CN106087046A - 一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，包括以下步骤：一、装料；二、预热；三、熔化；四、熔化后至长晶前处理：401、降温：将多晶硅铸锭炉的加热温度由T2降至T3，并保温15～25min，T2＝1540～1560℃，T3＝1410～1420℃；402、升温：将多晶硅铸锭炉的加热温度由T3升至T4，并保温8～15min，T4＝1435～1445℃；五、长晶：将多晶硅铸锭炉的加热温度控制在T4并进行定向凝固，直至完成长晶过程；六、退火及冷却。本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，通过增设熔化后至长晶前处理步骤，并对长晶工艺进行调整，能有效减小晶粒度，提高铸锭成品的质量。

Description

一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法

技术领域

本发明属于多晶硅铸锭技术领域，尤其是涉及一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法。

背景技术

光伏发电是当前最重要的清洁能源之一，具有极大的发展潜力。制约光伏行业发展的关键因素，一方面是光电转化效率低，另一方面是成本偏高。光伏硅片是生产太阳能电池和组件的基本材料，用于生产光伏硅片的多晶硅纯度必须在6N级以上(即非硅杂质总含量在1ppm以下)，否则光伏电池的性能将受到很大的负面影响。近几年，多晶硅片生产技术有了显著进步，多晶铸锭技术已从G4(每个硅锭重约270公斤，可切4×4＝16个硅方)进步到G5(5×5＝25个硅方)，然后又进步到G6(6×6＝36个硅方)。并且，所生产多晶硅铸锭的单位体积逐步增大，成品率增加，且单位体积多晶硅铸锭的制造成本逐步降低。

实际生产过程中，太阳能多晶硅铸锭时，需使用石英坩埚来填装硅料，且将硅料投入石英坩埚后，通常情况下还需经预热、熔化(也称熔料)、长晶(也称定向凝固结晶)、退火、冷却等步骤，才能完成多晶硅铸锭过程。其中，退火是多晶硅铸锭过程中极其重要的一个工艺步骤，退火效果不好直接影响铸锭成品内部的应力分布状态，对多晶硅铸锭成品的质量影响较大。晶粒度是表示晶粒大小的尺度，晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。目前多晶硅铸锭过程中，没有一个统一、标准且规范的减小晶粒度的方法(即加工细晶粒的多晶硅铸锭方法)可供遵循，实际加工时不可避免地存在操作比较随意、花费时间长、使用效果较差等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，通过增设熔化后至长晶前处理步骤，并对长晶工艺进行调整，能有效减小晶粒度，提高铸锭成品的质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、装料：将内装硅料的坩埚装入多晶硅铸锭炉；

步骤二、预热：采用多晶硅铸锭炉对装于坩埚内的硅料进行预热，并将多晶硅铸锭炉的加热温度逐步提升至T1；预热时间为4h～6h，其中T1＝1125℃～1285℃；

步骤三、熔化：采用多晶硅铸锭炉对装于坩埚内的硅料进行熔化，熔化温度为T1～T2；其中T2＝1540℃～1560℃；

步骤四、熔化后至长晶前处理，过程如下：

步骤401、降温：将多晶硅铸锭炉的加热温度由T2降至T3，并保温15min～25min；其中T3＝1410℃～1420℃；

步骤402、升温：将多晶硅铸锭炉的加热温度由T3升至T4，并保温8min～15min；其中T4＝1435℃～1445℃；

步骤五、长晶：将多晶硅铸锭炉的加热温度控制在T4并进行定向凝固，直至完成长晶过程；

步骤六、退火及冷却：步骤五中长晶过程完成后，进行退火与冷却，并获得加工成型的所述多晶硅铸锭。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤三中进行熔化时，待坩埚内的硅料全部熔化后，将所述多晶硅铸锭炉的加热温度控制在T2，之后所述多晶硅铸锭炉的加热功率开始下降，待所述多晶硅铸锭炉的加热功率停止下降且持续时间t后，熔化过程完成；其中t＝20min～40min。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤五中进行长晶过程中，所述多晶硅铸锭炉的隔热笼提升高度为8cm/h～12cm/h。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤五中进行长晶过程中，所述多晶硅铸锭炉内位于坩埚上方的顶部加热器的加热功率为80kW～95kW，四个分别布设在坩埚的四个侧壁外侧的侧部加热器的加热功率均为30kW～50kW。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤一中所述多晶硅铸锭炉内设置有气体冷却装置；步骤五中进行长晶过程中，通过增大所述气体冷却装置的冷却气体流量将多晶硅铸锭炉的加热温度控制至T4。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤一中所述多晶硅铸锭炉内位于坩埚上方的顶部加热器通过第一电极与顶部加热电源连接，四个分别布设在坩埚的四个侧壁外侧的侧部加热器均通过第二电极与侧部加热电源连接；所述顶部加热电源和侧部加热电源均与加热功率调节装置连接，所述加热功率调节装置为对顶部加热电源和侧部加热电源的输出功率分别进行调节的功率调节装置。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤三中熔化过程中、步骤四中熔化后至长晶前处理过程中和步骤五中长晶过程中，均向多晶硅铸锭炉内充入惰性气体并将多晶硅铸锭炉内气压保持在Q1，其中Q1＝550mbar～650mbar。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤六中进行退火及冷却时，过程如下：

