一种水致冷铸锭炉及其铸锭工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水致冷铸锭炉及其铸锭工艺，在热交换台（11）的下端设置水冷盘（13），且水冷盘（13）位于底部加热器（7）的下端，水冷盘（13）内设流腔，并设置进水口（9）和出水口（10），进水口（9）和出水口（10）通过流腔连通，进水口（9）和出水口（10）还分别连通炉体（1）外端。本发明的有益效果是：本装置采用水冷代替了原有提升隔热笼进行降温的方式，从而解决了因提升隔热笼，侧面散热，导致坩埚径向存在热量的传递，影响柱状晶的形成；也避免了隔热笼体在提升过程中与隔热笼顶部摩擦，产生碳粉尘，易进入坩埚，增加硅锭的碳杂质含量，引起晶格畸变。
【专利说明】一种水致冷铸锭炉及其铸锭エ艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及到ー种多晶硅铸锭炉，特别是涉及到一种水致冷铸锭炉及其铸锭エ艺。
【背景技术】
[0002]多晶硅铸锭炉是光伏领域中多晶硅生产的主要设备，其工作过程是将掺杂物和多晶硅料在真空、高温状态下，再加入惰性保护气体，经过加热、熔化、定向结晶、退火和冷却几个阶段后长成有一定晶体生长方向的多晶硅錠。
[0003]现有的铸锭过程中，采用顶部和侧部加热器控制热场分布，在熔化和长晶阶段采取一升降装置提升隔热笼体的方法来降低硅料熔化速度和控制长晶速度，退火阶段再次提高隔热笼体，使热量一部分通过坩埚底部石墨块热传递带走，一部分通过打开的隔热笼辐射发散出去。
[0004]但上述的方法存在很多问题。首先，提升隔热笼体，侧面散热，导致坩埚径向存在热量的传递，径向传热产生径向温度梯度并导致在坩埚壁附近容易形核，该晶核会随着径向传热的进行而不断长大，垂直梯度和径向梯度双重作用造成晶粒非垂直生长，而是呈现从侧壁向中心斜向上生长，从而产生大量晶核，影响柱状晶的形成，同时，大量晶核易使硅锭存在大量的晶界和位错，晶界和位错能在硅禁带中引入深能级，易形成光生少数载流子的复合中心，进而降低硅电池的光电转换效率；其次，隔热笼体在提升过程中与隔热笼顶部摩擦，产生碳粉尘，易进入坩埚，増加硅锭的碳杂质含量，碳原子比硅原子小，碳原子替代硅原子后容易引起晶格畸变，造成氧原子在附近偏聚而形成氧沉淀的异质核心，产生原生氧沉淀，成为复合中心或引入复合中心的二次`缺陷，导致硅材料中少数载流子寿命降低，另外高纯度碳可在硅熔体中形成SiC颗粒，影响硅锭的有效利用率；最后，提升隔热笼体后，坩埚底部热交換台中心和边缘散热不均匀，则在生产过程中固一液界面不水平，导致界面成核不均匀，影响柱状晶的形成，固一液界面不水平同时也导致硅锭中热应カ较大，使硅锭中缺陷较多，过多缺陷易形成光生少数载流子的复合中心，影响硅电池的光电转换效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种水致冷铸锭炉及其铸锭エ艺，解决现有的硅锭铸造炉在铸造硅锭时，采用升降装置提升隔热笼的方式来降低硅料熔化速度和控制长晶速度，带来硅锭存在大量的晶界和位错的缺点，以及碳杂质含量増加导致硅材料中少数载流子寿命的降低的缺陷。
[0006]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种水致冷铸锭炉，包括炉体、设置在炉体内的隔热笼以及设置在隔热笼中热交換台，所述的热交換台上放置有一个坩埚，所述的坩埚的顶端及四周分布有加热器，热交換台的下端设置有底部加热器，所述的热交換台的下端设置有水冷盘，且水冷盘位于底部加热器的下端，水冷盘内设流腔，并设置进水口和出水ロ，进水口和出水ロ通过流腔连通，进水口和出水ロ还分别连通炉体外端。本装置通过向水冷盘通入冷水降低坩埚底部的温度，而底部加热器则提升坩埚底部的温度，两者配合下保持固一液界面横向温度梯度趋于零，给晶体生长提供理想的温场条件，促进晶体柱状生长；在退火阶段，底部石墨加热器和水冷盘双重作用可以在较短时间内使硅锭温度均一，获得较优化的退火条件，有利于硅锭内部热应カ的释放，提高硅片的成品率；采用水冷盘降温即无需提升隔热笼，从而減少了进入坩埚里的碳粉尘，有效消除硅锭内部热应力，减小硅锭中缺陷，显著提高硅片质量。
[0007]进ー步，上述水冷盘和底部加热器之间设置有绝热固化毡，绝热固化毡可以有效阻断热量向下传递，降低能耗，保证底部加热器的加热效果。
