CN202323097U

CN202323097U - 一种采用中心对称开合的晶硅铸锭炉热场热门控制装置

Info

Publication number: CN202323097U
Application number: CN2011204228875U
Authority: CN
Inventors: 刘芝; 徐芳华; 赵波; 卢雪梅
Original assignee: Hangzhou Jinggong Mechanical & Electrical Research Institute Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Jinggong Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-10-31

Abstract

本实用新型提供了一种采用中心对称开合的晶硅铸锭炉热场热门控制装置。现有的热场热门控制方法中，有的初期辐射量过大会极大影响成核质量，并且增加额外的能耗；有的后期辐射量不足导致晶体生长连续性不好并且生长速度缓慢；有的散热通道的不均匀对称性也会对晶体成核及生长造成不利的影响。本实用新型包括绝热笼、置于绝热笼内的加热器和热交换台，绝热笼的下方设有内部通冷却水的冷板，其特征在于所述的冷板与绝热笼底部之间设有其中心形成的开口能以中心对称的方式逐渐向四周打开或向中心闭合的隔热板组件。本实用新型结合中心对称开合法，既能保持低能耗的晶体生长，同时又能充分利用散热面积，还能够有效控制晶体初期成核和稳步定向生长。

Description

一种采用中心对称开合的晶硅铸锭炉热场热门控制装置

技术领域

本实用新型属于晶硅铸锭炉铸锭技术领域，涉及一种采用中心对称开合的晶硅铸锭炉热场热门控制装置。

背景技术

晶硅铸锭炉是一种硅重熔铸锭设备，是制备太阳能电池硅片的一道重要工艺装备。

晶硅铸锭炉晶体生长系统的优劣主要是由炉中的热场来决定的，而热场的好坏则集中反应在热场中热门的结构及控制上。

一个理想的铸锭炉晶体生长系统是在坩埚底部的中心部位能够首先产生一临界过冷度使熔体在此处优先成核，形成的晶核在径向及纵向温度梯度的共同影响下以球冠状胚团的形式向四周扩展，此过程中固液界面的曲率逐渐趋于平缓，当受到坩埚壁约束后，再在纵向温度梯度作用下垂直向上生长。

一个优质的热门结构不但可以对生长系统中的初期成核进行控制，同时还能促使生长系统中的温度变化呈现均匀对称的分布，且能为后期的晶体生长提供适合的温度梯度，保证晶体生长的速度和质量，节约能耗，降低成本。

目前传统晶硅铸锭炉热场的开合，主要有以下几种方法：

1.绝热笼上提使热交换台和炉体冷壁之间形成辐射通道，简称侧板提拉法，见图1。

侧板提拉法主要是将构成热场的保温隔热笼体的四侧板设计为一个运动部件，侧板往下运动可以将多晶硅重熔长晶的热场封闭起来，通电使热场里的加热器升温，以加热熔化多晶硅原材料；侧板部件往上提升，则打开热场腔室，暴露出热交换台，形成温降梯场，通过一定的工艺步骤，实现定向长晶过程。

2.绝热底板下移使得热交换台和炉体冷壁之间形成辐射通道（本申请人的专利200820121103.3），简称底板升降法，见图2。

方法1和方法2一样，能控制晶体初期成核，但后期辐射量不足导致晶体生长连续性不好而且生长缓慢，也无法实现硅锭的快速冷却，增加了铸锭时间和能耗。

3.绝热底板侧向移动，使得热交换台和底部冷壁之间形成辐射通道，简称底板抽拉法，见图3。

底板抽拉法是将构成热场的保温绝热笼体的底部设置一组可侧向移动的绝热底板。闭合时将热场底部的通水冷却块与热交换台隔开，当原材料完全熔化后，按一定工艺步骤抽去底部的绝热底板，形成温降梯场，实现定向长晶过程。

该方法能够得到大范围的辐射通道，但是无法对初期成核进行控制，热冲击大，而且增加了额外的能耗。

4.百叶保温板转动一定角度打开，使得热交换台和底部冷壁之间形成辐射通道（本申请人的专利申请201010607129.0），简称百叶开合法，见图4。

该方法是由本申请人针对现有热门的一些现存问题做出的技术创新，可以通过控制百叶转开角度大小，有效的对硅锭初期成核和能耗进行合理的控制。但是，由于百叶不是四周对称的结构，形成的是条状冷却带，不利于均匀的控制热交换台底部换热，造成晶体生长质量差。

