铸锭炉及控制类单晶铸造过程中籽晶保留高度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种铸锭炉及控制类单晶铸造过程中籽晶保留高度的方法。其中，该铸锭炉包括：部隔热层；底部隔热层，呈环状，环状的内环位置设置有百叶窗，底部隔热层与侧部隔热层共同围成一个腔体；坩埚，设置在腔体内；隔热挡板，设置在底部隔热层与侧部隔热层相接处，且朝向腔体的中心延伸，顶部测温点，设置在侧部隔热层与坩埚之间，且位于腔体的顶部，隔热挡板的位置是可调整的，以调整铸锭炉内热场的高温区和低温区的空间分布。通过调整铸锭炉热场内的隔热挡板位置，调整了高温区和低温区的空间分布，在类单晶铸造过程中，实现有效的控制坩埚底部籽晶熔化速度和剩余高度，从而保证类单晶铸造过程中的籽晶剩余量，提高类单晶的铸造成功率。
【专利说明】铸锭炉及控制类单晶铸造过程中籽晶保留高度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及类单晶硅制造领域，具体而言，涉及一种铸锭炉及控制类单晶铸造过程中籽晶保留高度的方法。
【背景技术】
[0002]目前，光伏行业发展迅速，类单晶作为多晶铸锭的替代品在光伏电池光电转换效率方面存在很大优势，成为目前光伏行业的热门产品。
[0003]其中，晶粒是指结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，即晶向一致的单体，称晶粒。类单晶，又称准单晶，通过铸锭的方式形成晶硅材料，在一定尺寸的硅片上表现为同一晶向的晶粒面积大于硅片总面积的50%，通过铸锭技术形成类单晶，其晶硅质量接近直拉单晶硅，简单的说，这种技术就是使用多晶铸锭炉生产单晶硅。籽晶是指类单晶铸锭中，用于铺设在坩埚底部，熔化后期保证籽晶不完全熔化，硅液在籽晶基础上逐步结晶生长，形成类单晶硅锭。
[0004]目前所有铸锭炉制造厂家相继推出适应于铸造类单晶硅锭的新型铸锭炉。以精功500N型铸锭炉为例，如图1所示，包括:散热台10，石墨材质，具有良好的热传导性，用于承载硅料、装载硅料的石英坩埚以及石墨侧面护板20和石墨底板30，硅液结晶时通过散热台10将热量辐射到底部的水冷铜盘上；百叶窗40，位于散热台10底部，共四片百叶，由隔热材料组成，每片百叶都可以向下旋转90°C，在百叶窗打开过程中，散热台10热量通过百叶窗40窗口将热量辐射到底部水冷铜盘上，保证坩埚50内的熔融硅料在结晶过程中能够将热量散发出去；侧部隔热层60，钢架结构，框架内由多块石墨硬毡材质保温板拼接组装，用于热场内保温；隔热挡板70，位于热场内部，由一圈保温硬毡构成，通过提升吊杆可以升降；加热器80，设置坩埚50的上方，底部隔热层90，设置在隔热挡板70的下方，以及顶部测温点51和底部测温点52。
[0005]其热场就是完全为铸造类单晶所设计。将传统热场内的顶部、侧部共同加热的加热方式变为只有顶部加热器80提供热量的单面加热模式，在硅液结晶阶段热场中心位置正下方散热窗口(百叶窗40)打开，同顶部的加热器80相对应,在娃液内形成完全竖直方向的温度梯度，保证硅液结晶过程中固液面(硅液结晶过程中固体和液体的分界面，固液面温度决定硅液结晶方向)成平面结构，利于类单晶的结晶生长。同时，精功500N型铸锭炉热场内部添加一圈隔热挡板70，隔热挡板70通过顶部的吊杆带动而可以上下运动，将热场从内部隔离成两区域，顶部的高温区和底部的低温区，用于微调在结晶过程中的固液面边缘位置的曲幅度。
[0006]类单晶铸造过程中，其核心技术点集中在硅料熔化后期保证籽晶不完全熔化，从而为硅液的结晶提供基础面，使硅液沿籽晶原子排列方向进行结晶生长。如图2所示，籽晶面100铺设在坩埚50底面，籽晶面100有多个晶向单一方向一致的小单晶块组成。目前各类单晶生产厂家为降低类单晶成本，籽晶厚度一再缩小，其厚度已经有初期的40mm缩小为20mm左右，这样就给保证类单晶铸锭的成功率造成很大困难。拿精功500N型铸锭炉来说，热场内存在三个热场变量，三个变量为顶部加热器功率、底部散热窗口大小、挡板的高度，所以在控制硅锭熔化过程中三个变量调整达到良好的配合保证籽晶剩余存在很大的困难。
