CN106222741A - 一种免开隔热笼铸锭装置及方法 - Google Patents

一种免开隔热笼铸锭装置及方法 Download PDF

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李春林
李旭敏
李普
鞠磊
肖宗卫
李宏
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Abstract

本发明涉及多晶硅铸锭领域，特别是一种免开隔热笼铸锭装置及方法。装置包括隔热笼，所述隔热笼内侧面设有侧部加热器，所述隔热笼内顶部设有顶部加热器，所述侧部加热器、顶部加热器通过双电源分开控制。熔化步骤中，气冷DS块温度控制不高于1400℃，所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块温度为1300~1360℃，顶部加热器温度为1530~1545℃，所述长晶步骤中顶部加热器温度由1430下降到1400℃，气冷DS块温度从1300下降到1000℃。采用本发明，可以免开隔热笼，切割硅片隐裂报废比例下降约15%；硅锭在生长中的位错数量有效控制，硅片产品的光电转换效率高，稳定性好。

Description

一种免开隔热笼铸锭装置及方法
技术领域
本发明涉及多晶硅铸锭领域，特别是一种免开隔热笼铸锭装置及方法。
背景技术
目前光伏行业多晶铸锭领域，要想获得高光电转换效率的硅片，以在坩埚底部铺设籽晶(小碎硅料)，在籽晶上成核生长的半融工艺为主流工艺。在传统多晶铸锭半熔工艺中，在熔化工艺步骤为确保籽晶的保留，以及长晶工艺步骤过程中保持生长所需必要的过冷度，都是由隔热笼打开的开度来调节，通过隔热笼开度的变化来控制整个铸锭半熔工艺所需要的底部温度，在籽晶化到一定高度时，按工艺步骤逐步打开隔离笼3cm至9cm，确保籽晶保留1.3～1.5cm，在长晶工艺过程中，按工艺步骤逐步打开隔热笼9cm至18cm，确保长晶冒顶长边角全部完成。
现有的技术方案有两类：
一、美国GT Solar、京运通、精功、晶盛等厂家铸锭设备为主，多晶铸锭炉炉壁夹层通水，当铸锭工艺需要坩埚底部温度下降时，隔热笼开始打开，热量从隔热笼四周辐射出来，由炉壁的冷却水带走热量，由此使坩埚底部DS块(热交换块)温度下降，保留籽晶到必要高度后，开始由过冷度产生竖直向上的长晶驱动力，促使硅锭长晶；
二、以德国ALD铸锭设备为主，多晶铸锭炉底部(在DS块正下方)存在一块冷却铜板，铜板内通水，当铸锭工艺需要坩埚底部温度下降时，隔热笼底板直接打开，热量直接被铜板的冷却水带走，实现坩埚底部DS块温度下降的目的，但由于冷却水比热过大，必须要在底部加设加热器进行温度补偿才能保证顶底温差不至于过大造成坩埚破裂漏硅及硅锭热应力不均导致隐裂等问题，通过调节底部加热器功率的大小来保留籽晶到必要高度，再进行后续的长晶工艺。
以上两类技术方案存在以下几个弊端：
1、在上面所描述的GT类炉型中，半熔工艺熔化后期保留籽晶一定高度，开启隔热笼后，由于大量热量从隔热笼四周散失，为避免四周硅液部提前在侧部结晶，GT类炉型，通过侧部加热器的热量来补偿散失热量，导致四周籽晶吸收侧部加热器发出的多余热量而熔化，无法有效以籽晶为引晶载体来生长出高效多晶硅锭，从而影响硅片的光电转换效率，品质得不到提升；
2、在上面所描述的GT类炉型中，由于开启隔热笼后，大量热量从隔热笼四周散失，导致热场中等温梯度不水平，致使硅锭结晶方向无法完全竖直向上，进而使硅锭在生长中的位错数量得不到有效控制，从而使后续硅片产品的光电转换效率偏低，且稳定性较差，品质得不到提升；
3、在上面所描述的GT类炉型中，由于开启隔热笼后，大量热量从隔热笼四周散失，导致热场顶底温差持续拉大，在硅锭中形成较大的内部热应力，所生产的硅锭在遇到外部力作用时(如粘锅、碰撞、开方切割等等)，出现崩边、隐裂、掉皮等不良现象的比例增加，导致成品率下降，成本上升；
4、在上面所描述的GT类炉型及ALD炉型中，由于在硅锭长晶过程中全程打开了隔热笼或隔热板，热量大量散失，为保证长晶温度不致过快影响硅锭质量，需要加热器提供更多的功率来补偿这部分温度的散失，所以整个工艺电耗得不到有效控制，铸锭能耗大，成本上升。
