一种铸锭炉热场结构及制备工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种铸锭炉热场结构，包括：炉体，可升降的隔热笼；热交换台；坩埚；石墨护板；加热装置；保温板；可升降的隔热底板，用于与隔热笼一起形成封闭空腔；其中封闭空腔形成时，保温板处于环绕坩埚底部一周的位置，隔热底板相对炉体下降时能够使保温板下降到环绕热交换台一周的位置，隔热笼相对炉体提升时，隔热笼能够带动保温板上升。保温板在晶体熔化阶段起保护籽晶作用，在晶体生长阶段，利用隔热底板和隔热笼的运动控制保温板上下移动，确保晶体生长时的四周和中心散热速率相当，从而获得平整的固液界面，得到高品质的柱状晶结构的晶体硅。还提出一种使用前述铸锭炉热场结构的制备工艺。
【专利说明】
一种铸锭炉热场结构及制备工艺
技术领域
[0001]本发明涉及太阳能晶硅生长领域，具体涉及一种晶硅生长炉型的热场结构及制备工艺。
【背景技术】
[0002]在晶硅发电领域，目前晶硅生长主要分为直拉(CZ)法制备单晶和定向凝固(DSS)法制备类单晶/多晶等方法。
[0003]由于现在行业竞争日趋激烈，晶硅越来越向高品质、高效率产品方向发展。由于CZ法制备单晶成本下降，加之其效率较DSS晶硅高，迫使DSS法需要制备更高效、更低成本的产品才能与CZ法晶硅竞争。
[0004]目前在DSS法制备高效晶硅热场装置如图1所示，是目前DSS法普遍采用的热场结构，包括炉体1、位于炉体I内的隔热笼2、加热装置3、石墨护板4、石英坩祸5、石墨热交换台6及隔热底板7。这种热场结构在晶硅制备过程中有几个问题:首先，目前高效晶硅都大都采用有籽晶生长晶体类型，业界普遍认为晶体生长过程中，平整或中间微凸的固液界面有利于获得较好的柱状晶体结构。目前热场结构边角散热较中心快，导致晶体生长初期边角快于中间，得不到上述所需的固液界面，无法获得垂直向上的柱状晶结构。而且晶体生长后期由于热场打开程度更大，四周晶体生长仍快于中间，从而无法获得理想的平整或微凸的固液界面。其次，在熔化过程中，怎样控制四周区域的籽晶不熔也是个突出的问题。
[0005]针对上述难题，有许多专利和文献都有改善，例如CN102330143B介绍了一种隔热笼底部加保温环的装置，但只是保证在晶体熔化时籽晶不熔化以及均匀退火，并未提及如何在晶体生长过程中获得上述所需的固液界面结构，而且此专利的保温环需要额外的传动装置来带动其升降。
【发明内容】
[0006]基于此，有必要提供一种铸锭炉热场结构，能够在保护四周区域的籽晶不被熔化的同时还能在晶体生长过程中获得较为平整的固液界面。
[0007]—种铸锭炉热场结构，包括:炉体，所述炉体内设有:可升降的隔热笼;热交换台；坩祸，置于所述热交换台上;石墨护板，位于所述坩祸的四周;加热装置，用以熔化坩祸中的硅料;保温板，位于所述坩祸与所述隔热笼之间，所述保温板绕所述坩祸一周；可升降的隔热底板，用于与所述隔热笼一起形成封闭空腔，所述封闭空腔用以容纳热交换台及坩祸;其中所述封闭空腔形成时，所述保温板处于环绕所述坩祸底部一周的位置，所述隔热笼不动而隔热底板相对炉体下降时，所述隔热底板能够使所述保温板下降到环绕所述热交换台一周的位置，隔热底板保持下降后的位置而所述隔热笼相对炉体提升时，所述隔热笼能够带动所述保温板上升。
[0008]上述铸锭炉热场结构，保温板在晶体熔化阶段起保护籽晶作用，在晶体生长阶段，可利用隔热底板和隔热笼的运动控制保温板上下移动，确保晶体生长时的四周和中心散热速率相当，从而获得平整的固液界面，得到高品质的柱状晶结构的晶体硅。
[0009]在其中一个实施例中，还包括支撑结构，所述支撑结构与所述保温板固定连接且与所述隔热底板可分离地配接，其中，所述隔热底板相对炉体下降时，通过所述支撑结构使所述保温板下降到环绕所述热交换台一周的位置;所述隔热笼能够带动所述保温板上升时，所述支撑结构与隔热底板分离;所述封闭空腔形成时，所述保温板与所述支撑结构达成配接。
[0010]在其中一个实施例中，所述支撑结构包括支撑杆，所述隔热底板上设置有与所述支撑杆相配合的定位槽。
[0011]在其中一个实施例中，所述隔热笼的内侧壁上设置有卡勾，所述保温板具有与所述卡勾抵接配合的卡持部，所述封闭空腔形成时，所述卡持部位于所述卡勾之上且二者间隔设置。
