专利名称：多晶硅铸锭炉的坩埚平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及冶金法太阳能级多晶硅制备技术领域，特别涉及一种多晶硅铸锭炉的坩埚平台。
背景技术：
随着能源的逐渐枯竭，光伏发电的应用前景越来越广阔。而光伏应用中，多晶硅电池已经逐步取代了单晶硅电池，成为光伏电池的主流。多晶硅电池是将硅原料先进行铸锭， 然后再切方和切片制作的。多晶硅铸锭过程对多晶硅电学性能的影响十分重要。在多晶硅的结晶过程中，由于要尽量减少位错和杂质，因此希望晶粒越大越好，最好是长成晶粒粗大的柱状晶，这与一般金属结构材料的结晶要求恰好相反。由于太阳能电池片的PN结最好是沿[111]晶向，因此，希望柱状晶越垂直越好。为此，对多晶硅的铸锭过程和工艺提出了相应的要求。太阳能电池用多晶硅的铸锭过程如下，将硅料放入坩埚内熔化，在液态下保温一段时间后，设法使坩埚底部首先冷却，达到硅的熔点后，硅熔体开始结晶，并在坩埚底部附近形成水平的固液界面。然后底部继续降温，固液界面上移，上移的速度即为硅晶体的生长速度，这样当固液界面移到硅液顶部时，整个坩埚内的硅液就全部结晶完毕。因此，太阳能电池用多晶硅的铸锭过程实际也是一个定向凝固的过程。要保证多晶硅晶粒的柱状形貌及生长方向的垂直，即必须保持固液界面的水平。 如果固液界面不能保持水平状态，则必然出现晶体的侧向生长。在现有多晶硅熔化定向凝固炉(DSS)即现有多晶硅铸锭炉中，通常是采用坩埚下降或保温体上升的方式来实现由底部至顶部逐渐降温的，这样的结构，加热体必然要放置在坩埚的四周，加热方式为侧面加热。现有多晶硅铸锭炉的坩埚平台为顶部表面和底部表面都是平面的厚度均勻的结构，坩埚放置于所述坩埚平台上。在侧面加热体和保温体沿坩埚轴向向上移动时，坩埚内硅熔体的热量同时向下及向侧面传送。热量向下传送时，到达坩埚平台，当坩埚平台厚度均勻时， 产生均勻传热，此时，由于坩埚侧面的辐射传热而导致铸锭边缘与中心的温度产生梯度，中心温度高而边缘温度底，形成向下凹的固液界面。采用现有多晶硅铸锭炉的坩埚平台形成的多晶硅铸锭最后会出现较多的晶体的侧向生长。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多晶硅铸锭炉的坩埚平台，在侧面加热方式下能有效地抑制坩埚平台中心和外围温度不均衡的情况，保证坩埚底部的等温面为平面，从而能有效地保证晶体生长时的固液界面为水平并保证多晶硅铸锭时能够形成垂直生长的柱状晶。本实用新型提供多晶硅铸锭炉的坩埚平台的顶部为平面结构，坩埚放置于所述坩埚平台的顶部表面上，加热体和保温体放置于所述坩埚的侧面四周，所述坩埚平台底部为一凹坑结构，所述凹坑结构的中心位于所述坩埚平台的底部中心、所述凹坑结构的边缘和所述坩埚平台的底部边缘相隔一段距离，所述坩埚平台的厚度从所述凹坑结构的中心往所述凹坑结构的边缘逐渐增加，所述坩埚平台厚度的逐渐增加值满足使所述坩埚底部的向下散热速率从中心往边缘处递减并能抵消从中心往边缘处递增的所述坩埚底部的侧向散热速率，使所述坩埚内硅液在铸锭时固液界面保持水平。进一步的改进为，所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为正方形、 或所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为圆形，所述凹坑结构为一球冠形、 所述凹坑结构的沿中心正视剖面图为一圆弧形；所述凹坑结构具有如下的尺寸关系D = IqL、R = k/lA/Sl^H+kiH/^，其中D为所述凹坑结构的边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、H为所述坩埚平台的顶部和底部边缘处的厚度、Ic1为0 1之间的与所述坩埚平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关的常数、1 为0 1之间的与所述坩埚平台及所述坩埚的相对大小有关的常数， R为所述球冠形的半径。进一步的改进为，Ii1的值为0. 5 0. 9 ；Ii2的值为0. 2 0. 9。进一步的改进为，Ii1的值为0. 