[0008]进ー步，上述的底部加热器的上下两面都覆有ー层立方氮化硼，立方氮化硼是导热率良好的绝缘体，不但可以有效阻止石墨加热器上面石墨交換台形成电路，还可以保证热量的有效均匀传递。
[0009]进ー步，所述的热交換台通过支柱进行固定，所述的支柱的一端安装在热交換台的底面，另一端穿过隔热笼安装在炉体的底部。
[0010]进ー步，上述的坩埚的周边和下端设置有石墨护板，石墨护板不仅对坩埚起到支撑作用，还能够对炉体进行保温。
[0011]进一歩，上述 的热交換台采用石墨制成，石墨有良好的导热性能，而且导热较均匀。
[0012]进ー步，上述的坩埚的顶端、四周的加热器以及底部加热器均采用石墨制成。
[0013]水致冷铸锭炉的铸锭エ艺，包括抽真空阶段、加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火及冷却阶段，在长晶阶段时，关闭底部加热器，打开水冷盘上的进水口的闸门和出水ロ的闸门，向水冷盘通入冷却水，对坩埚进行冷却，其中冷却水的温度保持在24°C，其流量为100-500L/m ;在退火及冷却阶段吋，继续向水冷盘通入冷却水，并控制冷却水流量为120-130L/m。本发明中采用水冷盘控制长晶过程中坩埚的降温，避免了采用提升隔热笼降温产生侧面散热的弊端，而且本方法可以控制冷却水的流量来控制降温的速度，为晶体生长提供了比较好的温场环境。而且退火冷却中，也是可以控制冷却水流量来控制降温速度，从而获得较优化的退火条件，有利于硅锭内部热应カ的释放，提高硅片的成品率。
[0014]本发明的有益效果是:本装置采用水冷代替了原有提升隔热笼进行降温的方式，从而解决了因提升隔热笼，侧面散热，导致坩埚径向存在热量的传递，影响柱状晶的形成，同时，大量晶核易使硅锭存在大量的晶界和位错，晶界和位错能在硅禁带中引入深能级，易形成光生少数载流子的复合中心，进而降低硅电池的光电转换效率；也避免了隔热笼体在提升过程中与隔热笼顶部摩擦，产生碳粉尘，易进入坩埚，増加硅锭的碳杂质含量，引起晶格畸变。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图；
图中，1-炉体，2-顶部加热器，3-隔热笼，4-坩埚，5-石墨护板，6-侧部加热器，7-底部加热器，8-绝热固化毡，9-进水口，10-出水ロ，11-热交換台，12-立方氮化硼，13-水冷盘，14-支柱。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例对本发明作进ー步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例:
【实施例1】
如图1所示，一种水致冷铸锭炉，包括炉体1、设置在炉体内的隔热笼3以及设置在隔热笼3中热交換台11，所述的热交換台3上放置有一个坩埚4，所述的坩埚4的顶端及四周分布有加热器，热交換台11的下端设置有底部加热器7，所述的热交換台11的下端设置有水冷盘13，且水冷盘13位于底部加热器7的下端，水冷盘13内设流腔，并设置进水口 9和出水ロ 10，进水ロ 9和出水ロ 10通过流腔连通，进水ロ 9和出水ロ 10还分别连通炉体I外端。本装置通过向水冷盘13通入冷水降低坩埚4底部的温度，而底部加热器7则提升坩埚4底部的温度，两者配合下保持固一液界面横向温度梯度趋于零，给晶体生长提供理想的温场条件，促进晶体柱状生长；在退火阶段，底部石墨加热器7和水冷盘13双重作用可以在较短时间内使硅锭温度均一，获得较优化的退火条件，有利于硅锭内部热应カ的释放，提高硅片的成品率；采用水冷盘13降温即无需提升隔热笼3，从而减少了进入坩埚4里的碳粉尘，有效消除硅锭内部热应力，减小硅锭中缺陷，显著提高硅片质量。
[0017]本实施例的热交換台11通过支柱14进行固定，所述的支柱14的一端安装在热交换台11的底面，另一端穿过隔热笼3安装在炉体I的底部。
[0018]本实施例的坩埚4的周边和下端设置有石墨护板5，石墨护板不仅对坩埚4起到支撑作用，还能够对炉体进行保温。
[0019]本实施例的热交換台11采用石墨制成，石墨有良好的导热性能，而且导热较均匀。
[0020]本实施例的坩埚4的顶端、四周的加热器以及底部加热器7均采用石墨制成，坩埚的顶端的加热器为图中的顶部加热器2，四周的加热器为图中的侧部加热器6。
