專利名稱：一種次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于晶體硅鑄錠爐技術(shù)領域，涉及一種能生產(chǎn)出接近單晶硅品質(zhì)的次單晶 硅鑄錠爐，特別涉及這種次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的晶體硅太陽能電池片主要由單晶硅片或者多晶硅片制成。由單晶硅片制成 的太陽能電池片有著較高的轉(zhuǎn)換效率，成品質(zhì)量較好，但這種單晶硅片的制備存在生產(chǎn)周 期長、能耗高、產(chǎn)量低、損耗大和非常依賴操作人員自身的素質(zhì)等缺陷。由多晶硅片制成的 太陽能電池片，其轉(zhuǎn)換效率要低于由單晶硅片制成的太陽能電池片，品質(zhì)也不高，但是多晶 硅片的制備有著生產(chǎn)周期短、單位能耗低、產(chǎn)量大和自動化程度高等優(yōu)勢。單晶硅片多采用提拉法制備單晶硅棒，然后通過切邊滾圓等諸多工藝后，進行切 片制得。單晶硅棒的制備過程是在單晶硅爐內(nèi)將硅原料完全熔化，然后從爐頂伸入單晶籽 晶，按照一定的工藝，慢慢提升籽晶，讓熔化的硅液遵循籽晶的晶體模式，在籽晶的表面繼 續(xù)生長放大，最后出爐。多晶硅片多采用基于熱交換原理的定向凝固法進行鑄錠，在多晶硅鑄錠爐里將硅 原料完全熔化，然后通過兩至三處控制裝置的調(diào)節(jié)，使得熔化的硅液自坩堝底部往上形成 合適的溫度梯度，硅液自發(fā)地在坩堝底部成核，然后在溫度梯度的促使下，宏觀上表現(xiàn)為自 下而上凝固生長，形成多晶硅錠，然后通過剖方，切片制得。硅晶體在坩堝底部成核要受到 溫度、底部散熱結(jié)構(gòu)開度和坩堝內(nèi)表面粗糙度等諸多因素影響，整個成核過程在宏觀上表 現(xiàn)出極大地隨機性，即難以控制最終結(jié)果。所以定向凝固生長出來的晶體硅的晶粒和晶界 眾多，單個晶體生長模式不一，大小不同，雜質(zhì)也容易侵入硅晶體，工藝上很難控制，導致多 晶硅片品質(zhì)不佳。因此，有必要開發(fā)一種制備方法，通過該制備方法能夠盡可能保留上述兩種方法 的優(yōu)勢并且克服上述兩種方法所存在的缺陷。我們將這種制備方法所得到的晶體硅稱為次 單晶硅，因為次單晶硅的品質(zhì)接近單晶硅的品質(zhì)。該方法稱為次單晶硅的制備方法，所使用 的設備稱為次單晶硅鑄錠爐。次單晶硅鑄錠爐作為次單晶硅的制備設備，是通過現(xiàn)有多晶硅鑄錠爐的基礎上改 進制得?，F(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐如中國專利號為200710168125. 5所公開的“一種多晶硅鑄錠 爐”，其包括支架、爐體和設置在爐體內(nèi)的坩堝，在爐體內(nèi)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(gòu)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(nèi)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。這種多晶硅鑄錠爐在鑄錠時，硅液內(nèi)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(jié)果，才使得晶體硅的晶粒和晶界眾多，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，可以采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(zhì)量就會大幅下降。而因硅液內(nèi)部溫度梯度小，使得爐內(nèi)環(huán)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(tài)，但是卻極大地延長了工藝時 間，并增加了能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對多晶硅鑄錠爐存在的上述問題，提供一種次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔 熱籠，以延長了籽晶在尚未熔化和完全熔化之間的時間，并且降低工藝難度，使得次單晶硅 鑄錠爐能夠生產(chǎn)出品質(zhì)接近單晶的次單晶硅。本發(fā)明通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)一種次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特征 在于，在隔熱籠內(nèi)壁設有將隔熱籠分隔成上腔室和下腔室的環(huán)形擋塊，環(huán)形擋塊的中間連 通上腔室和下腔室。本發(fā)明由于環(huán)形擋塊分隔，在坩堝放置在隔熱籠內(nèi)時，坩堝的底部位于下腔室，坩 堝頂部位于上腔室內(nèi)，上腔室內(nèi)的高溫熱量被環(huán)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，并且拉大了在熔化階段的溫度梯度，便于控制硅塊熔化-結(jié)晶切換，降低工 藝難度，并且籽晶覆蓋面積可以得到擴大。在上述的次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠中，所述的上腔室內(nèi)設置加熱器，加熱 器位于環(huán)形擋塊的上方且兩者之間存在間距。在上述的次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠中，所述的下腔室內(nèi)設置用于放置坩堝 的熱交換臺，在熱交換臺放置有坩堝時，坩堝的底部位于環(huán)形擋塊的下側(cè)，坩堝的頂部位于 環(huán)形擋塊的上側(cè)，且坩堝外側(cè)壁與環(huán)形擋塊之間存在間距。坩堝外側(cè)壁與環(huán)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。在上述的次單晶硅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(nèi)側(cè)壁設有能夠與隔熱板接觸的密封凸環(huán)，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。在上述的次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠中，所述的環(huán)形擋塊采用與隔熱籠相同 的材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將單腔室的隔熱籠通過環(huán)形擋塊分隔成雙腔室的隔熱 籠，通過這個環(huán)形擋塊，上腔室內(nèi)的加熱器產(chǎn)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。并且，由于下雙腔室的熱場中溫度梯度 大，且坩堝中部區(qū)域界面平整，本發(fā)明可以將籽晶覆蓋面積擴大到780mm見方，并且能同時 保證各個籽晶片的熔化、生長時刻吻合，能夠生產(chǎn)出品質(zhì)接近單晶的次單晶硅。隔熱籠上下 腔室的設計，在下腔室打開時，由于環(huán)形擋塊的阻擋，上腔室內(nèi)的熱量流失緩慢，減少了能