步骤601、第一次退火：经50min～70min将多晶硅铸锭炉的加热温度降至T5，并保温2h～3h；其中，T5＝1250℃～1280℃；

步骤602、第二次退火：经50min～70min将多晶硅铸锭炉的加热温度由T5降至T6，并保温2h～3h；T6＝900℃～950℃；

步骤603、冷却：将所加工多晶硅铸锭随炉冷却至室温，获得加工成型的所述多晶硅铸锭。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤601中进行第一次退火过程中和步骤602中进行第二次退火过程中，均向多晶硅铸锭炉内充入惰性气体并将多晶硅铸锭炉内的气压保持在Q2，其中Q2＝180Pa～250Pa。

上述一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征是：步骤二中预热过程中，将多晶硅铸锭炉的加热功率逐步升高至P1，其中P1＝50kW～100kW；步骤三中所述坩埚内的硅料全部熔化后，对多晶硅铸锭炉的加热功率变化情况进行观测，待多晶硅铸锭炉的加热功率下降至P2，并保持P2不变且持续时间t后，熔料过程完成；其中，P2＝25kW～45kW。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、工艺步骤简单、设计合理且实现方便，投入成本低。

2、能简便、快速减少晶粒度，通过设置熔化后至长晶前处理步骤，同时对长晶过程中的加热温度进行限定，并对冷却气体流量以及顶部加热器和四个所述侧部加热器的加热功率进行调整，实现高温长晶，并相应完成高温状态下提笼过程，能有效提高多晶硅铸锭效率。

并且，长晶过程中，多晶硅铸锭炉的加热温度维持不变，并处于1440℃左右，这样使坩埚内上部始终处于熔融状态，上部液面平稳，使长晶过程能快速、高质量进行，长晶阶段控制简便。并且，多晶硅铸锭炉的隔热笼提升高度为8cm/h～12cm/h，提幅大。因而，能有效提高长晶效率。

3、熔化后至长晶前处理步骤设计合理且实现简便、使用效果好，熔化完成后，先将多晶硅铸锭炉的加热温度由T2降至T3并保温15min～25min，降温至T3后，由于T3低于硅的熔点温度，使熔化后的硅液能自发形核，即自动形成晶核，控制简便；之后，再将多晶硅铸锭炉的加热温度由T3升至T4并保温8min～15min，使所形成的晶核稳定，并开始生长。因而，步骤四中熔化后至长晶前处理为衔接熔化过程与长晶过程的一个过渡阶段，使得熔化过程向长晶过程的过渡更平稳，并且易于控制。

4、能有效减少多晶硅铸锭过程中的退火时间，与现有多晶硅铸锭过程中的退火工艺相比，各次退火温度均相对较低，并且退火处理时间较短，能有效提高多晶硅铸锭效率。

5、退火效果好，能有效提高多晶硅铸锭成品的成品率，并且，由于多晶硅铸锭过程在真空环境下进行，并且退火过程一般都在低压环境下进行，而低压环境下，硅的熔点降低，相应硅的软化点也降低，但现有退火工艺中，仍按照常压状态下硅的熔点和软化点设计退火温度，导致实际退火温度较高(通常情况下，第一退火温度为1370℃～1390℃)，影响退火效果。而本发明中，考虑到低压环境下硅的熔点和软化点均降低，第一退火温度设计为1250℃～1280℃，退火温度设计合理，并且能有效节省退火时间。同时，第二次退火温度设计为900℃～950℃，在该温度条件下，硅氧发生相变，硅易于氧发生反应并生成二氧化硅等，发生相变过程中能有效释放硅晶格应力，从而达到低温退火释放硅晶格应力的目的，同时能有效减少退火时间。

