基於多加熱器的鑄錠爐熱場結構的製作方法

2023-04-24 04:48:41 2

專利名稱：基於多加熱器的鑄錠爐熱場結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及多晶矽鑄錠爐的製造技術領域，具體涉及一種基於多加熱器的多晶矽鑄錠爐熱場結構，適用於製造大投料量大尺寸高品質的多晶矽錠。
背景技術：
多晶矽鑄錠爐是一種專業的矽重熔設備，用於生產合格的太陽能級多晶矽鑄錠。鑄錠生產是先將符合要求的多晶矽原料裝入爐中，而後按照工藝設定進行加熱、熔化、長晶、退火、冷卻等各個步驟，最終將多晶矽錠取出的過程。但是，鑄造多晶矽內部存在大量的晶界，潔淨的晶界呈非電活性，對少數載流子壽命並無影響或只有微小影響，而雜質的偏聚或沉澱會改變晶界的電活性，會顯著降低少數載流子壽命，晶界越多，影響越大。因此，相比於單晶，多晶矽所製備的太陽能電池效率低，影響了其在太陽能光伏行業的廣泛應用。多晶爐中矽原料的重熔和長晶需要一個穩定的溫度梯度環境，通常稱之為熱場。常見的熱場結構通常主要由爐室、隔熱籠體、頂部保溫板、頂側加熱器、坩堝及護板、支撐柱及下保溫層以及負責定向散熱的助凝塊等構成(如圖1所示)。中國實用新型專利「用於多晶矽垂直定向生長的隨動隔熱環熱場結構」(ZL 201010108876.X)揭示了另一種熱場結構(如圖2所示):包括置於爐室內的坩堝，坩堝的熱場包括頂部加熱器、側部加熱器和位於坩堝底部的熱交換臺，其中頂部加熱器和側部加熱器固定於電極上；所述爐室內設有側面包圍式的隔熱籠體，所述坩堝及熱場均置於隔熱籠體中，隔熱籠體的上端與提升裝置相連；隔熱籠體上下分別設置頂部保溫板和下保溫層，其中頂部保溫板固定懸掛於電極上，下保溫層及所述熱交換臺均固定於支撐柱上，頂部保溫板與隔熱籠體上端活動相接、下保溫層與隔熱籠體下端活動相接；一個環形的隨動隔熱環通過數個連接裝置固定在隔熱籠體的內部。上述兩種熱場結構的運行過程基本相似:熔化階段，隔熱籠關閉，由隔熱籠體、頂部保溫板及下保溫層組成一個封閉的腔室，加熱器工作將矽料熔化；長晶階段，隔熱籠打開，由定向助凝塊負責散熱，坩堝底部產生了低溫區，開始進行矽液的結晶過程。常規的多晶鑄錠爐，一般只獲取熱場內一個特定點的溫度，並根據該信號溫度對加熱器功率輸出進行整體控制，其餘測溫點僅做參考使用，不參與溫控。這樣的工作方式，決定了爐體內溫度的可控性差，不能構建合理的溫度梯度，在面臨大投料量及大尺寸鑄錠的形勢下，具有不可克服的缺陷。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提出一種基於多加熱器的鑄錠爐熱場結構。通過該熱場結構及溫控系統，能夠有效監測熱場各部分的溫度，調整各個加熱器的功率輸出，建立更加合理的溫度梯度，適應大投料量以及大尺寸鑄錠趨勢。使長晶初期晶核形成更均勻，增大晶粒，減少晶界，改善晶向，降低能耗，最終提高晶錠的品質。為解決技術問題，本實用新型所採用的技術方案是:[0009]提供了一種基於多加熱器的鑄錠爐熱場結構，包括置於爐室內的坩堝，坩堝的熱場包括頂部加熱器、側部加熱器和位於坩堝底部的熱交換臺；坩堝及熱場均置於隔熱籠體中，頂部保溫板與隔熱籠體上端相接、底部保溫板與隔熱籠體下端活動相接；該熱場還包括位於熱交換臺底部的底部加熱器，所述側部加熱器至少有兩組；各加熱器均設有單獨的控制器、測溫儀和變壓器；其中，與頂部加熱器及側部加熱器相配合的是紅外測溫儀，與底部加熱器相配合的是紅外測溫儀或熱電偶。本實用新型中，所述測溫儀是雙色紅外測溫儀。本實用新型中，爐室壁上設配置透明玻璃的測溫窗口，所述紅外測溫儀固定安裝於測溫窗口處；與各側溫窗口相對應地，在頂部保溫板、隔熱籠體或底部保溫板上開設有預留口。本實用新型中，在頂部保溫板或底部保溫板上開設的預留口是圓形的孔，其直徑為5 50mmo本實用新型中，在隔熱籠上開設的預留口是U型槽，其寬度為5 50mm，長度為10 500mm。