CN106521622A

CN106521622A - 用于硅片水平提拉的加热装置

Info

Publication number: CN106521622A
Application number: CN201611186237.9A
Authority: CN
Inventors: 徐晓东; 丁建宁; 袁宁; 袁宁一
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-03-22

Abstract

本发明涉及一种用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，包括坩埚以及控制系统，所述坩埚内形成熔化区、液相区以及结晶区，所述熔化区和液相区的底部相通，所述结晶区与液相区相通；坩埚上设置有溶液控温系统，用于控制硅颗粒在熔化区内的熔化以及液相区内硅溶液基础温度；钳锅上设置有用于结晶控温系统，用于控制硅片结晶所需要的温度梯度；控制系统分别与溶液控温系统和结晶控温系统连接。加热装置使用方便，对温度梯度控制精准，运行稳定，实现对硅片的水平提拉。

Description

用于硅片水平提拉的加热装置

技术领域

本发明涉及硅片制造技术领域，尤其涉及一种用于硅片水平提拉的加热装置。

背景技术

太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源,光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点。晶硅电池是太阳电池的主流产品。光伏产业所用的硅片都是通过切割硅锭获得。传统的线切割方式能耗高、材料损耗大，且具有一定污染。为了降低硅片的生产成本，有研究显示可以从熔融硅中直接生产硅片，目前主要有两种基本的带硅制备方法，一种为垂直提拉方法，例如定边喂膜（EFG）带硅技术、线拉带硅技术（SR）、枝蔓蹼装带硅技术（D-Web）等，一种为水平提拉方法，主要包括HRG带硅生长技术、RGS衬底带硅生长法等。目前大部分带硅技术处于试验阶段。利用水平提拉方法制造硅片，其关键技术之一是温度梯度的形成和控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于硅片水平提拉的加热装置，解决以往硅片加工不便的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于硅片水平提拉的加热装置，包括坩埚以及控制系统，所述坩埚内形成熔化区、液相区以及结晶区，所述熔化区和液相区的底部相通，所述结晶区与液相区相通；

所述坩埚上设置有溶液控温系统，用于控制硅颗粒在熔化区内的熔化以及液相区内硅溶液基础温度；

所述钳锅上设置有用于结晶控温系统，用于控制硅片结晶所需要的温度梯度；

所述控制系统分别与溶液控温系统和结晶控温系统连接。

进一步的，所述的溶液控温系统包括至少一根石墨加热棒、第一红外探测头以及第二红外探测头，各所述石墨加热棒、第一红外探测头以及第二红外探测头分别与控制系统连接；

所述石墨加热棒的伸入坩埚的熔化区和液相区内；所述石墨加热棒上设置有若干个锯齿，所述熔化区内石墨加热棒上的锯齿密度大于液相区内石墨加热棒上的锯齿密度；

所述第一红外探测头设置在熔化区底部的坩埚上，用于探测熔化区内的温度；所述第二红外探测头设置在液相区底部的坩埚上，用于探测液相区内的温度。

进一步的，所述的石墨加热棒为空心结构，在石墨加热棒的中间开设有切槽，所述切槽沿石墨加热棒长度方向设置。

进一步的，所述的结晶控温系统包括石墨加热板、高温CCD探头以及多组加热电极；

所述的石墨加热板固定设置在结晶区下方的坩埚上；

高温CCD探头固定设置并位于结晶区的上方，用于检测整个硅片结晶区域的温度梯度；

各组加热电极固定设置在石墨加热板的底部，各组加热电极沿石墨加热板长度方向等距排列分布；各组加热电极分别与控制系统连接。

进一步的，每组加热电极中，两端的加热电极为主加热电极，两个主加热电极之间的为辅助加热电极；

所述的控制系统通过PWM控制各组加热电极中的主加热电极的加热功率，使各组加热电极在结晶区由里向外方向的加热功率越来越低，形成一个温度梯度；

所述的控制系统通过PWM控制各组加热电极中辅助加热电极的加热功率，每组中的辅助加热电极用来辅助主加热电极以使该组加热温度平衡。

进一步的，相邻两组加热电极之间的石墨加热板上开设有凹槽，所述凹槽内开设有多个通孔，各通孔位于相邻两个加热电极之间。

进一步的，相邻两组加热电极之间设置有绝缘垫和保温石墨毡，所述绝缘垫设置在凹槽内。

进一步的，所述石墨加热板的底部由内向外分布有4组加热电极，每组加热电极中包括4个加热电极，外侧的两个加热电机为主加热电极，中间的两个加热电机为辅助加热电极。

进一步的，所述石墨加热棒的数量为2根。

进一步的，所述坩埚底部用于安装红外探测头的区域的壁厚小于2mm。

本发明的有益效果是：加热装置使用方便，对温度梯度控制精准，运行稳定，实现对硅片的水平提拉。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明加热装置的示意图；

