CN110387579A - 一种利用八边形铸锭热场铸造单晶的方法及铸造单晶硅锭 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用八边形的晶硅铸锭的热场结构铸造单晶硅锭的方法及制得的铸造单晶硅锭，热场结构包括炉体、设置在所述炉体内的八边形的坩埚，所述坩埚外设置有护板、加热系统和保温系统，所述炉体还设有支撑所述坩埚和护板的导热块，所述方法利用上述热场结构制备铸造单晶硅锭，采用该八边形热场结构，可在同样规格的炉体内提高装料量，且热场内部的温度更加均匀，同时改善了边角硅锭质量，提升了铸造单晶硅锭的良率。

Description

一种利用八边形铸锭热场铸造单晶的方法及铸造单晶硅锭

技术领域

本发明涉及硅锭制备领域，特别是涉及一种利用八边形铸锭热场结构铸造单晶硅锭的方法，还提出一种由该方法制得的铸造单晶硅锭。

背景技术

目前随着光伏市场对于硅片转换效率要求越来越高，对于硅片成本要求越来越低，大投料量的定向凝固铸锭炉为满足市场需求应运而生。随着铸锭热场和坩埚尺寸增大，单台铸锭炉的产能将大幅增加，提高了硅锭成品率，降低了生产成本。

对于铸锭炉来说，由于坩埚和热场均为正方形，铸锭炉的炉腔内为圆形空间，圆柱型炉腔内的圆形空间限制了坩埚和热场的径向尺寸的扩大，引起坩埚内中心区域与边缘的温差较大，受热场边界效应影响大，铸造单晶的边角锭易生成多晶，引起单晶区域面积减小，硅锭的成品率降低。

发明内容

基于此，为了提高铸造单晶硅锭的成品率，提供一种适用于大投料量铸造单晶的制备方法。

本发明提供一种利用八边形晶硅铸锭热场铸造单晶硅锭的方法，

所述热场结构包括：炉体、设置在所述炉体内的八边形的坩埚，所述坩埚外设置有护板、加热系统和保温系统，所述炉体还设有支撑所述坩埚和护板的导热块；所述方法包括以下步骤：

在所述坩埚的底部铺设单晶籽晶，形成籽晶层；

在所述籽晶层上装载固体硅料，对所述坩埚进行加热使得所述固体硅料熔化，控制所述坩埚内的温度，使所述籽晶层不完全熔化；

控制所述坩埚内的温度，沿垂直于坩埚底部的方向形成由下向上逐步升高的温度梯度，使熔化的硅液在中心区域沿所述单晶籽晶的晶向定向凝固，得到铸造单晶硅锭。

上述方法,利用八边形的坩埚采用铸造法铸造单晶硅锭，该八边形的坩埚较四边形的坩埚，由于减小了对角线长度，同样规格的炉体可以放下更大尺寸的坩埚，可以提高装料量，提高产能，降低能耗；同时增大了热场尺寸，对坩埚内部的加热更加均匀，改善边角硅锭质量，从而避免角锭的产生，提升了硅锭整体的良率和质量。

在其中一个实施例中，所述坩埚的侧壁包括互相间隔设置且相连的四个长侧壁和四个短侧壁，所述长侧壁和短侧壁围成八边形；所述护板，紧密贴合在所述坩埚的四周，所述护板包括互相间隔设置的四个侧护板和四个角护板，其中所述侧护板贴合于所述坩埚的长侧壁，所述角护板贴合于所述坩埚的短侧壁，其中所述角护板为碳碳复合材料；所述保温系统，包围所述坩埚的顶部、四周和底部；所述加热系统，位于所述保温系统内，环绕所述坩埚一周，用以加热坩埚内的硅料；所述导热块，位于所述保温系统内，并支撑所述坩埚和护板。

在其中一个实施例中，所述加热系统包括设置于所述坩埚上方的顶部加热器，及设置于所述护板外周的侧部加热器，所述侧部加热器包括互相间隔设置的四个侧面加热器和四个角部加热器，所述侧面加热器和角部加热器围成八边形。

在其中一个实施例中，所述侧面加热器和角部加热器之间通过螺杆和螺母固定连接。

在其中一个实施例中，所述保温系统包括设置于所述顶部加热器的上方的顶部保温层、环绕所述侧部加热器的侧部保温层，及设置于所述坩埚的下方的底部保温层，所述顶部保温层、侧部保温层和底部保温层组合成封闭空间。

