專利名稱:一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，由固定隔熱籠、底部隔熱板和頂部隔熱板所形成的中空爐腔；設(shè)置在爐腔中央，用于作為晶體生長的容器的坩堝，其底部通過石墨支撐支撐，石墨支撐底部設(shè)置有熱交換塊；以及中空夾層結(jié)構(gòu)的隔熱塊，其同軸套裝在熱交換塊的外周，其中隔熱塊的內(nèi)壁與熱交換塊外周壁面具有間隙，外壁固定設(shè)置在固定隔熱籠內(nèi)壁上，該隔熱塊頂部低于熱交換塊頂部所在平面。本實(shí)用新型的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化了石墨支撐側(cè)壁附近流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，不僅可以降低化料過程能耗，而且可以有效抑制形核初期坩堝底部側(cè)壁附近晶粒的快速生長，可以獲得微凸和較為平直的凝固界面，能夠降低硅錠內(nèi)部熱應(yīng)力，減少微觀破裂的產(chǎn)生，從而提高定向凝固多晶硅錠質(zhì)量。
【專利說明】一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于多晶硅鑄錠爐【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)。技術(shù)背景
[0002]目前，隨著太陽能光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能級(jí)多晶硅需求總量迅速增長。通過多晶硅鑄錠爐進(jìn)行定向凝固法是當(dāng)前太陽能級(jí)多晶硅鑄造的主流方法。
[0003]如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的一種定向凝固法用多晶硅鑄錠爐內(nèi)部熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，包括固定的頂部隔熱板I和隔熱籠2，可上下移動(dòng)的底部隔熱板3，置于爐腔7中心的硅料8均勻置于固定坩禍6，坩禍6與石墨支撐9及熱交換塊4同軸依次相連，加熱器5對(duì)稱分布于爐腔7內(nèi)，置于頂部隔熱板I中心的進(jìn)氣孔10與爐腔7相通。
[0004]定向凝固法多晶硅制備過程中，化料階段，隔熱底板封閉，此時(shí)加熱器功耗主要用來熔化硅料，但該種結(jié)構(gòu)中隔熱籠內(nèi)其他組件均被加熱，因此加熱器能耗較大。晶體生長階段，隔熱底板下移，底板與隔熱籠之間開口增大，熱交換塊散熱增強(qiáng)，使得坩禍底部過冷開始形核，但該種結(jié)構(gòu)中，流過石墨支撐和熱交換塊側(cè)壁的氣體溫度相對(duì)較低，使得坩禍底部邊角處散熱加快，導(dǎo)致凝固界面呈“凹”型分布，使得此處晶?？焖偕L，分凝效應(yīng)使得雜質(zhì)集中在娃錠內(nèi)部，娃錠切割后，娃片內(nèi)部晶界不再垂直于娃片表面，導(dǎo)致娃片內(nèi)部少子壽命減少，進(jìn)而降低多晶硅光電轉(zhuǎn)換效率。在多晶硅冷卻開始階段，硅錠內(nèi)部溫度較高，該種結(jié)構(gòu)中坩禍側(cè)壁散熱增強(qiáng)，使得近壁處硅錠徑向溫度梯度增大，熱應(yīng)力增加，進(jìn)而導(dǎo)致由熱應(yīng)力引起的位錯(cuò)密度迅速增加，過大的局部溫度梯度容易造成晶體內(nèi)部微觀破裂，這對(duì)生長大尺寸尚質(zhì)量多晶娃徒是不利的。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其通過在熱交換塊底部外周設(shè)置隔熱塊，從而能夠顯著降低加熱器功耗，并有效抑制坩禍側(cè)壁晶粒的快速生長，獲得微凸和較為平直的凝固界面，還能夠降低冷卻過程中坩禍近壁處硅錠徑向溫度梯度，抑制高溫下位錯(cuò)密度快速增長，減少微觀破裂的產(chǎn)生，進(jìn)而提高多晶娃錠質(zhì)量。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括:
