侧部加热器电缆排布和电磁搅拌器的制作方法

1.本发明涉及晶体生长设备领域，特别涉及一种炉腔内电流和炉腔外电流相互配合的电磁搅拌装置及其使用方法。


背景技术：

2.定向凝固法晶硅铸锭生长炉是硅晶体生长及硅片制造领域的一个关键设备。相比直拉法单晶硅生长，铸锭法的优势是能耗低和生产成本低，缺点是硅晶体有更多的杂质，以及位错和晶界等缺陷。随着背钝化和异质结等高效电池技术的推广普及，铸造多晶硅电池的转换效率，和单晶电池的差距越来越大。铸锭技术需要提高硅晶体品质，这有赖于发展基于籽晶生长的铸锭单晶技术。
3.在铸锭硅晶体生长过程中，熔硅中的碳和氮杂质一般都达到饱和溶解度浓度,其固液分凝系数分别是0.07和不到0.001的水平，意味着固液界面向前推进过程中，绝大部分的碳和氮杂质都将被排到熔硅中。如果熔硅中没有足够强度的对流，排入熔体中的碳氮杂质不能被及时带走，会在界面前沿形成杂质富集层，促进碳化硅和氮化硅的形核析出。这会进一步导致三方面不利影响：首先形成点状杂质和红外检测的阴影缺陷，降低铸锭良率；其次，氮化硅和碳化硅沉淀使得晶砖的硬度增加，更难切片，进一步导致切片成本升高和切片良率（每公斤晶砖出片数）下降；最后，对于铸造单晶，杂质沉淀析出的影响更大，考虑到晶粒和位错更容易在杂质点处形核生长，影响单晶区得率和电池转换效率。因此，足够强度的熔硅对流是铸锭单晶生长的前提条件。
4.铸锭单晶生长的另一个前提条件是要能够保持固液界面平坦，也就是保证温度分布的均匀性和对称性，避免冷热区分布的不对称性。在晶体生长过程中，熔硅流速可以达到几个厘米每秒，对流传热是主导传热形式。因此，热对称性不仅依赖于发热体和热场保温结构的对称均匀性，更依赖于熔硅流场的均匀对称性，特别是要避免熔硅局部的上下翻腾流动。熔硅向上流的区域会偏冷，界面内斜，导致侧壁形核和多晶区侵入，影响单晶比例。熔硅向下流的区域，热硅流的冲刷会导致偏热，界面外斜，热应力大，位错密度增加，导致电池效率下降。
5.在保证足够对流强度前提下，保持对流的圆周对称性，改善冷热区均匀性，是铸造单晶要解决的核心问题。现有晶硅铸锭炉无法同时满足上述两项要求。国内约六千台铸锭炉大部分为gt类炉型，其加热器包括位于坩埚上方的顶部加热器和位于坩埚侧面的侧部加热器。在一些较晚近交付使用的大尺寸炉台上，顶侧加热器之外，又增加了独立控制的位于坩埚下方的底部加热器。顶、侧和底部加热器分别连接三相交流电源。在线电压25v下，峰值电流一般在1600到2800a范围。熔硅距离吊臂和侧加热器约10cm，交变电流在硅熔表面处产生30到60高斯的磁场，可以引起5到10a/cm2的感应电流。在50hz工频下，交变磁场在熔硅不同的部位穿透深度（强度减半的距离）大致在2~4cm范围。感应电流在磁场中受到洛伦兹力作用，在距离熔硅表面几个厘米深度内，其体积力可达到10n/m3以上。在铸锭炉中，沿abc方向的旋转磁场引起熔硅同方向的旋转流动。由于电流是通过吊臂自上而下引入侧加热器环
路，电流分布在竖直方向上的不对称性，导致电极两侧的熔硅在竖直方向上所受电磁力的不对称。以电极b为例，在其附近区域，偏向a电极一侧，熔硅会受到向上的拉力，而在偏向c电极一侧，则会受到向下的推力。在这类低电压大电流的炉型中，电磁搅拌力较大，有足够强度的熔硅对流，但由于电磁力场的不对称性，导致熔硅对流的不对称，晶体生长过程中冷热区分布很不均匀，无法实现高质量的铸锭单晶生长。
