CN108588825B - 一种侧加热器可移动的铸锭炉及其铸锭工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多晶硅铸锭领域，特别涉及一种侧加热器可移动的铸锭炉及其铸锭工艺，包括炉体，位于炉体内的隔热笼，隔热笼内设置有通过护板围合并在其内有多晶硅的容腔；其特征在于：所述炉体内壁设置有搁置台，隔热笼搁置在搁置台上；所述隔热笼连接有提升装置，所述容腔的两侧设置有侧加热装置，所述提升装置和侧加热装置通过并联架同步连接于炉体外。本发明在铸锭的加热、熔化、长晶及退火阶段调节侧部加热器与石英坩埚的相对位置，来实现对多晶硅内部温度分布的有效控制，充分利用能量，并获得一个平坦的固液界面，从而实现节能、高效、高品质铸锭。
Description
技术领域
本发明属于多晶硅铸锭领域，特别涉及一种侧加热器可移动的铸锭炉及其铸锭工艺。
背景技术
目前，多晶硅铸锭生产中，普遍采用的是加热器固定的铸锭炉，顶加热器、侧加热器、底加热器与坩埚的相对位置是固定的，这就意味着加热器对多晶硅加热区域是固定不变的，随着多晶硅铸锭炉的升级，坩埚尺寸越来越大，硅料越来越多，这就导致石英坩埚内一部分多晶硅无法直接从加热器获得热量，而是依靠近加热器部分的硅料热传导来实现，因此熔化和退火时间较长，导致能耗的浪费。
此外，多晶硅铸锭过程中，长晶的固液界面形状是影响多晶硅晶体质量的主要原因之一，平坦或微凸的长晶界面可以得到有效的柱状晶，减少晶界，降低晶体中的位错和杂质。随着准单晶铸锭技术的发展，获得一个平坦的固液界面尤为重要，而传统的加热器对硅料的加热区域是固定的，容易获得一个凸形的固液界面，不利于准单晶的生长。
综上，对于多晶硅铸锭，传统的固定式加热器的加热热场分布不均匀，从而导致铸锭质量下降、加热时间长、能耗浪费等。
发明内容
本发明克服上述不足问题，提供一种侧加热器可移动的铸锭炉及其铸锭工艺。
为实现上述目的，本发明具体提供的技术方案为：一种侧加热器可移动的铸锭炉，包括炉体，位于炉体内的隔热笼，隔热笼内设置有通过护板围合并在其内有多晶硅的容腔；所述炉体内壁设置有搁置台，隔热笼搁置在搁置台上；所述隔热笼连接有提升装置，所述容腔的两侧设置有侧加热装置，所述提升装置和侧加热装置通过并联架同步连接于炉体外。
进一步，所述隔热笼的顶部设置有顶加热器，底部设置有底加热器，底加热器与容腔底部之间还设置有热交换台。
进一步，所述侧加热装置包括从下到上依次设置的侧加热片、石墨杆、电极棒、电极块；所述电极棒外周设置有波纹管，其位于并联架和炉体定壁之间；所述石墨杆滑动安装于隔热笼顶端面。
进一步，所述石墨杆通过石墨套筒滑动安装于隔热笼顶端面。
进一步，所述提升装置包括吊杆及活套，活套内设置有行程腔，吊杆的T形端位于行程腔内。
一种侧加热器可移动的铸锭工艺，包括如下步骤：
一、装料抽真空、开始加热：在坩埚底部铺设一层籽晶，将硅料装入石英坩埚内，抽真空，由通气口通入氩气作为保护气并在熔化和结晶阶段起到排杂作用，打开顶部加热器、侧部加热器和底加热器同时加热。
二、熔化阶段：在此过程中，侧加热器缓慢下降，向下移动停止，将侧加热器维持在坩埚中下部加热，但并不在其行程最底端以此保护底部籽晶不被熔化。保持熔化温度保温一定时间，插棒看硅料熔化情况，熔化结束。
三、长晶阶段：在长晶过程中，第一阶段同时打开抽拉板及侧加热器提升，硅在底部开始长晶；一定时间后，隔热笼也开始提升，控制硅溶液内部的固液界面平稳或微凸，实现晶体的垂直长晶。
四、退火阶段：控制硅锭在一定温度下保温，使晶锭能够温度均匀，从而减小热应力。此过程隔热笼和抽拉板关闭，侧加热器缓慢降到坩埚中部。
五、冷却阶段：随炉冷却。
一种侧加热器可移动的铸锭工艺，包括如下步骤：
一、装料抽真空、开始加热：将硅料装入石英坩埚内，抽真空，由通气口通入氩气作为保护气并在熔化和结晶阶段起到排杂作用，打开顶部加热器、侧部加热器和底加热器同时加热，三个加热器可分别单独控制。
二、加热熔化阶段：在此过程中，硅料先从顶部开始熔化，侧加热器随熔化时间缓慢下降，直到侧加热器维持在坩埚中下部加热，保持硅料温度为略高于熔化温度并且保温一定时间，直至硅料全部熔化结束。