6 0. 7 ;k2的值为0. 5 0. 8。进一步的改进为，所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为正方形、 或所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为圆形，所述凹坑结构为一由离散化台阶组成的具有球冠形轮廓的凹坑、所述凹坑结构的沿中心正视剖面图为一由离散化台阶组成的具有圆弧形轮廓的曲线；所述凹坑结构具有如下的尺寸关系D = IqL、R = ▽1^/81^+1^/2，其中D为所述凹坑结构的边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、H为所述坩埚平台的顶部和底部边缘处的厚度、Ic1为0 1之间的与所述坩埚平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关的常数、1 为0 1之间的与所述坩埚平台及所述坩埚的相对大小有关的常数，R为所述球冠形的半径。进一步的改进为，Ii1的值为0. 5 0. 9 ;k2的值为0. 2 0. 9。进一步的改进为，Ii1的值为0. 6 0. 7 ;k2的值为0. 5 0. 8。进一步的改进为，所述凹坑结构的离散化台阶的数量为5个以上。本实用新型的坩埚平台能有效抑制平台中心和外围温度不均衡的情况，在整个晶体生长过程中，能够保持坩埚底部的边缘与中心的温度误差在2°C以内，保证了坩埚底部的等温面为平面，因此，有效地保证了晶体生长时的固液界面为水平，从而保证多晶硅铸锭时能够形成垂直生长的柱状晶。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明
图1是本实用新型实施例一或二坩埚平台的沿中心正视剖面图；图2是本实用新型实施例一坩埚平台的仰视图；图3是本实用新型实施例二坩埚平台的仰视图；图4是本实用新型实施例三或四坩埚平台的沿中心正视剖面图；图5是本实用新型实施例三坩埚平台的仰视图；图6是本实用新型实施例四坩埚平台的仰视图。
具体实施方式
如图1所示，是本实用新型实施例一或二坩埚平台的沿中心正视剖面图；如图2 所示是本实用新型实施例一坩埚平台的仰视图；如图3所示是本实用新型实施例二坩埚平台的仰视图。本实用新型实施例一或二的多晶硅铸锭炉的坩埚平台的顶部为平面结构，坩埚放置于所述坩埚平台的顶部表面上，加热体和保温体放置于所述坩埚的侧面四周， 所述坩埚平台底部为一凹坑结构，所述凹坑结构的中心位于所述坩埚平台的底部中心、所述凹坑结构的边缘和所述坩埚平台的底部边缘相隔一段距离；如图2所示，本实用新型实施例一的所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为正方形；如图3所示，本实用新型实施例二的所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为圆形；如图1所示，本实用新型实施例一或二的所述坩埚平台的所述凹坑结构为一球冠形、所述凹坑结构的沿中心正视剖面图为一圆弧形；所述凹坑结构的具有如下的尺寸关系D = hL、R = k/P/Sl^H+kiH/^，其中本实用新型实施例一中D为所述凹坑结构的边缘组成的正方形的边长、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的正方形的边长，本实用新型实施例二中D为所述凹坑结构的边缘组成的圆形的直径、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的圆形的直径，本实用新型实施例一或二中H为所述坩埚平台的顶部和底部边缘处的厚度，本实用新型实施例一或二中Iq为0 1之间的与所述坩埚平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关的常数， 本实用新型实施例一或二中1 为0 1之间的与所述坩埚平台及所述坩埚的相对大小有关的常数，R为所述球冠形的半径。h的较佳值为0. 5 0. 9、最佳选择为0. 6 0. 7 ;k2的较佳值为0. 2 0. 9、最佳选择为0. 5 0. 