[發明專利]一種用于晶硅鑄錠爐的載氣導流裝置及其導流方法

有效

• 申請號: 202010047321.2
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111041554B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 蘇文佳;李琛;王軍鋒
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C30B28/06
• 分類號: C30B28/06;C30B29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種用于晶硅鑄錠爐的載氣導流裝置及其導流方法，主要包括導流套筒、外導流管和內導流管；所述導流套筒上端和頂部隔熱籠上方進氣管接頭螺紋連接，導流套筒內壁設置周向均勻分布的內壁凸臺，導流套筒下端設置密封管；所述外導流管外壁設置周向均勻分布的外壁凸臺，下端設置側部噴管和側流底座，外導流管通過外壁凸臺掛靠在導流套筒的內壁凸臺上；所述內導流管上端和牽引裝置連接，下端設置底部噴管，內導流直管和底部噴管連接處設置支撐臺；使用該系統時，針對不同生長階段，獨立控制內導流管和外導流管載氣流量及出流位置，從而在加速熔體自由表面雜質蒸發的同時，抑制載氣回流和化學反應，最終降低鑄錠中的氧碳含量。

技術領域

本發明涉及一種用于制造太陽能級晶硅鑄錠的載氣導流系統，尤其涉及一種能改變載氣出流方向及出流位置的導流裝置和導流方法，從而抑制坩堝出口處回流、強化熔體對流、促進雜質蒸發并抑制化學反應，進而降低晶硅中雜質含量、提高少子壽命、增大晶硅太陽電池效率，屬于晶體生長設備領域。

背景技術

晶硅鑄錠爐主要用于制備晶硅鑄錠，整過程包含加熱、熔化、長晶、退火及冷卻五個階段。在加熱階段，隔熱籠閉合，加熱器功率快速增加，隔熱籠內部生長室的溫度升高，進入熔化階段。在熔化階段，隔熱籠保持封閉，加熱器功率繼續上升，使石英坩堝中的硅料全部熔化或部分熔化至籽晶處。在長晶階段，打開隔熱籠使坩堝區域與周圍進行熱交換來散失熱量，隨著開口逐漸增大，熱交換臺底部散熱增強導致坩堝底部溫度不斷下降，熔液內部形成垂直的溫度梯度，當溫度低于熔點時開始形核，晶體自下而上定向生長。這個階段需要精確調節加熱器功率和隔熱籠移動速度，獲取合適的生長速度和盡量水平并微凸的固液界面形狀，直至長晶完成。在退火階段，晶硅鑄錠內存在較大的溫度梯度，易形成較大熱應力使鑄錠破裂，因此重新閉合隔熱籠，以在晶硅鑄錠內形成均勻的溫度分布和較小的熱應力值。在冷卻階段，加熱器功率下降至零，隨著側部隔熱籠的不斷上移，當鑄錠爐內的溫度降至500 K左右時，鑄錠出爐。

晶硅鑄錠生產過程中不可避免地會引入氧、碳等雜質元素，這些雜質會形成沉淀、復合體等缺陷，成為少數載流子的復合中心，縮短硅的少子壽命，從而降低晶硅太陽電池轉換效率。氧和碳雜質的引入，首先是高溫下石英坩堝壁面分解的氧通過氮化硅涂層進入到硅熔體中。一部分通過固液界面進入硅錠，另一部分溶解的氧和硅原子結合并以SiO氣體的形式從熔體自由表面蒸發。隨后載氣將蒸發出的SiO氣體帶離熔體自由表面，一部分從坩堝上部出口流出，另一部分通過載氣導流輸運到石墨坩堝、頂部蓋板和保溫碳氈表面等石墨部件表面，發生反應生成CO氣體和SiC沉積。CO氣體通過載氣導流輸運到熔體自由表面，進入熔體后分解為氧和碳，被熔體對流輸運到生長界面處，通過雜質分凝效應進入晶硅中。

爐殼內部載氣的作用主要有兩方面：一方面用于排雜，即載氣通過導流裝置進入坩堝內部，橫掠熔體硅自由表面后，一部分載氣將從熔體中蒸發出來的SiO帶離熔體自由液面，并將SiO和石墨制品反應生成的CO及時帶離生長室，既可以促進熔體中雜質的蒸發，又可以避免雜質進入熔體污染硅錠；另一部分載氣橫掠坩堝蓋板后，又重新回到熔體自由表面,如圖12-13所示。結果導致熔體自由表面蒸發出的SiO氣體，只有一小部分被載氣沿坩堝出口帶離坩堝內部，大部分SiO氣體輸運到坩堝蓋板與之發生化學反應生成CO氣體，又被載氣帶回熔體自由表面，進而結合進入熔體硅，最終導致硅錠中的氧碳含量增高。因此，優化石英坩堝內的載氣流動，可有效減少硅錠中的氧碳含量。另一方面，載氣起到冷卻降溫的作用，即入口處低溫氣體不斷進入生長室，通過與爐內部件、晶體或熔體表面換熱，將熱量帶出生長室，因此還可以通過控制入口載氣流量調整晶體的冷卻速率以及熔體的流動強度及結構。