專利名稱：一種鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄造單晶過(guò)程中控制籽晶熔化程度的氣流控制方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前太陽(yáng)能電池主要采用單晶硅片和多晶硅片來(lái)制造，其中單晶硅片具有晶界少、雜質(zhì)低、少子壽命聞的特點(diǎn)，對(duì)光的吸收和轉(zhuǎn)換效率聞；而多晶娃片則由于晶界多，雜質(zhì)高，其制絨面對(duì)光的吸收轉(zhuǎn)換效率要比單晶硅低1%_2%。單晶硅主要采用直拉法(Cz法)生產(chǎn)，單次投料量低，控制工藝要求高，產(chǎn)品成本較高；而多晶硅則多是采用定向凝固法，使用 鑄錠爐生產(chǎn)的，控制工藝要求比較低，且一次投料量大，產(chǎn)出多，成本低。因此，采用多晶爐鑄造單晶硅錠是一種結(jié)合多晶硅和單晶硅優(yōu)勢(shì)的生產(chǎn)方法。其所得硅錠既具有單晶硅的晶界少，少子壽命高等性能特點(diǎn)，同時(shí)也具有多晶硅的成本低、產(chǎn)量大的優(yōu)勢(shì)。該鑄造單晶方法主要實(shí)施過(guò)程為在石英坩堝底部鋪上籽晶，并通過(guò)溫度控制硅料熔化來(lái)使得熔融硅料的后續(xù)生長(zhǎng)按底部籽晶晶向進(jìn)行，從而生長(zhǎng)出含有類似單晶體的硅錠。在目前的鑄造單晶制備工藝過(guò)程中，大多都是通過(guò)控制溫度變化，使加熱器熱量產(chǎn)生變化來(lái)控制硅料以及籽晶熔化的程度，同時(shí)采用提升隔熱籠高度的方法來(lái)減少底部籽晶的熱量吸收。目前尚未見(jiàn)到通過(guò)氣流控制熱量來(lái)控制籽晶熔化程度的公開(kāi)報(bào)道或?qū)＠暾?qǐng)。鑄錠爐底部籽晶高度較低，一般為5mm-50mm之間，在熔化時(shí)需要精確控制吸收熱量，確保不過(guò)度熔化。鑄錠爐加熱器功率一般較大，且鑄錠爐溫度場(chǎng)為大慣性系統(tǒng)，溫度變化稍有波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鑄錠爐溫度場(chǎng)內(nèi)熱量變化較大，因此通過(guò)溫度變化來(lái)控制加熱器熱量產(chǎn)生精確變化難度很大，很容易導(dǎo)致熱量過(guò)大將底部籽晶全部熔化，這也是目前單晶硅錠的生產(chǎn)過(guò)程中仍然有籽晶完全熔完的情況發(fā)生的原因之一。若能夠較好地解決鑄造單晶籽晶熔化程度的精確控制問(wèn)題，將有利于鑄錠單晶的推廣和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
在多晶鑄錠爐制備單晶硅錠的生產(chǎn)過(guò)程中，在硅料熔化階段，為了防止籽晶完全熔化，本發(fā)明旨在提供一種鑄錠爐鑄造單晶硅料熔化過(guò)程中精確控制籽晶熔化程度的方法，通過(guò)控制氣體流量從而控制氣流傳遞熱量，使底部籽晶不完全熔化，能較好解決鑄造單晶過(guò)程中籽晶完全熔化的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的方法，在多晶鑄錠爐內(nèi)設(shè)有隔熱籠，該隔熱籠內(nèi)設(shè)有控溫?zé)崤迹龆嗑цT錠爐底部設(shè)有定向凝固塊底部熱偶，包括如下步驟1)、在多晶鑄錠 爐內(nèi)的坩堝底部鋪設(shè)籽晶層，籽晶層上放置多晶硅料，對(duì)爐體內(nèi)抽真空至爐內(nèi)壓力為0. Olmbar-O. 05mbar,然后加熱爐體，使多晶娃料受熱開(kāi)始熔化，當(dāng)控溫?zé)崤紲囟葹?450°C-1550°C時(shí)，向爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)到500mbar-7OOmbar,同時(shí)提升隔熱籠3_10cm,穩(wěn)定時(shí)間為30min-500min ；
2)、當(dāng)定向凝固塊底部熱偶溫度達(dá)到1150°C-1350 °C時(shí)，保持控溫?zé)崤嫉臏囟燃案魺峄\的高度不變，向爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體，流量為20-35L/min，穩(wěn)定時(shí)間為30min_300min ；
3)、保持控溫?zé)崤紲囟燃案魺峄\高度不變，當(dāng)定向凝固塊底部熱偶溫度達(dá)到1250 0C -1400 °C時(shí)，控制爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體的流量為15-25L/min，穩(wěn)定時(shí)間為30min_300min ；
4)保持控溫?zé)崤紲囟燃案魺峄\高度不變，當(dāng)定向凝固塊底部熱偶溫度在12500C -1400°C范圍內(nèi)，且溫度變化量小于1°C /IOmin時(shí)，控制爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體流量為 10-20L/min，穩(wěn)定時(shí)間為 30min_300min ；