6、多晶硅铸锭炉内加热器采用双电源进行单独控制，不需要更改多晶硅铸锭炉内的加热器结构，投入成本低且实现方便，顶部加热器和侧部加热器采用各自独立的电源，顶部加热器和侧部加热器能进行单独控制且二者的加热功率能分开单独进行控制，此时控制方式具有以下优点：第一、更加节能，不必须顶部加热器和侧部加热器采用同样的加热功率，从而达到减少加热电力的目的，同时能有效减少单位时间内冷却水带走的热量，从而间接地减少了动力制冷设备的负荷；第二、能更好地控制热场，由于顶部加热器和侧部加热器能进行单独控制，能简便实现顶部加热器和侧部加热器分开加热的目的，从而能达到有效控制热场的目的；第三、对于晶体生长过程及退火过程具有很大的改善作用，有利于在多晶硅铸锭炉内部形成更均匀的垂直梯度热场，从而更好地控制长晶速率和退火效果，使得长晶界面更加平缓，从而减少阴影、红区等不利因素，加热效果更佳；同时使铸锭内部热场分布均匀，进一步提高退火效果；第四、能有效减轻主线路上承载的负荷，有效减少主线路上的电流叠加量，从而减少线路负载量，对于母线和配电室有一定的保护作用；第五、能延长内部热场的使用寿命。

7、退火温度设计合理，能有效改善多晶硅铸锭成品内的应力状态，并能形成更均匀的垂直梯度热场，尤其对于尺寸较大的铸锭而言，退火过程中热场分布均匀，退火效果更佳，能有效避免因温度加热温度分布不均匀导致的退火效果较差、影响多晶硅铸锭成品质量等问题。

8、使用效果好且实用价值高，能简便、快速完成细晶粒的多晶硅铸锭过程，铸锭效率高，控制简便且铸锭成品的质量高。

9、实用性强，便于批量生产。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好，通过增设熔化后至长晶前处理步骤，并对长晶工艺进行调整，能有效减小晶粒度，提高铸锭成品的质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明多晶硅铸锭炉内顶部加热器与侧部加热器的布设位置示意图。

图3为本发明顶部加热器、侧部加热器与加热功率调节装置的电路原理框图。

图4为本发明进行熔化时的温度及功率曲线图。

附图标记说明:

1—坩埚； 2—顶部加热器； 2-1—顶部加热电源；

3—多晶硅铸锭炉； 4—侧部加热器； 4-1—侧部加热电源；

5—DS块； 6—加热功率调节装置； 7—坩埚护板；

8—保温筒； 9—托杆。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，包括以下步骤：

步骤一、装料：将内装硅料的坩埚1装入多晶硅铸锭炉3；

步骤二、预热：采用多晶硅铸锭炉3对装于坩埚1内的硅料进行预热，并将多晶硅铸锭炉3的加热温度逐步提升至T1；预热时间为5h，其中T1＝1200℃；

步骤三、熔化：采用多晶硅铸锭炉3对装于坩埚1内的硅料进行熔化，熔化温度为T1～T2；其中T2＝1550℃；

步骤四、熔化后至长晶前处理，过程如下：

步骤401、降温：将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T2降至T3，并保温20min；其中T3＝1415℃；

步骤402、升温：将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T3升至T4，并保温10min；其中T4＝1440℃；

步骤五、长晶：将多晶硅铸锭炉3的加热温度控制在T4并进行定向凝固，直至完成长晶过程；

步骤六、退火及冷却：步骤五中长晶过程完成后，进行退火与冷却，并获得加工成型的所述多晶硅铸锭。

实际使用过程中，可根据具体需要，对T1、T2、T3和T4的大小进行相应调整。其中，T2为多晶硅熔化温度。

本实施例中，步骤三中进行熔化时，待坩埚1内的硅料全部熔化后，将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度控制在T2，之后所述多晶硅铸锭炉3的加热功率开始下降，待所述多晶硅铸锭炉3的加热功率停止下降且持续时间t后，熔化过程完成；其中t＝30min。

本实施例中，步骤五中进行长晶过程中，所述多晶硅铸锭炉3的隔热笼提升高度为8cm/h～12cm/h。

并且，步骤五中进行长晶过程中，所述多晶硅铸锭炉3内位于坩埚1上方的顶部加热器2的加热功率为80kW～95kW，四个分别布设在坩埚1的四个侧壁外侧的侧部加热器4的加热功率均为30kW～50kW。

实际使用过程中，将顶部加热器2的加热功率在80kW～95kW范围内进行相应调整，并将四个所述侧部加热器4的加热功率在30kW～50kW范围内进行相应调整。

本实施例中，步骤一中所述多晶硅铸锭炉3内设置有气体冷却装置；步骤五中进行长晶过程中，通过增大所述气体冷却装置的冷却气体流量将多晶硅铸锭炉3的加热温度控制至T4。并且，通过增大所述气体冷却装置的冷却气体流量，将所述气体冷却装置的冷却气体体积浓度在60ppm～80ppm范围内进行调整。

