一種次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠的製作方法

2023-08-07 05:33:41

專利名稱：一種次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠的製作方法
技術領域：
本發明屬於晶體矽鑄錠爐技術領域，涉及一種能生產出接近單晶矽品質的次單晶 矽鑄錠爐，特別涉及這種次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠。
背景技術：
現有的晶體矽太陽能電池片主要由單晶矽片或者多晶矽片製成。由單晶矽片製成 的太陽能電池片有著較高的轉換效率，成品質量較好，但這種單晶矽片的製備存在生產周 期長、能耗高、產量低、損耗大和非常依賴操作人員自身的素質等缺陷。由多晶矽片製成的 太陽能電池片，其轉換效率要低於由單晶矽片製成的太陽能電池片，品質也不高，但是多晶 矽片的製備有著生產周期短、單位能耗低、產量大和自動化程度高等優勢。單晶矽片多採用提拉法製備單晶矽棒，然後通過切邊滾圓等諸多工藝後，進行切 片製得。單晶矽棒的製備過程是在單晶矽爐內將矽原料完全熔化，然後從爐頂伸入單晶籽 晶，按照一定的工藝，慢慢提升籽晶，讓熔化的矽液遵循籽晶的晶體模式，在籽晶的表面繼 續生長放大，最後出爐。多晶矽片多採用基於熱交換原理的定向凝固法進行鑄錠，在多晶矽鑄錠爐裡將矽 原料完全熔化，然後通過兩至三處控制裝置的調節，使得熔化的矽液自坩堝底部往上形成 合適的溫度梯度，矽液自發地在坩堝底部成核，然後在溫度梯度的促使下，宏觀上表現為自 下而上凝固生長，形成多晶矽錠，然後通過剖方，切片製得。矽晶體在坩堝底部成核要受到 溫度、底部散熱結構開度和坩堝內表面粗糙度等諸多因素影響，整個成核過程在宏觀上表 現出極大地隨機性，即難以控制最終結果。所以定向凝固生長出來的晶體矽的晶粒和晶界 眾多，單個晶體生長模式不一，大小不同，雜質也容易侵入矽晶體，工藝上很難控制，導致多 晶矽片品質不佳。因此，有必要開發一種製備方法，通過該製備方法能夠儘可能保留上述兩種方法 的優勢並且克服上述兩種方法所存在的缺陷。我們將這種製備方法所得到的晶體矽稱為次 單晶矽，因為次單晶矽的品質接近單晶矽的品質。該方法稱為次單晶矽的製備方法，所使用 的設備稱為次單晶矽鑄錠爐。次單晶矽鑄錠爐作為次單晶矽的製備設備，是通過現有多晶矽鑄錠爐的基礎上改 進位得。現有的多晶矽鑄錠爐如中國專利號為200710168125. 5所公開的「一種多晶矽鑄錠 爐」，其包括支架、爐體和設置在爐體內的坩堝，在爐體內設置一個保溫用的隔熱籠，隔熱籠 和能上下活動的隔熱板構成一個單獨的腔室，在爐體上設置能夠使隔熱板上下移動的提升 裝置，在隔熱籠內設置加熱器和熱交換臺，熱交換臺設置在隔熱板上方，坩堝放置在熱交換 臺上，由加熱器對坩堝加熱。這種多晶矽鑄錠爐在鑄錠時，矽液內部溫度梯度過小，造成籽晶在尚未熔化和完 全熔化之間的時間很短，難以控制最終結果，才使得晶體矽的晶粒和晶界眾多，單個晶體生 長模式不一。如果需要在熔化階段拉大溫度梯度，可以採用外界接觸式測量或者開籠熔化 的方法。接觸式測量直觀，但風險很大，如果操作不慎則整個錠的質量就會大幅下降。而因矽液內部溫度梯度小，使得爐內環境稍有變動，例如加熱器更換、裝料量改變和新的坩堝選 用等，都需要重新測定。這樣雖然能夠合理控制籽晶的狀態，但是卻極大地延長了工藝時 間，並增加了能耗。

發明內容