6.电磁搅拌力之外，熔硅对流的另一个驱动机制是热对流，即由于温度差异导致密度差异，进而引起的浮力对流。浮力来源于同一水平面上的温度差异分布，热对流的产生必然伴随着固液界面的倾斜分布。在一个扁平的熔池中，需要更大的驱动力来维持一个有序的适当强度的热对流流场，意味着在g7或g8大尺寸铸锭中，需要有更大的中心-边缘固液界面高度差，而这会损害晶体质量。首先，过度凸起的界面意味着更长的边缘长晶时间，也就是更严重的杂质扩散，包括坩埚中杂质向硅锭的扩散，以及硅锭顶部分凝积聚的金属杂质向硅锭内部的反扩散。其次，更凸的界面也意味着在温度均匀化的退火过程中会产生更高的应力，导致更高的位错密度。再次，在掺镓的硅晶体中，由于镓的分凝系数只有0.008，不平整的固液界面意味着热区晶砖的上部容易出现低电阻，以及在同一张硅片内电阻率分布的不均匀。
7.由于过凸界面有以上弊端，在电磁搅拌力不足，需要依赖热对流排杂的情况下，热对流的强度一般只能维持在一个较低的水平，前述弱对流导致杂质富集和沉淀析出，以及相关的各种问题都会出现。国内近几年有至少四家晶硅铸锭公司，先后尝试了高电压低电流的炉型设计。由于电磁搅拌力（正比于电流平方）下降，对流强度下降，该炉型的冷热区对称性自动得到显著改善，但对流强度下降后相伴而来的对硅料品质的高要求，容易出现杂质阴影缺陷，以及晶砖硬度增加更难切片的问题，使得几家公司在经过几年的调试后，被迫先后放弃了这一炉型的研发。
8.加热器的发热均匀性是高质量长晶的基础，侧部加热器上下分层独立控制结构，侧加热器上层和顶加热器并联的结构，顶和侧部加热器通过厚度变化实现局部发热量调控的设计，侧部加热器采用六电极同时和顶加热器共享其中三个电极的结构等不同设计见于专利cn107523867、cn107699943和cn108193266。前述的结构都是针对加热器发热量均匀性的改善，并不能解决吊臂处洛伦兹力不对称的问题。在大尺寸铸锭中，电磁搅拌力起主导的作用，仅针对发热均匀性的改善，并不能解决晶锭冷热区不对称的问题。
9.电阻加热器在发热的同时，利用其电流产生一个移动磁场来调节熔硅对流，这样的铸锭炉设计见于专利de102009045680。其侧部加热器为多层线圈结构，虽然可以产生竖直方向的移动磁场，但由于各层线圈处在不同高度，其线圈的外部连接电极没有四面对称性，导致电磁搅拌力场四面不对称。专利wo2007148988中提出了一种铸锭炉结构，在炉壳和保温层之间布置多层水冷铜线圈，通过馈入不同位相的交变电流，实现对熔硅的电磁搅拌。这种结构需要专门的供电单元和线圈布置，需要额外消耗电能，且占用炉腔内空间，这不利于现有铸锭炉的升级改造。专利cn111910247提供了一种旋转坩埚的铸锭炉，其优点是通过硅锭的旋转可以解决冷热区分布不对称的问题，但其设备热场改造较复杂，且有以下两点不足：首先，由于旋转，侧加热器与熔硅间的平均距离增大，导致电磁驱动力下降，对流强度下降；其次，如果使用近圆形坩埚，切割方形晶砖时会损失铸锭良率，而如果使用偏离圆形的坩埚，则坩埚和保温层之间的间隙变大，导致电耗增加。专利申请202110144662提供了一
种侧部加热器设计，其产生的旋转磁场和在坩埚四周方向一致的向上或向下的运动磁场，实现了强电磁搅拌下较好的冷热区对称性。本发明提供一种结构，通过炉腔内侧部加热器与其位于炉外的电缆相互配合，实现强电磁搅拌，同时保证力场的均匀对称性。