8。所述凹坑结构使所述坩埚平台的厚度从所述凹坑结构的中心往所述凹坑结构的边缘逐渐增加，并且所述坩埚平台厚度的逐渐增加值满足使所述坩埚底部的向下散热速率从中心往边缘处递减并能抵消从中心往边缘处递增的所述坩埚底部的侧向散热速率，使所述坩埚内硅液在铸锭时固液界面保持水平。如图4所示，是本实用新型实施例三或四坩埚平台的沿中心正视剖面图；图5是本实用新型实施例三坩埚平台的仰视图；图6是本实用新型实施例四坩埚平台的仰视图。本实用新型实施例三或四和本实用新型实施例一或二的区别是所述凹坑结构为一由离散化台阶组成的具有球冠形轮廓的凹坑、所述凹坑结构的沿中心正视剖面图为一由离散化台阶组成的具有圆弧形轮廓的曲线。如图5所示，本实用新型实施例三的所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为正方形；如图6所示，本实用新型实施例四的所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为圆形。本实用新型实施例三或四的坩埚平台的所述凹坑结构的具有如下的尺寸关系D = kiL、R = k/lA/Sl^H+kiH/^，其中本实用新型实施例三中D为所述凹坑结构的边缘组成的正方形的边长、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的正方形的边长，本实用新型实施例四中D为所述凹坑结构的边缘组成的圆形的直径、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的圆形的直径，本实用新型实施例三或四中H为所述坩埚平台的顶部和底部边缘处的厚度，本实用新型实施例三或四中Ic1为0 1之间的与所述坩埚平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关的常数，本实用新型实施例三或四中1 为0 1 之间的与所述坩埚平台及所述坩埚的相对大小有关的常数，R为所述球冠形的半径。1^的较佳值为0. 5 0. 9、最佳选择为0. 6 0. 7 ;k2的较佳值为0. 2 0. 9、最佳选择为0. 5 0.8。本实用新型实施例三或四中所述凹坑结构的离散化台阶的数量为5个以上。所述凹坑结构使所述坩埚平台的厚度从所述凹坑结构的中心往所述凹坑结构的边缘逐渐增加，并且所述坩埚平台厚度的逐渐增加值满足使所述坩埚底部的向下散热速率从中心往边缘处递减并能抵消从中心往边缘处递增的所述坩埚底部的侧向散热速率，使所述坩埚内硅液在铸锭时固液界面保持水平。本实用新型实施例三坩埚平台的一个较佳实施方式为，各参数的取值分别为L =960厘米，H = 160厘米，Ii1 = 0. 618，k2 = 0. 618，并分别计算可得D = 593厘米，R = 494厘米。加工时，进行离散化加工，取6个台阶，即所述凹坑结构的离散化台阶的数量为 6。采用本实用新型实施例三较佳实施方式坩埚平台进行多晶硅铸锭的生长方法如下，在所述坩埚平台的顶部表面上放置外围边长为870厘米的正方形坩埚，内装450公斤多晶硅硅料；加热，硅料熔化后，开始结晶；使所述多晶硅铸锭炉的侧面加热体和保温体以每小时10毫米 20毫米的速度向上移动，同时，每间隔四小时测量一次坩埚底部的中心点和距离中心240厘米、400厘米处的温度。测温采用红外测温仪。为了进行红外测温，在坩埚平台底部钻有测温孔，以便红外测温仪可以从底部测量到坩埚底部不同位置的温度。具体测量结果如表1所示，从表1可以看出，采用本实用新型实施例三较佳实施方式的所述坩埚平台，有效地抑制了坩埚底部平台中心和外围温度不均衡的情况，在整个晶体生长过程中，能够保持坩埚底部的边缘与中心的温度误差在2°C以内，保证了坩埚底部的等温面为平面，因此，有效地保证了晶体生长时的固液界面为水平，从而保证多晶硅铸锭时能够形成垂直生长的柱状晶，采用本实用新型实施例三较佳实施方式坩埚平台形成的多晶硅铸锭的纵向剖面和现有技术形成的多晶硅铸锭相比，本实用新型实施例三较佳实施方式坩埚平台形成的多晶硅铸锭能大大减少晶体的侧向生长，形成较好的柱状晶。表 权利要求1.一种多晶硅铸锭炉的坩埚平台，坩埚平台的顶部为平面结构，坩埚放置于所述坩埚平台的顶部表面上，加热体和保温体放置于所述坩埚的侧面四周，其特征在于所述坩埚平台底部为一凹坑结构，所述凹坑结构的中心位于所述坩埚平台的底部中心、所述凹坑结构的边缘和所述坩埚平台的底部边缘相隔一段距离，所述坩埚平台的厚度从所述凹坑结构的中心往所述凹坑结构的边缘逐渐增加，所述坩埚平台厚度的逐渐增加值满足使所述坩埚底部的向下散热速率从中心往边缘处递减并能抵消从中心往边缘处递增的所述坩埚底部的侧向散热速率，使所述坩埚内硅液在铸锭时固液界面保持水平。