实际使用时，通过顶部加热器2和四个所述侧部加热器4的加热功率，并调整所述气体冷却装置的冷却气体流量，将多晶硅铸锭炉3的加热温度控制至T4。

实际使用时，本发明通过设置步骤四中所述的熔化后至长晶前处理步骤，同时对步骤五中长晶过程中的加热温度进行限定，并对冷却气体流量以及顶部加热器2和四个所述侧部加热器4的加热功率进行调整，实现高温长晶，并相应完成高温状态下提笼过程，能有效提高多晶硅铸锭效率。

并且，长晶过程中，多晶硅铸锭炉3的加热温度维持不变，并处于1440℃，这样使坩埚1内上部始终处于熔融状态，上部液面平稳，使长晶过程能快速、高质量进行，长晶阶段控制简便。并且，所述多晶硅铸锭炉3的隔热笼提升高度为8cm/h～12cm/h，提幅大。因而，能有效提高长晶效率。

其中，熔化完成后，先将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T2降至T3并保温20min，降温至T3后，由于T3低于硅的熔点温度，使熔化后的硅液能自发形核，即自动形成晶核，控制简便；之后，再将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T3升至T4并保温10min，使所形成的晶核稳定，并开始生长。因而，步骤四中熔化后至长晶前处理为衔接熔化过程与长晶过程的一个过渡阶段，使得熔化过程向长晶过程的过渡更平稳，并且易于控制。

实际使用时，步骤三中熔化过程中、步骤四中熔化后至长晶前处理过程中和步骤五中长晶过程中，均向多晶硅铸锭炉3内充入惰性气体并将多晶硅铸锭炉3内气压保持在Q1，其中Q1＝550mbar～650mbar。本实施例中，Q1＝600mbar。

实际进行熔化时，可以根据具体需要，对Q1和t的取值大小进行相应调整。

目前，多晶硅铸锭方法主要有半熔铸锭法和全熔铸锭法两种，半熔铸锭法也称为有籽晶铸锭多晶硅法，是指采用毫米级硅料作为形核中心进行外延生长，铸造低缺陷高品质的多晶硅铸锭；全熔铸锭法也称为无籽晶铸锭多晶硅法或无籽晶高效多晶硅技术，是指采用非硅材料在坩埚底部制备表面粗糙的异质形核层，通过控制形核层的粗糙度与形核时过冷度来获得较大形核率，铸造低缺陷高品质多晶硅铸锭。目前，多晶硅铸锭方法以全熔铸锭法为主。此处，所采用的多晶硅铸锭方法为常规的多晶硅铸锭方法，具体为全熔多晶硅铸锭法。

因而，步骤一中进行装料、步骤二中进行预热、步骤三中进行熔化和步骤六中进行退火及冷却时，所采用的方法均为全熔多晶硅铸锭法采用的常规方法。

本实施例中，所述坩埚1为立方体坩埚。

本实施例中，步骤一中进行装料时，按照常规全熔铸锭法的装料方法进行装料。如图2所示，装料完成后，将坩埚1放置于多晶硅铸锭炉3内的DS块5上。其中，DS块5为石墨块，所述石墨块的导热性很强。所述DS块5也称为定向固化块或DS-BLOCK。所述多晶硅铸锭炉3内设置有保温筒8。之后，再按照常规全熔铸锭法的预热方法对坩埚1内的硅料进行预热。预测完成后，再开始进行熔化。

本实施例中，所述多晶硅铸锭炉3为G5型铸锭炉。并且，所述多晶硅铸锭炉3具体为浙江晶盛机电股份有限公司生产的G5型铸锭炉。所述坩埚1为石英坩埚且其为G5坩埚，并且生产出来的多晶硅铸锭为G5锭。

实际使用时，所述石英坩埚的装料量为600kg左右。

本实施例中，所述石英坩埚的装料量为560kg。实际使用过程中，可以根据具体需要，对所述石英坩埚的装料量进行相应调整。

本实施例中，如图2、图3所示，步骤一中所述多晶硅铸锭炉3内位于坩埚1上方的顶部加热器2通过第一电极与顶部加热电源2-1连接，四个分别布设在坩埚1的四个侧壁外侧的侧部加热器4均通过第二电极与侧部加热电源4-1连接；所述顶部加热电源2-1和侧部加热电源4-1均与加热功率调节装置6连接，所述加热功率调节装置6为对顶部加热电源2-1和侧部加热电源4-1的输出功率分别进行调节的功率调节装置。