技术实现要素：

10.本发明针对现有标准的侧加热器结构，针对其电磁力分布在吊臂附近不对称的起因，在炉腔外部布置侧部加热器的连接电缆，使得炉腔外部电流结构产生的电磁力场的不对称分布，与炉腔内部侧加热器电流引起的电磁力场的不对称分布，方向相反互相抵消减弱，炉腔内部和外部电流相互配合，实现强电磁搅拌下熔硅对流的对称性，其详细特征描述如下。
11.一种晶体生长炉用的电磁搅拌装置，包括位于炉腔内部侧部加热器和位于炉腔外的导体电路两个部分，其特征是。
12.侧部加热器是由多段不同形状的加热段，使用螺栓依次首尾连接而成的围绕坩埚一周的闭环；在所述侧加环路上，大致均匀布置n个电极接入点，将侧加热器环路大致均分为n段，n=3或4；n个石墨电极，在侧加热器环路上方，首先穿过顶部或侧部保温板，再分别通过一个向下延伸的吊臂，在所述电极接入点处，连接加热器环路；在所述n个石墨电极上，施加n相交变电压，其频率范围1到500hz，相邻两相间电压的范围是12v到72v。
13.从炉腔竖直中心线向外投影，所述侧加热器环路上的n个电极接入点将炉腔外壁大致均分为n个扇形区域，在每一个扇形区域内，分别布置一个炉腔外导体电路，其包括两个部分：其一是跨越所述扇形区，位于侧加热器环路下边缘高度和顶保温板上表面高度之间的横向延伸段；其二是分别位于所述横向延伸段两端，在侧加热器吊臂临近位置的两个向下延伸段；所述横向延伸段和两个向下延伸段靠近炉腔外壁布置。
14.所述n个炉腔外导体电路，分别作为侧加热器外部连接电缆的一段，串联接入侧加热器电路；其一侧向下延伸段的下端，连接至侧加热器电源的一个引出端子，其另一侧向下延伸段的下端，连接至一个侧加热器石墨电极。
15.在所述的总计n个扇形区中的任意m个扇形区内，m不大于n，炉腔外导体电路可以为双匝结构，包括两根平行紧邻布置的横向延伸段a和b，a横向延伸段两端分别连接向下延伸段a1和a2，b横向延伸段两端分别连接向下延伸段b1和b2，a1和b1两个向下延伸段相互临近，位于所在扇形区的同一侧；连接向下延伸段a1的下端和向下延伸段b2的下端，形成闭合双匝回路；余下两个向下延伸段a2和b1的下端，一个连接到侧加热器电源的一个引出端子，另一个连接至侧加热器的一个石墨电极。
16.作为优选，所述侧部加热器交变电源为工频。
17.作为优选，所述炉腔外导体电路的横向延伸段，位于侧加热器环路中心高度和顶加热器高度之间。作为进一步优选，所述炉腔外导体电路的横向延伸段由多个水平段和倾斜段组合而成。
18.作为优选，所述炉腔外导体电路的向下延伸段，其长度不小于0.3米，其与竖直方向之间的偏差角不大于60度。
19.作为优选，所述炉腔外导体电路的任一个向下延伸段，与临近侧加热器吊臂在炉腔外壁上的投影位置之间，在水平方向上的偏差距离不大于0.6米；作为进一步优选，所述
偏差距离不大于0.3米。
20.作为优选，沿炉体中心竖直轴线顺时针旋转方向规定为电流正方向，所述n段侧加热器环路中的任意一段中的电流位相，与临近的位于同一扇区内的炉腔外导体电路的横向延伸段中的电流位相大致相同，两电流之间相角差的绝对值不大于60度。
21.所述侧部加热器和外部电路组成的电磁搅拌结构，可以配合不同的顶部加热器使用，包括两相、三相、四相工频交变电源驱动的两电极、三电极、四电极顶部加热器，以及直流电源驱动的顶部加热器。