[0008]由固定隔熱籠、設(shè)置在其底部的底部隔熱板和設(shè)置在其頂部的頂部隔熱板所形成的中空爐腔，該爐腔內(nèi)對(duì)稱分布有加熱器；
[0009]坩禍，其設(shè)置在所述爐腔中央，用于作為晶體生長的容器，其底部通過石墨支撐支撐，所述石墨支撐底部設(shè)置有熱交換塊，用于加熱或冷卻過程中的熱交換；以及
[0010]隔熱塊，其為中空夾層結(jié)構(gòu)，同軸套裝在所述熱交換塊的外周，其中隔熱塊的內(nèi)壁用于包覆設(shè)置在坩禍底部的熱交換塊外周壁面，且該內(nèi)壁與所述熱交換塊外周壁面具有間隙，外壁固定設(shè)置在所述固定隔熱籠內(nèi)壁上，該隔熱塊頂部低于所述熱交換塊頂部所在平面。
[0011]作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述隔熱塊頂部為平面，底部的內(nèi)壁面呈內(nèi)低外高的錐面，使得該隔熱塊內(nèi)壁面的底部為內(nèi)凹的錐形。
[0012]作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述坩禍中心線、熱交換塊中心線以及隔熱塊中心線重入口 ο
[0013]作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述底部隔熱板與所述熱交換塊底部設(shè)有間隙，且該間隙與所述隔熱塊中空層相通。
[0014]作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述頂部隔熱板中心開有與爐腔相通的開孔，用于冷卻過程中通入氣體。
[0015]作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述隔熱塊內(nèi)壁與熱交換塊的間距為5?10mm。
[0016]作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述隔熱塊頂部低于所述熱交換塊頂部所在平面的距離為 5 ?10mnin
[0017]本實(shí)用新型中，固定隔熱籠與底部隔熱板所形成的中空爐腔，置于該爐腔中心的硅料均勻裝載于固定坩禍，坩禍與石墨支撐、熱交換塊同軸依次相連；加熱器及隔熱塊對(duì)稱分布于爐腔；其特征在于，置于所述隔熱籠上的隔熱塊和石墨支撐、加熱器構(gòu)成特殊局部空間結(jié)構(gòu)；隔熱塊和石墨支撐、熱交換塊之間保留5?1mm空隙。
[0018]本實(shí)用新型中，所述頂部隔熱板中心設(shè)置的進(jìn)氣孔，用于通入一定流量氣體，以帶走晶體生長過程中爐腔內(nèi)雜質(zhì)和熱量，實(shí)現(xiàn)冷卻過程。
[0019]本實(shí)用新型中，所述所述隔熱塊設(shè)置在隔熱籠上，且隔熱塊對(duì)稱中心與熱交換塊中心相互重合。該隔熱塊重心與對(duì)稱軸重合，可以穩(wěn)定安置在隔熱籠上。
[0020]本實(shí)用新型中，所述底部隔熱板沿豎直方向可以按一定速率上下移動(dòng)，并與隔熱籠形成大小變化的開口，用于熱交換塊散熱及爐腔內(nèi)氣體流出。
[0021]本實(shí)用新型中，所述頂部隔熱板、隔熱籠及底部隔熱板在晶體生長過程中可以實(shí)現(xiàn)完全閉合，用于爐腔隔熱，不受隔熱塊的影響。
[0022]本實(shí)用新型中，隔熱塊位于石墨支撐下方，隔熱塊與熱交換塊、石墨支撐間隙可以設(shè)置在5?1mm范圍內(nèi)。經(jīng)過計(jì)算分析，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠降低加熱器功耗縮短化料時(shí)間，而且能有效改善石墨支撐和熱交換塊側(cè)壁周圍熱場(chǎng)及流場(chǎng)分布，進(jìn)而優(yōu)化坩禍側(cè)壁及邊角處熱場(chǎng)分布，使得晶體生長處于良好的冷卻環(huán)境。