图2是石墨加热棒的示意图；

图3是安装加热电极的石墨加热板示意图；

其中，1、坩埚，2、石墨加热棒，31、第一红外探测头，32、第二红外探测头，4、石墨加热板，41、凹槽，5、高温CCD探头，6、加热电极，61、主加热电极，62、辅助加热电极，7、绝缘垫，8、保温石墨毡。

具体实施方式

现在结合具体实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1至图3所示，一种用于硅片水平提拉的加热装置，包括坩埚1以及控制系统，坩埚1内形成熔化区、液相区以及结晶区，熔化区和液相区的底部相通，结晶区与液相区相通。

坩埚1上设置有溶液控温系统，用于控制硅颗粒在熔化区内的熔化以及液相区内硅溶液基础温度；钳锅上设置有用于结晶控温系统，用于控制硅片结晶所需要的温度梯度；控制系统分别与溶液控温系统和结晶控温系统连接。

溶液控温系统包括至少一根石墨加热棒2、第一红外探测头31以及第二红外探测头32，本实施例中，石墨加热棒2的数量为2根，2根石墨加热棒2、第一红外探测头31以及第二红外探测头32分别与控制系统连接。

石墨加热棒2的伸入坩埚1的熔化区和液相区内；石墨加热棒2上设置有若干个锯齿，熔化区内石墨加热棒2上的锯齿密度大于液相区内石墨加热棒2上的锯齿密度；通过锯齿的密度比例来控制加热功率的比例，加热棒在制作的过程中就控制两部分之间锯齿的密度，从而使得加热棒在工作时获得所需的工作温度。

加热棒根据锯齿的密度不同，被分为两部分，功率大的部分加热融化区，把硅料融化，功率低的部分控制流过来的硅液温度稳定在一个稍高于结晶温度的状态。

石墨加热棒2为空心结构，在石墨加热棒2的中间开设有切槽，切槽沿石墨加热棒2长度方向设置。这样可以增加加热棒的电阻和功率。

第一红外探测头31设置在熔化区底部的坩埚1上，用于探测熔化区内的温度；第二红外探测头32设置在液相区底部的坩埚1上，用于探测液相区内的温度。为保证测量温度精准，坩埚1底部用于安装红外探测头的区域的壁厚小于2mm。

控制系统根据两个红外探测头了解熔化区和液相区内硅液温度，并根据了解的温度控制各个加热棒的加热功率，进而控制加热温度。

结晶控温系统包括石墨加热板4、高温CCD探头5以及多组加热电极6；石墨加热板4固定设置在结晶区下方的坩埚1上；高温CCD探头5固定设置并位于结晶区的上方，用于检测整个硅片结晶区域的温度梯度；各组加热电极6固定设置在石墨加热板4的底部，各组加热电极6沿石墨加热板4长度方向等距排列分布；各组加热电极6分别与控制系统连接。

每组加热电极6中，两端的加热电极6为主加热电极61，两个主加热电极61之间的为辅助加热电极62；控制系统通过PWM控制各组加热电极中的主加热电极61的加热功率，使各组加热电极6在结晶区由里向外方向的加热功率越来越低，形成一个温度梯度；控制系统通过PWM控制各组加热电极6中辅助加热电极62的加热功率，每组中的辅助加热电极62用来辅助主加热电极61以使该组加热温度平衡。

相邻两组加热电极6之间的石墨加热板4上开设有凹槽41，凹槽41内开设有多个通孔，各通孔位于相邻两个加热电极6之间。这样设计主要是调整整个加热板的电阻分布的，从而控制加热电极6通电时各部分的功率分配的。相邻两组加热电极6之间设置有绝缘垫7和保温石墨毡8，绝缘垫7设置在凹槽41内。

本实施例中，石墨加热板4的底部由内向外分布有4组加热电极6，每组加热电极6中包括4个加热电极6，外侧的两个加热电机为主加热电极61，中间的两个加热电机为辅助加热电极62。

工作时，首先颗粒的硅料通过石英管加热到石墨坩埚1的右部的融化区，融化区内的石墨加热棒2对硅料进行加热使其融化，第一红外探头测量熔化区内硅液的温度，融化后通过底部的通道流到坩埚1左部的液相区，液相区内石墨加热棒2对液相区内的硅液温度进行维持，液相区的硅液温度通过下部的第二红外探头测量，为了保证温度测量精确，温度测量点的坩埚1被加工的非常薄，只有2mm的厚度，控制系统严格控制着液相区的温度，熔化区和液相区的温度分配是预先计算和测试好的，通过加热棒的锯齿密度比例来分配的。