上述的几种方法，各有优缺点。根据热交换法的基本原理，辐射量的大小决定了单位时间内通过热交换台和冷壁之间的能量。通过调整散热区域的结构，可以起到完善热场的作用。不同的底部散热区域及结构设计会有不同的效果。初期辐射量过大会极大影响成核质量，并且增加额外的能耗，如方法3；后期辐射量不足导致晶体生长连续性不好并且生长速度缓慢，如方法1和方法2；散热通道的不均匀对称性也会对晶体成核及生长造成不利的影响，如方法4。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种隔热板组件可以采用中心对称开合法的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其对隔热板进行开合，使铸锭过程更加容易控制并尽可能减少工艺周期时间和能耗。

为此，本实用新型采用如下的技术方案：一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置，包括绝热笼、置于绝热笼内的加热器和热交换台，绝热笼的下方设有内部通冷却水的冷板，其特征在于：所述的冷板与绝热笼底部之间设有其中心形成的开口能以中心对称的方式逐渐向四周打开或向中心闭合的隔热板组件。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本实用新型采取以下技术措施：

所述的隔热板组件由二块以上的隔热板组成，相邻隔热板采用搭接的连接结构，相邻隔热板采用搭接的连接结构。对隔热板的形状不做具体要求，可以是扇形圆边形、直边形、圆边形或其他形状；隔热板的数量可以是两块、四块或多块。

所述隔热板组件的优选结构为：其由四块呈周向均布的扇形圆边形隔热板组成，所述隔热板的一侧底部开有一弧形容纳口，另一侧表面开有一弧形搭接台。一隔热板的弧形容纳口用于容纳相邻隔热板的弧形搭接台，从而将其搭在相邻的隔热板上。通过弧形搭接台来实现两者的搭接，保证了隔热空间封闭，在熔化及退火阶段减少能量损耗。

相邻的隔热板之间设有起连接和传动作用的连杆机构，确保各块隔热板之间的相对运动准确。

隔热板组件的底部设有起支撑和滑动作用的支撑滑动机构，确保隔热板沿确定轨迹滑动开合。

隔热板组件的底部设有一起支撑和定位作用的托架，确保所有隔热板在同一个平面上滑动开合。

所述的隔热板通过水平拉杆与驱动机构连接。驱动机构驱动水平拉杆时，隔热板中心的开口呈中心对称的方式逐渐向四周打开或向中心闭合，用以完成隔热板组件的开合。

所述隔热板的连杆机构或支撑滑动机构可以由耐高温的金属或非金属制成。

本实用新型的热场热门控制装置既可以配合上下加热器使用，也可以配合侧面加热器使用，还可以配合多组加热器及移动坩埚的热场使用。

上述晶硅铸锭炉热场热门控制装置的控制方法如下：

当硅晶体处于加热熔化阶段，隔热板组件处于闭合状态，维持封闭的加热空间，保证内部热量不散失，促使晶体的熔化过程高效率、低耗能的快速完成。

在晶体生长过程前期，缓慢抽拉隔热板形成中央较小开口，此时，在开口对应位置将会产生一过冷区域，此处临界形核功降低，优先形成晶核；当进入晶体生长中期，按照工艺要求，进一步抽拉隔热板，打开更大的开口，开口以中心对称的方式逐渐向四周缓慢打开，隔热板打开的过程使熔体内获得一定的温度梯度，为晶体生长提供动力，且整个的辐射区域一直处于中心对称分布，促使熔体内温度也是呈现中心对称分布，利于晶体垂直生长，保证晶体质量；最后，当处于长晶后期，隔热板可以满行程打开，完全露出热场底部开口，充分保证了底部散热通道，提高晶体的生长速度，降低能耗，节约成本。在晶体生长过程中的各阶段中，其开口的大小由该阶段的工艺要求决定。

当晶体处于退火阶段，底部的隔热板可以快速抽拉至闭合状态，保证上下温度场均匀。

当晶体处于冷却阶段，底部隔热板也可以快速抽拉至全开状态，使得晶体快速降温，减少工艺周期。

中心对称开合法可以有效地保证热场底部散热均匀对称，也方便底部中心的红外测温。

本实用新型的热场热门控制装置结合中心对称开合法，既能保持低能耗的晶体生长，同时又能充分利用散热面积，还能够有效控制晶体初期成核和稳步定向生长；使底部散热结构既具有良好的控制能力，也具备了大换热量的潜力，对硅锭初期成核控制和晶体定向快速生长以及后期快速冷却，都能很好的满足工艺要求。