上述问题主要由于铸锭工艺中，熔化后期与整个长晶过程必须打开隔热笼进行散热，在本身稳定的热场中打开隔热笼，对热场内的温度梯度、能耗比、热应力都造成了较大冲击，目前铸锭设备对这种冲击没有很好的控制方式。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种免开隔热笼铸锭装置及方法，可以免开隔热笼。
本发明技术方案：
一种免开隔热笼铸锭装置，包括隔热笼，所述隔热笼内侧面设有侧部加热器，所述隔热笼内顶部设有顶部加热器，所述侧部加热器、顶部加热器通过双电源分开控制；
所述隔热笼内部设有石墨底板与其两侧的坩埚石墨护板构成的用于放置坩埚(4)的腔体，所述腔体通过石墨支撑柱穿过隔热笼底部支撑；
所述石墨底板底部设有气冷DS块、底部保温板，所述气冷DS块内部通有循环冷却氩气；
所述顶部保温板设有氩气气道及石墨观察孔，所述坩埚内由上至下放置多晶硅料、籽晶。
优选地，所述气冷DS块连接着一个有水冷换热器的氩气气冷循环系统，用于控制氩气的流量大小、进气方向和出气方向。
一种免开隔热笼铸锭方法，所述方法包括加热步骤、熔化步骤、熔化跳转长晶步骤、长晶步骤、退火步骤、冷却步骤，所述熔化步骤中，气冷DS块温度控制不高于1400℃。
优选地，所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块温度为1300～1360℃，顶部加热器温度为1530～1545℃。
进一步优选地，所述长晶步骤中顶部加热器温度由1430下降到1400℃，气冷DS块温度从1300下降到1000℃。
更进一步优选地，所述熔化步骤设置参数见表1，所述长晶步骤设置参数见表2，其中气冷DS块流量设置值为气冷循环流量比例阀开度，冷气冷DS块底盘流量比例阀开度100％时流量是200升/秒，顶侧系数比值为顶部加热器与侧部加热器的功率输出比值，
表1熔化步骤设置参数
表2长晶步骤设置参数
更进一步优选地，所述熔化步骤中对籽晶熔化高度进行探测，当高度达到1.3～1.5cm时，工艺进入到长晶步骤。
更进一步优选地，长晶步骤中，侧部加热器及顶部加热器均改为温度控制。
本发明有益效果：
1.本发明多晶铸锭炉装置具备顶侧加热器双电源分开控制顶侧功率输出和气冷DS块内部通有循环冷却氩气的功能，可以在不开隔热笼的情况下，通过改变侧部加热器功率，调节气冷DS块氩气流量来带走热量进行散热，减少温度交换对热场的冲击，减少能量损失、确保籽晶稳定的保留高度、为长晶过程提供单向、垂直、稳定的温度梯度，使硅锭生长出垂直度高的柱状晶硅锭，较大程度上遏制位错的的生成与增值，提高硅片的转换效率。；
2、硅片的光电转换效率提高0.02％～0.16％，品质得到提升，减少内部热应力，切割硅片隐裂报废比例下降约15％；
3、硅锭在生长中的位错数量有效控制，硅片产品的光电转换效率高，稳定性好，品质得到提升；
3、硅片成品率上升0.5％～1.5％，每片硅片成本下降约0.005元，按月产2500万片计算，月成本下降12.5万；
4、整个工艺电耗得到有效控制，每炉电耗下降约400度，铸锭能耗小。
5、因为硅锭底部的籽晶不能熔化所以熔化步骤中气冷DS块温度控制不高于1400℃，确保籽晶从上至下熔化，到1.3～1.5cm进炉长晶，在熔化跳转长晶的步骤，气冷DS块温度为1300～1360℃，顶部加热器1530～1545℃。所述长晶步骤中顶部加热器温度由1430下降到1400℃，气冷DS块温度从1300下降到1000℃。
6、籽晶熔化高度达到1.3～1.5cm时，工艺进入到长晶步骤。铸锭炉半熔工艺，确保硅锭初始长晶从籽晶上成核生长，铸锭全熔工艺产品光电转换效率约18％左右，半熔比全熔高至少0.2％，工艺上既要求籽晶不能保留太多影响铸锭成晶率，又不能籽晶保留太少影响硅锭做成电池片后转换效率，所以要求工艺控制籽晶高度在1.3～1.5mm是进行工艺跳转。
7、长晶步骤中，侧部加热器及顶部加热器均改为温度控制，由热电偶或红外测温仪进行测温，测得实际温度与工艺设定温度对比后反馈到PLC进行PID运算，通过运算调节加热器的功率，实现对长晶步骤的控制，所以长晶步骤菜单的参数设定值为温度，测温的实际值与设定值就是PID运算的主要参数，这样的工艺运行方式使长晶过程更稳定更可控。