在其中一个实施例中，所述侧部保温层的形状与所述坩埚的形状相匹配。

在其中一个实施例中，所述角护板与侧部保温层相对的表面具有凹凸结构。

在其中一个实施例中，所述侧护板为碳碳复合材料。

在其中一个实施例中，所述热场结构为适用于G6、G7或G8铸锭热场结构。

在其中一个实施例中，所述四个长侧壁的长度相等，所述四个短侧壁的长度相等。

还提出一种铸造单晶硅锭，其由前述任一项的方法制得。

附图说明

图1为本发明一实施例的热场结构的整体结构示意图；

图2为图1所示的热场结构的截面剖视示意图；

图3为图1所示的热场结构的加热系统的示意图；

图4为图1所示的热场结构的坩埚护板及支持系统的示意图；

图5为图1所示的铸造单晶硅锭的方法的流程图；

图6为实施例中单晶籽晶铺设的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参考图1，本发明的一实施例公开了一种适用于八边形的晶硅铸锭的热场结构，可适用于G6、G7、G8铸锭，其包括炉体10、设置在炉体10内的坩埚20、护板30、保温系统40、加热系统50和导热块60。

参图1和图4，炉体10采用圆形炉体，包括连接在一起的上炉体110和下炉体120。导热块60通过石墨支柱70固定于下炉体120的底部，且导热块60位于坩埚20和护板30的底部下方，同时支撑坩埚20和护板30。导热块60用以传导坩埚20底部的热量。

坩埚20优选为石英坩埚，用以盛放硅料，以通过定向凝固法铸锭。本实施例中，坩埚20的一周均具有侧壁，如图2所示，坩埚20的侧壁210包括互相间隔设置且相连的四个长侧壁212和四个短侧壁214，长侧壁212和短侧壁214依次连接并围成八边形。换言之，坩埚20为八边形，相当于在现有四方形坩埚的四个角上进行倒角处理。优选地，四个长侧壁212的长度相等，所述四个短侧壁214的长度相等。这样可以按同样的方式对四方形坩埚的四个角进行倒角处理，从而获得八边形的坩埚。

对于四方形坩埚而言，对角线的长度可理解为相对设置的两个尖角之间的长度。对于八边形的坩埚而言，对角线的长度则可理解为相对设置的两个短侧壁214之间的长度。可以理解，基本相同规格的坩埚，八边形的坩埚的对角线长度更短。由于减少了对角线长度，八边形的坩埚20占用空间小，使得铸锭炉的炉体10内部的可用空间增加，同样规格的炉体10可以放下更大尺寸的坩埚20，可以提高装料量，提高产能，降低能耗。本实施例的热场结构可以在G7或G8铸锭热场上实施，产能可以提高40％以上。

护板30紧密贴合在坩埚20的四周，用以支撑坩埚20，避免加热硅料时坩埚20出现形变影响铸锭。护板30的形状设置为与坩埚20的形状相匹配。具体的，如图2和图3所示，护板30包括互相间隔设置的四个侧护板310和四个角护板320，其中侧护板310贴合于坩埚20的长侧壁212，角护板320贴合于坩埚20的短侧壁214。坩埚20的短侧壁214是对四边形坩埚的尖角倒角处理而获得，短侧壁214为一个平面，因此设置角护板320进行防护。

进一步地，为了充分利用炉体10内空间，不因为设置角护板320而影响对角线的长度。本实施例中，每个角护板320均使用碳碳复合材料，强度较高，厚度可以很薄，仅6毫米～8毫米即可满足需求。这样既保证新形成的坩埚的侧壁外具有护板支撑，又实现减小坩埚20占用空间目的，从而使得铸锭炉的炉体10内部的可用空间增加。此外，角护板320采用使用碳碳复合材料，可以减缓加热过程中的应力，延长角护板320的使用寿命。

坩埚20尺寸增大同时，铸锭炉的热场尺寸也得以增加。本实施例中，如图1和图2，保温系统40包围坩埚20的顶部、四周和底部。加热系统50和导热块均位于保温系统40围成的空间内。加热系统50至少环绕坩埚20的一周，这样坩埚20的各侧壁外均设有加热系统。由于坩埚20为八边形，各侧壁到坩埚20中心的距离的差异较四边形坩埚更小。因此，加热系统50加热时，对坩埚20内部的加热更加均匀，从而改善边角硅锭质量，能从而避免不良角锭的产生，提高硅锭的平均转换效率，提升了硅锭整体的良率和质量。