22.铸锭炉炉腔材质为321或316不锈钢，为非铁磁性材料，其磁导率近似为1，其常温下电导率约1.3e6 s/m。在50hz工频条件下，集肤深度，即电流密度降低到表面处值的约37%的深度约为62毫米。g6炉腔通常内壁厚度12毫米，外壁厚度6mm。g8尺寸炉腔通常内壁厚度达到16mm，外壁厚度8mm。炉壁总厚度在18-24毫米范围，显著小于集肤深度，因此炉腔屏蔽作用有限。数值模拟计算显示，在总炉壁厚度20毫米，炉腔直径2米情况下，靠近炉壁外侧布置一个竖直向上的扁平铜母排，施加工频电流，其在炉壁中诱生的总感应电流的大小约为母排电流的一半，位相落后约140-150度。
23.在电极通过上保温板引入的铸锭炉中，电流从上部进入侧加热器环路，电流分布在竖直方向上的不对称性，导致电极两侧的熔硅在竖直方向上所受电磁力的不对称。以电极b为例，在其附近区域，偏向a电极一侧，熔硅会受到向上的拉力，而在偏向c电极一侧，则会受到向下的推力。通过在炉腔外部布置一电流回路，使其电流方向和位相与侧加环路中的电流基本一致，两个电流协同得到更大的电磁搅拌力。侧加环路的电流由上部馈入，外部电路电流则由下部馈入，它们电极连接点两侧产生的不对称的拉力或推力方向相反，部分抵消，得到更均匀的电磁力场，进而得到均匀一致的熔硅流场，这有利于实现高质量的铸锭单晶生长。
附图说明
24.图1是一种侧部加热器电缆布置和电磁搅拌结构。
25.1、5、8-侧部加热器铜电极；2、12、25-侧部加热器石墨电极；4、10、33-侧部加热器铜排端子；6、13、29-侧部加热器吊臂；21、26-侧加环路电极接入点；9、24、31-侧加热器蛇形发热带；11、23、32-炉腔外导体电路横向延伸段；7、16、17、27、28、34-炉腔外导体电路向下延伸段；18、19、20-侧部加热器变压器连接端子；3、14、30-向下延伸段到侧加热器的连接铜排；15、22-向下延伸段到变压器端子的外围连接铜排。
具体实施方式
26.为使本发明的上述特征和优点更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
27.图1是一种三电极侧部加热器及其电缆布置，由三相工频交变电源驱动，相电压25v。侧部加热器石墨电极2、12、25的一侧分别连接侧加热器吊臂6、13、29，另一侧分别连接铜电极5、8、1，后者再分别连接到母线铜排端子4、10、33。炉腔外导体电路的水平延伸段11，23，32和向下延伸段17、16、17、27、28、34是炉腔外电磁驱动电路的有效工作部分，它们都紧靠炉腔外壁布置。
28.铜排端子4、10、33和向下延伸段34、16、27之间的连接部分3、14、30为非工作段，为避免对熔硅对流的干扰，其排布路线是弯折的，以避开横向延伸和向下延伸各段。基于同样的考虑，连接向下延伸段下端和侧加热器变压器的铜排11，22也是尽量靠外围布置，避免对熔硅对流产生干扰。这里三个横向延伸段位于同一水平高度，与侧部加热器环路的上边缘大致持平。六个向下延伸段的长度都是0.4米。炉腔外电路铜排宽度110毫米，厚度10毫米。
