CN201817576U - 制造多晶锭的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制造多晶锭的系统，包括：上炉体；下炉体；坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳给料；至少一个加热器，用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料；坩埚保持器，用于保持所述坩埚；坩埚支座，容纳有所述坩埚的所述坩埚保持器设置在所述坩埚支座上；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内，并被构造成相对于所述坩埚纵向可移动；以及换热单元，所述换热单元用于控制来自坩埚底部的热量耗散，并在多晶锭凝固和/或冷却的过程中在坩埚支座之下形成用于散热的流路。根据本实用新型的系统，可以在保证多晶锭的质量的同时，提高整个多晶锭的生产效率。

Description

制造多晶锭的系统

技术领域

本实用新型涉及多晶锭的制造工艺，尤其是涉及一种用于制造多晶锭的系统。

背景技术

在现有的太阳能电池用硅片的制造工序中，通常需要先将单晶或多晶锭进行切方。此后，对切方之后的单晶或多晶锭进行抛光或者酸腐蚀，以清洁表面并进行线切片，此后进行清洗以获得所述太阳能电池用硅片。由此，就需要提供一种制造多晶锭的制造装置和设备。现有的多晶锭工艺流程如下：首先进行装料；然后进行抽真空加热、化料，在材料全部熔化之后，对其进行定向凝固，期间需要抽真空和通氩气，在定向凝固之后，需要对形成的多晶锭进行保温预定的时间，然后进行冷却，并出炉以获得所述多晶锭。

但是在现有的多晶硅锭制造设备中，由于自身结构的限制，导致了在定向凝固和冷却工序中不得不延长其相应的时间。下面将参照图1来详细说明，图1显示了根据现有的多晶硅锭制造设备100’的示意图，该多晶硅锭制造设备100’由上炉体101’和下炉体102’密闭而成，其中显示了在定向凝固过程中的气路分布示意图。其中显示了在坩埚1’中进行定向凝固。在定向凝固的过程中，需要从热屏31的中心向下通例如Ar气的惰性气体，惰性气体由于隔热笼4’的结构限制，沿着气路B1’、B2’、B3’、C1’、C2’流动并通过抽气孔103’被排出，此外也有部分惰性气体通过流路B4’形成回路并最终被排出。隔热笼4’在定向凝固的过程中被缓慢上移，隔热笼4’的移动速度必须被控制的非常缓慢，否则会导致出现在坩埚中的固液界面11’向下显著变凹，如图2所示。这是因为在整个上移的过程中，惰性气体流路B1’和C1’首先会冷却坩埚1’的侧部分的熔硅，这导致坩埚1’的中心部分的熔硅的散热能力小于周边部分的熔硅，从而导致该现象。此外，在隔热笼4’的提升过程中，惰性气体形成的气路B4’对坩埚1’的底部的冷却能力逐渐变弱直至消失，从而难以改善固液界面变凹的现象，这些均会导致多晶锭质量变劣，亦即不能形成较大的晶粒，并导致较多的晶体缺陷，尤其是在靠近石英坩埚的区域。

在冷却的过程中存在多晶锭上表面散热集中、下部散热不足的问题。这些问题会导致所产生的多晶锭内部应力增大，晶锭内部易出现裂纹。在现有的方案中，只能通过延长定向凝固和冷却的时间来保证多晶锭的质量。

由此可见，由于现有设备中的限制，不能通过提高隔热笼的提升速度来达到加快熔硅的定向凝固的目的，即在坩埚的周围形成具有良好的温度梯度，同时避免造成如图2中所示的固液界面向下弯曲，从而导致多晶锭发生质量变劣的情况。

发明人通过测量发现，以450Kg装料量为例，定向凝固大约需要30小时左右，冷却需要5-10小时。由此可见整个多晶锭的制造过程时间过长，生产效率较低。

实用新型内容

有鉴于此，需要提供一种新的制造多晶锭的系统，所述系统可以通过在坩埚的周围形成可控的温度梯度来保证多晶锭的质量、甚至是提高多晶锭质量的同时，提高整个多晶锭的生产效率。

