專利名稱：頂側分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置的制作方法
頂側分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置
技 術領域本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的制造技術領域，特別涉及一種頂側分開控制的多晶硅 鑄錠爐加熱裝置，適用于制造大尺寸高品質(zhì)的多晶硅錠。
背景技術：
太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生清潔能源，在太陽能的有效利用中，太 陽能光伏發(fā)電無疑是最主要、最有活力的研究領域，并由此研制和開發(fā)了太陽能電池。太陽 能電池主要以硅為原料，硅是自然界常見的一種化學元素，純凈的硅熔點為1414°C，用于太 陽能級多晶硅純度一般在99. 99%以上。多晶硅鑄錠爐是一種專業(yè)的硅重熔設備，用于生產(chǎn)合格的太陽能級多晶硅鑄錠。 鑄錠生產(chǎn)是先將符合要求的多晶硅原料裝入爐中，而后按照工藝設定進行加熱、熔化、長 晶、退火、冷卻等各個步驟，最終將多晶硅錠取出的過程。多晶硅鑄錠爐的生產(chǎn)過程中，能否 有效地控制多晶硅鑄錠爐內(nèi)溫度梯度，將決定生產(chǎn)出的多晶硅錠品質(zhì)。鑄造多晶硅內(nèi)部存在大量的晶界，潔凈的晶界呈非電活性，對少數(shù)載流子壽命并 無影響或只有微小影響，而雜質(zhì)的偏聚或沉淀會改變晶界的電活性，會顯著降低少數(shù)載流 子壽命，晶界越多，影響越大；但是研究表明，如果晶界垂直于器件表面，則晶界對材料電化 學性能幾乎沒有影響。而現(xiàn)有單電源結構的多晶硅鑄錠爐由于結構設計上的不足，難以解 決結晶面不水平的問題。本專利即在解決此結晶面水平問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種頂側分開控制的 多晶硅鑄錠爐加熱裝置。為解決技術問題，本發(fā)明提供了一種頂側分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，包 括內(nèi)部裝有隔熱籠體的爐室，隔熱籠體上下分別設置頂部保溫板和下保溫層，外敷坩堝護 板的坩堝位于隔熱籠體中；該加熱裝置有兩個加熱器其中一個為頂部加熱器，設于坩堝 的上方；另一個為側部加熱器，環(huán)設于坩堝護板四周。本發(fā)明中，所述頂部加熱器經(jīng)頂部加熱器電極與頂加熱器變壓器相連；側部加熱 器經(jīng)側加熱器電極與側加熱器變壓器相連。本發(fā)明中，所述頂部加熱器固定于頂部加熱器電極上，側部加熱器固定于側加熱 器電極上。本發(fā)明中，隔熱籠體、頂部保溫板及下保溫層組成一個封閉的熱場腔室。頂部加熱 器、側部加熱器由各自的變壓器供電進行加熱，控制變壓器的輸出就能控制各加熱器產(chǎn)生 的熱量，進而改善熱場內(nèi)溫度梯度的分布。本發(fā)明的有益效果在于
可以在長晶過程中對熱場內(nèi)溫度進行控制，通過單獨控制頂、側加熱器的輸出功率，合 理分配頂側加熱器功率之比，即可在結晶過程中形成一個垂直的溫度梯度。并根據(jù)需要優(yōu)化頂側加熱功率的配比，從而可使硅的結晶凝固得到有效的控制，進而加快長晶效率，降低 能耗，提高硅錠品質(zhì)。本發(fā)明在實際應用中測試，不僅能生產(chǎn)出高品質(zhì)的多晶硅錠，也能縮短整個工藝 時間，減少結晶過程中的耗能。本發(fā)明的 設計合理、能夠有效改善多晶硅晶向，降低能耗、增大晶粒、減少晶界，從 而提高多晶硅錠品質(zhì)。


圖1是本發(fā)明整體結構剖視圖。圖中的附圖標記為1頂加熱器變壓器、2頂加熱器電極、3頂部保溫層、4頂加熱 器、5側加熱器、6隔熱籠體、7坩堝護板、8支撐柱、9下保溫層、10側加熱器變壓器、11側 加熱器電極、12爐體、13坩堝、14散熱塊。圖2單電源和雙電源長晶速度對比圖。圖3晶體高度隨晶體生長時間變化對比圖。圖4加熱器功率隨時間變化圖。圖5單電源的晶體生長界面形狀。圖6雙電源的晶體生長界面形狀。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。本實施例中，頂側分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置包括爐室12，置于爐室12內(nèi) 的隔熱籠體6，懸掛于電極上的頂部保溫板3，固定于頂部加熱器電極2上的頂部加熱器4， 連接于頂部加熱器電極2上的頂加熱器變壓器1，固定于側加熱器電極11上的側部加熱器 5，連接于側部加熱器電極11上的側加熱器變壓器10，位于熱場加熱器內(nèi)部的坩堝13及坩 堝護板7，置于石墨支撐柱8上的下保溫層9及散熱塊14等構成。以下結合多晶硅生產(chǎn)流程對本發(fā)明作進一步的描述
