专利名称：一种多晶硅铸锭工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及多晶硅铸锭技术领域，特别涉及一种多晶硅铸锭工艺。
背景技术：
光伏太阳能用多晶硅铸锭领域，在铸造多晶硅时使用石英陶瓷坩埚为硅料承载模具，将高纯多晶硅原料装在带氮化硅涂层的坩埚内，经过在铸锭炉内加热、熔化、定向结晶、退火、冷却五个工艺过程，最终使高纯多晶硅料生长成用于生产太阳能电池用的多晶硅锭。坩埚内表面涂层氮化硅的目的主要是保护石英坩埚(主要成分为二氧化硅)在高温下与硅的隔离，阻止铸锭工艺中二氧化硅与硅液反应，防止污染高纯硅液，同时保证硅液
结晶后不与坩埚发生粘连现象，以便多晶硅锭在石英坩埚破裂及冷却后，保证硅锭脱模完整性。目前，多晶硅铸锭领域主要采用两种方法实现坩埚表层氮化硅涂层的有效附着，第一种方法为高温烧结方法，该方法主要将氮化硅粉末和纯水按一定比例进行搅拌，搅拌均匀后喷涂或刷涂在坩埚表面，在加热的条件下，使氮化硅溶液均匀的吸附在坩埚内表面，形成粉状涂层，然后对带涂层的坩埚进行高温焙烤，使得氮化硅牢固附着于坩埚表面。第二种方法为在喷涂氮化硅时添加某种添加剂，S卩在氮化硅粉末和纯水的混合溶液中使用添加剂，添加剂的作用是对氮化硅粉末之间和氮化硅粉末与坩埚内表面之间产生粘连作用，使得氮化硅涂层迅速在坩埚表面固化，从而免去涂层的高温烘烤步骤。从上述两种方法使用情况来看，高温烧结方法较为复杂，需要独立的烧结设备，能耗和成本较高；添加剂方法对高纯硅液来说引进了新的杂质，污染硅液，降低硅锭边缘区域的质量，同时因添加剂只是对氮化硅颗粒具有粘连作用，高温下添加剂分解，氮化硅涂层强度和致密性无法实现保护作用，对多晶硅铸锭稳定生产带来很大隐患。因此，如何提供一种既节省能源，又能够保证坩埚上氮化硅涂层烧结质量的工艺，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的为提供一种多晶硅铸锭工艺，在该工艺中完成对坩埚涂层的烧结，实现了在保证氮化硅涂层烧结质量的基础上，节省能源的目标。为解决上述技术问题，本发明提供一种多晶硅铸锭工艺，该工艺过程包括以下步骤SI、将涂有氮化硅涂层的坩埚脱水后，盛装多晶硅料并置于铸锭炉中；S2、在预设时间范围内将铸锭炉的温度升至烧结温度，并维持所述烧结温度预定时间以便将所述氮化硅涂层烧结于所述坩埚的内壁上；S3、将铸锭炉中的温度依次由烧结温度调节至所述多晶硅料熔化温度、长晶温度、退火温度、冷却温度，在相应温度下分别完成多晶硅的熔化、长晶、退火、冷却工艺。优选地,在所述步骤S2中，维持所述烧结温度的预定时间范围为45min-120min。
优选地，在所述步骤S3中，所述烧结温度调节至所述多晶硅料熔化温度的时间范围为 300min 370min。优选地,在所述步骤S2中，所述预设时间选取范围为Omin 130min。优选地，所述烧结温度范围为800°C -1100°C。优选地，在所述步骤SI中，所述氮化硅涂层的喷涂工艺温度范围为50°C -100°C。优选地，在所述步骤SI前还具有以下步骤S0、配备氮化硅溶液，所述氮化硅溶液中氮化硅与纯水的配比范围为0. 2g/ml
