專利名稱：頂側(cè)分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置的制作方法
頂側(cè)分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置
技 術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種頂側(cè)分開控制的多晶硅 鑄錠爐加熱裝置，適用于制造大尺寸高品質(zhì)的多晶硅錠。
背景技術(shù)：
太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生清潔能源，在太陽能的有效利用中，太 陽能光伏發(fā)電無疑是最主要、最有活力的研究領(lǐng)域，并由此研制和開發(fā)了太陽能電池。太陽 能電池主要以硅為原料，硅是自然界常見的一種化學(xué)元素，純凈的硅熔點(diǎn)為1414°C，用于太 陽能級多晶硅純度一般在99. 99%以上。多晶硅鑄錠爐是一種專業(yè)的硅重熔設(shè)備，用于生產(chǎn)合格的太陽能級多晶硅鑄錠。 鑄錠生產(chǎn)是先將符合要求的多晶硅原料裝入爐中，而后按照工藝設(shè)定進(jìn)行加熱、熔化、長 晶、退火、冷卻等各個(gè)步驟，最終將多晶硅錠取出的過程。多晶硅鑄錠爐的生產(chǎn)過程中，能否 有效地控制多晶硅鑄錠爐內(nèi)溫度梯度，將決定生產(chǎn)出的多晶硅錠品質(zhì)。鑄造多晶硅內(nèi)部存在大量的晶界，潔凈的晶界呈非電活性，對少數(shù)載流子壽命并 無影響或只有微小影響，而雜質(zhì)的偏聚或沉淀會改變晶界的電活性，會顯著降低少數(shù)載流 子壽命，晶界越多，影響越大；但是研究表明，如果晶界垂直于器件表面，則晶界對材料電化 學(xué)性能幾乎沒有影響。而現(xiàn)有單電源結(jié)構(gòu)的多晶硅鑄錠爐由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足，難以解 決結(jié)晶面不水平的問題。本專利即在解決此結(jié)晶面水平問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種頂側(cè)分開控制的 多晶硅鑄錠爐加熱裝置。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種頂側(cè)分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，包 括內(nèi)部裝有隔熱籠體的爐室，隔熱籠體上下分別設(shè)置頂部保溫板和下保溫層，外敷坩堝護(hù) 板的坩堝位于隔熱籠體中；該加熱裝置有兩個(gè)加熱器其中一個(gè)為頂部加熱器，設(shè)于坩堝 的上方；另一個(gè)為側(cè)部加熱器，環(huán)設(shè)于坩堝護(hù)板四周。本發(fā)明中，所述頂部加熱器經(jīng)頂部加熱器電極與頂加熱器變壓器相連；側(cè)部加熱 器經(jīng)側(cè)加熱器電極與側(cè)加熱器變壓器相連。本發(fā)明中，所述頂部加熱器固定于頂部加熱器電極上，側(cè)部加熱器固定于側(cè)加熱 器電極上。本發(fā)明中，隔熱籠體、頂部保溫板及下保溫層組成一個(gè)封閉的熱場腔室。頂部加熱 器、側(cè)部加熱器由各自的變壓器供電進(jìn)行加熱，控制變壓器的輸出就能控制各加熱器產(chǎn)生 的熱量，進(jìn)而改善熱場內(nèi)溫度梯度的分布。本發(fā)明的有益效果在于
可以在長晶過程中對熱場內(nèi)溫度進(jìn)行控制，通過單獨(dú)控制頂、側(cè)加熱器的輸出功率，合 理分配頂側(cè)加熱器功率之比，即可在結(jié)晶過程中形成一個(gè)垂直的溫度梯度。并根據(jù)需要優(yōu)化頂側(cè)加熱功率的配比，從而可使硅的結(jié)晶凝固得到有效的控制，進(jìn)而加快長晶效率，降低 能耗，提高硅錠品質(zhì)。本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中測試，不僅能生產(chǎn)出高品質(zhì)的多晶硅錠，也能縮短整個(gè)工藝 時(shí)間，減少結(jié)晶過程中的耗能。本發(fā)明的 設(shè)計(jì)合理、能夠有效改善多晶硅晶向，降低能耗、增大晶粒、減少晶界，從 而提高多晶硅錠品質(zhì)。


圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)剖視圖。圖中的附圖標(biāo)記為1頂加熱器變壓器、2頂加熱器電極、3頂部保溫層、4頂加熱 器、5側(cè)加熱器、6隔熱籠體、7坩堝護(hù)板、8支撐柱、9下保溫層、10側(cè)加熱器變壓器、11側(cè) 加熱器電極、12爐體、13坩堝、14散熱塊。圖2單電源和雙電源長晶速度對比圖。圖3晶體高度隨晶體生長時(shí)間變化對比圖。圖4加熱器功率隨時(shí)間變化圖。圖5單電源的晶體生長界面形狀。圖6雙電源的晶體生長界面形狀。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本實(shí)施例中，頂側(cè)分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置包括爐室12，置于爐室12內(nèi) 的隔熱籠體6，懸掛于電極上的頂部保溫板3，固定于頂部加熱器電極2上的頂部加熱器4， 連接于頂部加熱器電極2上的頂加熱器變壓器1，固定于側(cè)加熱器電極11上的側(cè)部加熱器 5，連接于側(cè)部加熱器電極11上的側(cè)加熱器變壓器10，位于熱場加熱器內(nèi)部的坩堝13及坩 堝護(hù)板7，置于石墨支撐柱8上的下保溫層9及散熱塊14等構(gòu)成。以下結(jié)合多晶硅生產(chǎn)流程對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述
實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，頂側(cè)加熱器得到供電后產(chǎn)生大量的熱量，將坩堝13中的多晶硅料熔化， 熔化完成后，進(jìn)入長晶階段。隔熱籠體6按一定的速度緩緩提起，散熱塊7暴露出來后，大 量的熱會通過散熱塊7輻射到爐室12上，于是坩堝13底部溫度下降，溶液開始結(jié)晶。在長 晶中后期，由于晶體增多，液體減少，散熱塊7散失熱量效果減弱，坩堝四壁處靠近側(cè)加熱 器5，溫度相對坩堝中心處較高，結(jié)晶速度較慢，因而長晶界面為“凸”字形。最終，中心處先 長晶完成并透頂，隨后再進(jìn)行數(shù)小時(shí)的邊角長晶工序方能使整個(gè)硅錠表面平整。采用本發(fā)明的裝置，可以在長晶中后期，逐步減小側(cè)加熱器5的功率，降低邊角處 的溫度，使之與中心處溫度相近，進(jìn)而使結(jié)晶面趨于水平，確保晶體質(zhì)量；同時(shí)附帶縮短了 邊角長晶時(shí)間，最終改善晶向，提高效率和降低耗能。實(shí)例
本實(shí)施例中，單電源是指現(xiàn)有技術(shù)中使用單路電源給加熱器供電的情況；雙電源是指 本發(fā)明中使用兩路電源分別給兩個(gè)加熱器供電的情況。采用本專利描述的多晶鑄錠爐裝置及工藝，裝料480kg，分別采用單電源和雙電源設(shè)備加熱兩種模式進(jìn)行晶體生長，對比兩種技術(shù)對長晶速度、晶體質(zhì)量和能耗的影響。由圖2可見，長晶過程的最起始2 6小時(shí)以內(nèi)，單電源設(shè)備長晶速度高于雙電 源，但在晶體生長開始6小時(shí)以后，雙電源設(shè)備內(nèi)的晶體生長速度始終高于單電源，最終雙 電源設(shè)備相比單電源設(shè)備提前約3小時(shí)完成晶體生長。如圖3所示，是兩種設(shè)備長晶過程中晶體高度隨晶體生長時(shí)間的變化對比。晶體 生長的初始階段，由于雙電源設(shè)備內(nèi)晶體生長速度略低，所以晶體高度也略低，隨后期晶體 生長速度超過單電源，雙電源設(shè)備內(nèi)晶體高度明顯超過單電源，最終較早的完成了長晶過 程。