[0023]總體而言，通過本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:本實(shí)用新型的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)能夠抑制坩禍邊角及側(cè)壁晶粒的快速生長，獲得微凸和較為平直的凝固界面，同時(shí)還能夠降低坩禍側(cè)壁附近硅錠徑向溫度梯度，減少位錯(cuò)密度和微觀破裂的產(chǎn)生，提高晶體生長質(zhì)量。

【附圖說明】

[0024]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是按照本實(shí)用新型實(shí)施例所構(gòu)建的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0027]如圖2所示，本實(shí)施例所構(gòu)建的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)，包括固定的頂部隔熱板I和隔熱籠2，可移動(dòng)的底部隔熱板3，頂部隔熱板I中心氣體入口 10，對(duì)稱分布于爐腔7內(nèi)的加熱器5和隔熱塊11，硅料8，石英坩禍6，石墨支撐9和熱交換塊4。
[0028]其中，硅料8置于爐腔中心，并均勻布置于固定坩禍6內(nèi)，坩禍6外部通過石墨支撐9支撐，石墨支撐底部設(shè)置有熱交換塊4，用于在坩禍6的加熱和冷卻過程中的熱交換，其中坩禍6、石墨支撐9和熱交換塊4同軸依次連接。
[0029]熱交換塊4下方設(shè)置有底部隔熱板3，可沿豎直方向做一定速率的上下移動(dòng)。
[0030]其中，隔熱籠2底邊設(shè)置有隔熱塊11，其同軸套裝在所述熱交換4的外周，其重心與對(duì)稱軸重合，因此可以穩(wěn)定安置在隔熱籠上。隔熱塊11上端面位于石墨支撐9底部下方一定距離處，例如5mm，且其內(nèi)壁面與熱交換塊4外周面間保留一定間隙，例如5mm。當(dāng)然，本實(shí)用新型中隔熱塊與石墨支撐9以及熱交換塊4的間距并不限于上述數(shù)值，可以根據(jù)實(shí)際需求在一定范圍內(nèi)調(diào)整，例如5-10mmo
[0031]本實(shí)施例中，該隔熱塊11優(yōu)選為中空方形筒體結(jié)構(gòu)，筒體筒壁優(yōu)選設(shè)置為中空夾層結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)壁用于包覆設(shè)置在坩禍底部的熱交換塊4外周壁面，且該內(nèi)壁與所述熱交換塊外周壁面的間隙，外壁用于與設(shè)置在坩禍外圍的豎直隔熱板固定接觸，坩禍中心線、熱交換塊中心線以及隔熱塊中心線重合，
[0032]本實(shí)施例中，隔熱塊頂部?jī)?yōu)選為平面，底部的內(nèi)壁面呈內(nèi)低外高的錐面，使得該隔熱塊內(nèi)壁面的底部為內(nèi)凹的錐形。
[0033]隔熱塊底部的底部隔熱板3與熱交換塊4底部之間設(shè)有間隙，且該間隙與所述筒體筒壁中空層相通。
[0034]隔熱塊11設(shè)置在隔熱籠2上，且位于石墨支撐9下方，隔熱塊11與熱交換塊4、石墨支撐9之間保留空隙，利用氣體與石墨熱導(dǎo)率差異，可實(shí)現(xiàn)對(duì)坩禍邊角處適當(dāng)保溫，抑制形核初期坩禍側(cè)壁附近晶粒的快速生長。
[0035]底部隔熱板3可以按一定速率沿豎直方向上下移動(dòng)，并與隔熱籠2形成大小變化的開口，用于熱交換塊4散熱和爐腔7內(nèi)氣體排出。
[0036]頂部隔熱板1、隔熱籠2與底部隔熱板3在晶體生長過程中可以實(shí)現(xiàn)完全閉合，不受隔熱塊11影響。
[0037]晶體生長過程中，頂部氣體入口 10通入純凈的冷卻氣體，帶走晶體生長過程中爐腔內(nèi)雜質(zhì)及熱量，然后氣體穿過隔熱塊11氣體通道并從底部隔熱板3與隔熱籠2形成的開口流出，實(shí)現(xiàn)鑄錠過程的冷卻。