所述顶部加热电源2-1和侧部加热电源4-1均为功率可调节电源，并且顶部加热器2和四个所述侧部加热器4分别采用两个不同的电源(即所述顶部加热电源和所述侧部加热电源)，能实现顶部加热器2和侧部加热器4的单独控制，使用操作简便且使用效果好。

本实施例中，所述加热功率调节装置6中包括两个加热功率调节设备，两个所述加热功率调节设备分别为对顶部加热器2的加热功率进行调节的第一加热功率调节设备和对四个所述侧部加热器4的加热功率进行同步调节的第二加热功率调节设备。

实际使用时，两个所述加热功率调节设备也可以共用一个所述加热功率调节设备，只需能达到对两个所述电源分别进行控制的目的即可。

本实施例中，所述顶部加热器2和侧部加热器4均为现有多晶硅铸锭炉3采用的现有加热器，所述顶部加热器2和四个所述侧部加热器4的结构和布设位置均为现有多晶硅铸锭炉相同。每个所述侧部加热器4均与位于其内侧的坩埚1的侧壁呈平行布设。

所述坩埚1的四个侧壁外侧均设置有坩埚护板7，所述侧部加热器4位于坩埚护板7外侧；所述坩埚护板7为呈竖直向布设的石墨板。

同时，所述坩埚1下方还设置有托杆9。

实际安装时，所述顶部加热器2和四个所述侧部加热器4均通过吊装件吊装在多晶硅铸锭炉3的顶盖上。

本实施例中，步骤二中进行预热和步骤三中进行熔化过程中，所述顶部加热器2和四个所述侧部加热器4的加热功率均相同。

同时，步骤二中预热过程中，将多晶硅铸锭炉3的加热功率逐步升高至P1，其中P1＝50kW～100kW；步骤三中所述坩埚1内的硅料全部熔化后，对所述铸锭炉的加热功率变化情况进行观测，待多晶硅铸锭炉3的加热功率下降至P2，并保持P2不变且持续时间t后，熔料过程完成；其中，P2＝25kW～45kW。

并且，步骤三中进行熔化时，过程如下：

第1步、保温：将多晶硅铸锭炉3的加热温度控制在T1，并保温0.4h～0.6h；

第2步至第5步、升温及加压：由先至后分四步将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T1逐渐提升至T7，升温时间为0.4h～0.6h；升温过程中向所述多晶硅铸锭炉3内充入惰性气体并将所述多晶硅铸锭炉3的气压逐步提升至Q1；其中，T4＝1190℃～1325℃；

第6步、第一次升温及保压：将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度由T7逐渐提升至T8且升温时间为3.5h～4.5h，升温过程中所述多晶硅铸锭炉3内气压保持在Q1；其中，T6＝1440℃～1460℃；

第7步：第二次升温及保压：将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度由T8逐渐提升至T9且升温时间为3.5h～4.5h，升温过程中所述多晶硅铸锭炉3内气压保持在Q1；其中，T7＝1490℃～1510℃；

第8步、第三次升温及保压：将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度由T9逐渐提升至T2且升温时间为3.5h～4.5h，升温过程中所述多晶硅铸锭炉3内气压保持在Q1；其中，T2＝1540℃～1560℃；

第9步、保温：将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度控制在T2，并保温3.5h～4.5h；保温过程中，所述多晶硅铸锭炉3内气压保持在Q1；

第10步、持续保温：将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度控制在T2，并保温4h～8h，直至坩埚1内的硅料全部熔化；保温过程中，所述多晶硅铸锭炉3内气压保持在Q1。

本实施例中，第6步中进行第一次升温及保压过程中、第7步中进行第二次升温及保压过程中、第8步中进行第三次升温及保压过程中和第9步中进行保温过程中，均需对所述多晶硅铸锭炉3的加热功率变化情况进行观测，并确保所述多晶硅铸锭炉3的加热功率变化平稳。

同时，第2步至第5步中由先至后分四步将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度由T1逐渐提升至T7时，每一步提升温度5℃～8℃，且每一步提升均需5min～10min。