0.27g/ml。优选地，在所述步骤SI中，通过将喷涂后的坩埚置于空气中0. 5h 2h实现脱水 或置于干燥炉中实现脱水。本发明所提供的多晶硅铸锭工艺中，将喷涂有氮化硅的坩埚脱水后直接进行盛装多晶硅料，通过调节铸锭工艺铸锭炉的温度完成对坩埚的氮化硅涂层的烧结，并且完成氮化硅涂层烧结后，继续调节铸锭炉温度最终完成多晶硅锭的制备；与现有技术相比，本发明利用调节铸锭工艺的温度，完成坩埚的氮化硅涂层烧结，可以节省现有技术中为专门烧结氮化硅涂层设置的设备，有利于节省设备成本、人工成本，而且坩埚的氮化硅涂层烧结的过程，盛装于坩埚内部的多晶硅料同时吸收热量，可以提高多晶硅锭的加工效率。而且，烧结完成的氮化硅涂层再经受更高的温度也会对石英陶瓷和多晶硅料起到良好的隔离作用，保证多晶硅铸锭工艺的正常进行，制备具有较高质量的多晶硅锭。
图I为本发明所提供的多晶硅铸锭工艺的流程图。
具体实施例方式本发明的核心为提供一种多晶硅铸锭工艺，在该工艺中完成对坩埚涂层的烧结，实现了在保证氮化硅涂层烧结质量的基础上，节省能源的目标。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请参考图1，图I为本发明所提供的多晶硅铸锭工艺的流程图。本发明提供了一种多晶硅铸锭工艺，该工艺过程包括以下步骤SI、将涂有氮化硅涂层的坩埚脱水后，盛装多晶硅料并置于铸锭炉中；本文中所述坩埚主要是指以石英陶瓷材料作为坩埚本体，在石英陶瓷材料的内壁上均匀设置一层具有适当厚度的氮化硅材料涂层的器皿。氮化硅涂层一般首先通过喷涂或刷涂的方式，将含有氮化硅的溶液喷涂于坩埚本体的内壁，其中氮化硅溶液可以由以下方式配制首先准备将一定量预先研磨好的氮化硅粉末、适量纯水低速搅拌，其次低速搅拌纯水，然后用瓷勺慢慢的将研磨好的氮化硅粉末倒入正在搅拌的纯水中，待氮化硅全部放进纯水中，高速搅拌IOmin后开始喷涂到坩埚内壁，直到所有氮化硅溶液全部喷涂完毕。将喷涂完毕的坩埚置于空气中放置0. 5h 2h使其氮化硅层完全脱水后，再将多晶硅料盛装于坩埚内，然后将装料的坩埚放置于铸锭炉中。脱水后的氮化硅涂层在盛装多晶硅料过程中不易受到破坏，保证在后续烧结过程中形成完整的烧结涂层。
S2、在预设时间范围内将铸锭炉的温度升至烧结温度，并维持所述烧结温度预定时间以便将所述氮化硅涂层烧结于所述坩埚的内壁上；该步骤中根据不同铸锭炉所设置加热设备功率的不同，可以选择在不同预设时间范围内将铸锭炉的温度升至氮化硅涂层烧结的烧结温度，该烧结温度低于多晶硅料的熔化温度，当铸锭炉中温度维持在此烧结温度预定时间后，氮化硅涂层可以完全烧结于坩埚内壁；该步骤中烧结温度可以选择800°C 1100°C范围内的合适值。维持烧结温度的预定时间可以根据实践经验，综合考虑耗能、氮化硅涂层的烧结质量、使用性能以及铸锭炉的功率大小等情况确定。S3、将铸锭炉中的温度依次由烧结温度调节至所述多晶硅料熔化温度、长晶温度、退火温度、冷却温度，在相应温度下分别完成多晶硅的熔化、长晶、退火、冷却工艺。当步骤S2)中的氮化硅涂层烧结完毕后，将铸锭炉中的温度升至多晶硅料的熔化 温度，使坩埚内盛装的多晶硅料固体慢慢熔化为液体硅，直至完全熔化，一般地，根据铸锭炉设备功率的不同，该熔化过程需要240min 260min左右。多晶硅料完全熔化为液体硅后，调节铸锭炉中的温度使其达到长晶工艺所需的长晶温度，完成液体硅再结晶，形成多晶硅锭；该过程大约需要1300min 1700min。长晶工艺结束后，缓慢降低铸锭炉中的温度以便消除多晶硅锭内部应力，该工艺成为退火工艺，完成该工艺大约需要60min 120min。