根据本实用新型的一方面，提供了一种制造多晶锭的系统，所述系统包括：上炉体；下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳给料；至少一个加热器，所述加热器用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料；坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚；坩埚支座，容纳有所述坩埚的所述坩埚保持器设置在所述坩埚支座上；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内，并被构造成相对于所述坩埚纵向可移动，以控制所述坩埚内的多晶硅锭的定向凝固；以及换热单元，所述换热单元设置在所述坩埚支座之下，用于控制来自坩埚底部的热量耗散，并在多晶锭凝固和/或冷却的过程中在坩埚支座之下形成用于散热的流路。

根据本实用新型的一个实施例，所述换热单元包括：气体导管，所述气体导管的一端设置在所述坩埚支座的底面中心附近，所述气体导管的另一端接气源。

根据本实用新型的一个实施例，所述换热单元还包括：气流引导件，所述气流引导件与所述坩埚支座的底面相对设置，所述气体导管穿透所述气流引导件。

根据本实用新型的一个实施例，所述气流引导件包括：与所述坩埚支座的底面相对设置的气流引导材料层，所述第一气流引导材料层中心形成有第一开孔，且所述第一气流引导材料层由石墨、碳-碳复合材料、碳纤维材料、钨、钼、保温炭毡材料、或者上述材料组合形成。

根据本实用新型的一个实施例，所述气流引导件进一步包括：第二气流引导材料层，所述第二气流引导材料层设置在所述第一气流引导材料层之下并与其相连接，所述第二气流引导材料层的中心形成有与所述第一开孔对应的第二开孔，且所述第二气流引导材料层由保温炭毡形成。

根据本实用新型的一个实施例，所述坩埚支座的下部形成有散热槽，所述散热槽的顶部与石英坩埚相邻，所述气体导管插入到所述散热槽内。

根据本实用新型的一个实施例，所述散热槽形成为锥台体、球形、长方体、圆柱体、锥体中的任何一个。

根据本实用新型的一个实施例，所述坩埚支座的下表面上形成有保温材料层。

根据本实用新型的一个实施例，所述隔热部件形成为隔热笼，且所述隔热笼罩住所述加热器，所述隔热笼的下周边缘设置有朝向内侧伸出的凸缘，以使换热单元的气流不易流入隔热笼内。

根据本实用新型的一个实施例，所述下炉体上与所述气体导管相对的位置上设置有第一进气孔。

根据本实用新型的一个实施例，将N₂、Ar、He或者其混合气体通过第一进气孔供给至所述气体导管。

根据本实用新型的一个实施例，所述上炉体的顶部设置有第二进气口，所述第二进气口分别与第一气路和第二气路连接，所述第一气路用于向石英坩埚通入N₂、Ar或者其混合气体；所述气体导管与所述第二气路连接，用于向所述气体导管通入N₂、Ar、He或者其混合气体。

根据本实用新型的该制造多晶锭的系统，通过改善坩埚周围的温度梯度分布，从而在保证多晶锭质量的同时，减少了定向凝固和冷却工序的时间，提高了生产效率。同时，该系统可改变定向凝固时固-液界面的形状，从凹形界面转变为尽量接近水平界面或者向上微凸界面，从而可以用于控制多晶铸锭的晶粒尺寸，改善晶体质量。

同时，该系统可改变定向凝固时固-液界面的形状，从凹形界面转变为尽量接近水平界面或者微凸界面，从而可以用于控制多晶铸锭的晶粒尺寸，改善晶体质量。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据现有的多晶硅锭制造设备在定向凝固过程中的示意图；