并且，步骤二中预热时间为5h；预热过程中，将所述多晶硅铸锭炉3的加热功率以10kW/h～15kW/hkW/h的增长速率逐步提升至P1。

本实施例中，步骤二中预热过程中，将所述多晶硅铸锭炉3的加热功率逐步升高至P1，其中P1＝75kW。

实际进行预热时，可以根据具体需要，对预热时间、预热过程中加热功率的增长速率以及T1和P1的取值大小进行相应调整。

本实施例中，待坩埚1内的硅料全部熔化后，将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度控制在T2，并对所述多晶硅铸锭炉3的加热功率随时间变化的曲线即功率曲线进行观测，详见图4。图4中，细实线为所述多晶硅铸锭炉3的加热功率随时间变化的曲线，需实线为所述多晶硅铸锭炉3的加热温度随时间变化的曲线，竖线为坩埚1内的硅料全部熔化时的报警线。由图2可以看出，待坩埚1内的硅料全部熔化后，所述多晶硅铸锭炉3的功率曲线开始下降，待所述多晶硅铸锭炉3的功率曲线下降且走平30min后，熔料过程完成，之后进入长晶阶段；即图4中的A点为熔料过程完成的时间点。

实际操作过程中，通过观测功率曲线便能准确确定熔料过程完成的时间点，即由熔化阶段切换到长晶阶段的切换时间点。实际操作简便，且实现方便，能准确把握由熔化阶段切换到长晶阶段的切换时机。

本实施例中，步骤三中所述坩埚1内的硅料全部熔化后，对所述多晶硅铸锭炉3的加热功率变化情况进行观测，待所述多晶硅铸锭炉3的加热功率下降至P2，并保持P2不变且持续时间t后，熔料过程完成；其中，P2＝35kW。

实际进行熔化时，根据所述坩埚1内装料量的不同，P2的大小相应在25kW～45kW范围内进行调整。

本实施例中，第1步中保温0.5h；

第2步至第5步中由先至后分四步将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度由T1逐渐提升至T7，升温时间为0.5h即第2步至第5步的总时间为0.5h；升温过程中向所述多晶硅铸锭炉3内充入惰性气体并将所述多晶硅铸锭炉3的气压逐步提升至Q1；其中，T7＝1250℃；

第2步至第5步中由先至后分四步将所述多晶硅铸锭炉3的加热温度由T1逐渐提升至T7时，每一步提升温度5℃～8℃，且每一步提升均需5min～10min；

第6步中进行第一次升温及保压时，升温时间为4h，T8＝1450℃；

第7步中进行第二次升温及保压时，升温时间为4h，T9＝1500℃。

第8步中进行第三次升温及保压时，升温时间为4h；

第9步中进行保温时，保温4h；

第10步中进行持续保温时，保温6h，直至坩埚1内的硅料全部熔化。

本实施例中，第6步中进行第一次升温及保压过程中、第7步中进行第二次升温及保压过程中、第8步中进行第三次升温及保压过程中和第9步中进行保温过程中，均需对所述多晶硅铸锭炉3的加热功率变化情况进行观测，并确保所述多晶硅铸锭炉3的加热功率变化平稳。

也就是说，第6步至第9步中进行熔化时，必须使功率曲线平稳前进，不能出现较为明显的凹凸点，这样会带来硬质点的增多。

本实施例中，第2步至第5步中进行升温及加压时，过程如下：

第2步、第一步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1200℃提升至1220℃，且升温时间为7min。

第3步、第二步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1220℃提升至1235℃，且升温时间为8min。

第4步、第三步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1235℃提升至1242℃，且升温时间为5min。

第5步、第四步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1242℃提升至1250℃，且升温时间为5min。

本实施例中，第10步中待坩埚1内的硅料全部熔化且所述多晶硅铸锭炉3发出“熔化完成报警”后，需人工干预，对功率曲线的下降情况进行观测，待所述多晶硅铸锭炉3的功率曲线下降且走平30min后，熔料过程完成，之后人工干预将熔化阶段切入到长晶阶段。

本实施例中，所述惰性气体为氩气。

本实施例中，步骤六中进行退火及冷却时，过程如下：

步骤601、第一次退火：经1h将多晶硅铸锭炉3的加热温度降至T5，并保温2.5h；其中，T5＝1260℃；

步骤602、第二次退火：经1h将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T5降至T6，并保温2.5h；T6＝920℃；

步骤603、冷却：将所加工多晶硅铸锭随炉冷却至室温，获得加工成型的所述多晶硅铸锭。

本实施例中，步骤601中进行第一次退火过程中和步骤602中进行第二次退火过程中，均向所述多晶硅铸锭炉3内充入惰性气体并将多晶硅铸锭炉3内的气压保持在Q2，其中Q2＝200Pa。

