一種水致冷鑄錠爐及其鑄錠工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水致冷鑄錠爐及其鑄錠工藝，在熱交換臺（11）的下端設(shè)置水冷盤（13），且水冷盤（13）位于底部加熱器（7）的下端，水冷盤（13）內(nèi)設(shè)流腔，并設(shè)置進(jìn)水口（9）和出水口（10），進(jìn)水口（9）和出水口（10）通過流腔連通，進(jìn)水口（9）和出水口（10）還分別連通爐體（1）外端。本發(fā)明的有益效果是：本裝置采用水冷代替了原有提升隔熱籠進(jìn)行降溫的方式，從而解決了因提升隔熱籠，側(cè)面散熱，導(dǎo)致坩堝徑向存在熱量的傳遞，影響柱狀晶的形成；也避免了隔熱籠體在提升過程中與隔熱籠頂部摩擦，產(chǎn)生碳粉塵，易進(jìn)入坩堝，增加硅錠的碳雜質(zhì)含量，引起晶格畸變。
【專利說明】一種水致冷鑄錠爐及其鑄錠エ藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到ー種多晶硅鑄錠爐，特別是涉及到一種水致冷鑄錠爐及其鑄錠エ藝。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅鑄錠爐是光伏領(lǐng)域中多晶硅生產(chǎn)的主要設(shè)備，其工作過程是將摻雜物和多晶硅料在真空、高溫狀態(tài)下，再加入惰性保護(hù)氣體，經(jīng)過加熱、熔化、定向結(jié)晶、退火和冷卻幾個(gè)階段后長成有一定晶體生長方向的多晶硅錠。
[0003]現(xiàn)有的鑄錠過程中，采用頂部和側(cè)部加熱器控制熱場分布，在熔化和長晶階段采取一升降裝置提升隔熱籠體的方法來降低硅料熔化速度和控制長晶速度，退火階段再次提高隔熱籠體，使熱量一部分通過坩堝底部石墨塊熱傳遞帶走，一部分通過打開的隔熱籠輻射發(fā)散出去。
[0004]但上述的方法存在很多問題。首先，提升隔熱籠體，側(cè)面散熱，導(dǎo)致坩堝徑向存在熱量的傳遞，徑向傳熱產(chǎn)生徑向溫度梯度并導(dǎo)致在坩堝壁附近容易形核，該晶核會隨著徑向傳熱的進(jìn)行而不斷長大，垂直梯度和徑向梯度雙重作用造成晶粒非垂直生長，而是呈現(xiàn)從側(cè)壁向中心斜向上生長，從而產(chǎn)生大量晶核，影響柱狀晶的形成，同時(shí)，大量晶核易使硅錠存在大量的晶界和位錯(cuò)，晶界和位錯(cuò)能在硅禁帶中引入深能級，易形成光生少數(shù)載流子的復(fù)合中心，進(jìn)而降低硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率；其次，隔熱籠體在提升過程中與隔熱籠頂部摩擦，產(chǎn)生碳粉塵，易進(jìn)入坩堝，増加硅錠的碳雜質(zhì)含量，碳原子比硅原子小，碳原子替代硅原子后容易引起晶格畸變，造成氧原子在附近偏聚而形成氧沉淀的異質(zhì)核心，產(chǎn)生原生氧沉淀，成為復(fù)合中心或引入復(fù)合中心的二次`缺陷，導(dǎo)致硅材料中少數(shù)載流子壽命降低，另外高純度碳可在硅熔體中形成SiC顆粒，影響硅錠的有效利用率；最后，提升隔熱籠體后，坩堝底部熱交換臺中心和邊緣散熱不均勻，則在生產(chǎn)過程中固一液界面不水平，導(dǎo)致界面成核不均勻，影響柱狀晶的形成，固一液界面不水平同時(shí)也導(dǎo)致硅錠中熱應(yīng)カ較大，使硅錠中缺陷較多，過多缺陷易形成光生少數(shù)載流子的復(fù)合中心，影響硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種水致冷鑄錠爐及其鑄錠エ藝，解決現(xiàn)有的硅錠鑄造爐在鑄造硅錠時(shí)，采用升降裝置提升隔熱籠的方式來降低硅料熔化速度和控制長晶速度，帶來硅錠存在大量的晶界和位錯(cuò)的缺點(diǎn)，以及碳雜質(zhì)含量増加導(dǎo)致硅材料中少數(shù)載流子壽命的降低的缺陷。
