CN103243386A - 一种多晶硅铸锭炉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅铸锭炉系统，包括铸锭炉(1)，所述铸锭炉(1)的炉腔中设有坩埚(4)，所述坩埚(4)和所述铸锭炉(1)的炉壁之间还设置有隔热笼(2)，所述隔热笼(2)内还设置有围绕所述坩埚(4)的加热器(3)，所述坩埚(4)内侧壁与所述铸锭炉(1)内侧壁之间的间距处处相等；因盛装硅锭的坩埚(4)的内侧壁与所述铸锭炉(1)的内侧壁之间的间距处处相等，这样，坩埚(4)周壁散热比较均匀，在横向温度上不存在温度差，与坩埚(4)内侧壁接触的硅锭周壁受热比较均匀，硅锭横向温度布置比较均匀一致，改善硅锭的横向温度梯度，有利于晶体只沿纵向生长，降低硅锭内部晶体缺陷，提高了电池转换效率。

Description

一种多晶硅铸锭炉系统

技术领域

本发明涉及多晶硅技术领域，特别是涉及一种多晶硅铸锭炉系统。

背景技术

多晶硅铸锭的主要工序包括喷涂、装料、铸锭炉和硅块检测四个步骤，其中，铸锭炉工序将装好的硅料装入铸锭炉，经过抽真空、加热、熔化、长晶、退火、冷却、硅锭卸载几个步骤铸造成符合标准的多晶硅锭。

请参考图1，图1为现有技术中一种典型的多晶硅铸锭炉系统中的局部结构示意图；图2为图1的A-A方向结构示意图。

铸锭炉工序主要部件包括铸锭炉1’以及设置于铸锭炉1’内部的坩埚4’、隔热笼2’和加热器3’等部件，隔热笼2’一般包括隔热笼侧部21’、隔热笼底部22’和隔热笼上部23’，在硅锭铸造过程中，硅料在真空状态下被加热至熔点以上，约达到1560℃，坩埚4’内硅料在此过程中逐渐熔化成液态。在熔化后期开始通入氩气，同时缓慢打开隔热笼侧部21’(部分设备会配合一些其他措施。如挡板控制隔热笼2’内部上下热传递，底部水冷铜盘、中空DS块5’通入冷却气体等)来实现长晶过程。在此过程中，加热器3’(一般加热器3’包括加热器侧部31’和加热器上部32’两部分)往往也会继续对坩埚进行加热，完成长晶过程后，炉腔内上下温度会逐步降至1370℃左右，达到均衡以进行硅锭的退火，去除硅锭内应力及降低晶体缺陷，以防止硅锭产生裂纹提高硅锭品质。退火完成后，硅锭在炉腔内逐渐降温至400℃左右进行出炉。

其中，形成于坩埚4’内的热场是影响硅锭质量的重要因素之一，硅锭在成型时，要尽可能的在热场的引导下沿纵向生长，减少横向或其他方向的生长。

但是，现有技术中的坩埚4’内壁各部位其所受的冷量是不一样的，这样将会导致坩埚4’各部位散热不均匀，因而将会引起坩埚4’局部过冷，形成横向温度梯度，导致硅锭内部晶体生长方向杂乱无章，不利于晶体垂直生长，最终使晶体缺陷增加，影响电池转换效率。

因此，如何提高一种有利于硅锭纵向生长的多晶硅铸锭炉系统，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的旨在提供一种有利于硅锭纵向生长的多晶硅铸锭炉系统。

为实现上述目的，本发明提供了包括铸锭炉，所述铸锭炉的炉腔中设有坩埚，所述坩埚和所述铸锭炉的炉壁之间还设置有隔热笼，所述隔热笼内还设置有围绕所述坩埚的加热器，所述坩埚的内侧壁与所述铸锭炉的内侧壁之间的间距处处相等。

优选地，所述加热器的内侧壁与所述坩埚的内侧壁之间的间距处处相等。

优选地，所述隔热笼的内侧壁与所述坩埚内侧壁的之间的间距处处相等。

优选地，所述铸锭炉的内侧壁围成圆柱状，所述坩埚的内腔也呈圆柱状。

优选地，所述加热器包括若干上下布置的圆形管，各所述圆形管未成圆柱状。

优选地，所述加热器的侧壁沿其周向分为至少两部分，各部分之间通过石墨螺钉连接。

优选地，所述隔热笼的侧壁沿周向分为至少两部分，各部分之间密封连接。

优选地，还包括控制所述隔热笼的侧壁上下升降的升降系统。

优选地，还包括位于所述隔热笼的底壁和坩埚之间的石墨定向助凝块，所述坩埚置于所述石墨定向助凝块上。

本发明提供的坩埚内侧壁与炉腔内侧壁之间的间距离相等；本发明中的多晶硅铸锭炉系统在铸锭工艺的晶体生长过程中，打开隔热笼后，因盛装硅锭的坩埚的内侧壁与铸锭炉的内侧壁之间的间距处处相等，这样，坩埚周壁散热比较均匀，在横向温度上不存在温度差，与坩埚内侧壁接触的硅锭周壁受热比较均匀，硅锭横向温度布置比较均匀一致，改善了横向温度梯度，有利于晶体只沿纵向生长，降低硅锭内部晶体缺陷，提高了电池转换效率。