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圖1是本發(fā)明次單晶硅鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是使用雙腔體隔熱籠時坩堝內(nèi)硅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(nèi)硅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硅塊的實驗結(jié)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(jié)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(jié)合塊；7、隔熱 籠；8、吊桿；9、加熱器；10、饋電裝置；11、環(huán)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(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述， 但本發(fā)明并不限于這些實施例。本次單晶硅鑄錠爐，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(nèi)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(jié)合塊6，升降機4通過結(jié)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(nèi)安裝有隔熱籠7，通過吊桿8懸掛于上爐體1內(nèi)并固定不動，在隔熱籠 7內(nèi)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(nèi)，以加熱多晶硅原料。 隔熱籠7中間的環(huán)形擋塊11把隔熱籠7分成上腔室和下腔室，環(huán)形擋塊11采用與隔熱籠 7相同的材料制成，加熱器9位于環(huán)形擋塊11的上方且兩者之間存在間距。在下爐體2內(nèi)，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(nèi) 承裝著待加工的多晶硅原料。熱交換臺13位于下腔室內(nèi)，該坩堝的底部位于環(huán)形擋塊11 的下側(cè)，坩堝的頂部位于環(huán)形擋塊11的上側(cè)，且坩堝外側(cè)壁與環(huán)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(gòu)成下爐體部件。隔熱籠7的底部內(nèi)側(cè)壁設有能夠與隔熱板 15接觸的密封凸環(huán)，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，以利于熱交換臺13對爐壁散熱。置于爐體不同部位的測溫裝置17、18用于測量工藝溫度，置于上爐體1頂部的注 氣管19可向爐內(nèi)注入所需要的工藝氣體。置于下爐體2底部的高溫巖棉20可將因事故而 流出的硅液吸收，以保證鑄錠爐的安全。次單晶硅鑄錠爐工作流程是，工作時，將單晶籽晶塊按工藝鋪設在坩堝底部，再在 單晶籽晶塊上裝滿硅原料。驅(qū)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，然后合緊下爐體部件。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。由于隔熱籠是雙腔室7設計，上腔室內(nèi)熱量在環(huán)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(nèi)不會完全熔化。 隨后，調(diào)節(jié)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(fā)熱功率，使隔 熱籠7內(nèi)的溫度發(fā)生變化，實現(xiàn)硅晶體的定向凝固。具體來說，上腔室擁有一組大功率加熱器9，為高溫區(qū)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(qū)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(huán)形擋塊11為分界，上部加熱效率高，由于強迫對流存在原因，所以 傳熱效果好，熔化速度也快；環(huán)形擋塊11下部區(qū)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(huán) 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。以后進行大規(guī)模鑄錠時，就有至少2 小時來判斷并進行熔化/結(jié)晶切換，不需要反復測量，也不會影響到籽晶質(zhì)量。
計算實例，保持熱場其它結(jié)構(gòu)不變，僅僅取消上下雙腔室的環(huán)形擋塊11，可以看到 硅熔液中的溫度場的變化。到達熔化-結(jié)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(qū)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。由于下雙 腔室的熱場中溫度梯度大，且坩堝中部區(qū)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(shù)最多都只能 做到維持4-5塊單晶籽晶的狀態(tài)。通過精確的熱場計算，使得硅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(nèi)的坩堝內(nèi)，進行鑄錠實驗，通過實驗結(jié)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，該硅塊是最中央的硅塊，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(xù)性非常完美，接近單晶硅的品質(zhì)。如 圖5，該硅塊為邊部硅塊，說明兩塊籽晶間距部分，存在著未熔化硅晶體，而這些硅晶體產(chǎn)生 的氣孔成水平分布，且高度為15mm。
權(quán)利要求
一種次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特征在于，在隔熱籠(7)內(nèi)壁設有將隔熱籠(7)分隔成上腔室和下腔室的環(huán)形擋塊(11)，環(huán)形擋塊(11)的中間連通上腔室和下腔室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特征在于，所述的上腔 室內(nèi)設置加熱器(9)，加熱器(9)位于環(huán)形擋塊(11)的上方且兩者之間存在間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特征在于，所述的下 腔室內(nèi)設置用于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 于環(huán)形擋塊(11)的下側(cè)，坩堝的其他部分位于環(huán)形擋塊(11)的上側(cè)，且坩堝外側(cè)壁與環(huán)形 擋塊(11)之間存在間距。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特征在于，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(nèi)側(cè)壁設有 能夠與隔熱板(15)接觸的密封凸環(huán)，所述的隔熱板(15)的頂面為一個平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，其特征在于，所述的環(huán)形 擋塊(11)采用與隔熱籠(7)相同的材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，屬于晶體硅鑄錠爐技術(shù)領域。它解決了現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐在制備時存在硅液內(nèi)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(jié)果的問題。本次單晶硅鑄錠爐的雙腔體隔熱籠，在隔熱籠內(nèi)壁設有將隔熱籠分隔成上腔室和下腔室的環(huán)形擋塊，環(huán)形擋塊的中間連通上下兩個腔室。本發(fā)明能夠延長了籽晶在尚未熔化和完全熔化之間的時間，并且降低工藝難度，使得次單晶硅鑄錠爐能夠生產(chǎn)出品質(zhì)接近單晶的次單晶硅。
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(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)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