[0006]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種水致冷鑄錠爐，包括爐體、設(shè)置在爐體內(nèi)的隔熱籠以及設(shè)置在隔熱籠中熱交換臺，所述的熱交換臺上放置有一個(gè)坩堝，所述的坩堝的頂端及四周分布有加熱器，熱交換臺的下端設(shè)置有底部加熱器，所述的熱交換臺的下端設(shè)置有水冷盤，且水冷盤位于底部加熱器的下端，水冷盤內(nèi)設(shè)流腔，并設(shè)置進(jìn)水口和出水ロ，進(jìn)水口和出水ロ通過流腔連通，進(jìn)水口和出水ロ還分別連通爐體外端。本裝置通過向水冷盤通入冷水降低坩堝底部的溫度，而底部加熱器則提升坩堝底部的溫度，兩者配合下保持固一液界面橫向溫度梯度趨于零，給晶體生長提供理想的溫場條件，促進(jìn)晶體柱狀生長；在退火階段，底部石墨加熱器和水冷盤雙重作用可以在較短時(shí)間內(nèi)使硅錠溫度均一，獲得較優(yōu)化的退火條件，有利于硅錠內(nèi)部熱應(yīng)カ的釋放，提高硅片的成品率；采用水冷盤降溫即無需提升隔熱籠，從而減少了進(jìn)入坩堝里的碳粉塵，有效消除硅錠內(nèi)部熱應(yīng)力，減小硅錠中缺陷，顯著提高硅片質(zhì)量。
[0007]進(jìn)ー步，上述水冷盤和底部加熱器之間設(shè)置有絕熱固化氈，絕熱固化氈可以有效阻斷熱量向下傳遞，降低能耗，保證底部加熱器的加熱效果。
[0008]進(jìn)ー步，上述的底部加熱器的上下兩面都覆有ー層立方氮化硼，立方氮化硼是導(dǎo)熱率良好的絕緣體，不但可以有效阻止石墨加熱器上面石墨交換臺形成電路，還可以保證熱量的有效均勻傳遞。
[0009]進(jìn)ー步，所述的熱交換臺通過支柱進(jìn)行固定，所述的支柱的一端安裝在熱交換臺的底面，另一端穿過隔熱籠安裝在爐體的底部。
[0010]進(jìn)ー步，上述的坩堝的周邊和下端設(shè)置有石墨護(hù)板，石墨護(hù)板不僅對坩堝起到支撐作用，還能夠?qū)t體進(jìn)行保溫。
[0011]進(jìn)一歩，上述 的熱交換臺采用石墨制成，石墨有良好的導(dǎo)熱性能，而且導(dǎo)熱較均勻。
[0012]進(jìn)ー步，上述的坩堝的頂端、四周的加熱器以及底部加熱器均采用石墨制成。
[0013]水致冷鑄錠爐的鑄錠エ藝，包括抽真空階段、加熱階段、熔化階段、長晶階段、退火及冷卻階段，在長晶階段時(shí)，關(guān)閉底部加熱器，打開水冷盤上的進(jìn)水口的閘門和出水ロ的閘門，向水冷盤通入冷卻水，對坩堝進(jìn)行冷卻，其中冷卻水的溫度保持在24°C，其流量為100-500L/m ;在退火及冷卻階段吋，繼續(xù)向水冷盤通入冷卻水，并控制冷卻水流量為120-130L/m。本發(fā)明中采用水冷盤控制長晶過程中坩堝的降溫，避免了采用提升隔熱籠降溫產(chǎn)生側(cè)面散熱的弊端，而且本方法可以控制冷卻水的流量來控制降溫的速度，為晶體生長提供了比較好的溫場環(huán)境。而且退火冷卻中，也是可以控制冷卻水流量來控制降溫速度，從而獲得較優(yōu)化的退火條件，有利于硅錠內(nèi)部熱應(yīng)カ的釋放，提高硅片的成品率。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:本裝置采用水冷代替了原有提升隔熱籠進(jìn)行降溫的方式，從而解決了因提升隔熱籠，側(cè)面散熱，導(dǎo)致坩堝徑向存在熱量的傳遞，影響柱狀晶的形成，同時(shí)，大量晶核易使硅錠存在大量的晶界和位錯(cuò)，晶界和位錯(cuò)能在硅禁帶中引入深能級，易形成光生少數(shù)載流子的復(fù)合中心，進(jìn)而降低硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率；也避免了隔熱籠體在提升過程中與隔熱籠頂部摩擦，產(chǎn)生碳粉塵，易進(jìn)入坩堝，増加硅錠的碳雜質(zhì)含量，引起晶格畸變。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，1-爐體，2-頂部加熱器，3-隔熱籠，4-坩堝，5-石墨護(hù)板，6-側(cè)部加熱器，7-底部加熱器，8-絕熱固化氈，9-進(jìn)水口，10-出水ロ，11-熱交換臺，12-立方氮化硼，13-水冷盤，14-支柱。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不僅限于以下實(shí)施例:
