CN205839189U - 一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚 - Google Patents

Abstract

本实用新型记载了一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，包括坩埚本体，坩埚本体的内表面上设置有涂层，坩埚本体的底部开设有多个圆锥形凹坑，所述坩埚本体的外侧设置有石墨护板。在本实用新型中，涂层的设置不仅可以阻止硅液与坩埚之间的化学反应还有利于脱模，使石英坩埚的重复使用成为可能。石墨护板的设置能够避免生产过程中石英坩埚破裂导致硅液流出而出现炉体烧坏的危险。坩埚本体底部开设的圆锥形凹坑，使坩埚本体不仅能满足正常的多晶硅铸锭需要，而且能控制坩埚底部硅熔体中晶核产生的位置及数量，促使其定点快速优先成核，使其能够按照一定的规律均匀分布，从而有利于晶粒生长空间的充分合理利用，易于形成粗大、均一的晶粒。

Description

一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚

技术领域

本实用新型涉及一种石英坩埚，尤其涉及一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。太阳能电池是一种绿色环保产品，不会引起环境污染，是可再生资源，在当今能源短缺的情况下，具有广阔的发展前途。太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯。在对硅原料进行提纯的过程中，存在一个关键的、必不可少的环节，就是对硅原料进行定向凝固提纯，所用到的定向凝固技术广泛应用于冶金提纯领域。利用硅原料中硅与金属杂质之间的分凝系数存在较大差异的这一特点，采用布里奇曼法，利用水冷拉锭机构将石英坩埚慢慢拉出感应线圈的热场，在凝固过程中，坩埚底端的硅液首先开始凝固，为达到分凝平衡，分凝系数小的杂质从凝固的硅中向液态不断扩散分离出来而聚集在液态，随着凝固不断进行，金属杂质在液态中的浓度越来越高，最后在铸锭的顶端凝固下来，凝固完成后在较高温度下保温一段时间，使各成分充分扩散以达到分凝平衡，最后将金属杂质含量较高的一端去除，得到提纯的多晶硅铸锭。目前，在多晶硅定向凝固生长系统中晶核的形成就是在坩埚底部不均匀处随机生长一层无规则杂乱分布的晶核，正是由于这种杂乱分布使得晶核在生长成晶粒的过程中往往会受到周围其他相似晶粒的束缚，而没有充分自由生长的空间，使得晶粒的生长受到限制，最终得到的晶粒尺寸较小。

与此同时，由于硅的熔点较高，精炼与铸锭耗时较长，在高温下硅液与坩埚之间长时间接触不可避免将发生化学反应。一方面，反应可导致氧元素及其它杂质元素溶入硅液中，使硅液受到污染，影响硅晶体的电学性能。另一方面，反应可导致硅锭与坩埚发生粘连，给脱模造成困难。并且由于硅晶体与坩埚材料的热膨胀系数不同，粘连的硅锭与坩埚之间产生应力，导致晶体缺陷的产生，甚至使硅锭及坩埚产生裂纹。

实用新型内容

为解决晶粒生长受限制、硅液容易与坩埚发生化学反应的缺陷，本实用新型特提供一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，包括坩埚本体，坩埚本体的内表面上设置有涂层，坩埚本体的底部开设有多个圆锥形凹坑，所述坩埚本体的外侧设置有石墨护板。在本方案中，涂层的设置不仅可以阻止硅液与坩埚之间的化学反应，保证硅晶体的电学性能，还有利于脱模，使石英坩埚的重复使用成为可能，从而降低生产成本。石墨护板的设置能够避免生产过程中石英坩埚破裂导致硅液流出而出现炉体烧坏的危险。为了克服现有石英坩埚底部成核的杂乱无章，不利于大尺寸、单一取向晶粒生长的不足，本方案提供一种对结构作了改进的多晶硅铸锭用石英坩埚，通过在坩埚本体的底部开设圆锥形凹坑，使其不仅能满足正常的多晶硅铸锭需要，而且能控制坩埚底部硅熔体中晶核产生的位置及数量，促使其定点快速优先成核，使其能够按照一定的规律均匀分布，从而有利于晶粒生长空间的充分合理利用，易于形成粗大、均一的晶粒。

在晶体生长系统中，为了在所希望的地方形成晶核，必须设置合理的驱动力场，即驱动力在空间内合理分布。合理的驱动力场应满足以下条件：只有晶体-流体界面邻近存在生长驱动力(即负驱动力)，晶体生长；而同时系统的其余各部分的驱动力为正的(即熔化驱动力)，不利于成核。在本方案中，当系统内温度降到多晶硅熔点以下时，坩埚底部圆锥形凹坑尖端处由于壁最薄，散热最好，降温最快，首先达到一定过冷度(负驱动力作用)，此处熔体形成少量晶核并长大，此时系统中其余各处仍为过热熔体(正驱动力作用)，在这样的驱动力场中，就能保证熔体按照预期设计的位置及数量成核；同时生长速率快的晶粒会占有最大发展空间，并限制周围其他晶粒的生长，继而淘汰掉周围其他晶粒，从而避免晶粒生长过程中的拥挤现象，有利于晶粒最大程度的利用周围空间生长，形成粗大，均一的晶粒。