[0012]在其中一个实施例中，所述卡持部抵接于所述卡勾时，所述隔热笼能够带动所述保温板上升。
[0013]在其中一个实施例中，所述保温板的高度为100?250mm，厚度为10?30mm，距离石墨护板的间隙为5?15mm，所述封闭空腔形成时，所述保温板距离隔热底板的高度为60?I20mmο
[0014]还提出一种利用上述铸锭炉热场结构的制备工艺，包括步骤:
[0015]熔化:在所述坩祸底部先铺设一层籽晶，然后装填硅料，使所述隔热笼、隔热底板形成封闭空腔，保温板处于环绕所述坩祸底部一周的位置，加热熔化所述硅料且使坩祸底部四周区域的籽晶不被熔化，获得晶体生产初期的固液界面；
[0016]长晶，包括:
[0017]第一阶段:先下降所述隔热底板且带动保温板下降到保温板环绕所述热交换台一周的位置，保证热交换台四周的散热速率基本与中心的散热速率相当，使晶体硅从下而上生长且具有平整的长晶界面，及
[0018]第二阶段:向上提升隔热笼，带动保温板向上提升，使得晶体生长过程中，四周散热和中心散热速率相当，减缓晶体硅四周的生长速率；
[0019]退火:所述隔热笼下降复位同时所述隔热底板上升复位以重新形成所述封闭空腔，使晶体在均匀的温度下退火；
[0020]冷却:停止加热，提升隔热笼，进行冷却。
[0021]在其中一个实施例中，在所述熔化阶段中，所述保温板的下端与所述热交换台的上端平齐。
[0022]在其中一个实施例中，所述长晶的第一阶段中，保温板下降到保温板的下端与所述热交换台的下端平齐或超过热交换台的下端的位置。
[0023]在其中一个实施例中，所述隔热笼下降复位且所述隔热底板上升复位以重新形成所述封闭空腔的步骤中，所述隔热底板上升复位后重新与所述保温板配接以能够带动所述保温板下降。
【附图说明】
[0024]图1为目前普遍采用的DSS铸锭炉热场结构；
[0025]图2为本发明熔化阶段铸锭炉的热场结构；
[0026]图3为本发明保温板的正面图；
[0027]图4为本发明长晶初期铸锭炉的热场结构；
[0028]图5为本发明长晶中期铸锭炉的热场结构；
[0029]图6为图5的热场结构的局部放大图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0031]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0032]下面结合附图，说明本发明的较佳实施方式。
[0033]本发明提供一种铸锭炉热场结构，能够在晶体生长过程中获得平整的固液界面。
[0034]参图2，本发明的铸锭炉热场结构包括:炉体110、设置于炉体110内的:可升降的隔热笼120、热交换台130、置于热交换台130上的坩祸140、设置于坩祸140四周的石墨护板150、用以熔化坩祸140中的硅料的加热装置160、位于坩祸140与隔热笼120之间的保温板170及可升降的隔热底板180。
[0035]隔热底板180、隔热笼120能够一起形成封闭空腔，用以提供封闭的热场。当该封闭空腔形成时，热交换台130、坩祸140、石墨护板150、加热装置160、保温板170均是位于该封闭空腔内。
[0036]本发明中，利用隔热底板180和隔热笼120的运动控制保温板170上下移动，确保晶体生长时的四周和中心散热速率相当，从而获得平整的固液界面，得到高品质的柱状晶结构的晶体硅。
[0037]保温板170通过支撑结构支撑于隔热底板180。如图5所示，支撑结构包括支撑杆192。如图6所示，隔热底板180的上表面设置有定位槽182。定位槽182与支撑杆192之间可以配接在一起，使隔热底板180下降时能够带动保温板170—起运动。同时，当隔热笼120带动保温板170上升时，定位槽182与支撑杆192之间分离。
[0038]隔热笼120的内侧壁上设置有卡勾122。保温板170具有与卡勾122抵接配合的卡持部172。如图2所示，前述的封闭空腔形成时，卡持部172位于卡勾122之上且二者间隔设置。如图4所示，隔热笼120向上提升的过程中，当卡持部172穿过卡勾122且抵接于卡勾122时，隔热笼120继续提升时就能够带动保温板170—起上升。
[0039]卡持部172可以为保温板170上伸出的突出部分，也可以为滑槽。当卡持部172为滑槽时，其与卡勾122的位置也可以互换。