本發明針對多晶矽鑄錠爐存在的上述問題，提供一種次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔 熱籠，以延長了籽晶在尚未熔化和完全熔化之間的時間，並且降低工藝難度，使得次單晶矽 鑄錠爐能夠生產出品質接近單晶的次單晶矽。本發明通過下列技術方案來實現一種次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特徵 在於，在隔熱籠內壁設有將隔熱籠分隔成上腔室和下腔室的環形擋塊，環形擋塊的中間連 通上腔室和下腔室。本發明由於環形擋塊分隔，在坩堝放置在隔熱籠內時，坩堝的底部位於下腔室，坩 堝頂部位於上腔室內，上腔室內的高溫熱量被環形擋塊所擋，無法直接輻射到下腔體，上部 能量只能通過熱傳導以及邊界層流動的方式輸送到下腔室，熱傳遞速度慢，可確保鋪設在 坩堝底部的單晶籽晶塊在較長工作時間中不會完全熔化，延長了籽晶在尚未熔化和完全熔 化之間的時間，並且拉大了在熔化階段的溫度梯度，便於控制矽塊熔化-結晶切換，降低工 藝難度，並且籽晶覆蓋面積可以得到擴大。在上述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠中，所述的上腔室內設置加熱器，加熱 器位於環形擋塊的上方且兩者之間存在間距。在上述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠中，所述的下腔室內設置用於放置坩堝 的熱交換臺，在熱交換臺放置有坩堝時，坩堝的底部位於環形擋塊的下側，坩堝的頂部位於 環形擋塊的上側，且坩堝外側壁與環形擋塊之間存在間距。坩堝外側壁與環形擋塊之間存 在間距為熱量從上腔室進入到下腔室的通道。在上述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠中，所述的隔熱籠底部設有能夠與隔熱 籠開合連接的隔熱板，隔熱籠的底部內側壁設有能夠與隔熱板接觸的密封凸環，所述的隔 熱板的頂面為一個平面。這種可以防止從坩堝中流出的液體不會積聚在隔熱板上。在上述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠中，所述的環形擋塊採用與隔熱籠相同 的材料。與現有技術相比，本發明將單腔室的隔熱籠通過環形擋塊分隔成雙腔室的隔熱 籠，通過這個環形擋塊，上腔室內的加熱器產生的高溫高熱無法直接輻射到下腔室，使得下 腔室的加熱效率減慢，可確保鋪設在坩堝底部的單晶籽晶塊在較長工作時間中不會完全熔 化，延長了籽晶在尚未熔化和完全熔化之間的時間。並且，由於下雙腔室的熱場中溫度梯度 大，且坩堝中部區域界面平整，本發明可以將籽晶覆蓋面積擴大到780mm見方，並且能同時 保證各個籽晶片的熔化、生長時刻吻合，能夠生產出品質接近單晶的次單晶矽。隔熱籠上下 腔室的設計，在下腔室打開時，由於環形擋塊的阻擋，上腔室內的熱量流失緩慢，減少了能
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圖1是本發明次單晶矽鑄錠爐的結構示意圖。
圖2是使用雙腔體隔熱籠時坩堝內矽熔液的溫度場的變化圖。圖3是使用單腔體隔熱籠時坩堝內矽熔液的溫度場的變化圖。圖4是使用雙腔體隔熱籠進行鑄錠實驗得到的單晶籽晶矽塊的實驗結果圖。圖5是使用雙腔體隔熱籠進行鑄錠實驗得到的可見籽晶保留厚度實驗結果圖。圖中，1、上爐體；2、下爐體；3、傳動裝箱；4、升降機；5、立柱；6、結合塊；7、隔熱 籠；8、吊杆；9、加熱器；10、饋電裝置；11、環形擋塊；12、支柱；13、熱交換臺；14、提升裝置； 15、隔熱板。