液相区的硅液到达一定量后流到结晶区，通过硅片引晶，在结晶区形成硅片。硅片通过伺服机构，一边结晶生成，一边平稳提拉。结晶区的温度控制通过上方的高温红外CCD探头来测量，监测每个区域的温度分布，通过加热板的下部两边外面的4组主加热电机来控制温度梯度，沿结晶区长度方向从里到外加热功率越来越小，加热方式是通过PWM来控制的；由于结晶区中间和两边的散热不同，为了保证结晶区宽度方向的温度均匀，增加了8个用于温度平衡的辅助加热电极62， 8个主加热电极61配套使用，主加热电极61和辅助加热电极62所使用的电源是相互独立的，这样可以和4组加热电极6同时使用，相互叠加，互不影响。

整个加热板通过不同的凹槽41和通孔分成了四个大的部分，减小相互之间的电阻分布影响，同时又是连在一起的，可以起到导热作用，使温度分布相对均匀。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，包括坩埚（1）以及控制系统，所述坩埚（1）内形成熔化区、液相区以及结晶区，所述熔化区和液相区的底部相通，所述结晶区与液相区相通；

所述坩埚（1）上设置有溶液控温系统，用于控制硅颗粒在熔化区内的熔化以及液相区内硅溶液基础温度；

所述控制系统分别与溶液控温系统和结晶控温系统连接。

2.根据权利要求1所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，所述的溶液控温系统包括至少一根石墨加热棒（2）、第一红外探测头（31）以及第二红外探测头（32），各所述石墨加热棒（2）、第一红外探测头（31）以及第二红外探测头（32）分别与控制系统连接；

所述石墨加热棒（2）的伸入坩埚（1）的熔化区和液相区内；所述石墨加热棒（2）上设置有若干个锯齿，所述熔化区内石墨加热棒（2）上的锯齿密度大于液相区内石墨加热棒（2）上的锯齿密度；

所述第一红外探测头（31）设置在熔化区底部的坩埚（1）上，用于探测熔化区内的温度；所述第二红外探测头（32）设置在液相区底部的坩埚（1）上，用于探测液相区内的温度。

3.根据权利要求2所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，所述的石墨加热棒（2）为空心结构，在石墨加热棒（2）的中间开设有切槽，所述切槽沿石墨加热棒（2）长度方向设置。

4.根据权利要求1所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，所述的结晶控温系统包括石墨加热板（4）、高温CCD探头（5）以及多组加热电极（6）；

所述的石墨加热板（4）固定设置在结晶区下方的坩埚（1）上；

高温CCD探头（5）固定设置并位于结晶区的上方，用于检测整个硅片结晶区域的温度梯度；

各组加热电极（6）固定设置在石墨加热板（4）的底部，各组加热电极（6）沿石墨加热板（4）长度方向等距排列分布；各组加热电极（6）分别与控制系统连接。

5.根据权利要求4所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，每组加热电极（6）中，两端的加热电极（6）为主加热电极（61），两个主加热电极（61）之间的为辅助加热电极（62）；

所述的控制系统通过PWM控制各组加热电极（6）中的主加热电极（61）的加热功率，使各组加热电极（6）在结晶区由里向外方向的加热功率越来越低，形成一个温度梯度；

所述的控制系统通过PWM控制各组加热电极（6）中辅助加热电极（62）的加热功率，每组中的辅助加热电极（62）用来辅助主加热电极（61）以使该组加热温度平衡。

6.根据权利要求4所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，相邻两组加热电极（6）之间的石墨加热板（4）上开设有凹槽（41），所述凹槽（41）内开设有多个通孔，各通孔位于相邻两个加热电极（6）之间。

7.根据权利要求6所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，相邻两组加热电极（6）之间设置有绝缘垫（7）和保温石墨毡（8），所述绝缘垫（7）设置在凹槽（41）内。

8.根据权利要求4所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，所述石墨加热板（4）的底部由内向外分布有4组加热电极（6），每组加热电极（6）中包括4个加热电极（6），外侧的两个加热电机为主加热电极（61），中间的两个加热电机为辅助加热电极（62）。

9.根据权利要求2所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，所述石墨加热棒（2）的数量为2根。

10.根据权利要求2所述的用于硅片水平提拉的加热装置，其特征是，所述坩埚（1）底部用于安装红外探测头的区域的壁厚小于2mm。