并且，所述惰性气体为氩气。

实际加工时，可根据具体需要，对T5、T6和Q2的取值大小分别进行相应调整。

本实施例中，步骤603中将所加工多晶硅铸锭随炉冷却至室温时，按照100℃/h的降温速率进行冷却。

实际进行冷却时，可根据具体需要，对降温速率进行相应调整。

实际进行多晶硅铸锭时，通常均在真空环境下进行，并且退火过程一般都在低压环境下进行。由于低压环境下，硅的熔点降低，相应硅的软化点也降低。而现有退火工艺中，仍按照常压状态下硅的熔点和软化点设计退火温度，导致实际退火温度较高(通常情况下，第一退火温度为1370℃～1390℃)，影响退火效果。而本发明中，考虑到低压环境下硅的熔点和软化点均降低，第一退火温度设计为1250℃～1280℃，退火温度设计合理，并且能有效节省退火时间。同时，第二次退火温度设计为900℃～950℃，在该温度条件下，硅氧发生相变，硅易于氧发生反应并生成二氧化硅等，发生相变过程中能有效释放硅晶格应力，提高铸锭成品质量，从而达到低温退火释放硅晶格应力的目的，同时能有效减少退火时间。

与常规的退火工艺相比，采用本发明公开的退火工艺能使多晶硅铸锭成品的成品率提高5％以上。

本实施例中，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低60％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，能有效提高铸锭成品质量，成品率为72％，晶粒度为8级。

实施例2

本实施例中，与实施例1不同的是：步骤二中预热时间为4h且T1＝1285℃，P1＝100kW；步骤三中T2＝1560℃，t＝20min，P2＝45kW，Q1＝650mbar；第1步中保温时间为0.4h；第2步至第5步中T7＝1325℃，升温时间为0.4h；第6步中T8＝1460℃且升温时间为3.5h；第7步中T9＝1510℃且升温时间为3.5h；第8步中升温时间为3.5h；第9步中保温时间为3.5h；第10步中保温时间为4h；

本实施例中，第2步至第5步中进行升温及加压时，过程如下：

第2步、第一步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1285℃提升至1290℃，且升温时间为5min。

第3步、第二步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1290℃提升至1295℃，且升温时间为5min。

第4步、第三步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1295℃提升至1315℃，且升温时间为9min。

第5步、第四步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1315℃提升至1325℃，且升温时间为5min；

步骤401中T3＝1410℃，保温时间为25min；步骤402中T4＝1435℃，保温时间为15min；

步骤601中经70min将多晶硅铸锭炉3的加热温度降至T5，并保温3h；其中，T4＝1250℃；步骤602中经70min将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T5降至T6，并保温3h，T6＝900℃；Q2＝180Pa；将所加工多晶硅铸锭随炉冷却至室温时，按照90℃/h的降温速率进行冷却。

本实施例中，其余方法步骤和工艺参数均与实施例1相同。

本实施例中，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低60％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，成品率为74％，晶粒度为7级。

实施例3

本实施例中，与实施例1不同的是：步骤二中预热时间为6h且T1＝1125℃，P1＝50kW；步骤三中T2＝1540℃，t＝40min，P1＝25kW，Q1＝550mbar；第1步中保温时间为0.6h；第2步至第5步中T7＝1190℃，升温时间为0.6h；第6步中T8＝1440℃且升温时间为4.5h；第7步中T9＝1490℃且升温时间为4.5h；第8步中升温时间为4.5h；第9步中保温时间为4.5h；第10步中保温时间为8h；

本实施例中，第2步至第5步中进行升温及加压时，过程如下：

第2步、第一步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1125℃提升至1140℃，且升温时间为9min。

第3步、第二步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1140℃提升至1155℃，且升温时间为8min。

第4步、第三步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1155℃提升至1175℃，且升温时间为10min。

第5步、第四步提升：将多晶硅铸锭炉的加热温度由1175℃提升至1190℃，且升温时间为9min。

本实施例中，步骤401中T3＝1420℃，保温时间为15min；步骤402中T4＝1445℃，保温时间为8min；

本实施例中，步骤601中经50min将多晶硅铸锭炉3的加热温度降至T4，并保温2h，T4＝1280℃；步骤二中经50min将多晶硅铸锭炉3的加热温度由T4降至T5，并保温2h，T5＝950℃；Q1＝250Pa，T10＝1405℃；将所加工多晶硅铸锭随炉冷却至室温时，按照120℃/h的降温速率进行冷却。

本实施例中，其余方法步骤和工艺参数均与实施例2相同。

本实施例中，加工成型铸锭成品的表面无杂质，无粘埚现象，铸锭底部含氧量降低65％以上，少子寿命＞5.5us(微秒)，硬质点比例＜0.5％，成品率为72％，晶粒度为7级。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、装料：将内装硅料的坩埚(1)装入多晶硅铸锭炉(3)；