作为本实用新型的优选结构，所述石墨护板包括坩埚底板和若干个石墨片，坩埚底板上开设有圆形凹槽，石墨片沿圆周方向均匀的卡设在圆形凹槽中，相邻的石墨片间存在缝隙。目前，在定向凝固过程中，石英坩埚侧壁及底部需要加装石墨护板，是防止生产过程中石英坩埚破裂导致硅液流出，从而烧坏炉体发生危险。当处于磁场中时，由于石墨发热体的高导电性而在内部产生涡电流，进而进行发热。在熔炼阶段，由于石墨护板与感应线圈之间有石墨发热体，石墨发热体对向内的磁场具有屏蔽作用，石墨护板基本不会受感应磁场的作用而发热。但是，在拉锭过程中时，石墨护板跟随石英坩埚向下运动，慢慢脱离石墨发热体对磁场的屏蔽的范围，开始受到感应磁场的影响，从而会造成刚开始凝固的硅液又重新熔化，需要不断向下拉才能再次凝固，增长了定向凝固的时间，增加了定向提纯的成本，并且严重影响定向凝固提纯的效果。本方案将之前整体式的坩埚壁护板改造成分体式坩埚壁护板，每一块石墨片在自身内部产生感应电流，石墨片之间的电流被缝隙隔断，整体的涡流效应减弱，热生成量也有效的降低，凝固的硅液不会再次熔化，杂质也不会在反向凝固。

进一步地，所述相邻石墨片间的缝隙距离为0.5～2mm。在本方案中，0.5～2mm为相邻石墨片间的最佳缝隙距离，根据硅溶液的物理特性，此范围的缝隙即便石英坩埚破碎，硅溶液也不会流出。

为更好地实现本实用新型，所述涂层为氮化硅涂层。

进一步地，所述石墨片的外侧设置有石墨卡环。石墨卡环主要起到固定的作用，使石墨片更加稳定的贴附在石英坩埚本体的外表面。

综上所述，本实用新型的有益技术效果如下：

1、涂层的设置不仅可以阻止硅液与坩埚之间的化学反应，保证硅晶体的电学性能，还有利于脱模，使石英坩埚的重复使用成为可能，从而降低生产成本。

2、石墨护板的设置能够避免生产过程中石英坩埚破裂导致硅液流出而出现炉体烧坏的危险。

3、坩埚本体底部开设的圆锥形凹坑，使坩埚本体不仅能满足正常的多晶硅铸锭需要，而且能控制坩埚底部硅熔体中晶核产生的位置及数量，促使其定点快速优先成核，使其能够按照一定的规律均匀分布，从而有利于晶粒生长空间的充分合理利用，易于形成粗大、均一的晶粒。

4、石墨片沿圆周方向均匀的卡设在圆形凹槽中，相邻的石墨片间存在缝隙使得每一块石墨片在自身内部产生感应电流，石墨片之间的电流被缝隙隔断，整体的涡流效应减弱，热生成量也有效的降低，凝固的硅液不会再次熔化，杂质也不会在反向凝固。

5、相邻石墨片间的缝隙距离为0.5～2mm，根据硅溶液的物理特性，此范围的缝隙即便石英坩埚破碎，硅溶液也不会流出。

6、石墨卡环主要起到固定的作用，使石墨片更加稳定的贴附在石英坩埚本体的外表面。

附图说明

图1为坩埚本体底部圆锥形凹坑的结构示意图；

图2为石墨护板的结构示意图；

其中附图标记所对应的零部件名称如下：

1-坩埚本体，2-涂层，3-圆锥形凹坑，4-石墨护板，5-坩埚底板，6-石墨片，7-石墨卡环。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细地说明，但本实用新型的实施方式并不限于此。

如图1、图2所示，一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，包括坩埚本体1，坩埚本体1的内表面上设置有涂层2，坩埚本体1的底部开设有多个圆锥形凹坑3，所述坩埚本体1的外侧设置有石墨护板4。在本实用新型中，涂层2的设置不仅可以阻止硅液与坩埚之间的化学反应，保证硅晶体的电学性能，还有利于脱模，使石英坩埚的重复使用成为可能，从而降低生产成本。石墨护板4的设置能够避免生产过程中石英坩埚破裂导致硅液流出而出现炉体烧坏的危险。为了克服现有石英坩埚底部成核的杂乱无章，不利于大尺寸、单一取向晶粒生长的不足，本实施例提供一种对结构作了改进的多晶硅铸锭用石英坩埚，通过在坩埚本体的底部开设圆锥形凹坑3，使其不仅能满足正常的多晶硅铸锭需要，而且能控制坩埚底部硅熔体中晶核产生的位置及数量，促使其定点快速优先成核，使其能够按照一定的规律均匀分布，从而有利于晶粒生长空间的充分合理利用，易于形成粗大、均一的晶粒。