具體實施例方式以下是本發明的具體實施例並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述， 但本發明並不限於這些實施例。本次單晶矽鑄錠爐，包括上爐體1、下爐體2和立柱5，在上爐體1固定在立柱5上， 且上爐體1與立柱5之間設置傳動裝箱3，傳動裝箱3內設置升降機4，下爐體2固接在升 降機4上。上爐體1和下爐體2之間設置結合塊6，升降機4通過結合塊6可以將下爐體2 整個部件脫離上爐體1從而使下爐體2打開。上爐體1內安裝有隔熱籠7，通過吊杆8懸掛於上爐體1內並固定不動，在隔熱籠 7內四周包圍安裝著加熱器9，通過饋電裝置10將外部電能引入爐內，以加熱多晶矽原料。 隔熱籠7中間的環形擋塊11把隔熱籠7分成上腔室和下腔室，環形擋塊11採用與隔熱籠 7相同的材料製成，加熱器9位於環形擋塊11的上方且兩者之間存在間距。在下爐體2內，支柱12支撐著熱交換臺13，熱交換臺13上放置坩堝，坩堝16內 承裝著待加工的多晶矽原料。熱交換臺13位於下腔室內，該坩堝的底部位於環形擋塊11 的下側，坩堝的頂部位於環形擋塊11的上側，且坩堝外側壁與環形擋塊11之間存在間距。 在熱交換臺13的下方，隔熱籠7底部設有能夠與隔熱籠7開合連接的隔熱板15，隔熱板15 與提升裝置14連接，這些組件構成下爐體部件。隔熱籠7的底部內側壁設有能夠與隔熱板 15接觸的密封凸環，隔熱板15的頂面為一個平面。隔熱板15可按工藝需要，向上移動與隔熱籠7底部合閉，封閉隔熱籠7下腔室，向 下則打開，以利於熱交換臺13對爐壁散熱。置於爐體不同部位的測溫裝置17、18用於測量工藝溫度，置於上爐體1頂部的注 氣管19可向爐內注入所需要的工藝氣體。置於下爐體2底部的高溫巖棉20可將因事故而 流出的矽液吸收，以保證鑄錠爐的安全。次單晶矽鑄錠爐工作流程是，工作時，將單晶籽晶塊按工藝鋪設在坩堝底部，再在 單晶籽晶塊上裝滿矽原料。驅動升降機4，降下下爐體部件，將裝滿原料的坩堝放置在熱交 換臺13上，然後合緊下爐體部件。隔熱板15也向上封閉隔熱籠7下腔室。加熱原料，直至 接近熔化。由於隔熱籠是雙腔室7設計，上腔室內熱量在環形擋塊11的阻擋下傳遞到下腔 室速度緩慢，因此可確保鋪設在坩堝底部的單晶籽晶塊在較長工作時間內不會完全熔化。 隨後，調節提升裝置14，帶動隔熱板15按工藝要求下降，同時改變加熱器9發熱功率，使隔 熱籠7內的溫度發生變化，實現矽晶體的定向凝固。具體來說，上腔室擁有一組大功率加熱器9，為高溫區域；下腔室僅有熱交換臺13 和部分石墨坩堝，在晶體生長過程中該區域通過和爐壁進行熱量交換來完成晶體的定向凝固。在熔化過程中，以環形擋塊11為分界，上部加熱效率高，由於強迫對流存在原因，所以 傳熱效果好，熔化速度也快；環形擋塊11下部區域無法得到加熱器9的直接輻射，只能通過 上部能量通過熱傳導以及邊界層流動的方式輸送下來。功率就會隨著時間推進緩慢線性下 降，同樣的熔化速度隨著工藝時間進行，也會越來越慢。熔化初期速度約為80mm/h，進入環 形擋塊11部分時，速度降為20-25mm/h，當進入底部30mm處，則速度降為約10_15mm/h，在 這個階段可以通過一，兩次接觸式測量確定籽晶位置。以後進行大規模鑄錠時，就有至少2 小時來判斷並進行熔化/結晶切換，不需要反覆測量，也不會影響到籽晶質量。