附图说明
图1为背景技术中为双电源气冷铸锭炉常规隔热笼打开工艺示意图；
图2为本专利解决方案示意图；
其中：隔热笼1，侧部加热器2，顶部加热器3，坩埚4，多晶硅料5，籽晶6，气冷DS块7，石墨底板8，底部保温板9，开隔热笼后热量散失及冷源进入方向10，坩埚石墨护板11，氩气气道及石墨观察孔12，顶部保温板13，热量带走方向14，气冷出气气道15，石墨支撑柱16，气冷送气气道17，冷气进入方向18。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
图1为背景技术中为双电源气冷铸锭炉常规隔热笼打开工艺示意图，从图中可以看出，当工艺运行到熔化后期和长晶工艺，隔热笼1提升时，隔热笼内部的温度从打开缝隙中散出，以外部炉壁冷却的冷源的温度随之进入，开隔热笼后热量散失及冷源进入(10)对隔热笼内部热场产生的冲击，造成了“背景技术”中提到的4点问题。
图2为本专利解决方案示意图。在整个铸锭过程中全程不打开隔热笼，仅通过调节铸锭炉侧部加热器2功率、顶部加热器3功率，及气冷DS块7进行气流量来控制铸锭生产过程过程。
实施例1
一种免开隔热笼铸锭装置，包括隔热笼1，所述隔热笼1内侧面设有侧部加热器2，所述隔热笼1内顶部设有顶部加热器3，所述侧部加热器2、顶部加热器3通过双电源分开控制；
所述隔热笼1内部设有石墨底板8与其两侧的坩埚石墨护板11构成的用于放置坩埚4的腔体，所述腔体通过石墨支撑柱16穿过隔热笼1底部支撑；
所述石墨底板8底部设有气冷DS块7、底部保温板9，所述气冷DS块7内部通有循环冷却氩气；
所述顶部保温板13设有氩气气道及石墨观察孔12，所述坩埚4内由上至下放置多晶硅料5、籽晶6。
所述气冷DS块7连接着一个有水冷换热器的氩气气冷循环系统，用于控制氩气的流量大小、进气方向和出气方向。
一种免开隔热笼铸锭方法，所述方法包括加热步骤、熔化步骤、熔化跳转长晶步骤、长晶步骤、退火步骤、冷却步骤，所述熔化步骤中，气冷DS块7温度控制不高于1400℃。
所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块7温度为1300～1360℃，顶部加热器3温度为1530～1545℃。
所述长晶步骤中顶部加热器3温度由1430下降到1400℃，气冷DS块7温度从1300下降到1000℃。
所述熔化步骤设置参数见表1，所述长晶步骤设置参数见表2，其中气冷DS块7流量设置值为气冷循环流量比例阀开度，冷气冷DS块7底盘流量比例阀开度100％时流量是200升/秒，顶侧系数比值为顶部加热器3与侧部加热器2的功率输出比值，
表3熔化步骤设置参数
表4长晶步骤设置参数
所述熔化步骤中对籽晶6熔化高度进行探测，当高度达到1.3～1.5cm时，工艺进入到长晶步骤。
长晶步骤中，侧部加热器2及顶部加热器3均改为温度控制。
实施例2
一种免开隔热笼铸锭装置，包括隔热笼1，所述隔热笼1内侧面设有侧部加热器2，所述隔热笼1内顶部设有顶部加热器3，所述侧部加热器2、顶部加热器3通过双电源分开控制；
所述隔热笼1内部设有石墨底板8与其两侧的坩埚石墨护板11构成的用于放置坩埚4的腔体，所述腔体通过石墨支撑柱16穿过隔热笼1底部支撑；
所述石墨底板8底部设有气冷DS块7、底部保温板9，所述气冷DS块7内部通有循环冷却氩气；
所述顶部保温板13设有氩气气道及石墨观察孔12，所述坩埚4内由上至下放置多晶硅料5、籽晶6。
所述气冷DS块7连接着一个有水冷换热器的氩气气冷循环系统，用于控制氩气的流量大小、进气方向和出气方向。
一种免开隔热笼铸锭方法，所述方法包括加热步骤、熔化步骤、熔化跳转长晶步骤、长晶步骤、退火步骤、冷却步骤，所述熔化步骤中，气冷DS块7温度控制不高于1400℃。
所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块7温度为1300℃，顶部加热器3温度为1530℃。
所述长晶步骤中顶部加热器3温度由1430下降到1400℃，气冷DS块7温度从1300下降到1000℃。