[0040]保温板170可选用石墨毡等隔热保温材料，其环绕坩祸140—周，整体呈回字形，由四个如图3所示的保温板单元组合而成。每一个保温板单元上均设置有卡持部172。回字形的保温板170的四个侧面上具有卡持部172。隔热笼120带动保温板170上升时，保温板170受力均匀。
[0041 ] 保温板170的高度为100?250mm，厚度为10?30mm，距离石墨护板150的间隙为5?15_，前述封闭空腔形成时，保温板170距离隔热底板180的高度为60?120_。
[0042]参图2，其中前述封闭空腔形成时，保温板170处于环绕坩祸140底部一周的位置。可以是保温板170的下端与热交换台130的上端平齐。
[0043]参图4，隔热笼120不动而隔热底板180相对炉体110下降时，隔热底板180通过支撑结构能够使保温板170下降到环绕热交换台130—周的位置。保温板170的位置可以是:保温板170的下端与热交换台130的下端平齐或超过热交换台130的下端。
[0044]参图5，隔热底板180保持下降后的位置，而隔热笼120相对炉体110提升时，隔热笼120能够带动保温板170上升。此时，支撑结构与隔热底板180分离开来。
[0045]进一步地，当隔热笼120下降复位且隔热底板180上升复位以重新形成所述封闭空腔时，保温板170所连接的支撑结构与隔热底板180将重新达成配接。
[0046]下面结合铸锭炉热场结构铸锭的工艺过程来描述本发明的原理。
[0047]参图2，整个铸锭过程至少包括四个阶段:熔化、长晶、退火、冷却。
[0048]熔化:包括准备阶段和加热熔化。具体地，在坩祸140底部先铺设一层籽晶，然后装填硅料，使隔热笼120、隔热底板180形成封闭空腔，保温板170则处于环绕坩祸140底部一周的位置。加热熔化硅料且使坩祸底部四周区域的籽晶不被熔化，获得晶体生产初期的固液界面。
[0049]具体地，保温板170的下端与热交换台130的上端平齐，刚好能保护坩祸140底部四周区域的籽晶不被熔化，从而获得较好的晶体生长初期的固液界面。
[0050]长晶，包括第一阶段和第二阶段，其中第一阶段为长晶的初期，第二阶段则为长晶的中、后期。
[0051]第一阶段:先下降隔热底板180且带动保温板170下降到保温板170能够环绕热交换台130—周的位置，保证热交换台130四周的散热速率基本与中心的散热速率相当，使晶体硅从下而上生长且具有平整的长晶界面。
[0052]如图4所示，首先下降隔热底板180散热，使晶体硅从下而上生长，带动保温板170下降，使其完全包住坩祸140下面的热交换台13，其中保温板170下降到保温板170的下端与热交换台130的下端平齐的位置。这样就保证长晶初期热交换台130四周的散热速率基本与中心的散热速率相当，故能获得平整的长晶界面。
[0053]第二阶段:向上提升隔热笼120，带动保温板170向上提升，使得晶体生长过程中，四周散热和中心散热速率相当，减缓晶体硅四周的生长速率。
[0054]参图5，当晶体硅继续生长，需要提升隔热笼120来获得更大的过冷度。当隔热笼120向上提升到卡勾122与保温板170的卡持部172挂上后，隔热笼120继续提升时将带动保温板170上升，从而减缓晶体四周的生长速率，使得晶体生长过程中，四周散热和中心散热速率相当，这样更利于晶体垂直方向的生长，获得理想的柱状晶体结构，从而得到更高效的曰7；土立口曰曰々土广口口 O
[0055]退火:隔热笼120下降复位同时隔热底板180上升复位以重新形成封闭空腔，使晶体在均匀的温度下退火。
[0056]退火步骤中，重新形成封闭的热场，使生长好的晶体处在一个恒温的状态，消除晶体内部的热应力。
[0057]另外，此过程中，隔热底板180上升复位后，将重新与保温板170配接以能够带动保温板170下降。
[0058]冷却:停止加热，提升隔热笼，进行冷却。
[0059]如，可以是:停止加热，然后提升隔热笼120，缓慢降温到400°，然后出炉。出炉后，自然冷却，然后取出铸锭，即可用以开方。
[0060]本发明设置的保温板170在晶体熔化阶段起保护籽晶作用，在晶体生长阶段，利用隔热底板180和隔热笼120的运动控制保温板170上下移动，确保晶体生长时四周和中心散热速率相当，从而获得平整的固液界面，得到高品质的柱状晶结构的晶体硅。