29.侧部加热器变压器连接端子18、19、20分别连接a、b、c相，其电势位相为0、-120、120度。定义沿炉体中心竖直轴心顺时针方向为侧加热器环路和炉腔外横向延伸段中的电流的正方向。侧加热器电极接入点21和电源端子19连接，电势位相-120度；侧加热器电极接入点26和电源端子20连接，电势位相120度；侧加热器吊臂6和电源端子18连接，电势位相0度。蛇形加热带24、31、9中的电流位相分别为-90、150、30度。炉腔外部的横向延伸段23，32，11中的电流的位相分别是-120，120，0度。可以发现，侧加热器环路中的任意一段中的电流位相，超前于临近的位于同一扇区内的炉腔外导体电路的横向延伸段中的电流位相30度，两组电流位相相近，互相叠加，有利于得到更大的电磁搅拌力。
30.在竖直方向上，定义向下为电流的正方向，侧加热器吊臂13中的电流位相分别为-120度。向下延伸段16中的电流位相为0度，向下延伸段17中的电流位相为60度。两个向下延伸段16和17中的总和电流的位相为30度，这和临近侧加热器吊臂13中的电流位相-120度的偏差为150度，电流方向大致反向。同样分析可以发现，在吊臂6和29与其分别临近的两个向下延伸段中的总和电流的位相偏差也都是150度。相互反向的竖直方向电流有利用减小吊臂两侧向上或向下的电磁搅拌力，得到更均匀的旋转力场。
31.调换任意两相，比如侧部加热器变压器连接端子18、19、20分别连接a、c、b相，不难发现，侧加热器环路中的任意一段中的电流位相，与临近的位于同一扇区内的炉腔外导体电路的横向延伸段中的电流位相之间的关系，从超前30度变成落后30度。吊臂中电流的位相与其分别临近的两个向下延伸段中的总和电流的位相偏差还是150度。具体选择哪种设置，需要考虑顶加热器的选择和相序连接做相应调整。实施例中侧加热器电压为25v，如果对流强度足够，而希望改善晶体生长过程中的冷热区均匀性，可以选择更高电压的侧加变压器。
32.实施例中炉腔外电路为单匝结构，考虑炉腔的屏蔽作用和外电路距离熔硅更远的情况，炉腔外电路也可以选择双匝结构，以更好抵消吊臂电流引起的力场不对称性。应用双匝布置需要注意，连接位于同一扇形区两侧的两个向下延伸段下端，以形成闭合双匝回路的辅助连接线缆，要避免靠近该区域的横向延伸段及其下部的炉壁区域，否则其中电流与横向延伸段中电流反向，双匝结构就不起作用了。
33.实施例中侧部加热器为典型的蛇形周期结构，它也可以是单层或多层并联碳碳复合材料直板，或者是它们的组合结构，这要依据变压器电压选择等实际情况确定。实例中炉腔外电路的横向延伸段水平布置，它也可以做倾斜或台阶形状布置，向下延伸段可以竖直向下，也可以倾斜一定角度，以补偿修正不同侧加热器结构下，吊臂附近特有的冷热区分布。横向延伸段和向下延伸段之外的炉腔外辅助连接电路的变化更是可以多种多样，要点是注意适度远离熔硅避免干扰。
34.实施例中侧部加热器为三电极结构，连接三相交变电源。将通常结构的斯科特变压器的两个低压线圈的中心点联通，可以得到相角差90度的四相交变电源。用四相电源连
接四电极侧部加热器，相应布置炉腔外导电结构，前述三相实例可以直接推广到四相电源结构。
35.本发明的要点是布置炉腔外电路，其水平横向电流的位相与炉内侧加热器电流大体一致，相互加强得到更强电磁搅拌力，其竖直方向电流与炉内侧加热器吊臂电流大致反向，互相抵消得到更均匀搅拌力场。本领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干调整和等同替换，这些调整和等同替换也应视为本发明的保护范围，本发明不受前述具体实施例的限制。