熔化后的硅材料在熔液表面可以结晶。
结晶出来的单晶通过籽晶轴驱动系统提出液面，在惰性气体的保护下冷却、成形，最后结晶成一个主体为圆柱体、尾部为圆椎体的晶体。
该直拉单晶炉采用直拉法，直拉法生长硅单晶具有容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径硅单晶，并且晶体生长速度快、晶体的纯度和完整性高，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶等优点，是制备高质量大单晶。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中，1--石墨电极、2--熔硅、3--单晶棒、4--观察窗、5--肩部、6--籽晶夹头、7--测温仪、8--籽晶轴驱动装置、9--籽晶轴、10--氩气出气口、11--直径测量仪、12--石英坩埚、13--石墨坩埚、14--加热器、15--保温罩、16--氩气进气口、17--炉座、18--炉腔、19--坩埚轴驱动装置。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
图1出示本发明的具体实施方式：一种直拉单晶炉，包括炉体，炉体包括炉座17和炉腔18，炉腔18设置在炉座17上，所述炉体内设有加热装置和直拉成型装置，加热装置包括石英坩埚12、石墨坩埚13、加热器14和石墨电极1，石墨坩埚13包裹在石英坩埚12的外侧，加热器14设置在石墨坩埚13的外侧，石墨电极1设置在加热器14的底端，直拉成型装置包括竖直设置的籽晶轴9和坩埚轴，籽晶轴9设置在石英坩埚12的上方，坩埚轴设置在石英坩埚12的底部，籽晶轴9的上方设有与籽晶轴9相连接的籽晶轴驱动装置8，坩埚轴的底部设有坩埚轴驱动装置19。
加热装置设置在炉座17内，所述直拉成型装置沿着炉腔18设置；籽晶轴9的端部设有籽晶夹头6；炉座17上设有直径测量仪11，直径测量仪11的测量头倾斜设置，对着石英坩埚12中心位置；炉腔18上设有测温仪7；炉腔18上设有观察窗4；石墨电极1的外侧设有保温罩15，保温罩15形成包裹石墨坩埚13的腔体；炉腔18上设有氩气进气口16和氩气出气口10，氩气进气口16位于氩气出气口10顶部，所述炉座17底部也设有氩气出气口10。
炉座一般由铸铁制成，它支撑整个炉体，炉膛装在炉座上面，坩埚轴及其相应驱动部件也装在炉座上。
炉膛一般由两层不透钢板制成夹层状，中间通水，坩埚轴和籽晶轴从炉膛中心穿过并能上下运动。
坩埚轴由不透钢制成，双层套管，中间通水冷却。坩埚轴通过托杆和石墨托碗支撑石英坩埚中的多晶硅，并且通过旋转、上升或下降调节热系统中坩埚内熔硅位置，以便顺利拉晶。
籽晶轴也是由不透钢制成，能够旋转、上升和下降，它的结构和坩埚轴一样，但比坩埚轴要长。它的主要作用是通过籽晶夹头卡住籽晶，并且一边旋转一边向上缓慢运动，完成拉晶动作。由于单晶的长度和行程问题，目前一般是用钢丝式铰链做籽晶轴，即“软轴”。
单晶炉的机械传动部分包括籽晶轴、坩埚轴和驱动它们旋转与上升或下降的驱动装置。籽晶轴和坩埚轴的旋转有直流电机分别经过皮带(或齿轮变速后)带动抱轮使其旋转；籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过两个直流电机驱动螺纹旋转，使丝杠上升或下降来完成。
这四个运动各自独立，互不干扰，不同的是坩埚轴比籽晶轴有更慢的上升或下降速度，这是因为硅单晶直径比坩埚直径要小，而工艺方法多数情况要求液面位置保持不变以保证稳定生长。