在晶体生长系统中，为了在所希望的地方形成晶核，必须设置合理的驱动力场，即驱动力在空间内合理分布。合理的驱动力场应满足以下条件：只有晶体-流体界面邻近存在生长驱动力(即负驱动力)，晶体生长；而同时系统的其余各部分的驱动力为正的(即熔化驱动力)，不利于成核。在本方案中，当系统内温度降到多晶硅熔点以下时，坩埚底部圆锥形凹坑尖端处由于壁最薄，散热最好，降温最快，首先达到一定过冷度(负驱动力作用)，此处熔体形成少量晶核并长大，此时系统中其余各处仍为过热熔体(正驱动力作用)，在这样的驱动力场中，就能保证熔体按照预期设计的位置及数量成核；同时生长速率快的晶粒会占有最大发展空间，并限制周围其他晶粒的生长，继而淘汰掉周围其他晶粒，从而避免晶粒生长过程中的拥挤现象，有利于晶粒最大程度的利用周围空间生长，形成粗大，均一的晶粒。

作为本实用新型的优选结构，所述石墨护板4包括坩埚底板5和若干个石墨片6，坩埚底板5上开设有圆形凹槽，石墨片6沿圆周方向均匀的卡设在圆形凹槽中，相邻的石墨片4间存在缝隙。目前，在定向凝固过程中，石英坩埚侧壁及底部需要加装石墨护板4，是防止生产过程中石英坩埚破裂导致硅液流出，从而烧坏炉体发生危险。当处于磁场中时，由于石墨发热体的高导电性而在内部产生涡电流，进而进行发热。在熔炼阶段，由于石墨护板与感应线圈之间有石墨发热体，石墨发热体对向内的磁场具有屏蔽作用，石墨护板基本不会受感应磁场的作用而发热。但是，在拉锭过程中时，石墨护板跟随石英坩埚向下运动，慢慢脱离石墨发热体对磁场的屏蔽的范围，开始受到感应磁场的影响，从而会造成刚开始凝固的硅液又重新熔化，需要不断向下拉才能再次凝固，增长了定向凝固的时间，增加了定向提纯的成本，并且严重影响定向凝固提纯的效果。本实施例将之前整体式的坩埚壁护板改造成分体式坩埚壁护板，每一块石墨4片在自身内部产生感应电流，石墨片4之间的电流被缝隙隔断，整体的涡流效应减弱，热生成量也有效的降低，凝固的硅液不会再次熔化，杂质也不会在反向凝固。

进一步地，所述相邻石墨片4间的缝隙距离为0.5～2mm。在本实施例中，0.5～2mm为相邻石墨片4间的最佳缝隙距离，根据硅溶液的物理特性，此范围的缝隙即便石英坩埚破碎，硅溶液也不会流出。

为更好地实现本实用新型，所述涂层2为氮化硅涂层。

进一步地，所述石墨片6的外侧设置有石墨卡环7。石墨卡环7主要起到固定的作用，使石墨片6更加稳定的贴附在石英坩埚本体1的外表面。

实施例1

一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，包括坩埚本体1，坩埚本体1的内表面上设置有涂层2，坩埚本体1的底部开设有多个圆锥形凹坑3，所述坩埚本体1的外侧设置有石墨护板4。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，所述石墨护板4包括坩埚底板5和若干个石墨片6，坩埚底板5上开设有圆形凹槽，石墨片6沿圆周方向均匀的卡设在圆形凹槽中，相邻的石墨片4间存在缝隙。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，所述相邻石墨片4间的缝隙距离为0.5～2mm。

实施例4

本实施例在实施例1或实施例2或实施例3的基础上，所述涂层2为氮化硅涂层。

实施例5

本实施例在实施例2或实施例3或实施例4的基础上，所述石墨片6的外侧设置有石墨卡环7。

如上所述，可较好地实现本实用新型。

Claims (5)

1.一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，其特征在于：

包括坩埚本体(1)，坩埚本体(1)的内表面上设置有涂层(2)，坩埚本体(1)的底部开设有若干个圆锥形凹坑(3)，所述坩埚本体(1)的外侧设置有石墨护板(4)。

2.根据权利要求1所述的一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，其特征在于：

所述石墨护板(4)包括坩埚底板(5)和若干个石墨片(6)，坩埚底板(5)上开设有圆形凹槽，石墨片(6)沿圆周方向均匀的卡设在圆形凹槽中，相邻的石墨片(6)间存在缝隙。

3.根据权利要求2所述的一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，其特征在于：

所述相邻石墨片(4)间的缝隙距离为0.5～2mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，其特征在于：

所述涂层(2)为氮化硅涂层。

5.根据权利要求2所述的一种用于生产多晶硅铸锭的石英坩埚，其特征在于：

所述石墨片(6)的外侧设置有石墨卡环(7)。