三、长晶阶段：在长晶过程中，优先缓慢提升侧加热器，并配合抽拉板的缓慢打开，硅在底部开始长晶；侧加热器单动完成后，隔热笼和侧加热器开始联动同时提升，控制硅溶液内部的固液界面平稳或微凸，实现晶体的垂直长晶并最终形成硅锭。
四、退火并随炉冷却。
本发明的原理及有益效果：通过原有隔热笼的提升装置与侧加热器刚性并联，在不增加其它提拉机构（如电机、直线导轨等）的前提下，实现侧加热器在竖直方向上的升降运动。基于此，在铸锭的加热、熔化、长晶及退火阶段调节侧部加热器与石英坩埚的相对位置，来实现对多晶硅内部温度分布的有效控制，充分利用能量，并获得一个平坦的固液界面，从而实现节能、高效、高品质铸锭。
本发明在不增加其它运动提升机构（如电机、直线导轨等）的情况下，使得侧加热器能随隔热笼一起上下运动，并能在一定的行程范围内实现隔热笼不动而侧加热器单动，以此保证铸锭从上至下的温度均匀分布，获得一个平坦的固液界面，减少晶体位错缺陷，提高铸锭质量。同时也能够节省整个铸锭周期的时间，节约能耗，使铸锭生产成本降低3~5%。
附图说明
图1为本发明的侧加热器可移动的铸锭炉；
图2为活套结构；
图3为本发明的石墨杆及石墨套筒结构；
图4为本发明可移动的侧加热运动流程图；
图5为本发明可移动的侧加热铸锭与传统侧加热器固定的硅内部固液界面温度分布对比图。
标号说明：1、底加热器，2、多晶硅，3、护板，4、坩埚，5、隔热笼，6、吊杆，7、活套，8、提升装置，9、并联架，10、电极块，11、波纹管，12、电极棒，13、石墨杆，14、石墨套筒，15、顶加热器，16、侧加热片，17、搁置台，18、热交换台，19、炉体，20、行程腔，21、容腔，22、侧加热装置。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明揭示的是一种侧加热器可移动的铸锭炉，包括炉体19，位于炉体19内的隔热笼5，隔热笼5内设置有通过护板3围合并在其内有多晶硅2的容腔21；所述炉体内壁设置有搁置台17，隔热笼5搁置在搁置台17处于零位时；所述隔热笼5搁连接有提升装8，所述容腔21的两侧设置有设置有侧加热装置22，所述提升装置8和侧加热装置22通过并联架9同步连接于炉体19外。
其中容腔为坩埚4，并在坩埚4外紧贴围合有护板3。
所述隔热笼5的顶部设置有顶加热器15，底部设置有底加热器1，底加热器1与容腔21底部之间还设置有热交换台18。
所述侧加热装置22包括从下到上依次设置的侧加热片16、石墨杆13、电极棒12、电极块10；所述电极棒12外周设置有波纹管11，其位于并联架9和炉体19顶壁之间；所述石墨杆13滑动安装于隔热笼5顶端面。
所述石墨杆13通过石墨套筒14滑动安装于隔热笼5顶端面。
所述提升装置8包括吊杆6及活套7，活套7内设置有行程腔20，吊杆的T形端位于行程腔内。
结合图4所示，提升装置8与加热装置22的配合使用过程：
开始（零位）；隔热笼5闭合，放在搁置台17上，活套7内吊杆6位于最底端；加热熔化，隔热笼5不动，侧加热片16向下运动，直到活套7内吊杆6的T型端位于最顶端时停止；结晶阶段初期，侧加热片16可向上运动，活套7内吊杆6位于最底端；结晶阶段，侧加热片16与隔热笼5联动，侧加热片16向上提升最大行程；退火阶段，隔热笼5回归零位，侧加热片16可单独运动（先下后上）。
结合图5所示，本发明在不增加其它运动提升机构（如电机、直线导轨等）的情况下，使得侧加热器能随隔热笼一起上下运动，并能在一定的行程范围内实现隔热笼不动而侧加热器单动，以此保证铸锭从上至下的温度均匀分布，获得一个平坦的固液界面，减少晶体位错缺陷，提高铸锭质量。同时也能够节省整个铸锭周期的时间，节约能耗，使铸锭生产成本降低3~5%。
实施例一：一种侧加热器可移动的铸锭工艺，包括如下步骤：
一、装料抽真空、开始加热：在坩埚底部铺设一层籽晶，将硅料装入石英坩埚内，抽真空，由通气口通入氩气作为保护气并在熔化和结晶阶段起到排杂作用，打开顶部加热器、侧部加热器和底加热器同时加热。