[0061]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0062]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种铸锭炉热场结构，其特征在于，包括: 炉体，所述炉体内设有: 可升降的隔热笼； 热交换台； 坩祸，置于所述热交换台上； 石墨护板，位于所述坩祸的四周； 加热装置，用以熔化坩祸中的硅料； 保温板，位于所述坩祸与所述隔热笼之间，所述保温板绕所述坩祸一周； 可升降的隔热底板，用于与所述隔热笼一起形成封闭空腔，所述封闭空腔用以容纳热交换台及坩祸； 其中所述封闭空腔形成时，所述保温板处于环绕所述坩祸底部一周的位置，所述隔热笼不动而隔热底板相对炉体下降时，所述隔热底板能够使所述保温板下降到环绕所述热交换台一周的位置，隔热底板保持下降后的位置而所述隔热笼相对炉体提升时，所述隔热笼能够带动所述保温板上升。2.根据权利要求1所述的铸锭炉热场结构，其特征在于，还包括支撑结构，所述支撑结构与所述保温板固定连接且与所述隔热底板可分离地配接，其中，所述隔热底板相对炉体下降时，通过所述支撑结构使所述保温板下降到环绕所述热交换台一周的位置;所述隔热笼能够带动所述保温板上升时，所述支撑结构与隔热底板分离;所述封闭空腔形成时，所述保温板与所述支撑结构达成配接。3.根据权利要求2所述的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述支撑结构包括支撑杆，所述隔热底板上设置有与所述支撑杆相配合的定位槽。4.根据权利要求1所述的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述隔热笼的内侧壁上设置有卡勾，所述保温板具有与所述卡勾抵接配合的卡持部，所述封闭空腔形成时，所述卡持部位于所述卡勾之上且二者间隔设置。5.根据权利要求4所述的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述卡持部抵接于所述卡勾时，所述隔热笼能够带动所述保温板上升。6.根据权利要求1所述的铸锭炉热场结构，其特征在于，所述保温板的高度为100?250mm，厚度为1?30mm，距离石墨护板的间隙为5?15mm，所述封闭空腔形成时，所述保温板距离隔热底板的高度为60?120mm。7.—种使用如权利要求1所述铸锭炉热场结构的制备工艺，其特征在于，包括步骤: 熔化:在所述坩祸底部先铺设一层籽晶，然后装填硅料，使所述隔热笼、隔热底板形成封闭空腔，保温板处于环绕所述坩祸底部一周的位置，加热熔化所述硅料且使坩祸底部四周区域的籽晶不被熔化，获得晶体生产初期的固液界面； 长晶，包括: 第一阶段:先下降所述隔热底板且带动保温板下降到保温板环绕所述热交换台一周的位置，保证热交换台四周的散热速率基本与中心的散热速率相当，使晶体硅从下而上生长且具有平整的长晶界面，及 第二阶段:向上提升隔热笼，带动保温板向上提升，使得晶体生长过程中，四周散热和中心散热速率相当，减缓晶体硅四周的生长速率； 退火:所述隔热笼下降复位同时所述隔热底板上升复位以重新形成所述封闭空腔，使晶体在均匀的温度下退火； 冷却:停止加热，提升隔热笼，进行冷却。8.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，在所述熔化阶段中，所述保温板的下端与所述热交换台的上端平齐。9.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述长晶的第一阶段中，保温板下降到保温板的下端与所述热交换台的下端平齐或超过热交换台的下端的位置。10.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述隔热笼下降复位同时所述隔热底板上升复位以重新形成所述封闭空腔的步骤中，所述隔热底板上升复位后重新与所述保温板配接以能够带动所述保温板下降。
【文档编号】C30B29/06GK105970283SQ201610604510
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】郭晓琛, 黄春来, 王双丽, 程爱菊
【申请人】江苏协鑫硅材料科技发展有限公司