在一种优选的实施例中，加热器的内侧壁与坩埚内侧壁之间的间距处处相等；这样综合考虑了加热器和炉身中冷凝系统构成的热场系统对坩埚侧壁的影响，使坩埚侧壁受热尽量均匀，减小坩埚侧壁之间的横向温度差，进而减弱与坩埚侧壁接触的硅锭的横向温差，有利于硅锭纵向生长，进一步提高多晶硅锭的成型质量。

附图说明

图1为现有技术中一种典型的多晶硅铸锭炉系统中的局部结构示意图；

图2为图1的A-A方向结构示意图；

图3为本发明所提供的多晶硅铸锭炉系统中的横截面的结构示意图；

图4为图3中所示多晶硅铸锭炉系统中坩埚的结构示意图；

图5为本发明中所提供的多晶硅铸锭炉系统中生产的硅锭的一种分割方式的示意图；

图6为图3中所示加热器的侧部结构示意图。

其中，图1和图2中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1’铸锭炉；2’隔热笼；21’隔热笼侧部；22’隔热笼底部；23’隔热笼上部；3’加热器；31’加热器侧部；32’加热器上部；4’坩埚；5’中空DS。

其中，图3至图6中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1铸锭炉；2隔热笼；3加热器；4坩埚；40本发明中硅锭外缘尺寸；50现有技术中硅锭外缘尺寸；51现有技术中硅锭使用边界。

具体实施方式

本发明的一个核心旨在提供一种有利于硅锭纵向生长的多晶硅铸锭炉系统。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图3，图3为本发明所提供的多晶硅铸锭炉系统中的横截面的结构示意图。

本发明提供了一种多晶硅铸锭炉系统，包括炉身中设置有冷凝系统的铸锭炉1，坩埚4和所述铸锭炉1的炉壁之间还设置有隔热笼2，一般地，多晶硅铸锭炉系统还包括设置于隔热笼2内部的加热器3以及定向助凝块，加热器3主要起到对坩埚4内硅料进行加热，以控制硅料熔化和晶体生长的作用，按照设置位置不同，分为顶部、侧部和底部三部分，其可以由高纯石墨件加工而成；隔热笼2为坩埚4与周围炉腔之间的一层隔热保温层，可以为碳纤维材质，闭合后呈密闭笼状结构，侧部可升降以实现隔热笼2的打开和闭合状态，达到控制长晶和散热的目的。

铸锭炉1的炉腔中的坩埚4，坩埚4具有良好的耐高温性，作为硅料的容器，可防止高温下液态硅溢流，坩埚4的主要成分可以为二氧化硅，也可以为其它具有上述特性的新材料，一般地，为了避免硅料受坩埚4材料的影响，二氧化硅坩埚4的内壁通常涂有一层氮化硅。

本发明中坩埚4内侧壁与炉腔内侧壁之间的间距处处相等；本发明中的多晶硅铸锭炉系统在铸锭工艺的晶体生长过程中，打开隔热笼2后，因盛装硅锭的坩埚4的内侧壁与所述铸锭炉1的内侧壁之间的距离处处相等，这样，坩埚周壁散热比较均匀，在横向温度上不存在温度差，与坩埚4内壁接触的硅锭周壁受热比较均匀，硅锭横向温度布置比较均匀一致，改善了横向温度梯度，有利于晶体只沿纵向生长，降低硅锭内部晶体缺陷，提高了电池转换效率。

其中，在硅锭生长过程中，加热器3会一直保持工作状态，以控制温度以一个较小的梯度逐渐下降，因此，可以进一步地将设置于坩埚4四周的加热器3的内侧壁与坩埚4内侧壁之间的距离处处相等；这样综合考虑了加热器3和炉身中冷凝系统构成的热场系统对坩埚4侧壁的影响，使坩埚4侧壁受热尽量均匀，减小坩埚4侧壁之间的横向温度差，进而减弱与坩埚4侧壁接触的硅锭的横向温差，有利于硅锭纵向生长，进一步提高多晶硅锭的成型质量。

上述各实施方式中，隔热笼2的内侧壁与坩埚4内侧壁的之间的距离可以进一步的处处相等；当硅料处于熔化阶段时，由隔热笼2和加热器3组成的热场对坩埚4内的硅料进行加热至硅料的熔点以上，使其熔化为液态，该实施方式中的热场更有利于坩埚4内的硅料受热均匀，并且当硅锭处于长晶过程时，该实施方式的热场中隔热笼2、炉腔内侧壁分别与硅锭的周壁横向距离均相同，能够更好的改善硅锭横向温度梯度。

通常现有技术中铸锭炉1的炉腔为圆柱状结构，因此可以将坩埚4、加热器3、隔热笼2进行如下设计。

请参考图4、图6，图4为图3中所示多晶硅铸锭炉系统中坩埚的结构示意图；图6为图3中所示加热器的侧部结构示意图。

在一种具体的实施方式中，炉腔内侧壁可以围成圆柱状，坩埚4的内腔也呈圆柱状，相应的加热器3、隔热笼2的内侧壁也围城圆柱状；将坩埚4、加热器3以及隔热笼2的内侧壁均设计为圆柱状，可以在现有技术的基础上，改动尽量少的部件，实现硅锭所受横向温度的均布性调节。

