[發(fā)明專利]一種多晶硅鑄錠爐及其鑄錠方法

有效

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• 申請日: 2013-07-17
• 公開（公告）號: CN103343387A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設計）人: 潘家明;陳艷濤;田偉華
• 申請（專利權）人: 英利能源（中國）有限公司
• 主分類號: C30B28/06
• 分類號: C30B28/06;C30B29/06
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 陸林生

技術領域

本發(fā)明涉及制備具有一定結構的均勻多晶硅裝置技術領域。

背景技術

目前光伏行業(yè)發(fā)展迅速，多晶鑄錠爐由于其產能高，鑄造的多晶和類單晶硅錠質量穩(wěn)定，在光伏發(fā)電行業(yè)得到廣泛應用。多晶鑄錠時將原生硅料承載在石英坩堝內，在鑄錠爐內經過加熱、熔化、定向結晶、退火、冷卻五個工藝過程，最終使高純多晶硅料生長成用于生產太陽能電池用的多晶硅錠。

現有多晶鑄錠爐內部熱場加熱器和底部散熱方式已有很多種新型結構，不同廠家在設計熱場時首先針對特殊鑄錠工藝和鑄錠方法來制定熱場結構，多數廠家提供的鑄錠爐采用頂部和側部同時加熱的加熱方式來設計熱場，少數廠家采用特殊的加熱方式設計熱場結構。如圖3所示，是精功科技生產的500N型鑄錠爐熱場，此熱場由頂部加熱器、底部散熱窗口及其余保溫部件構成熱場結構，此熱場可以實現硅錠結晶過程中硅液頂部加熱，硅液底部豎直向下輻射熱量來降溫結晶的完全豎直方向溫度梯度，從而保證硅液結晶過程中固液面一直呈現平穩(wěn)的平面結構，有利于硅液內的雜質分凝及結晶出的晶粒均勻，硅錠質量較高。

其鑄錠機理為在鑄錠爐熱場內將原生硅料完全熔化，然后通過打開熱場底部的散熱窗口，硅液的熱量通過底部的散熱臺輻射到底部水冷銅盤上，硅液底部開始降溫，當硅液底部溫度降低到硅熔點以下時，硅液開始在底部再次結晶，通過熱場內散熱窗口的不斷變大，底部散熱速度逐漸變大，硅液底部再結晶固體逐漸變高，最后完成整個再結晶過程。

因精功500N鑄錠爐采用只有頂部加熱器，硅液熔化后結晶過程呈現固液面平面結構結晶的良好表現，但是在硅錠加熱和熔化階段卻存在很大弊端，具體如下所述：（1）目前精功鑄錠爐設計鑄造的硅錠重量為500kg，坩堝采用840mm*840mm*480mm坩堝，坩堝高度為480mm，熱場內頂部加熱器距坩堝上沿距離約140mm左右，石墨加熱器加熱原理為高溫輻射方式，熱量在輻射過程中熱源同距離有如下變化：E∝1/r²，由上式可以看出加熱器對坩堝上部輻射的熱量遠大于坩堝底部硅料接受到的輻射熱量，造成鑄錠爐加熱和熔化工藝過程中，坩堝底部硅料升溫速度緩慢。

（2）由于坩堝頂部硅料接受熱輻射較多，所以坩堝頂部位置硅料首先熔化成硅液，由于坩堝底部硅料還處于低溫狀態(tài)，因此坩堝頂部硅料熔化后硅液向下流動，遇到底部低溫硅料時，發(fā)生硅液再結晶現象，在坩堝中部形成一層再結晶層。再結晶層將坩堝內硅料分隔成上下兩個部分，上部為液體硅，下部為塊狀固體硅，上部的硅液層表面形成鏡面作用，于加熱器輻射光線作用，向上反射加熱器輻射的熱能，造成硅液升溫速度緩慢，坩堝底部硅料升溫也受到很大限制。

（3）生產上為提高鑄錠爐產能，只能通過增大加熱器功率的方法來加速硅料熔化，加熱器功率的增加就造成了熱場上部區(qū)域的溫度不斷升高，爐內形成大量的硅蒸汽、揮發(fā)出的其它雜質氣體，這些氣體在加熱器附近發(fā)生大量的化學反應，對加熱器，熱場上部區(qū)域石墨件造成很大破壞作用，嚴重降低了熱場壽命。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種多晶硅鑄錠爐及其鑄錠方法，使用所述鑄錠爐和鑄錠方法制造多晶硅硅錠具有運行周期短的特點，提高了工作效率。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：一種多晶硅鑄錠爐，包括爐體隔熱層、頂部加熱器、石英坩堝、散熱臺和散熱窗口，其特征在于還包括底部加熱器，所述底部加熱器位于所述散熱臺的下側。

進一步的，所述底部加熱器包括公共端、A相電極、B相電極、C相電極和加熱器，所述A相電極、B相電極和C相電極通過加熱器與所述公共端連接。

一種多晶硅鑄錠爐鑄錠方法，包括加熱、熔化、定向結晶、退火和冷卻步驟，其特征在于所述加熱步驟為：

（1）時長9-11分鐘，設定頂部加熱器功率輸出10%，設定底部加熱器功率輸出10%，真空模式，進氣為零，對加熱器進行預熱；

（2）時長30分鐘至60分鐘，設定頂部加熱器輸出功率30kw，設定底部加熱器輸出功率15kw，真空模式，進氣為零，加熱器在設定時間內到達設定值，逐步緩慢提高加熱器功率，避免加熱器升溫過快；

（3）時長30分鐘至90分鐘，設定頂部加熱器輸出功率55kw，底部加熱器輸出功率25kw，真空模式，進氣為零，加熱器在設定時間內到達設定值，逐步緩慢提高加熱器功率，避免加熱器升溫過快；

（4）時長30分鐘至90分鐘，設定頂部加熱器輸出功率70kw，設定底部加熱器輸出功率35kw，真空模式進氣為零；