2.如权利要求1所述多晶硅铸锭炉的坩埚平台，其特征在于所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为正方形、或所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为圆形，所述凹坑结构为一球冠形、所述凹坑结构的沿中心正视剖面图为一圆弧形；所述凹坑结构具有如下的尺寸关系D = hL、R^k2xL2 !%k2H ^kxH 12，其中D为所述凹坑结构的边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、H为所述坩埚平台的顶部和底部边缘处的厚度、Ic1为0 1之间的与所述坩埚平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关的常数、1 为0 1之间的与所述坩埚平台及所述坩埚的相对大小有关的常数，R为所述球冠形的半径。
3.如权利要求2所述多晶硅铸锭炉的坩埚平台，其特征在于^的值为0.5 0. 9 ;k2 的值为0.2 0.9。
4.如权利要求2所述多晶硅铸锭炉的坩埚平台，其特征在于^的值为0.6 0. 7 ;k2 的值为0.5 0.8。
5.如权利要求1所述多晶硅铸锭炉的坩埚平台，其特征在于所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为正方形、或所述坩埚平台的底部边缘和所述凹坑结构的边缘都为圆形，所述凹坑结构为一由离散化台阶组成的具有球冠形轮廓的凹坑、所述凹坑结构的沿中心正视剖面图为一由离散化台阶组成的具有圆弧形轮廓的曲线；所述凹坑结构具有如下的尺寸关系山=1^、尺= <亡/8夂孖+ &孖/2，其中D为所述凹坑结构的边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、L为所述坩埚平台的底部边缘组成的正方形的边长或圆形的直径、H为所述坩埚平台的顶部和底部边缘处的厚度、Ic1为0 1之间的与所述坩埚平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关的常数、1 为0 1之间的与所述坩埚平台及所述坩埚的相对大小有关的常数，R为所述球冠形的半径。
6.如权利要求5所述多晶硅铸锭炉的坩埚平台，其特征在于^的值为0.5 0. 9 ;k2 的值为0.2 0.9。
7.如权利要求5所述多晶硅铸锭炉的坩埚平台，其特征在于^的值为0.6 0. 7 ;k2 的值为0.5 0.8。
8.如权利要求5所述多晶硅铸锭炉的坩埚平台，其特征在于所述凹坑结构的离散化台阶的数量为5个以上。
专利摘要本实用新型公开了一种多晶硅铸锭炉的坩埚平台，坩埚平台底部为一凹坑结构，凹坑结构为一球冠形、凹坑结构的沿中心正视剖面图为一圆弧形，或者凹坑结构为由离散化台阶组成的具有球冠形轮廓的凹坑、凹坑结构的沿中心正视剖面图为一由离散化台阶组成的具有圆弧形轮廓的曲线，凹坑结构使坩埚平台的厚度从凹坑结构的中心往凹坑结构的边缘逐渐增加。本实用新型能有效地抑制坩埚平台中心和外围温度不均衡的情况，在整个晶体生长过程中，能够保持坩埚底部的边缘与中心的温度误差在2℃以内，保证坩埚底部的等温面为平面，从而能有效地保证晶体生长时的固液界面为水平并保证多晶硅铸锭时能够形成垂直生长的柱状晶。
文档编号C30B28/06GK201971923SQ20102061943
公开日2011年9月14日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者史珺, 程素玲 申请人:上海普罗新能源有限公司