图2显示了根据现有的多晶硅锭制造设备内的坩埚中的固-液界面示意图；

图3显示了根据本实用新型的一个实施例的多晶硅锭制造系统的结构示意图；

图4显示了根据本实用新型的一个实施例的多晶硅锭制造系统的坩埚内的固-液界面示意图；

图5显示了根据本实用新型的另一个实施例的多晶硅锭制造系统的结构示意图；

图6显示了根据本实用新型的一个实施例的底部热屏的结构示意图；

图7显示了根据本实用新型的一个实施例的坩埚支座的结构示意图；

图8显示了根据本实用新型的一个实施例的多晶硅锭制造系统的内部结构示意图；

图9A、9B显示了根据本实用新型的一个实施例的气体导管的结构示意图；

图10显示了根据本实用新型的一个实施例的多晶硅锭制造系统的气路分布示意图；以及

图11显示了根据本实用新型的一个实施例的通过定向凝固制造多晶锭的方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

图3显示了根据本实用新型的一个实施例的多晶硅锭制造系统100的结构示意图。该制造多晶锭的系统100包括：上炉体101；下炉体102，所述下炉体102与所述上炉体101相配合以形成炉体空间104；坩埚1，所述坩埚1设置在下炉体102内并被构造成容纳给料(未示出)；至少一个加热器，所述加热器用于加热坩埚1并熔化容纳在坩埚1中的给料；坩埚保持器5，所述坩埚保持器5用于保持所述坩埚1；坩埚支座6，容纳所述坩埚1的所述坩埚保持器5设置在所述坩埚支座6上；隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内，并被构造成相对于所述坩埚1纵向可移动，以控制所述坩埚1内的多晶硅锭的定向凝固；以及换热单元，所述换热单元设置在所述坩埚支座6之下，用于控制来自坩埚1的热量耗散，并在多晶锭凝固的过程中在坩埚支座6之下形成用于散热的流路。

在根据本实用新型的一个实施例中，所述坩埚1可以需要具有所需的形状，而不限于方形、圆柱形、锥形等。在本实用新型中，为了示例的目的，采用方形的坩埚，但是需要说明的是，此处仅出于说明的目的，而不是为了限制本实用新型的保护范围。所述坩埚1由坩埚保持器5保持，如图4中所示。所述坩埚保持器5可以包括固定板51、52和53。所述固定板51、52和53可以由石墨板形成。在根据本实用新型的一个实施例中，所述至少一个加热器包括：顶部加热器31、侧加热器32。所述顶部加热器31、侧加热器32在工作时罩住所述坩埚1，以熔化放置在其中的给料。在上炉体101和下炉体102闭合后，所述顶部加热器31和侧壁加热器32罩住所述坩埚1的四周及上方。

根据本实用新型的一个实施例，所述下炉体102相对于所述上炉体101纵向可移动，从而可以方便地利用叉车等放入和取出坩埚1。

根据本实用新型的一个实施例，该系统100还可以包括设置在坩埚1与顶部加热器31之间的热屏2，该热屏2的中心开有气体导入孔21，热屏2的四周可以设有多个与固定板51、52和53相互固定的固定部(未示出)。热屏2可以阻止硅熔体的挥发物直接沉积到石英坩埚1上方的顶部加热器31和其他保温材料上，通过热屏2中心的气体导入孔21还可以将例如氩气(Ar)等的惰性气体导入到坩埚1内的硅熔体表面，并通过石英坩埚1的上部四周设有的多个出风孔流出，从而可以通过所述惰性气体带走各种挥发物。

根据本实用新型的一个实施例，隔热部件形成为隔热笼4，在上炉体101和下炉体102闭合时，使得顶部加热器31和侧壁加热器32加载到坩埚1的四周，且隔热笼4将石英坩埚1套住以在化料的过程中防止热量外流。在坩埚1熔化的给料进行保温之后的定向凝固的过程中，可以缓慢地向上提升所述隔热笼4，以保持未凝固的液态硅料的温度，并控制所述坩埚1内的多晶硅锭的定向凝固。

根据本实用新型的一个实施例，在所述坩埚支座6的下面设置有换热单元。所述换热单元在多晶锭凝固过程中在坩埚支座6之下形成用于散热的气路D1、D2，所述气路D1、D2沿着坩埚支座6的下表面流动，从而可以提供对位于坩埚中心部位的熔融给料进行冷却的气体流路。通过控制所述隔热笼4的移动以及所述气体流路，使得所述坩埚内的固液界面在冷凝的过程中尽量保持水平或者微凸。

