一种高均匀性铸锭单晶热场结构及使用方法与流程

1.本发明涉及太阳能铸锭单晶技术领域，具体为一种高均匀性铸锭单晶热场结构及使用方法。


背景技术：

2.单晶硅和多晶硅是当前最常用的两种太阳能电池用晶体硅材料，优点和缺点各有不同。单晶硅制造成本高，硅片质量好，电池效率高；多晶硅制造成本低，硅片缺陷多，电池效率低。
3.近几年由于单晶硅片的电池效率有突破性进展，要采用cz法的直拉单晶硅生长方式逐渐占据主流，而多晶硅铸锭厂家则面临大量停产。为此，许多多晶硅铸锭厂家再次尝试用铸锭的方式进行单晶生长，称为铸锭单晶。
4.国内通用的铸锭炉热场结构均为方形，进行铸锭单晶生长时难以保证热场温度分布的均匀性，方形结构决定了周边区域(行业内所说的a、b区)与中间区域(行业内所说的c区)差异较大，特别是a、b区晶体品质难以保证。
5.且这些炉子，其在熔料完成后开始长晶时，降温方式都是采用提升加热器和侧部保温层或降低底部保温层的方式，这样就必然造成坩埚底部四周的温度低、中央的温度高。固液界面是凹向熔体的，不仅造成硅锭边缘的易多晶形核，且四周的多晶枝晶斜向内向上生长，导致中央的单晶部分会产生位错，造成位错密度加大。
6.要想使铸锭单晶能够达到完美的标准以能够与直拉单晶在晶体质量方面抗衡，必须对传统的多晶硅铸锭炉的热场进行升级改造。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种高均匀性铸锭单晶热场结构及使用方法，以解决上述背景技术中提出的热场均匀性差、边角产品质量差，铸锭炉热场结构均为方形，进行铸锭单晶生长时难以保证热场温度分布的均匀性，方形结构决定了周边区域(行业内所说的a、b区)与中间区域(行业内所说的c区)差异较大，特别是a、b区晶体品质难以保证，散热方式导致硅锭边缘的易多晶形核，且四周的多晶枝晶斜向内向上生长，导致中央的单晶部分会产生位错，造成位错密度加大等不足问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高均匀性铸锭单晶热场结构及使用方法，包括炉壳、保温层、加热器、坩埚组件、载物台、底部热门装置、冷却铜板和铜板升降机构，所述炉壳包括上炉壳和下炉壳，且保温层包括上部保温层和下部保温层，同时，加热器包括顶部加热器、侧部加热器和底部加热器，且底部热门装置包括导向盖板、开合叶片、导向销和驱动转盘，所述上炉壳内腔的上端固定连接有上部保温层，且上部保温层内腔的顶部固定连接有顶部加热器，同时，上部保温层内腔的左右两侧均固定连接有侧部加热器，所述下炉壳内腔的下端固定连接有下部保温层，且下部保温层内腔的底部固定连接有底部加热器，同时，下部保温层的内腔且位于底部加热器的顶部固定连接有载物台，下部保
温层的内腔且位于载物台的上端设置有坩埚组件，所述下部保温层的内腔且位于底部加热器的下端设置有底部热门装置，同时，下部保温层的底部设置有冷却铜板，且下炉壳的底部设置有铜板升降机构，所述上炉壳的顶部设置有进气口，且进气口的末端贯穿至上部保温层的顶部，所述驱动转盘的顶部通过导向销连接有开合叶片，且开合叶片的顶部设置有导向盖板。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该高均匀性铸锭单晶热场结构及使用方法，相对于传统技术，具有以下优点：
10.保温层、坩埚、加热器、散热装置等均为圆形，对称性、均匀性均较方形热场明显提升，有利于生长高品质的铸锭单晶，特殊的圆形热门装置和冷却铜板结合，可根据工艺需求调整散热速率、且散热均匀性更好。
附图说明
11.结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，原件和元素不一定按照比例绘制。
12.图1为本发明结构示意图；
13.图2为本发明a-a剖视状态下热门完全打开结构示意图；
14.图3为本发明a-a剖视状态下热门闭合结构示意图；
15.图4为本发明开合叶片结构示意图；
16.图5为本发明驱动转盘结构示意图。
17.图中：炉壳1、上炉壳11、下炉壳12、保温层2、上部保温层21、下部保温层22、加热器3、顶部加热器31、侧部加热器32、底部加热器33、坩埚组件4、载物台5、底部热门装置6、导向盖板61、开合叶片62、导向销63、驱动转盘64、冷却铜板7、铜板升降机构8、进气口9。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种高均匀性铸锭单晶热场结构及使用方法，包括炉壳1、保温层2、加热器3、坩埚组件4、载物台5、底部热门装置6、冷却铜板7和铜板升降机构8，炉壳1包括上炉壳11和下炉壳12，且保温层2包括上部保温层21和下部保温层22，同时，加热器3包括顶部加热器31、侧部加热器32和底部加热器33，且底部热门装置6包括导向盖板61、开合叶片62、导向销63和驱动转盘64，上炉壳11内腔的上端固定连接有上部保温层21，且上部保温层21内腔的顶部固定连接有顶部加热器31，同时，上部保温层21内腔的左右两侧均固定连接有侧部加热器32，下炉壳12内腔的下端固定连接有下部保温层22，且下部保温层22内腔的底部固定连接有底部加热器33，同时，下部保温层22的内腔且位于底部加热器33的顶部固定连接有载物台5，下部保温层22的内腔且位于载物台5的上端设置有坩埚组件4，下部保温层22的内腔且位于底部加热器33的下端设置有底部热门装置6，同