二、熔化阶段：在此过程中，侧加热器缓慢下降，向下移动停止，将侧加热器维持在坩埚中下部加热，但并不在其行程最底端以此保护底部籽晶不被熔化。保持熔化温度保温一定时间，插棒看硅料熔化情况，熔化结束。
三、长晶阶段：在长晶过程中，第一阶段同时打开抽拉板及侧加热器提升，硅在底部开始长晶；一定时间后，隔热笼也开始提升，控制硅溶液内部的固液界面平稳或微凸，实现晶体的垂直长晶。
四、退火阶段：控制硅锭在一定温度下保温，使晶锭能够温度均匀，从而减小热应力。此过程隔热笼和抽拉板关闭，侧加热器缓慢降到坩埚中部。
五、冷却阶段：随炉冷却。
实施例二：一种侧加热器可移动的铸锭工艺，包括如下步骤：
一、装料抽真空、开始加热：将硅料装入石英坩埚内，抽真空，由通气口通入氩气作为保护气并在熔化和结晶阶段起到排杂作用，打开顶部加热器、侧部加热器和底加热器同时加热，三个加热器可分别单独控制。
二、加热熔化阶段：在此过程中，硅料先从顶部开始熔化，侧加热器随熔化时间缓慢下降，直到侧加热器维持在坩埚中下部加热，保持硅料温度为略高于熔化温度并且保温一定时间，直至硅料全部熔化结束。
三、长晶阶段：在长晶过程中，优先缓慢提升侧加热器，并配合抽拉板的缓慢打开，硅在底部开始长晶；侧加热器单动完成后，隔热笼和侧加热器开始联动同时提升，控制硅溶液内部的固液界面平稳或微凸，实现晶体的垂直长晶并最终形成硅锭。
四、退火并随炉冷却。
Claims (4)
1.一种侧加热器可移动的铸锭炉，包括炉体，位于炉体内的隔热笼，隔热笼内设置有通过护板围合并在其内有多晶硅的容腔；其特征在于：所述炉体内壁设置有搁置台，隔热笼搁置在搁置台上；所述隔热笼连接有提升装置，所述容腔的两侧设置有侧加热装置，所述提升装置和侧加热装置通过并联架同步连接于炉体外；所述侧加热装置包括从下到上依次设置的侧加热片、石墨杆、电极棒、电极块；所述电极棒外周设置有波纹管，其位于并联架和炉体定壁之间；所述石墨杆滑动安装于隔热笼顶端面；所述石墨杆通过石墨套筒滑动安装于隔热笼顶端面；所述提升装置包括吊杆及活套，活套内设置有行程腔，吊杆的T形端位于行程腔内。
2.根据权利要求1所述的侧加热器可移动的铸锭炉，其特征在于：所述隔热笼的顶部设置有顶加热器，底部设置有底加热器，底加热器与容腔底部之间还设置有热交换台。
3.一种使用权利要求1所述的侧加热器可移动的铸锭炉的铸锭工艺，其特征在于，包括如下步骤：
一、装料抽真空、开始加热：在坩埚底部铺设一层籽晶，将硅料装入石英坩埚内，抽真空，由通气口通入氩气作为保护气并在熔化和结晶阶段起到排杂作用，打开顶部加热器、侧部加热器和底加热器同时加热；
二、熔化阶段：在此过程中，侧加热器缓慢下降，向下移动停止，将侧加热器维持在坩埚中下部加热，但并不在其行程最底端以此保护底部籽晶不被熔化；保持熔化温度保温一定时间，插棒看硅料熔化情况，熔化结束；
三、长晶阶段：在长晶过程中，第一阶段同时打开抽拉板及侧加热器提升，硅在底部开始长晶；一定时间后，隔热笼也开始提升，控制硅溶液内部的固液界面平稳或微凸，实现晶体的垂直长晶；
四、退火阶段：控制硅锭在一定温度下保温，使晶锭能够温度均匀，从而减小热应力；此过程隔热笼和抽拉板关闭，侧加热器缓慢降到坩埚中部；
五、冷却阶段：随炉冷却。
4.一种使用权利要求1所述的侧加热器可移动的铸锭炉的铸锭工艺，其特征在于，包括如下步骤：
一、装料抽真空、开始加热：将硅料装入石英坩埚内，抽真空，由通气口通入氩气作为保护气并在熔化和结晶阶段起到排杂作用，打开顶部加热器、侧部加热器和底加热器同时加热，三个加热器可分别单独控制；
二、加热熔化阶段：在此过程中，硅料先从顶部开始熔化，侧加热器随熔化时间缓慢下降，直到侧加热器维持在坩埚中下部加热，保持硅料温度为略高于熔化温度并且保温一定时间，直至硅料全部熔化结束；
三、长晶阶段：在长晶过程中，优先缓慢提升侧加热器，并配合抽拉板的缓慢打开，硅在底部开始长晶；侧加热器单动完成后，隔热笼和侧加热器开始联动同时提升，控制硅溶液内部的固液界面平稳或微凸，实现晶体的垂直长晶并最终形成硅锭；
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