所述熔化步骤设置参数见表1，所述长晶步骤设置参数见表2，其中气冷DS块7流量设置值为气冷循环流量比例阀开度，冷气冷DS块7底盘流量比例阀开度100％时流量是200升/秒，顶侧系数比值为顶部加热器3与侧部加热器2的功率输出比值，
表5熔化步骤设置参数
表6长晶步骤设置参数
所述熔化步骤中对籽晶6熔化高度进行探测，当高度达到1.5cm时，工艺进入到长晶步骤。
长晶步骤中，侧部加热器2及顶部加热器3均改为温度控制。
实施例3
一种免开隔热笼铸锭装置，包括隔热笼1，所述隔热笼1内侧面设有侧部加热器2，所述隔热笼1内顶部设有顶部加热器3，所述侧部加热器2、顶部加热器3通过双电源分开控制；
所述隔热笼1内部设有石墨底板8与其两侧的坩埚石墨护板11构成的用于放置坩埚4的腔体，所述腔体通过石墨支撑柱16穿过隔热笼1底部支撑；
所述石墨底板8底部设有气冷DS块7、底部保温板9，所述气冷DS块7内部通有循环冷却氩气；
所述顶部保温板13设有氩气气道及石墨观察孔12，所述坩埚4内由上至下放置多晶硅料5、籽晶6。
所述气冷DS块7连接着一个有水冷换热器的氩气气冷循环系统，用于控制氩气的流量大小、进气方向和出气方向。
一种免开隔热笼铸锭方法，所述方法包括加热步骤、熔化步骤、熔化跳转长晶步骤、长晶步骤、退火步骤、冷却步骤，所述熔化步骤中，气冷DS块7温度控制不高于1400℃。
所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块7温度为1360℃，顶部加热器3温度为1545℃。
所述长晶步骤中顶部加热器3温度由1430下降到1400℃，气冷DS块7温度从1300下降到1000℃。
所述熔化步骤设置参数见表1，所述长晶步骤设置参数见表2，其中气冷DS块7流量设置值为气冷循环流量比例阀开度，冷气冷DS块7底盘流量比例阀开度100％时流量是200升/秒，顶侧系数比值为顶部加热器3与侧部加热器2的功率输出比值，
表7熔化步骤设置参数
表8长晶步骤设置参数
所述熔化步骤中对籽晶6熔化高度进行探测，当高度达到1.3c m时，工艺进入到长晶步骤。
长晶步骤中，侧部加热器2及顶部加热器3均改为温度控制。
实施例4
一种免开隔热笼铸锭装置，包括隔热笼1，所述隔热笼1内侧面设有侧部加热器2，所述隔热笼1内顶部设有顶部加热器3，所述侧部加热器2、顶部加热器3通过双电源分开控制；
所述隔热笼1内部设有石墨底板8与其两侧的坩埚石墨护板11构成的用于放置坩埚4的腔体，所述腔体通过石墨支撑柱16穿过隔热笼1底部支撑；
所述石墨底板8底部设有气冷DS块7、底部保温板9，所述气冷DS块7内部通有循环冷却氩气；
所述顶部保温板13设有氩气气道及石墨观察孔12，所述坩埚4内由上至下放置多晶硅料5、籽晶6。
所述气冷DS块7连接着一个有水冷换热器的氩气气冷循环系统，用于控制氩气的流量大小、进气方向和出气方向。
一种免开隔热笼铸锭方法，所述方法包括加热步骤、熔化步骤、熔化跳转长晶步骤、长晶步骤、退火步骤、冷却步骤，所述熔化步骤中，气冷DS块7温度控制不高于1400℃。
所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块7温度为1330℃，顶部加热器3温度为1535℃。
所述长晶步骤中顶部加热器3温度由1430下降到1400℃，气冷DS块7温度从1300下降到1000℃。
所述熔化步骤设置参数见表1，所述长晶步骤设置参数见表2，其中气冷DS块7流量设置值为气冷循环流量比例阀开度，冷气冷DS块7底盘流量比例阀开度100％时流量是200升/秒，顶侧系数比值为顶部加热器3与侧部加热器2的功率输出比值，
表9熔化步骤设置参数
表10长晶步骤设置参数
所述熔化步骤中对籽晶6熔化高度进行探测，当高度达到1.4cm时，工艺进入到长晶步骤。
长晶步骤中，侧部加热器2及顶部加热器3均改为温度控制。
实施例5
一种免开隔热笼铸锭装置，包括隔热笼1，所述隔热笼1内侧面设有侧部加热器2，所述隔热笼1内顶部设有顶部加热器3，所述侧部加热器2、顶部加热器3通过双电源分开控制；