本實用新型中鑄錠爐熱場結構的具體運行方法是:在坩堝的頂部、側部以及熱交換臺的底部分別設置頂部加熱器、側部加熱器和底部加熱器，其運行過程包括:(I)加熱階段:在按照工藝要求完成裝料並抽真空後，啟用全部加熱器；各加熱器均按照工藝設定要求採用功率輸出控制，使爐內溫度在5小時內上升至1000°C以上；(2)融化階段:繼續升溫，當坩堝頂板溫度達到1500°C後，將各加熱器的功率輸出控制改為採用溫度輸出控制，根據坩堝表面的溫度檢測信號來調節各加熱器功率，使各控制點的溫度均符合工藝設定要求；在將固態矽料全部融化成液態後，保持穩定的加熱狀態
0.5 I小時；然後降低底部加熱器的功率直至關閉，同時降低頂部加熱器和側部加熱器的功率，用I個小時使坩堝的溫度下降至矽結晶點，為晶體生長做準備；(3)長晶階段:開啟隔熱籠體和爐體冷卻水進行散熱，根據坩堝頂部和側部的表面溫度調節頂部加熱器和側部加熱器的功率，控制垂直方向上的溫度梯度確保長長晶速度在I 15mm/hr,並使長晶速度保持穩定；(4)退火階段:關閉隔熱籠體，並重新啟用底部加熱器，使坩堝底部溫度在15分鐘內上升至1300 0C ；(5)冷卻階段:關閉底部加熱器，並重新打開隔離籠體，使矽錠在10 12個小時內緩慢冷卻至400°C ;然後將爐體打開，取出矽錠。本實用新型的有益效果在於:通過調整頂側底部加熱器的功率匹配，能夠在大投料量下(60(Tl000KG)，解決由於矽錠高度增加後縱向梯度不足所導致的中心長晶後期速度慢，邊角長晶時間長等問題。通過調整頂側底部加熱器的功率匹配，能夠在G6 (1000*1000_)大尺寸鑄錠需求下，解決橫向溫度梯度過大造成的長晶速度差過大，長晶界面過凸，退火不充分出現的裂紋等一系列問題。通過調整頂側底部加熱器的功率匹配，能夠在融化階段控制底部散熱塊的溫度，保證底部矽料低於熔點，可方便實現籽晶不熔化的目的，實現類單晶生長。通過調整頂側底部加熱器的功率匹配，可靈活便捷地調整隔熱籠內的溫度梯度，可獲得溫度均勻的熱場環境，從而有效地控制長晶過程的進行，使得長晶界面更加水平，有效改善多晶娃晶向，增大晶粒，減少晶界，從而提聞多晶娃澱品質。

圖1常規多晶爐熱場結構；圖2另一種多晶爐熱場結構；圖3多加熱器熱場結構。圖中的附圖標記為:1爐體、2頂部保溫板、3頂部加熱器、4側部加熱器之一、5側部加熱器之二、6底部加熱器、7底部保溫板、8支撐柱、9底部測溫儀、10石英坩堝、11側部測溫儀之二、12側部測溫儀之一、13坩堝側板、14坩堝頂板、15頂部測溫儀。
具體實施方式
以下結合附圖和優選實例對本實用新型做進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意的方式說明本實用新型的基本結構，因此僅顯示與本實施例相關的構成。如圖3是一種多加熱器的熱場結構，包括置於爐體I內的隔熱籠體，隔熱籠體上部的頂部保溫板2，頂部保溫板下部的頂部加熱器3，側部加熱器之一 4和側部加熱器之二 5位於隔熱籠體四周；此外，還包括置於支撐柱8上的下保溫層7及熱交換臺，位於熱交換臺下方的底部加熱器6，放置於熱交換臺上的石英坩堝10和石墨坩堝側板13和坩堝頂板14，以及安裝固定於爐體上底部測溫儀9、側部測溫儀之一 12、側部測溫儀之二 11以及頂部測溫儀15等部件。具體運行實例:多晶矽鑄錠爐是一種矽重熔設備，實現需要將達到一定純度要求的多晶矽(60(T700KG)裝入爐中，並按工藝要求首先需要進行抽真空工序，達到一定真空度後進行爐體整體檢漏操作，洩漏率滿足要求繼續進行加熱工序。此時，頂側底部所有加熱器開始工作。由於此時溫度相對較低，紅外測溫儀器測溫存在較大誤差，因此加熱階段各加熱器均採用功率控制，按照工藝設定進行功率輸出，由於採用了頂側底六面全方位加熱，功率輸出更大，可以快速使爐內溫度上升至1000°C以上。