时，下部保温层22的底部设置有冷却铜板7，且下炉壳12的底部设置有铜板升降机构8，上炉壳11的顶部设置有进气口9，且进气口9的末端贯穿至上部保温层21的顶部，驱动转盘64的顶部通过导向销63连接有开合叶片62，且开合叶片62的顶部设置有导向盖板61。
20.本发明针对现有技术中的不足，提供一种圆形热场结构及使用方法，保温层、坩埚、加热器、散热装置等均为圆形，对称性、均匀性均较方形热场明显提升，有利于生长高品质的铸锭单晶，具体技术方案如下：
21.1.热场构成如下：
22.此热场结构主要组成包括保温层2、加热器3、坩埚组件4、载物台5、底部热门装置6、冷却铜板7、铜板升降机构8、进气口9。
23.保温层2分为上部保温层21和下部保温层22，上部保温层21、顶部加热器31和侧部加热器32一起固定在上炉壳11上，下部保温层22、底部加热器33、坩埚组件4、载物台5、底部热门装置6、冷却铜板7、铜板升降机构8均固定在下炉壳12上，可随下炉壳12一起升降。
24.设备正常运行时的状态如图1所示，只有底部热门装置6和冷却铜板7可运动。驱动转盘64逆时针旋转时会带动开合叶片62旋转闭合，驱动转盘64顺时针旋转时会带动开合叶片62旋转打开，热门打开速度可调0.5mm/min～400mm/min。正常化料时底部热门装置6闭合，长晶时打开。冷却铜板7固定在铜板升降机构8，铜板升降机构8带动冷却铜板7上下升降，升降形成0～100mm，升降速率0.05mm/min～30mm/min，可根据工艺需求调整冷源的相对位置。
25.图2-5示意出一种实例底部热门装置6的实现方式，但不应局限于此实例。
26.2.具体使用方法如下：
27.①
装料：在坩埚底部铺放一层20～30mm厚度的[100]晶向单晶籽晶，籽晶上方装碎原生多晶硅，采用纯度为6n的多晶硅原料，按要求将配好的硅料摆放装入圆形坩埚内，坩埚内表面涂覆有一层高纯保护涂层，防止硅料与坩埚粘黏；
[0028]
②
投炉：将装好料的坩埚放入炉内指定位置，并合炉抽空检漏，抽空至炉内压力≤0.01mbar进入检漏；
[0029]
③
加热熔化：漏率≤0.01mbarl/5min，进入加热熔化阶段，加热熔化中前期底部热门装置6保持闭合状态，如图2右侧所示，隔绝热量散失，降低熔化能耗，顶部功率通过顶部加热器31以15～30kwh/h升至目标温度1500℃后保持，侧部加热器32功率为顶部加热器31的35％～55％，通过控制底部加热器33比例维持载物台5温度在1380～1400℃。控制硅料由上至下逐步融化，熔化至籽晶表面时打开底部热门装置6，并调至长晶阶段；
[0030]
④
长晶：由于热惯性籽晶表面会继续熔化5mm左右，打开底部热门装置6(如图2左侧所示)，热量快速从开口位置辐射散失，形成较大的纵向温度梯度，利于硅晶体定向凝固生长。长晶阶段侧部加热器32功率为顶部加热器31的135％～200％。进入长晶初期，底部加热器33温度以100～200℃/h快速下降；1～2h后，控制底部加热器33温度以0.5～10℃/h逐步降低，冷却铜板7以0.05～0.1mm/min速率向上移动，控制晶体生长固液界面平稳或微凸，实现晶体的垂直长晶，直至液态硅完全凝固为固体硅；
[0031]
④
退火冷却：当所有硅料凝固结晶后，硅锭再经过1200～1370℃热退火、控制冷却方式等步骤消除热应力，以避免硅锭出现裂缝及减少位错的增殖；
[0032]
⑤
出炉：整个工艺流程结束后，冷却到≤400℃温度即可开炉，取出硅锭；
[0033]
⑥
熔化、长晶、退火、冷却阶段，炉体内持续通入氩气进行保护，加热硅料熔化过程中氩气的进气速度为20～60l/min，在长晶过程中氩气的进气速度为40～60l/min，退火冷却阶段为10～20l/min。
[0034]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0035]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0036]
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关公开相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系；需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”；本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
[0037]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。