實際生產(chǎn)時，頂側加熱器得到供電后產(chǎn)生大量的熱量，將坩堝13中的多晶硅料熔化， 熔化完成后，進入長晶階段。隔熱籠體6按一定的速度緩緩提起，散熱塊7暴露出來后，大 量的熱會通過散熱塊7輻射到爐室12上，于是坩堝13底部溫度下降，溶液開始結晶。在長 晶中后期，由于晶體增多，液體減少，散熱塊7散失熱量效果減弱，坩堝四壁處靠近側加熱 器5，溫度相對坩堝中心處較高，結晶速度較慢，因而長晶界面為“凸”字形。最終，中心處先 長晶完成并透頂，隨后再進行數(shù)小時的邊角長晶工序方能使整個硅錠表面平整。采用本發(fā)明的裝置，可以在長晶中后期，逐步減小側加熱器5的功率，降低邊角處 的溫度，使之與中心處溫度相近，進而使結晶面趨于水平，確保晶體質(zhì)量；同時附帶縮短了 邊角長晶時間，最終改善晶向，提高效率和降低耗能。實例
本實施例中，單電源是指現(xiàn)有技術中使用單路電源給加熱器供電的情況；雙電源是指 本發(fā)明中使用兩路電源分別給兩個加熱器供電的情況。采用本專利描述的多晶鑄錠爐裝置及工藝，裝料480kg，分別采用單電源和雙電源設備加熱兩種模式進行晶體生長，對比兩種技術對長晶速度、晶體質(zhì)量和能耗的影響。由圖2可見，長晶過程的最起始2 6小時以內(nèi)，單電源設備長晶速度高于雙電 源，但在晶體生長開始6小時以后，雙電源設備內(nèi)的晶體生長速度始終高于單電源，最終雙 電源設備相比單電源設備提前約3小時完成晶體生長。如圖3所示，是兩種設備長晶過程中晶體高度隨晶體生長時間的變化對比。晶體 生長的初始階段，由于雙電源設備內(nèi)晶體生長速度略低，所以晶體高度也略低，隨后期晶體 生長速度超過單電源，雙電源設備內(nèi)晶體高度明顯超過單電源，最終較早的完成了長晶過 程。如圖4所示是加熱器功率隨時間變化曲線。長晶前半段時間內(nèi)，雙電源設備功率 略高于單電源設備，但進入后半段，雙電源功率迅速下降，且加熱功率大幅度低于單電源長 晶過程。通過計算機模擬，分析了使用單/雙電源長晶過程的晶體生長界面形狀。如圖5， 單電源長晶后期，側加熱器不能關閉，造成晶體側面熱量輸入較多，靠近側壁的晶體生長緩 慢，生長界面明顯項中心突出。在圖6中，由于采用了雙加熱器，長晶后期側加熱器關閉，僅 剩頂部加熱器加熱，晶體內(nèi)的熱量主要沿豎直方向傳輸，生長界面較平坦。通過對由單電源和雙電源設備中生長出的多晶鑄錠進行剖面處理，可以清楚的看 出，雙電源設備中生長出的多晶鑄錠的晶粒更規(guī)則的沿豎直方向生長，有利于提高最終晶 體收率和轉化效率。通過以上對比，可以總結出雙電源多晶鑄錠設備相對于單電源鑄錠設備的優(yōu)勢
(1)晶體生長速度提高，縮短長晶時間；
(2)加熱器功率總功率降低，且由于其晶體生長時間縮短，能耗顯著降低；
(3)雙電源使晶體生長界面更加平坦，晶粒垂直度更好且有利于其長大，晶體質(zhì)量提
尚ο
權利要求
1.頂側分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，包括內(nèi)部裝有隔熱籠體的爐室，隔熱籠體 上下分別設置頂部保溫板和下保溫層，外敷坩堝護板的坩堝位于隔熱籠體中；其特征在于， 該加熱裝置具有兩個加熱器其中一個為頂部加熱器，設于坩堝的上方；另一個為側部加 熱器，環(huán)設于坩堝護板四周。
2.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，其特征在于，所述頂部加熱器經(jīng)頂 部加熱器電極與頂加熱器變壓器相連；側部加熱器經(jīng)側加熱器電極與側加熱器變壓器相 連。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，其特征在于，所述頂部加熱器固 定于頂部加熱器電極上，側部加熱器固定于側加熱器電極上。
全文摘要
本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的制造技術領域，旨在提供一種頂側分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置。該裝置包括內(nèi)部裝有隔熱籠體的爐室，隔熱籠體上下分別設置頂部保溫板和下保溫層，外敷坩堝護板的坩堝位于隔熱籠體中；該加熱裝置具有兩個加熱器其中一個為頂部加熱器，設于坩堝的上方；另一個為側部加熱器，環(huán)設于坩堝護板四周。本發(fā)明可在長晶過程中對熱場內(nèi)溫度進行控制，根據(jù)需要優(yōu)化頂側加熱功率的配比，從而可使硅的結晶凝固得到有效的控制，進而加快長晶效率，降低能耗，提高硅錠品質(zhì)。本發(fā)明的設計合理、能夠有效改善多晶硅晶向，降低能耗、增大晶粒、減少晶界，從而提高多晶硅錠品質(zhì)。
文檔編號C30B29/06GK102140673SQ20111007074
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月23日
發(fā)明者傅林堅, 葉欣, 曹建偉, 石剛, 邱敏秀, 高宇 申請人:上虞晶信機電科技有限公司, 浙江晶盛機電股份有限公司