[0021]本实施例中坩埚4采用石英制成。
[0022]水致冷铸锭炉的铸锭エ艺，包括抽真空阶段、加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火及冷却阶段:
在抽真空阶段先用机械泵抽至炉压小于50毫巴，开启罗茨泵，直至炉压接近真空值；在加热阶段，处于真空模式下采用功率加热，使炉内温度尽快达到所需温度(约1100°C左右)，当达到所需温度时自动由功率加热模式转换成温控加热模式并跳入熔化阶段；进入熔化阶段后，慢慢充入氩气，最終使炉压保持在400-600毫巴，分阶段逐步加热到1500°C左右，并保持一定时间至硅料完全熔化；
在以上三个阶段冷却盘内冷却水均处于关闭状态；
在长晶阶段时，关闭底部加热器7，打开水冷盘13上的进水口 9的闸门和出水ロ 10的闸门，向水冷盘13通入冷却水,对坩埚4进行冷却,其中冷却水的温度保持在24°C,其流量为 100-500L/m ；
在退火及冷却阶段时，继续向水冷盘13通入冷却水，并控制冷却水流量为120-130L/
m0[0023]本发明中采用水冷盘13控制长晶过程中坩埚4的降温，避免了采用提升隔热笼3降温产生侧面散热的弊端，而且本方法可以控制冷却水的流量来控制降温的速度，为晶体生长提供了比较好的温场环境。而且退火冷却中，也是可以控制冷却水流量来控制降温速度，从而获得较优化的退火条件，有利于硅锭内部热应カ的释放，提高硅片的成品率。
[0024]【实施例2】
如图2，本实施例的结构与实施例1基本一致，不同之处在于水冷盘13和底部加热器7之间设置有绝热固化毡8，绝热固化毡8可以有效阻断热量向下传递，降低能耗，保证底部加热器7的加热效果。
[0025]【实施例3】
如图3，本实施例的结构与实施例2基本一致，不同之处在于底部加热器7的上下两面都覆有ー层立方氮化硼12，立方氮化硼12是导热率良好的绝缘体，不但可以有效阻止石墨的底部加热器7与石墨的交換台3形成`电路，还可以保证热量的有效均匀传递。
【权利要求】
1.一种水致冷铸锭炉，包括炉体(I)、设置在炉体内的隔热笼(3)以及设置在隔热笼(3)中热交換台(11)，所述的热交換台(11)上放置有一个坩埚(4)，所述的坩埚(4)的顶端及四周分布有加热器，热交換台(11)的下端设置有底部加热器(7)，其特征在于:所述的热交換台(11)的下端设置有水冷盘(13)，且水冷盘(13)位于底部加热器(7)的下端，水冷盘(13)内设流腔，并设置进水ロ(9)和出水ロ( 10)，进水ロ(9)和出水ロ( 10)通过流腔连通，进水ロ(9)和出水ロ( 10)还分别连通炉体(I)外端。
2.根据权利要求1所述的ー种水致冷铸锭炉，其特征在于，所述的水冷盘(13)和底部加热器(7)之间设置有绝热固化毡(8)。
3.根据权利要求1或2所述的ー种水致冷铸锭炉，其特征在于，所述的底部加热器(7)的上下两面都覆有ー层立方氮化硼(12)。
4.根据权利要求1所述的ー种水致冷铸锭炉，其特征在于，所述的热交換台(11)通过支柱(14)进行 固定，所述的支柱(14)的一端安装在热交換台(11)的底面，另一端穿过隔热笼(3)安装在炉体(I)的底部。
5.根据权利要求1所述的ー种水致冷铸锭炉，其特征在于，所述的坩埚(4)的周边和下端设置有石墨护板(5)。
6.根据权利要求1所述的ー种水致冷铸锭炉，其特征在于，所述的热交換台(11)采用石墨制成。
7.根据权利要求1所述的ー种水致冷铸锭炉，其特征在于，所述的坩埚(4)的顶端、四周的加热器以及底部加热器(7)均采用石墨制成。
8.水致冷铸锭炉的铸锭エ艺，包括抽真空阶段、加热阶段、熔化阶段、长晶阶段、退火及冷却阶段，其特征在于，在长晶阶段时，关闭底部加热器(7)，打开水冷盘(13)上的进水口(9)的闸门和出水ロ(10)的闸门，向水冷盘(13)通入冷却水,对；t甘埚(4)进行冷却,其中冷却水的温度保持在24°C，其流量为100-500L/m，直到长晶完成；在退火及冷却阶段时，继续向水冷盘(13)通入冷却水，并控制冷却水流量为120-130L/m。
【文档编号】C30B29/06GK103451726SQ201310377948
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】林洪峰, 李书森, 冯媛, 刘兴翀, 兰洵, 龙巍, 赵秀生 申请人:天威新能源控股有限公司