直径测量仪为光学等直径测量仪，直径测量仪装在炉膛上，它似照相机，一组光学镜头对准坩埚中心，通过镜头将硅单晶横断面直径的变化影象采集到相应处理系统并转换成电信号，经过放大与分压或分流处理，控制拉晶速度和加热功率，保证硅单晶等直径生长，调节直径测量仪可以决定生长硅单晶直径的大小。
测温仪为红外测温仪，测温仪装在炉膛的测温孔上，正对加热器中部。为了便于测量与测量的灵敏度高和测量准确，一般要现场调试安装的位置，使得到的热信号强度达到最大，将热信号的变化经放大输入给温度功率控制部分，可自动恒温控制。
用直拉单晶炉拉制硅单晶是在高温下进行的，因此，炉膛、观察窗、籽晶轴、坩埚轴、紫铜电极必须进行水冷。直拉单晶炉需要庞大的水冷系统，它由进水管、水阀、水压继电器、分水管、回水管和排水管组成各冷却部分水网。
该方法使用合理的热系统以便使熔融硅的温度处于凝结点附近，通过籽晶轴系统直接将符合要求的硅单晶体以同步生长速度的拉速拉出液面实现连续生长，整个过程处于氩气保护状态并通过光、电系统实现过程自动控制。
热系统为内热式，使用高纯石墨作发热体，发热体用保温材料保温，放在密封水冷的不锈钢炉腔内，发热体通过大电流产生高温使多晶硅熔化。
该热系统对应的热场，在界面纵向的温度梯度尽可能的大，以使单晶生长有足够的动力，且不会由于纵向温度梯度过大使单晶产生结构缺陷和产生晶变；尽量使温度梯度变化平滑，避免突变，不使单晶生长受到较大的热冲击。界面的径向温度梯度尽量贴近于零或等于零，保证结晶界面平坦。
籽晶轴和坩埚轴相对旋转，并且以一定比例的速度同时向上升，确保结晶界面处于热场合理的位置。
本方法已经经过实验证明可以方便的批量生长75--400mm硅单晶；本方法已经经过实验证明在进行太阳能M2无位错单晶典型生产时单台设备月产达到1.2吨以上；本方法已经经过实验证明生长的硅单晶可以通过热场和参数设计控制氧含量在14--48ppma，并在需要时可以将氧含量控制在目标±2ppma；本方法已经经过实验证明碳含量可以控制在1ppma以下，符合太阳能单晶要求。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直拉单晶炉，包括炉体，炉体包括炉座和炉腔，炉腔设置在炉座上，其特征在于，所述炉体内设有加热装置和直拉成型装置，加热装置包括石英坩埚、石墨坩埚、加热器和石墨电极，石墨坩埚包裹在石英坩埚的外侧，加热器设置在石墨坩埚的外侧，石墨电极设置在加热器的底端，直拉成型装置包括竖直设置的籽晶轴和坩埚轴，籽晶轴设置在石英坩埚的上方，坩埚轴设置在石英坩埚的底部，籽晶轴的上方设有与籽晶轴相连接的籽晶轴驱动装置，坩埚轴的底部设有坩埚轴驱动装置。
2.根据权利要求1所述的直拉单晶炉，其特征在于，所述加热装置设置在炉座内，所述直拉成型装置沿着炉腔设置。
3.根据权利要求1所述的直拉单晶炉，其特征在于，所述籽晶轴的端部设有籽晶夹头。
4.根据权利要求1所述的直拉单晶炉，其特征在于，所述炉座上设有直径测量仪，直径测量仪的测量头倾斜设置，对着石英坩埚中心位置。
5.根据权利要求1所述的直拉单晶炉，其特征在于，所述炉腔上设有测温仪。
6.根据权利要求1所述的直拉单晶炉，其特征在于，所述炉腔上设有观察窗。
7.根据权利要求1所述的直拉单晶炉，其特征在于，所述石墨电极的外侧设有保温罩，保温罩形成包裹石墨坩埚的腔体。
8.根据权利要求1所述的直拉单晶炉，其特征在于，所述炉腔上设有氩气进气口和氩气出气口，氩气进气口位于氩气出气口顶部，所述炉座底部也设有氩气出气口。
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