另外，在铸锭炉1空间一定前提下，将坩埚4加工成圆柱状结构，硅锭的成型横截面积为圆形，可以获得比其它形状更大的成型面积，以下面一个例子来更形象的描述本实施方式相比现有技术的优势。

请参考图5，图5为本发明中所提供的多晶硅铸锭炉系统中生产的硅锭的一种分割方式的示意图。

以G6硅锭(即36块规格)为例，硅锭尺寸约为1000mm*1000mm*343mm，切割成36块156mm*156mm*343mm的硅块，边料厚度约为20mm-30mm，图5中标记50为现有技术中硅锭外缘尺寸，标记51为现有技术中硅锭使用边界，也就是G6硅锭可进行切片的部分，总共可以分割为36块；标记40为本发明中硅锭外缘尺寸，共计可切割硅块44块。

故，在生产相同规格硅锭的情况下，与现有技术中成型横截面为方形的硅锭相比，本实施例中将坩埚4设计为柱状的结构可以使硅锭增产百分之四十左右，并且，由于生产的硅锭的高度是一致的，控制较为接近的长晶速率，整锭生长时间上基本上不会增加，因此在设备产能上将大幅增加，能源单耗上也会有所降低。

并且，从图中可以看出现有技术中的36块硅锭中有4块角部块两个侧面靠近坩埚4，16块边部块一个面靠近坩埚4，这些靠近坩埚4的面由于受到坩埚4及涂层内杂质的影响，在电性能方面与中部块相比相对较差，直接影响电池性能；而本实施方式的44块硅锭中中部硅块为32块，该区域硅块电性能可基本不受坩埚4及涂层影响。边部靠近坩埚4的硅块为12块，占整锭比例为12/44，即为27.3％，较原方案中55.6％有大幅的降低。

当然，多晶硅铸锭炉系统中铸锭炉1和坩埚4的横截面形状也可以设计为椭圆形或其它的圆滑曲线类型，使坩埚4置于铸锭炉1中后，坩埚4的内侧壁与铸锭炉1的内侧壁之间的距离相等。

上述实施例中加热器3包括若干上下排列的柱状加热部件，各所述柱状加热部件共同围成圆柱状，更有利于坩埚4内壁受热均匀。当然，加热器3的侧壁也可由竖直管围成，侧壁的各加热管之间通过弧形管连通，弧形连接有利于增加加热管的加热面积，提高加热效率。

加热器3可以设计为一体结构，也可以设计为分体结构，加热器3的侧壁沿其周向分为至少两部分，各部分之间通过石墨螺钉连接，分体结构的加热器3便于装配和加工。

进一步地，隔热笼2的侧壁沿周向分为至少两部分，各部分之间密封连接，图中给出了隔热笼2具有四等分的结构形式；分体结构的隔热笼2可以降低隔热笼2的加工工艺，并且易于装配。

上述各实施例中的多晶硅铸锭炉系统还可以包括位于隔热笼2的底壁和坩埚之4间的石墨定向助凝块，坩埚4置于石墨定向助凝块上；石墨定向助凝块具有很好的导热性能。

多晶硅铸锭炉系统的其他方面的结构可以参考现有技术，在此不作一一赘述。

以上对本发明所提供的一种多晶硅铸锭炉系统进行了详细介绍。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。

Claims (9)

1.一种多晶硅铸锭炉系统，包括铸锭炉(1)，所述铸锭炉(1)的炉腔中设有坩埚(4)，所述坩埚(4)和所述铸锭炉(1)的炉壁之间还设置有隔热笼(2)，所述隔热笼(2)内还设置有围绕所述坩埚(4)的加热器(3)，其特征在于，所述坩埚(4)的内侧壁与所述铸锭炉(1)的内侧壁之间的间距处处相等。

2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，所述加热器(3)的内侧壁与所述坩埚(4)的内侧壁之间的间距处处相等。

3.根据权利要求2所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，所述隔热笼(2)的内侧壁与所述坩埚(4)的内侧壁的之间的间距处处相等。

4.根据权利要求1至3任一项所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，所述铸锭炉(1)的内侧壁围成圆柱状，所述坩埚(4)的内腔也呈圆柱状。

5.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，所述加热器(3)包括若干上下排列的柱状加热部件，各所述柱状加热部件共同围成圆柱状。

6.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，所述加热器(3)的侧壁沿其周向分为至少两部分，各部分之间通过石墨螺钉连接。

7.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，所述隔热笼(2)的侧壁沿周向分为至少两部分，各部分之间密封连接。

8.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，还包括控制所述隔热笼(2)的侧壁上下升降的升降系统。

9.根据权利要求4所述的多晶硅铸锭炉系统，其特征在于，还包括位于所述隔热笼(2)的底壁和坩埚之(4)间的石墨定向助凝块，所述坩埚(4)置于所述石墨定向助凝块上。

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