[0038]與現(xiàn)有爐體熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比，本實(shí)用新型的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在化料階段使得加熱器與底部隔熱板隔離，加熱器加熱部件明顯減少，能耗顯著降低；在多晶硅晶體生長初期，隔熱塊與熱交換塊和石墨支撐并未直接接觸，利用石墨與氣體導(dǎo)熱系數(shù)差異，使得熱交換塊側(cè)壁和石墨支撐底角散熱量減少，對(duì)坩禍底部邊角起到適當(dāng)保溫作用，因此可以獲得微凸和較為平直的凝固界面，能夠有效抑制坩禍底部側(cè)壁處晶粒優(yōu)先生長；在冷卻過程開始時(shí)，流經(jīng)石墨支撐側(cè)壁的氣體溫度相對(duì)升高，使得坩禍側(cè)壁處硅錠內(nèi)部徑向溫度梯度減小，熱應(yīng)力降低，進(jìn)而能夠抑制高溫下硅錠內(nèi)部位錯(cuò)密度的快速增長，降低硅錠內(nèi)部微觀破裂，提高硅錠質(zhì)量。
[0039]另外，本實(shí)用新型中，可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置隔熱塊氣體通道的大小，不同位置及不同形狀，以調(diào)整石墨支撐側(cè)壁周圍流場(chǎng)及溫度分布，進(jìn)而可以對(duì)硅錠徑向溫度梯度和凝固界面的凸度進(jìn)行調(diào)整。
[0040]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 由固定隔熱籠(2)、設(shè)置在其底部的底部隔熱板(3)和設(shè)置在其頂部的頂部隔熱板(I)所形成的中空爐腔，該爐腔內(nèi)對(duì)稱分布有加熱器(5); 坩禍(6)，其設(shè)置在所述爐腔中央，用于作為晶體生長的容器，其底部通過石墨支撐(9)支撐，所述石墨支撐(9)底部設(shè)置有熱交換塊(4)，用于加熱或冷卻過程中的熱交換；以及 隔熱塊(11)，其為中空夾層結(jié)構(gòu)，同軸套裝在所述熱交換塊(4)的外周，其中隔熱塊(11)的內(nèi)壁用于包覆設(shè)置在坩禍(6)底部的熱交換塊(4)外周壁面，且該內(nèi)壁與所述熱交換塊(4)外周壁面具有間隙，隔熱塊(11)外壁固定設(shè)置在所述固定隔熱籠(2)內(nèi)壁上，該隔熱塊(11)頂部低于所述熱交換塊(4)頂部所在平面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述隔熱塊(11)頂部為平面，底部的內(nèi)壁面呈內(nèi)低外高的錐面，使得該隔熱塊(11)內(nèi)壁面的底部為內(nèi)凹的錐形。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述坩禍(6)中心線、熱交換塊(4)中心線以及隔熱塊(11)中心線重合。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述底部隔熱板(3)與所述熱交換塊(4)底部設(shè)有間隙，且該間隙與所述隔熱塊(11)的中空層相通。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述頂部隔熱板(I)中心開有與爐腔相通的開孔，用于冷卻過程中通入氣體。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述隔熱塊(11)內(nèi)壁與熱交換塊⑷的間距為5?1mm07.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中，所述隔熱塊(11)頂部低于所述熱交換塊(4)頂部所在平面的距離為5?10mm。
【文檔編號(hào)】C30B29-06GK204265887SQ201420669666
【發(fā)明者】方海生, 王森, 趙超杰, 田俊, 張之 [申請(qǐng)人]華中科技大學(xué)