[0007]目前，精功500N铸造类单晶硅锭，430kg类单晶，熔化段工艺如表1所示:
[0008]表1
【权利要求】
1.一种铸锭炉,包括: 侧部隔热层(60)； 底部隔热层(90)，呈环状，所述环状的内环位置设置有百叶窗(40)，所述底部隔热层(90)与所述侧部隔热层(60)共同围成一个腔体； 坩埚(50)，设置在所述腔体内； 隔热挡板(70)，设置在所述底部隔热层(90)与所述侧部隔热层(60)相接处，且朝向所述腔体的中心延伸， 顶部测温点(51)，设置在所述侧部隔热层(60)与所述坩埚(50)之间，且位于所述腔体的顶部的1/4~1/5处， 其特征在于，所述隔热挡板(70)的位置是可调整的，以调整所述铸锭炉内热场的高温区和低温区的空间分布。
2.一种控制类单晶铸锭过程中籽晶保留高度的方法，其特征在于，包括采用如权利要求I所述的铸锭炉进行类单晶的铸锭，并通过调整铸锭炉热场内隔热挡板(70)的位置调整高温区和低温区的空间分布。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:维持所述顶部测温点(51)温度为1135°C~1175°C，所述百叶窗(40)呈关闭状态，所述隔热挡板(70)的位置为原始位置，时间为60~120分钟； 第二步，所述顶部测温点(51)温度升至1480°C~1510°C，所述百叶窗(40)呈关闭状态，所述隔热挡板(70)位置为原始位置，时间为180~300分钟； 第三步，在30~60分钟内，所述顶部测温点(51)温度升至1520°C~1550°C，所述隔热挡板(70)位置上升3~7厘米； 第四步:维持所述第三步最终状态不变270~330分钟； 第五步:在30~60分钟内，所述顶部测温点(51)温度降至1495~1505°C，所述隔热挡板(70)的位置在所述第三步的基础上再上升8~12厘米； 第六步:维持所述第五步最终状态不变直至熔化段结束。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:维持顶部测温点(51)温度为1145°C~1155°C，所述百叶窗(40)呈关闭状态，所述隔热挡板(70)的位置为原始位置，时间为60~90分钟； 第二步，所述顶部测温点(51)温度升至1495°C~1505°C，所述百叶窗(40)呈关闭状态，所述隔热挡板(70)位置为原始位置，时间为190~230分钟； 第三步，在30~40分钟内，所述顶部测温点(51)温度升至1520°C~1530°C，所述隔热挡板(70)位置上升4.5~5.5厘米； 第四步:维持所述第三步最终状态不变280~320分钟； 第五步:在30~60分钟内，所述顶部测温点(51)温度降至1495~1505°C，所述隔热挡板(70)的位置在所述第三步的基础上再上升9.5~10.5厘米； 第六步:维持所述第五步最终状态不变直至熔化段结束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:维持顶部测温点(51)温度为1150°C，所述百叶窗(40)呈关闭状态，所述隔热挡板(70)的位置为原始位置，时间为90分钟；第二步，所述顶部测温点(51)温度升至1500°C，所述百叶窗(40)呈关闭状态，所述隔热挡板(70)位置为原始位置，时间为210分钟； 第三步，在30~60分钟内，所述顶部测温点(51)温度升至1525°C，所述隔热挡板(70)位置上升5厘米，时间为30分钟； 第四步:维持所述第三步最终状态不变300分钟； 第五步:在30~60分钟内，所述顶部测温点(51)温度降至1500°C，所述隔热挡板(70)的位置在所述第三步的基础上再上升10厘米； 第六步:维持所述第五步最终状态不变直至熔化段结束。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一步进一步包括:通过所述铸锭炉的真空泵将硅料 表面挥发出的杂质排出。
【文档编号】C30B11/00GK103590096SQ201310573814
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】潘家明, 魏景拓 申请人:英利集团有限公司