图4显示了根据本实用新型的一个实施例的多晶硅锭制造系统100的坩埚1内的固-液界面示意图。如图4中所示，通过在在坩埚支座6的底面设置该换热单元，使得本实用新型中的坩埚1内的固液界面11显著变平或者微凸，从而提高了在多晶锭在定向凝固过程中的质量，增大了周边部分多晶锭的晶粒的尺寸。

根据本实用新型的一个实施例，所述换热单元包括气体导管8和与所述气体导管8垂直设置的气流引导件7，所述气流引导件7与所述坩埚1支架的底面相对设置；所述气体导管8穿过所述气流引导件7并且一端与所述坩埚1支架的底面相邻设置，气体导管8的另一端接气源。通过在所述气流引导件7和所述坩埚支座6的下表面之间形成的气流通路D1、D2，从而有效地改善了坩埚之下的温度梯度分布，从而提高了定向凝固过程中多晶锭的质量。

为了能够更好的起到冷却效果，如图5中所示，在本实用新型的一个实施例中，在坩埚1支架的下部形成有散热槽61，散热槽61的顶部可以与石英坩埚1相邻，气体导管8可以插入到散热槽61内，从而可以将气流更直接的吹入到坩埚底部的中心位置，从而可以起到冷却坩埚中心位置处的液态硅或固体硅锭的目的。

图6显示了根据本实用新型的一个实施例的气流引导件7的结构示意图。所述气流引导件7包括：与所述坩埚1支架的底面相对设置的第一气流引导材料层710，所述第一气流引导材料层710中心形成有第一开孔720，且由石墨、碳-碳复合材料、碳纤维材料、钨、钼、保温炭毡材料、或者上述材料组合形成。根据本实用新型的一个实施例，所述气流引导件7进一步包括：第二气流引导材料层730，所述第二气流引导材料层730设置在所述第一气流引导材料层710之下并与其相连接，所述第二气流引导材料层730的中心形成有与所述第一开孔720对应的第二开孔740。根据本实用新型的一个实施例，所述第二气流引导材料层730可由保温炭毡形成。

其中，上述实施例中的散热槽61可形成为锥台体、球形、长方体、圆柱体、锥体等中的任何一个，如图7所示，为本实用新型实施例的坩埚支座的结构示意图，在该实施例中散热槽61可以为锥台体，但是本领域技术人员显然还可以采用其他形状的散热槽。

根据本实用新型的一个实施例，如图8所示，在坩埚支座6的下表面上可以形成有保温材料层10，从而可以使得该层保温材料层10能够与气体导管8相互配合，使得对定向凝固时多晶锭的界面控制变得更为容易。该保温材料层可以使得在通过所述气体导管8通入气体进行冷却时，所述温度梯度分布更加均匀。

同时，在本实用新型的另一个实施例中，如图8所示，在隔热笼4的下周边缘设置有朝向内侧伸出的凸缘9，这样在隔热笼4罩住加热器31和32之后，凸缘9能够阻挡通过气体导管8进入的气流进入到隔热笼4内，从而可能会造成对坩埚的侧边的过度冷却现象。

如图9A所示，为本实用新型一个实施例的气体导管8结构图，在该实施例中，所述气体导管8包括第一管81，该所述第一管81由石墨、C-C复合材料、钼或者不锈钢形成。如图9B所示，为本实用新型另一个实施例的气体导管8结构图，所述气体导管8还包括第二管82，所述第二管82嵌套所述第一管81，所述第二管82可由保温炭毡材料形成。