步骤二、预热：采用多晶硅铸锭炉(3)对装于坩埚(1)内的硅料进行预热，并将多晶硅铸锭炉(3)的加热温度逐步提升至T1；预热时间为4h～6h，其中T1＝1125℃～1285℃；

步骤三、熔化：采用多晶硅铸锭炉(3)对装于坩埚(1)内的硅料进行熔化，熔化温度为T1～T2；其中T2＝1540℃～1560℃；

步骤四、熔化后至长晶前处理，过程如下：

步骤401、降温：将多晶硅铸锭炉(3)的加热温度由T2降至T3，并保温15min～25min；其中T3＝1410℃～1420℃；

步骤402、升温：将多晶硅铸锭炉(3)的加热温度由T3升至T4，并保温8min～15min；其中T4＝1435℃～1445℃；

步骤五、长晶：将多晶硅铸锭炉(3)的加热温度控制在T4并进行定向凝固，直至完成长晶过程；

步骤六、退火及冷却：步骤五中长晶过程完成后，进行退火与冷却，并获得加工成型的所述多晶硅铸锭。

2.按照权利要求1所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤三中进行熔化时，待坩埚(1)内的硅料全部熔化后，将所述多晶硅铸锭炉(3)的加热温度控制在T2，之后所述多晶硅铸锭炉(3)的加热功率开始下降，待所述多晶硅铸锭炉(3)的加热功率停止下降且持续时间t后，熔化过程完成；其中t＝20min～40min。

3.按照权利要求1或2所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤五中进行长晶过程中，所述多晶硅铸锭炉(3)的隔热笼提升高度为8cm/h～12cm/h。

4.按照权利要求1或2所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤五中进行长晶过程中，所述多晶硅铸锭炉(3)内位于坩埚(1)上方的顶部加热器(2)的加热功率为80kW～95kW，四个分别布设在坩埚(1)的四个侧壁外侧的侧部加热器(4)的加热功率均为30kW～50kW。

5.按照权利要求4所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤一中所述多晶硅铸锭炉(3)内设置有气体冷却装置；步骤五中进行长晶过程中，通过增大所述气体冷却装置的冷却气体流量将多晶硅铸锭炉(3)的加热温度控制至T4。

6.按照权利要求1或2所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤一中所述多晶硅铸锭炉(3)内位于坩埚(1)上方的顶部加热器(2)通过第一电极与顶部加热电源(2-1)连接，四个分别布设在坩埚(1)的四个侧壁外侧的侧部加热器(4)均通过第二电极与侧部加热电源(4-1)连接；所述顶部加热电源(2-1)和侧部加热电源(4-1)均与加热功率调节装置(6)连接，所述加热功率调节装置(6)为对顶部加热电源(2-1)和侧部加热电源(4-1)的输出功率分别进行调节的功率调节装置。

7.按照权利要求1或2所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤三中熔化过程中、步骤四中熔化后至长晶前处理过程中和步骤五中长晶过程中，均向多晶硅铸锭炉(3)内充入惰性气体并将多晶硅铸锭炉(3)内气压保持在Q1，其中Q1＝550mbar～650mbar。

8.按照权利要求1或2所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤六中进行退火及冷却时，过程如下：

步骤601、第一次退火：经50min～70min将多晶硅铸锭炉(3)的加热温度降至T5，并保温2h～3h；其中，T5＝1250℃～1280℃；

步骤602、第二次退火：经50min～70min将多晶硅铸锭炉(3)的加热温度由T5降至T6，并保温2h～3h；T6＝900℃～950℃；

步骤603、冷却：将所加工多晶硅铸锭随炉冷却至室温，获得加工成型的所述多晶硅铸锭。

9.按照权利要求1或2所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤601中进行第一次退火过程中和步骤602中进行第二次退火过程中，均向多晶硅铸锭炉(3)内充入惰性气体并将多晶硅铸锭炉(3)内的气压保持在Q2，其中Q2＝180Pa～250Pa。

10.按照权利要求1或2所述的一种减小晶粒度的多晶硅铸锭方法，其特征在于：步骤二中预热过程中，将多晶硅铸锭炉(3)的加热功率逐步升高至P1，其中P1＝50kW～100kW；步骤三中所述坩埚(1)内的硅料全部熔化后，对多晶硅铸锭炉(3)的加热功率变化情况进行观测，待多晶硅铸锭炉(3)的加热功率下降至P2，并保持P2不变且持续时间t后，熔料过程完成；其中，P2＝25kW～45kW。