附图说明

图1-4为目前晶硅铸锭炉热场的四种开合方法示意图。

图5为本实用新型热场热门控制装置的结构示意图。

图6-7为本实用新型四块扇形圆边形式隔热板搭接构成的隔热板组件；图中，5-隔热板，6-连杆机构，7-支撑滑动机构，8-托架，9-水平拉杆。其中，图7为隐藏两块隔热板5和托架8的示意图。

图8为图7中连杆机构6的衔接部分A-A向的剖面示意图。

图9为本实用新型四块直边形式隔热板搭接构成的部分隔热板组件。

图10为本实用新型两块圆边形式隔热板搭接构成的部分隔热板组件。

图11为本实用新型两块直边形式隔热板搭接构成的部分隔热板

组件。

具体实施方式

如图5-11所示的热场热门控制装置，绝热笼1内设有盛放晶硅原料的坩埚2和热交换台3，绝热笼1的下方设有内部通冷却水的冷板4，该冷板与绝热笼底部之间设有隔热板组件，该隔热板组件的中心形成的开口能以中心对称的方式逐渐向四周打开或向中心闭合。

所述的隔热板组件由四块呈周向均布的扇形圆边形隔热板5组成，所述隔热板的一侧底部开有一弧形容纳口，另一侧表面开有一弧形搭接台；一隔热板的弧形容纳口用于容纳相邻隔热板的弧形搭接台，从而将其搭在相邻的隔热板上。相邻的隔热板之间设有起连接和传动作用的连杆机构6。隔热板组件的底部设有托架8，位置固定且起支撑和定位作用。隔热板组件的底部还设有起支撑和滑动作用的支撑滑动机构7。隔热板5通过水平拉杆9与驱动机构连接。如图7所示，支撑滑动机构7固定不动，主驱动控制水平拉杆9往复运动，通过连杆机构6带动另外两侧隔热板做往复运动，其中连接隔热板的结构在支撑滑动机构7上往复滑动。由图8可见连杆机构6的衔接部分剖视图，两杆以套筒方式连接来滑动传动。

当硅晶体处于熔化阶段时，底部热门结构呈封闭的初始状态，保证内部热量不散失，促使晶体的熔化过程高效率，低耗能的快速完成。

当熔化完成，准备进入晶体生长阶段，通过驱动机构，拉动水平拉杆，带动各块隔热板沿设定行程滑动打开一定开口，完成对晶体生长初期成核的控制。其中各块隔热板通过各自的连杆机构和支撑滑动机构保证相对位置准确。

驱动机构根据工艺要求来确定实际开口的大小，保证在晶体生长的各阶段均能获得适合的温度梯度，及均匀对称的温场分布，得到高质量晶体。

当晶体生长结束后，由驱动机构带动隔热板回到初始闭合状态，确保上下均一的温场分布，完成退火工艺。

退火结束后，由驱动机构带动隔热板快速打开至开口的最大处，完成冷却工艺。

Claims

1.一种采用中心对称开合的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，包括绝热笼、置于绝热笼内的加热器和热交换台，绝热笼的下方设有内部通冷却水的冷板，其特征在于：所述的冷板与绝热笼底部之间设有其中心形成的开口能以中心对称的方式逐渐向四周打开或向中心闭合的隔热板组件。

2.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于所述的隔热板组件由二块以上的隔热板组成，相邻隔热板采用搭接的连接结构。

3.根据权利要求2所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于所述的隔热板组件由四块呈周向均布的扇形圆边形隔热板组成，所述隔热板的一侧底部开有一弧形容纳口，另一侧表面开有一弧形搭接台。

4.根据权利要求3所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于，相邻的隔热板之间设有起连接和传动作用的连杆机构。

5.根据权利要求3所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于，所述隔热板组件的底部设有一起支撑和定位作用的托架。

6.根据权利要求3所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于，所述隔热板组件的底部设有起支撑和滑动作用的支撑滑动机构。

7.根据权利要求3所述的晶硅铸锭炉热场热门控制装置，其特征在于，所述的隔热板通过水平拉杆与驱动机构连接。