如圖4所示是加熱器功率隨時(shí)間變化曲線。長晶前半段時(shí)間內(nèi)，雙電源設(shè)備功率 略高于單電源設(shè)備，但進(jìn)入后半段，雙電源功率迅速下降，且加熱功率大幅度低于單電源長 晶過程。通過計(jì)算機(jī)模擬，分析了使用單/雙電源長晶過程的晶體生長界面形狀。如圖5， 單電源長晶后期，側(cè)加熱器不能關(guān)閉，造成晶體側(cè)面熱量輸入較多，靠近側(cè)壁的晶體生長緩 慢，生長界面明顯項(xiàng)中心突出。在圖6中，由于采用了雙加熱器，長晶后期側(cè)加熱器關(guān)閉，僅 剩頂部加熱器加熱，晶體內(nèi)的熱量主要沿豎直方向傳輸，生長界面較平坦。通過對由單電源和雙電源設(shè)備中生長出的多晶鑄錠進(jìn)行剖面處理，可以清楚的看 出，雙電源設(shè)備中生長出的多晶鑄錠的晶粒更規(guī)則的沿豎直方向生長，有利于提高最終晶 體收率和轉(zhuǎn)化效率。通過以上對比，可以總結(jié)出雙電源多晶鑄錠設(shè)備相對于單電源鑄錠設(shè)備的優(yōu)勢
(1)晶體生長速度提高，縮短長晶時(shí)間；
(2)加熱器功率總功率降低，且由于其晶體生長時(shí)間縮短，能耗顯著降低；
(3)雙電源使晶體生長界面更加平坦，晶粒垂直度更好且有利于其長大，晶體質(zhì)量提
尚ο
權(quán)利要求
1.頂側(cè)分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，包括內(nèi)部裝有隔熱籠體的爐室，隔熱籠體 上下分別設(shè)置頂部保溫板和下保溫層，外敷坩堝護(hù)板的坩堝位于隔熱籠體中；其特征在于， 該加熱裝置具有兩個(gè)加熱器其中一個(gè)為頂部加熱器，設(shè)于坩堝的上方；另一個(gè)為側(cè)部加 熱器，環(huán)設(shè)于坩堝護(hù)板四周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，其特征在于，所述頂部加熱器經(jīng)頂 部加熱器電極與頂加熱器變壓器相連；側(cè)部加熱器經(jīng)側(cè)加熱器電極與側(cè)加熱器變壓器相 連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅鑄錠爐加熱裝置，其特征在于，所述頂部加熱器固 定于頂部加熱器電極上，側(cè)部加熱器固定于側(cè)加熱器電極上。
全文摘要
本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的制造技術(shù)領(lǐng)域，旨在提供一種頂側(cè)分開控制的多晶硅鑄錠爐加熱裝置。該裝置包括內(nèi)部裝有隔熱籠體的爐室，隔熱籠體上下分別設(shè)置頂部保溫板和下保溫層，外敷坩堝護(hù)板的坩堝位于隔熱籠體中；該加熱裝置具有兩個(gè)加熱器其中一個(gè)為頂部加熱器，設(shè)于坩堝的上方；另一個(gè)為側(cè)部加熱器，環(huán)設(shè)于坩堝護(hù)板四周。本發(fā)明可在長晶過程中對熱場內(nèi)溫度進(jìn)行控制，根據(jù)需要優(yōu)化頂側(cè)加熱功率的配比，從而可使硅的結(jié)晶凝固得到有效的控制，進(jìn)而加快長晶效率，降低能耗，提高硅錠品質(zhì)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)合理、能夠有效改善多晶硅晶向，降低能耗、增大晶粒、減少晶界，從而提高多晶硅錠品質(zhì)。
文檔編號C30B29/06GK102140673SQ20111007074
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者傅林堅(jiān), 葉欣, 曹建偉, 石剛, 邱敏秀, 高宇 申請人:上虞晶信機(jī)電科技有限公司, 浙江晶盛機(jī)電股份有限公司