當頂部測溫儀溫度達到1500°C後，進入融化工序，加熱器的功率輸出採用溫度控制，通過測溫儀檢測溫度的變化調節加熱器功率，使爐內頂側底各位置的溫度均符合工藝設定。持續十多個小時後將固態矽料全部融化成液態，並穩定I個小時左右，通過高溫將矽料及熱場中的雜質揮發出來，充分將雜質排出。接著，在I小時左右時間將溫度下降至矽結晶點附近，為晶體生長做準備，各個加熱器功率下降，尤其是底部加熱器6逐漸降低直至關閉。長晶階段需要開啟隔熱籠體，將散熱塊的熱量輻射至爐壁上，並由爐體中的冷卻水帶走，此時底部溫度首先降低，形成自下而上的溫度梯度。由於可以直接檢測坩堝側部護板的溫度，並根據此溫度調節頂側部加熱器的功率可以控制垂直方向上的溫度梯度，使得長晶速度更加穩定。普通鑄錠熱場條件下，長晶後期，矽液中液體減少而固體進一步增加，散熱效率變差，受到側部加熱器的影響，長晶界面容易形成過凸的現象，需要加大四周散熱。採用本實用新型的熱場結構，可以靈活調整側部加熱器之間的功率匹配，將垂直的溫度梯度進一步加大，降低四周功率，改善熱場內水平溫度的偏差，減小界面過凸的現象，改善晶向垂直度。當長晶完成後，需要進行退火工藝，退火的目的是使整個矽錠的溫度達到一致，消除由於溫度偏差帶來的熱應力。因此，關閉隔熱籠體使隔熱籠體內形成封閉的整體，並將長晶階段關閉的底部加熱器6重新打開，使矽錠底部溫度快速上升至1300°C。由於頂側底六面加熱的緣故，退火更加快速，時間縮短近一個小時。接著，繼續進行冷卻工藝，將底部加熱器6關閉後重新打開隔離籠體，使矽錠在1(Γ12個小時內緩慢冷卻至400°C左右，再將爐體打開，取出矽錠。採用本熱場結構,在大投料鑄錠條件下,娃錠高度在38(T420mm的應用場合下,通過調整頂側加熱器的功率匹配，可是垂直溫度梯度更大更均勻，加快後期長晶速度，縮短邊角長晶時間，使長晶界面更加 水平。
權利要求1.一種基於多加熱器的鑄錠爐熱場結構，包括置於爐室內的坩堝，坩堝的熱場包括頂部加熱器、側部加熱器和位於坩堝底部的熱交換臺；坩堝及熱場均置於隔熱籠體中，頂部保溫板與隔熱籠體上端相接、底部保溫板與隔熱籠體下端活動相接；其特徵在於，該熱場還包括位於熱交換臺底部的底部加熱器，所述側部加熱器至少有兩組；各加熱器均設有單獨的控制器、測溫儀和變壓器；其中，與頂部加熱器及側部加熱器相配合的是紅外測溫儀，與底部加熱器相配合的是紅外測溫儀或熱電偶。
2.根據權利要求1所述的鑄錠爐熱場結構，其特徵在於，所述測溫儀是雙色紅外測溫儀。
3.根據權利要求1所述的鑄錠爐熱場結構，其特徵在於，爐室壁上設配置透明玻璃的測溫窗口，所述紅外測溫儀固定安裝於測溫窗口處；與各側溫窗口相對應地，在頂部保溫板、隔熱籠體或底部保溫板上開設有預留口。
4.根據權利要求3所述的鑄錠爐熱場結構，其特徵在於，在頂部保溫板或底部保溫板上開設的預留口是圓形的孔，其直徑為5 50mm。
5.根據權利要求3所述的鑄錠爐熱場結構，其特徵在於，在隔熱籠上開設的預留口是U型槽，其寬度為5 50mm，長度為l(T500mm。
專利摘要本實用新型涉及多晶矽鑄錠爐的製造技術領域，旨在提供一種基於多加熱器的鑄錠爐熱場結構。該鑄錠爐熱場結構包括置於爐室內的坩堝，坩堝的熱場包括頂部加熱器、側部加熱器、位於坩堝底部的熱交換臺、位於熱交換臺底部的底部加熱器；與頂部加熱器及側部加熱器相配合的是紅外測溫儀，與底部加熱器相配合的是紅外測溫儀或熱電偶。本實用新型能夠有效監測熱場各部分的溫度，調整各個加熱器的功率輸出，建立更加合理的溫度梯度，適應大投料量以及大尺寸鑄錠趨勢，使長晶初期晶核形成更均勻，增大晶粒，減少晶界，改善晶向，降低能耗，最終提高晶錠的品質。
文檔編號C30B28/06GK202989351SQ201220479990
公開日2013年6月12日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者石剛, 葉欣, 傅林堅, 湯承偉, 曹建偉, 邱敏秀 申請人:杭州慧翔電液技術開發有限公司, 浙江晶盛機電股份有限公司