本发明的一些实施例中，如图1所示,加热系统50包括设置于坩埚20上方的顶部加热器510，及设置于护板30外周的侧部加热器520。如图2所示，侧部加热器520包括互相间隔设置的四个侧面加热器522和四个角部加热器524，且侧面加热器522和角部加热器524围成八边形。这样，侧部加热器520的形状与坩埚20的形状一致，以保证更加均匀地对坩埚20内的硅料进行加热。

进一步地，侧面加热器522和角部加热器524之间通过螺杆和螺母固定连接。可以根据需要更换，以改变侧面加热器522的形状、发热功率等，实现不同的长晶目的。

进一步地，保温系统40包括设置于顶部加热器510的上方的顶部保温层410、环绕侧部加热器520的侧部保温层420，及设置于坩埚20的下方的底部保温层430，其中顶部保温层410、侧部保温层420和底部保温层430组合成封闭空间，由此可形成铸锭时的封闭热场。

进一步地，侧部保温层420的形状与坩埚20的形状相匹配。具体的，如图2所示，侧部保温层420为八边形，使得坩埚20的每个侧壁外部均具有保温层。侧部保温层420的每一条边的长度设置为与对应的坩埚20的侧壁的长度相匹配。即对应长侧壁212的侧部保温层420的长度较长，而对应短侧壁214的侧部保温层420的长度较短。

如图2所示，为了实现对坩埚20内加热更加均匀，本发明的一些实施例中，角护板320与侧部保温层420相对的表面具有凹凸结构322，如波浪形结构，凹凸结构322形成漫反射表面，能增强角护板320处的吸热能力，有利于炉内热场的均匀。

本发明的一些实施例中，侧护板310为碳碳复合材料，与角护板320的材质相同。

本发明的一些实施例中，导热块60的形状与坩埚2的底部的形状相匹配，且均为八边形。由此，导热块60能与坩埚20的底部较好的吻合，从而高效地传导坩埚20底部的热量。

本发明的一实施例还提出了一种利用上述适用于八边形铸锭热场铸造单晶硅锭的方法，该方法适用于大投料量铸造单晶硅锭。

请参考图5，本发明实施例的铸造单晶硅锭的方法包括以下步骤。

S100、在所述坩埚的底部铺设单晶籽晶，形成籽晶层。籽晶层的尺寸不限制，例如籽晶层可以为与坩埚的底部大小和形状基本相同的大块单晶籽晶，也可以由多块籽晶拼接而成。优选地，每个单晶籽晶的垂直晶向都是相同的，优选为<100>。单晶籽晶的形状优选为矩形。单晶籽晶层的的高度范围为5mm～30mm，以满足定向生长的需求。本文中，高度指元件在坩埚20的高度方向上的尺寸。

S200、在所述籽晶层上装载固体硅料，对所述坩埚进行加热使得所述固体硅料熔化，控制所述坩埚内的温度，使所述籽晶层不完全熔化。本步骤中，固体硅料可以为原生多晶硅块、硅粉等。然后利用加热系统50对坩埚20进行加热，使固体硅料全部熔化，籽晶层仅部分熔化，然后进入长晶阶段。例如，可以在籽晶层熔化10％～90％时，进入长晶阶段。

S300、控制所述坩埚内的温度，沿垂直于坩埚底部的方向形成由下向上逐步升高的温度梯度，使熔化的硅液在中心区域沿所述单晶籽晶的晶向定向凝固，得到铸造单晶硅锭。本发明的一实施例中,可通过打开底部保温层430的方式在坩埚内形成垂直向上的温度梯度。

上述铸造单晶硅锭的方法中，利用前述的热场结构采用铸造法制备铸造单晶硅锭，八边形的坩埚较四边形的坩埚，由于减小了对角线长度，同样规格的炉体可以放下更大尺寸的坩埚，可以提高装料量，能在籽晶用量不变或略微增加的情况下，增加铸造单晶硅锭的单晶面积；此外坩埚20为八边形，各侧壁到坩埚20中心的距离的差异较四边形坩埚更小。因此，加热系统50加热时，对坩埚20内部的加热更加均匀，坩埚20热应力分布更加均匀，从而降低长晶过程中的应力，改善边角硅锭质量，能从而避免不良角锭的产生，提高硅锭的平均转换效率，提升了硅锭整体的良率和质量。