【實(shí)施例1】
如圖1所示，一種水致冷鑄錠爐，包括爐體1、設(shè)置在爐體內(nèi)的隔熱籠3以及設(shè)置在隔熱籠3中熱交換臺11，所述的熱交換臺3上放置有一個(gè)坩堝4，所述的坩堝4的頂端及四周分布有加熱器，熱交換臺11的下端設(shè)置有底部加熱器7，所述的熱交換臺11的下端設(shè)置有水冷盤13，且水冷盤13位于底部加熱器7的下端，水冷盤13內(nèi)設(shè)流腔，并設(shè)置進(jìn)水口 9和出水ロ 10，進(jìn)水ロ 9和出水ロ 10通過流腔連通，進(jìn)水ロ 9和出水ロ 10還分別連通爐體I外端。本裝置通過向水冷盤13通入冷水降低坩堝4底部的溫度，而底部加熱器7則提升坩堝4底部的溫度，兩者配合下保持固一液界面橫向溫度梯度趨于零，給晶體生長提供理想的溫場條件，促進(jìn)晶體柱狀生長；在退火階段，底部石墨加熱器7和水冷盤13雙重作用可以在較短時(shí)間內(nèi)使硅錠溫度均一，獲得較優(yōu)化的退火條件，有利于硅錠內(nèi)部熱應(yīng)カ的釋放，提高硅片的成品率；采用水冷盤13降溫即無需提升隔熱籠3，從而減少了進(jìn)入坩堝4里的碳粉塵，有效消除硅錠內(nèi)部熱應(yīng)力，減小硅錠中缺陷，顯著提高硅片質(zhì)量。
[0017]本實(shí)施例的熱交換臺11通過支柱14進(jìn)行固定，所述的支柱14的一端安裝在熱交換臺11的底面，另一端穿過隔熱籠3安裝在爐體I的底部。
[0018]本實(shí)施例的坩堝4的周邊和下端設(shè)置有石墨護(hù)板5，石墨護(hù)板不僅對坩堝4起到支撐作用，還能夠?qū)t體進(jìn)行保溫。
[0019]本實(shí)施例的熱交換臺11采用石墨制成，石墨有良好的導(dǎo)熱性能，而且導(dǎo)熱較均勻。
[0020]本實(shí)施例的坩堝4的頂端、四周的加熱器以及底部加熱器7均采用石墨制成，坩堝的頂端的加熱器為圖中的頂部加熱器2，四周的加熱器為圖中的側(cè)部加熱器6。
[0021]本實(shí)施例中坩堝4采用石英制成。
[0022]水致冷鑄錠爐的鑄錠エ藝，包括抽真空階段、加熱階段、熔化階段、長晶階段、退火及冷卻階段:
在抽真空階段先用機(jī)械泵抽至爐壓小于50毫巴，開啟羅茨泵，直至爐壓接近真空值；在加熱階段，處于真空模式下采用功率加熱，使?fàn)t內(nèi)溫度盡快達(dá)到所需溫度(約1100°C左右)，當(dāng)達(dá)到所需溫度時(shí)自動(dòng)由功率加熱模式轉(zhuǎn)換成溫控加熱模式并跳入熔化階段；進(jìn)入熔化階段后，慢慢充入氬氣，最終使?fàn)t壓保持在400-600毫巴，分階段逐步加熱到1500°C左右，并保持一定時(shí)間至硅料完全熔化；
在以上三個(gè)階段冷卻盤內(nèi)冷卻水均處于關(guān)閉狀態(tài)；
在長晶階段時(shí)，關(guān)閉底部加熱器7，打開水冷盤13上的進(jìn)水口 9的閘門和出水ロ 10的閘門，向水冷盤13通入冷卻水,對坩堝4進(jìn)行冷卻,其中冷卻水的溫度保持在24°C,其流量為 100-500L/m ；
在退火及冷卻階段時(shí)，繼續(xù)向水冷盤13通入冷卻水，并控制冷卻水流量為120-130L/
m0[0023]本發(fā)明中采用水冷盤13控制長晶過程中坩堝4的降溫，避免了采用提升隔熱籠3降溫產(chǎn)生側(cè)面散熱的弊端，而且本方法可以控制冷卻水的流量來控制降溫的速度，為晶體生長提供了比較好的溫場環(huán)境。而且退火冷卻中，也是可以控制冷卻水流量來控制降溫速度，從而獲得較優(yōu)化的退火條件，有利于硅錠內(nèi)部熱應(yīng)カ的釋放，提高硅片的成品率。