最后为冷却工艺步骤，即对多晶硅锭进行降温，将铸锭炉中的温度降至450°C左右，将多晶硅锭从铸锭炉中取出。本发明所提供的多晶硅铸锭工艺中，将喷涂有氮化硅的坩埚脱水后直接进行盛装多晶硅料，通过调节铸锭工艺铸锭炉的温度完成对坩埚的氮化硅涂层的烧结，并且完成氮化硅涂层烧结后，继续调节铸锭炉温度最终完成多晶硅锭的制备；与现有技术相比，本发明利用调节铸锭工艺的温度，完成坩埚的氮化硅涂层烧结，可以节省现有技术中为专门烧结氮化硅涂层设置的设备，有利于节省设备成本、人工成本，而且坩埚的氮化硅涂层烧结的过程，盛装于坩埚内部的多晶硅料同时吸收热量，可以提高多晶硅锭的加工效率。而且，烧结完成的氮化硅涂层再经受更高的温度也会对石英陶瓷和多晶硅料起到良好的隔离作用，保证多晶硅铸锭工艺的正常进行，制备具有较高质量的多晶硅锭。试验证明，当氮化硅涂层烧结后的表面外观质量与时间有关，烧结时间越短，氮化硅涂层的外观质量越差，当烧结时间低于45min时，氮化硅涂层烧结后的外观质量比较差；但也并非意味着，烧结时间越长，氮化硅涂层的烧结表面质量越好，实践证明，当烧结时间超过一定时间后，烧结后氮化硅涂层的表面质量并没有比较大的变化。因此，在一种优选的实施方式中，在上述步骤S2)中，维持所述烧结温度的预定时间范围为45min-l20min，该时间范围可以满足现有不同功率铸锭炉设备对坩埚的氮化硅涂层的烧结要求，既可以保证氮化硅涂层的表面烧结外观质量，满足铸锭工艺的使用要求，保证多晶硅锭的生产质量，又可以节省氮化硅涂层烧结的能耗，降低加工成本。当然，也可以针对某一具体功率的铸锭炉通过多次试验，获得该铸锭炉的最佳烧结氮化硅涂层的预定时间。在上述各实施方式的步骤S3)中，烧结温度调节至所述多晶硅料熔化温度的时间范围为300min 370min，多晶硅料的熔化温度一般为1500°C 1560°C，也就是说，在300min 370min左右时间内，将铸锭炉中的温度从氮化硅涂层的烧结温度800°C 1100°C，升高至 1500。。 1560。。。该实施方式中，烧结温度调节至所述多晶硅料熔化温度的时间范围的选取不仅满足了现有阶段不同功率铸锭炉对氮化硅涂层的烧结需求，而且在该时间范围内达到多晶硅的熔化温度，可以尽可能小的减少对氮化硅涂层外观质量的影响。在上述各实施例的步骤S2)中，预设时间的范围可以设为Omin 130min的任意数值，该具体数值的确定可以由具体的铸锭炉决定。上述各实施例中的烧结温度范围可以为800°C 1100°C，在该范围内温度数值基本上可以满足氮化硅涂层的烧结，且设备能耗比较低；当然，烧结温度的数值也不完全局限于上述温度范围，只要能完成氮化硅涂层的烧结，且低于多晶硅料熔化温度即可。上述各实施例中，步骤SI)中所述氮化硅涂层的喷涂工艺温度范围可以为50°C 100°C，该温度范围有利于形成喷涂厚度比较均匀的氮化硅涂层。·上述各实施例中，在所述步骤SI)前还可以增加以下步骤S0、配备氮化硅溶液，所述氮化硅溶液中氮化硅与纯水的配比范围为0.2
0.27g/ml ；氮化硅涂层的喷涂厚度可以为Imm 2mm，该配比范围内配制的氮化硅溶液基本上可以满足不同喷涂厚度的需求；例如在一种具体实施方式