对于本实用新型的气源提供也可采用多种方式，例如在本实用新型的一个实施例中，可在炉体的上下炉体上分别设置一个进气孔，如图10所示，在上炉体101上设置第二进气孔，该第二进气孔通过第一气路11进入隔热笼4内，并穿过热屏2将Ar气吹向熔体的表面，同时在下炉体102上与所述气体导管8相对的位置上设置有第一进气孔1021。不同于上一个实施例的是，在本实用新型的另一个实施例中，可在炉体上仅提供一个进气孔，也如图10所示，所述上炉体101的顶部设置有第二进气口1011，所述第二进气口1011分别与第一气路11和第二气路12连接，所述第一气路11用于向坩埚1通过Ar气等惰性气体，所述气体导管8与所述第三气路13连接，其中所述第二气路12通过气体接口14与第三气路13连接，用于向所述气体导管8通入惰性气体。需要说明的是，本实用新型为了简洁的目的，在图10中同时示出了这两种供气方式，但是本领域技术人员应当明白这两种方式是分别实现的，并且本领域技术人员还可对这两个实施例做出等同的修改或变化，例如仅在炉体的下部设置一个进气孔等。在上述实施例中，不仅可通入Ar，还可通入N₂、He等气体，或者这些气体的混合气体。

根据本实用新型的一个实施例，根据本实用新型的该制造多晶锭的系统100，通过改善坩埚1周围的温度梯度分布，从而在保证多晶锭质量的同时，减少了定向凝固和冷却工序的时间，提高了生产效率。同时，该系统100可改变定向凝固时固-液界面的形状，从凹形界面转变为尽量接近水平或者微凸界面，从而可以用于控制多晶铸锭的晶粒尺寸，改善晶体质量。

任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。

尽管参照本实用新型的多个示意性实施例对本实用新型的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本实用新型原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本实用新型的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种制造多晶锭的系统，其特征在于，所述系统包括：

上炉体；

下炉体，所述下炉体与所述上炉体相配合以形成炉体空间；

坩埚，所述坩埚设置在炉体空间内并被构造成容纳给料；

至少一个加热器，所述加热器用于加热坩埚并熔化容纳在坩埚中的给料；

坩埚保持器，所述坩埚保持器用于保持所述坩埚；

坩埚支座，容纳有所述坩埚的所述坩埚保持器设置在所述坩埚支座上；

隔热部件，所述隔热部件容纳在所述炉体空间内，并被构造成相对于所述坩埚纵向可移动，以控制所述坩埚内的多晶硅锭的定向凝固；以及

换热单元，所述换热单元设置在所述坩埚支座之下，用于控制来自坩埚底部的热量耗散，并在多晶锭凝固和/或冷却的过程中在坩埚支座之下形成用于散热的流路。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换热单元包括：

气体导管，所述气体导管的一端设置在所述坩埚支座的底面中心附近，所述气体导管的另一端接气源。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述换热单元还包括：

气流引导件，所述气流引导件与所述坩埚支座的底面相对设置，所述气体导管穿透所述气流引导件。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述气流引导件包括：

与所述坩埚支座的底面相对设置的第一气流引导材料层，所述第一气流引导材料层中心形成有第一开孔。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述气流引导件进一步包括：

第二气流引导材料层，所述第二气流引导材料层设置在所述第一气流引导材料层之下并与其相连接，所述第二气流引导材料层的中心形成有与所述第一开孔对应的第二开孔，且所述第二气流引导材料层由保温炭毡形成。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述坩埚支座的下部形成有散热槽，所述散热槽的顶部与石英坩埚相邻，所述气体导管插入到所述散热槽内。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述散热槽形成为锥台体、球体、长方体、圆柱体、锥体中的任何一个。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述坩埚支座的下表面上形成有保温材料层。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述隔热部件形成为隔热笼，且所述隔 热笼罩住所述加热器，所述隔热笼的下周边缘设置有朝向内侧伸出的凸缘，以使换热单元的气流不易流入隔热笼内。

10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述下炉体上与所述气体导管相对的位置上设置有第一进气孔。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，将N₂、Ar、He或者其混合气体通过第一进气孔供给至所述气体导管。

12.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述上炉体的顶部设置有第二进气口，所述第二进气口分别与第一气路和第二气路连接，所述第一气路用于向石英坩埚通入Ar、N₂或者其混合气体；

所述气体导管与所述第二气路连接，用于向所述气体导管通入N₂、Ar、He或者其混合气体。 

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