本发明的一实施例还提出了一种由上述实施例的方法制得的单晶硅锭。由于在铸造过程中，采用八边形的热场，制得的单晶硅锭转换效率较高，提升了硅锭整体的良率和质量。

下面结合实施例来进一步说明。

对比实施例1

选用商用第七代(G7)铸锭炉，炉体的圆形内腔的直径为2150mm，利用铸造法制备单晶硅锭时，将156*156mm的单晶籽晶按照7*7的方式铺设在坩埚底部，在单晶籽晶上方投入1100kg的原生多晶硅料，制得的硅锭可以切出49个规定尺寸的铸造单晶小方锭。

实施例1

选用与对比实施例1相同的铸锭炉腔体，炉体20的圆形内腔的直径为2150mm,如图6所示,在八边形坩埚20底部铺设60块单晶籽晶，形成籽晶层。在籽晶层上方投入1400kg的多晶硅料。制得的铸造单晶硅锭可以切出60个规定尺寸的铸造单晶小方锭，单炉铸造产能提高20％以上。经过检测，本实施例制得的铸造单晶硅锭良率较对比实施例1提升约1.8％。

对比实施例2

选用商用第六代(G6)铸锭炉，炉体的圆形内腔的直径为1830mm，利用铸造法制备铸造单晶硅锭时，将156*156mm的单晶籽晶按照6*6的方式铺设，，在单晶籽晶上方投入800kg的原生多晶硅料，制得的硅锭可以切出36个规定尺寸的铸造单晶小方锭。

实施例2

选用与对比实施例2相同的铸锭炉腔体，炉体20的圆形内腔的直径为1830mm,在八边形坩埚20底部铺设45块单晶籽晶，形成籽晶层。在单晶籽晶层上方投入1000kg的原生多晶硅料。制得的铸造单晶硅锭可以切出45个规定尺寸的铸造单晶小方锭，单炉铸造产能提高25％。经过检测，本实施例制得的铸造单晶硅锭良率较对比实施例2提升约1.5％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干边形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种利用八边形铸锭热场铸造单晶硅锭的方法，其特征在于，所述热场结构包括：炉体、设置在所述炉体内的八边形的坩埚，所述坩埚外设置有护板、加热系统和保温系统，所述炉体还设有支撑所述坩埚和护板的导热块；所述方法包括以下步骤：

在所述坩埚的底部铺设单晶籽晶，形成籽晶层；

在所述籽晶层上装载固体硅料，对所述坩埚进行加热使得所述固体硅料熔化，控制所述坩埚内的温度，使所述籽晶层不完全熔化；

控制所述坩埚内的温度，沿垂直于坩埚底部的方向形成由下向上逐步升高的温度梯度，使熔化的硅液在中心区域沿所述单晶籽晶的晶向定向凝固，得到铸造单晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述坩埚的侧壁包括互相间隔设置且相连的四个长侧壁和四个短侧壁，所述长侧壁和短侧壁围成八边形；所述护板，紧密贴合在所述坩埚的四周，所述护板包括互相间隔设置的四个侧护板和四个角护板，其中所述侧护板贴合于所述坩埚的长侧壁，所述角护板贴合于所述坩埚的短侧壁，其中所述角护板为碳碳复合材料；所述保温系统，包围所述坩埚的顶部、四周和底部；所述加热系统，位于所述保温系统内，环绕所述坩埚一周，用以加热坩埚内的硅料；所述导热块，位于所述保温系统内，并支撑所述坩埚和护板。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述加热系统包括设置于所述坩埚上方的顶部加热器，及设置于所述护板外周的侧部加热器，所述侧部加热器包括互相间隔设置的四个侧面加热器和四个角部加热器，所述侧面加热器和角部加热器围成八边形。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述保温系统包括设置于所述顶部加热器的上方的顶部保温层、环绕所述侧部加热器的侧部保温层，及设置于所述坩埚的下方的底部保温层，所述顶部保温层、侧部保温层和底部保温层组合成封闭空间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述侧部保温层的形状与所述坩埚的形状相匹配。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述角护板与侧部保温层相对的表面具有凹凸结构。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述侧护板为碳碳复合材料。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热场结构为适用于G6、G7或G8的铸锭热场结构。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述四个长侧壁的长度相等，所述四个短侧壁的长度相等。

10.一种铸造单晶硅锭，其特征在于，其由权利要求1-9任一项的方法制得。