[0024]【實(shí)施例2】
如圖2，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本一致，不同之處在于水冷盤13和底部加熱器7之間設(shè)置有絕熱固化氈8，絕熱固化氈8可以有效阻斷熱量向下傳遞，降低能耗，保證底部加熱器7的加熱效果。
[0025]【實(shí)施例3】
如圖3，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2基本一致，不同之處在于底部加熱器7的上下兩面都覆有ー層立方氮化硼12，立方氮化硼12是導(dǎo)熱率良好的絕緣體，不但可以有效阻止石墨的底部加熱器7與石墨的交換臺3形成`電路，還可以保證熱量的有效均勻傳遞。
【權(quán)利要求】
1.一種水致冷鑄錠爐，包括爐體(I)、設(shè)置在爐體內(nèi)的隔熱籠(3)以及設(shè)置在隔熱籠(3)中熱交換臺(11)，所述的熱交換臺(11)上放置有一個(gè)坩堝(4)，所述的坩堝(4)的頂端及四周分布有加熱器，熱交換臺(11)的下端設(shè)置有底部加熱器(7)，其特征在于:所述的熱交換臺(11)的下端設(shè)置有水冷盤(13)，且水冷盤(13)位于底部加熱器(7)的下端，水冷盤(13)內(nèi)設(shè)流腔，并設(shè)置進(jìn)水ロ(9)和出水ロ( 10)，進(jìn)水ロ(9)和出水ロ( 10)通過流腔連通，進(jìn)水ロ(9)和出水ロ( 10)還分別連通爐體(I)外端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種水致冷鑄錠爐，其特征在于，所述的水冷盤(13)和底部加熱器(7)之間設(shè)置有絕熱固化氈(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的ー種水致冷鑄錠爐，其特征在于，所述的底部加熱器(7)的上下兩面都覆有ー層立方氮化硼(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種水致冷鑄錠爐，其特征在于，所述的熱交換臺(11)通過支柱(14)進(jìn)行 固定，所述的支柱(14)的一端安裝在熱交換臺(11)的底面，另一端穿過隔熱籠(3)安裝在爐體(I)的底部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種水致冷鑄錠爐，其特征在于，所述的坩堝(4)的周邊和下端設(shè)置有石墨護(hù)板(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種水致冷鑄錠爐，其特征在于，所述的熱交換臺(11)采用石墨制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種水致冷鑄錠爐，其特征在于，所述的坩堝(4)的頂端、四周的加熱器以及底部加熱器(7)均采用石墨制成。
8.水致冷鑄錠爐的鑄錠エ藝，包括抽真空階段、加熱階段、熔化階段、長晶階段、退火及冷卻階段，其特征在于，在長晶階段時(shí)，關(guān)閉底部加熱器(7)，打開水冷盤(13)上的進(jìn)水口(9)的閘門和出水ロ(10)的閘門，向水冷盤(13)通入冷卻水,對；t甘堝(4)進(jìn)行冷卻,其中冷卻水的溫度保持在24°C，其流量為100-500L/m，直到長晶完成；在退火及冷卻階段時(shí)，繼續(xù)向水冷盤(13)通入冷卻水，并控制冷卻水流量為120-130L/m。
【文檔編號】C30B29/06GK103451726SQ201310377948
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】林洪峰, 李書森, 馮媛, 劉興翀, 蘭洵, 龍巍, 趙秀生 申請人:天威新能源控股有限公司