所述隔热笼1内部设有石墨底板8与其两侧的坩埚石墨护板11构成的用于放置坩埚4的腔体，所述腔体通过石墨支撑柱16穿过隔热笼1底部支撑；
所述石墨底板8底部设有气冷DS块7、底部保温板9，所述气冷DS块7内部通有循环冷却氩气；
所述顶部保温板13设有氩气气道及石墨观察孔12，所述坩埚4内由上至下放置多晶硅料5、籽晶6。
所述气冷DS块7连接着一个有水冷换热器的氩气气冷循环系统，用于控制氩气的流量大小、进气方向和出气方向。晶盛双电源气冷老版炉型(型号：JSH-800)可实现。
一种免开隔热笼铸锭方法，所述方法包括加热步骤、熔化步骤、熔化跳转长晶步骤、长晶步骤、退火步骤、冷却步骤，所述熔化步骤中，气冷DS块7温度控制不高于1400℃。
所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块7温度为1340℃，顶部加热器3温度为1540℃。
所述长晶步骤中顶部加热器3温度由1430下降到1400℃，气冷DS块7温度从1300下降到1000℃。
所述熔化步骤设置参数见表1，所述长晶步骤设置参数见表2，其中气冷DS块7流量设置值为气冷循环流量比例阀开度，冷气冷DS块7底盘流量比例阀开度100％时流量是200升/秒，顶侧系数比值为顶部加热器3与侧部加热器2的功率输出比值，
表11熔化步骤设置参数
表12长晶步骤设置参数
所述熔化步骤中对籽晶6熔化高度进行探测，当高度达到1.3～1.5cm时，工艺进入到长晶步骤。
长晶步骤中，侧部加热器2及顶部加热器3均改为温度控制。
本发明方法与现有技术的对比数据见表
表13熔化工艺设置参数
表14长晶工艺设置参数
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种免开隔热笼铸锭装置，包括隔热笼(1)，其特征在于，所述隔热笼(1)内侧面设有侧部加热器(2)，所述隔热笼(1)内顶部设有顶部加热器(3)，所述侧部加热器(2)、顶部加热器(3)通过双电源分开控制；
所述隔热笼(1)内部设有石墨底板(8)与其两侧的坩埚石墨护板(11)构成的用于放置坩埚(4)的腔体，所述腔体通过石墨支撑柱(16)穿过隔热笼(1)底部支撑；
所述石墨底板(8)底部设有气冷DS块(7)、底部保温板(9)，所述气冷DS块(7)内部通有循环冷却氩气；
所述顶部保温板(13)设有氩气气道及石墨观察孔(12)，所述坩埚(4)内由上至下放置多晶硅料(5)、籽晶(6)。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述气冷DS块(7)连接着一个有水冷换热器的氩气气冷循环系统，用于控制氩气的流量大小、进气方向和出气方向。
3.一种免开隔热笼铸锭方法，其特征在于，所述方法包括加热步骤、熔化步骤、熔化跳转长晶步骤、长晶步骤、退火步骤、冷却步骤，所述熔化步骤中，气冷DS块(7)温度控制不高于1400℃。
4.根据权利要求3所述的免开隔热笼铸锭方法，其特征在于，所述熔化跳转长晶的步骤中，气冷DS块(7)温度为1300～1360℃，顶部加热器(3)温度为1530～1545℃。
5.根据权利要求4所述的免开隔热笼铸锭方法，其特征在于，所述长晶步骤中顶部加热器(3)温度由1430下降到1400℃，气冷DS块(7)温度从1300下降到1000℃。
6.根据权利要求5所述的免开隔热笼铸锭方法，其特征在于：所述熔化步骤设置参数见表1，所述长晶步骤设置参数见表2，其中气冷DS块(7)流量设置值为气冷循环流量比例阀开度，冷气冷DS块(7)底盘流量比例阀开度100％时流量是200升/秒，顶侧系数比值为顶部加热器(3)与侧部加热器(2)的功率输出比值，
表1熔化步骤设置参数
表2长晶步骤设置参数
7.根据权利要求6所述的免开隔热笼铸锭方法，其特征在于：所述熔化步骤中对籽晶(6)熔化高度进行探测，当高度达到1.3～1.5cm时，工艺进入到长晶步骤。
8.根据权利要求7所述的免开隔热笼铸锭方法，其特征在于：长晶步骤中，侧部加热器(2)及顶部加热器(3)均改为温度控制。
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