計算實例，保持熱場其它結構不變，僅僅取消上下雙腔室的環形擋塊11，可以看到 矽熔液中的溫度場的變化。到達熔化-結晶切換階段時刻，上下雙腔室的熱場中溫度梯度 可以達到約0. 06°C /mm，且坩堝中部區域界面平整，見圖2 ；單腔室熱場的溫度梯度明顯偏 低，大約為0. 03°C/mm，只有雙腔室熱廠的一半，且更上凸，等溫線不平整，見圖3。由於下雙 腔室的熱場中溫度梯度大，且坩堝中部區域界面平整，控制熔化階段的固液界面，使得單晶 籽晶的利用率達到最大，將籽晶覆蓋面積擴大到780mm見方，國外目前的技術最多都只能 做到維持4-5塊單晶籽晶的狀態。通過精確的熱場計算，使得矽晶體熔化末期和長晶初期 階段，固液界面在底部中央部分成水平狀分布。將25塊30mm厚籽晶片排成四方形放置在 雙腔體隔熱籠7內的坩堝內，進行鑄錠實驗，通過實驗結果可以得到，最初放入的25塊30mm 厚籽晶片都完好無缺的保留了下來。如圖4，該矽塊是最中央的矽塊，可以看到多晶籽晶和 晶體生長部分完美連在一起，籽晶擺放處晶體生長連續性非常完美，接近單晶矽的品質。如 圖5，該矽塊為邊部矽塊，說明兩塊籽晶間距部分，存在著未熔化矽晶體，而這些矽晶體產生 的氣孔成水平分布，且高度為15mm。
權利要求
一種次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特徵在於，在隔熱籠(7)內壁設有將隔熱籠(7)分隔成上腔室和下腔室的環形擋塊(11)，環形擋塊(11)的中間連通上腔室和下腔室。
2.根據權利要求1所述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特徵在於，所述的上腔 室內設置加熱器(9)，加熱器(9)位於環形擋塊(11)的上方且兩者之間存在間距。
3.根據權利要求1或2所述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特徵在於，所述的下 腔室內設置用於放置坩堝的熱交換臺(13)，在熱交換臺(13)放置有坩堝時，坩堝的底部位 於環形擋塊(11)的下側，坩堝的其他部分位於環形擋塊(11)的上側，且坩堝外側壁與環形 擋塊(11)之間存在間距。
4.根據權利要求3所述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特徵在於，所述的隔熱 籠(7)底部設有能夠與隔熱籠(7)開合連接的隔熱板(15)，隔熱籠(7)的底部內側壁設有 能夠與隔熱板(15)接觸的密封凸環，所述的隔熱板(15)的頂面為一個平面。
5.根據權利要求4所述的次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特徵在於，所述的環形 擋塊(11)採用與隔熱籠(7)相同的材料。
全文摘要
本發明提供了一種次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，屬於晶體矽鑄錠爐技術領域。它解決了現有的多晶矽鑄錠爐在製備時存在矽液內部溫度梯度過小，造成籽晶在尚未熔化和完全熔化之間的時間很短，難以控制最終結果的問題。本次單晶矽鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，在隔熱籠內壁設有將隔熱籠分隔成上腔室和下腔室的環形擋塊，環形擋塊的中間連通上下兩個腔室。本發明能夠延長了籽晶在尚未熔化和完全熔化之間的時間，並且降低工藝難度，使得次單晶矽鑄錠爐能夠生產出品質接近單晶的次單晶矽。
文檔編號C30B29/06GK101851782SQ201010176628
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月19日 優先權日2010年5月19日
發明者徐芳華, 王琤, 趙波 申請人:紹興縣精功機電研究所有限公司;晶海洋半導體材料(東海)有限公司