中，可以选取氮化硅粉末350g 400g搅拌于纯水1500ml 1800ml中配制成乳胶状氮化娃溶液。在所述步骤SI)中，喷涂后氮化硅涂层的脱水方式由多种形式，可以将其置于干燥炉中，实现快速脱水；也可以通过将喷涂后的坩埚置于空气中0. 5h 2h实现脱水，置于空气中脱水方式无需消耗额外的能源，节省成本。以上对本发明所提供的一种多晶硅铸锭工艺进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种多晶硅铸锭工艺，其特征在于，该工艺过程包括以下步骤 51、将涂有氮化硅涂层的坩埚脱水后，盛装多晶硅料并置于铸锭炉中； 52、在预设时间范围内将铸锭炉的温度升至烧结温度，并维持所述烧结温度预定时间，以便将所述氮化硅涂层烧结于所述坩埚的内壁上； 53、将铸锭炉中的温度依次由烧结温度调节至所述多晶硅料熔化温度、长晶温度、退火温度、冷却温度，在相应温度下分别完成多晶硅的熔化、长晶、退火、冷却工艺。
2.如权利要求I所述的多晶硅铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤S2中，维持所述烧结温度的预定时间范围为45min 120min。
3.如权利要求2所述的多晶硅铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤S3中，所述烧结温度调节至所述多晶硅料熔化温度的时间范围为300min 370min。
4.如权利要求3所述的多晶硅铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤S2中，所述预设时间选取范围为Omin 130min。
5.如权利要求I至4任一项所述的多晶硅铸锭工艺，其特征在于，所述烧结温度范围为800。。 1100。。。
6.如权利要求5所述的多晶硅铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤SI中，所述氮化硅涂层的喷涂工艺温度范围为50°C 100°C。
7.如权利要求5所述的多晶硅铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤SI前还具有以下步骤 SO、配备氮化硅溶液，所述氮化硅溶液中氮化硅与纯水的配比范围为0.2g/ml 0.27g/ml。
8.如权利要求I所述的多晶硅铸锭工艺，其特征在于，在所述步骤SI中，通过将喷涂后的坩埚置于空气中0. 5h 2h实现脱水或置于干燥炉中实现脱水。
全文摘要
本发明公开了一种多晶硅铸锭工艺，该工艺过程包括以下步骤首先将喷涂有氮化硅涂层的坩埚脱水后，盛装多晶硅料并置于铸锭炉中；其次在预设时间范围内将铸锭炉的温度升至烧结温度，并维持烧结温度预定时间以便将氮化硅涂层烧结于坩埚的内壁上；最后将铸锭炉中的温度依次由烧结温度调节至多晶硅料熔化温度、长晶温度、退火温度、冷却温度，在相应温度下分别完成多晶硅的熔化、长晶、退火、冷却工艺；本发明利用调节铸锭工艺的温度，完成坩埚的氮化硅涂层烧结，有利于节省设备成本、人工成本，可以提高多晶硅锭的加工效率，而且，烧结完成的氮化硅涂层对石英陶瓷和多晶硅料起到良好的隔离作用，保证制备具有较高质量的多晶硅锭。
文档编号B05D7/24GK102719889SQ20121022394
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者潘家明, 潘明翠 申请人:英利能源(中国)有限公司