5)、當(dāng)控溫?zé)崤紲囟冉抵?410°C-1450°C時(shí)，進(jìn)入籽晶長(zhǎng)晶階段。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述向爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體是通過(guò)設(shè)置在隔熱籠頂部的石墨導(dǎo)氣管通入的。進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了一種鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的裝置，包括多晶鑄錠爐，所述多晶鑄錠爐內(nèi)設(shè)有隔熱籠，所述隔熱籠上設(shè)有向爐體內(nèi)通保護(hù)氣體的石墨導(dǎo)氣管，所述隔熱籠內(nèi)設(shè)有控溫?zé)崤?，所述多晶鑄錠爐底部設(shè)有定向凝固塊底部熱偶。由此，控溫?zé)崤加糜跈z測(cè)隔熱籠內(nèi)的溫度，定向凝固塊底部熱偶用于檢測(cè)籽晶的受熱溫度。所述石墨導(dǎo)氣管優(yōu)選設(shè)在多晶鑄錠爐的頂部。鑄錠爐鑄造單晶硅錠的工藝，一般是在爐體內(nèi)坩堝底部鋪設(shè)籽晶層，上面放置硅料，通過(guò)升溫加熱，使硅料逐漸熔化，但在熔化到底部籽晶層時(shí)，不能使底部籽晶完全熔化，在后續(xù)的長(zhǎng)晶階段，使熔化的硅料隨著籽晶晶向生長(zhǎng)，從而達(dá)到鑄造單晶硅錠的目的。本發(fā)明根據(jù)鑄錠爐鑄造單晶的工藝要求，在鑄錠爐內(nèi)硅料加熱熔化過(guò)程中，熔化至底部籽晶高度時(shí)，保持溫度及隔熱籠高度不變，使?fàn)t內(nèi)加熱器產(chǎn)生的熱量趨于穩(wěn)定，減小加熱器產(chǎn)生熱量的波動(dòng)。同時(shí)通過(guò)控制爐體內(nèi)保護(hù)性氣體的流動(dòng)微調(diào)熱量的傳遞，使?fàn)t體底部籽晶熔化程度主要受氣流傳遞熱量控制而不是加熱器產(chǎn)生的熱量控制，從而使籽晶熔化過(guò)程由于受熱量較小而減緩，可精確控制籽晶熔化程度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是通過(guò)本方法的運(yùn)用，可以通過(guò)控制氣流傳遞熱量簡(jiǎn)單、有效的調(diào)整鑄造單晶生產(chǎn)過(guò)程中爐體底部籽晶的熔化程度，使籽晶熔化速度減緩并可精確控制，進(jìn)一步提聞鑄造單晶娃淀生廣的成功率。


圖I是本發(fā)明一種實(shí)施例的原理示意圖，
在圖中
I-石墨導(dǎo)氣管； 2-隔熱籠；3-籽晶層；4-控溫?zé)崤迹?-定向凝固塊底部熱偶。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更易于理解，目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更加突出，下面結(jié)合實(shí)例及附圖I進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。一種鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的裝置，如圖I所示，包括多晶鑄錠爐，所述多晶鑄錠爐內(nèi)設(shè)有隔熱籠2，所述隔熱籠頂部設(shè)有向爐內(nèi)通保護(hù)氣體的石墨導(dǎo)氣管1，所述隔熱籠2內(nèi)設(shè)有控溫?zé)崤?，所述多晶鑄錠爐底部設(shè)有定向凝固塊底部熱偶5
在爐體內(nèi)坩堝底部鋪設(shè)籽晶層3，上面放置多晶硅料，爐體通過(guò)抽真空方式保證爐內(nèi)壓力為0. 01-0. 05mbar,通過(guò)升溫加熱，使硅料逐漸受熱開(kāi)始熔化，當(dāng)控溫?zé)崤?溫度為14500C _1550°C時(shí)，通入保護(hù)性氣體，逐步使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)到500-700mbar，同時(shí)將隔熱籠2提升5cm,穩(wěn)定時(shí)間為50min ；
第一步完成后，當(dāng)定向凝固塊底部熱偶5溫度達(dá)到1150°C _1350°C時(shí)，穩(wěn)定控溫?zé)崤?溫度及隔熱籠2高度不變，通過(guò)隔熱籠2頂部石墨導(dǎo)氣管I向爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體，流量為30L/min，穩(wěn)定時(shí)間為60min ；
第二步完成后，保持控溫?zé)崤?溫度及隔熱籠2高度不變，當(dāng)定向凝固塊底部熱偶5溫度達(dá)到1250°C -1400°C時(shí)，控制爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體流量為20L/min，穩(wěn)定時(shí)間為IOOmin ；
第三步完成后，保持控溫?zé)崤?溫度及隔熱籠2高度不變，當(dāng)定向凝固塊底部熱偶5溫度在1250°C -1400°C范圍內(nèi)，同時(shí)變化量到<1°C /IOmin時(shí)，控制爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體流量為15L/min，穩(wěn)定時(shí)間為70min ；
然后控溫?zé)崤?溫度降至1410°C _1450°C，進(jìn)入籽晶長(zhǎng)晶階段。利用上述方法，在鑄造單晶硅錠過(guò)程中的籽晶熔化階段，通過(guò)控制保護(hù)氣體流量變化，利用氣流所帶熱量而不是加熱器熱量實(shí)現(xiàn)籽晶緩慢熔化，從而精確控制籽晶熔化程度，確保底部籽晶不完全熔化，正常生產(chǎn)出單晶硅錠。以上發(fā)明書中描述的只是本發(fā)明的具體實(shí)施方法，舉例說(shuō)明不對(duì)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀了說(shuō)明書以后可以對(duì)以前所敘述的具體實(shí)施方式
做修改或者變形，而不背離發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的方法，在多晶鑄錠爐內(nèi)設(shè)有隔熱籠(2)，該隔熱籠(2)內(nèi)設(shè)有控溫?zé)崤?4)，所述多晶鑄錠爐底部設(shè)有定向凝固塊底部熱偶(5)，其特征是，包括如下步驟 1)、在多晶鑄錠爐內(nèi)的坩堝底部鋪設(shè)籽晶層(3)，籽晶層(3)上放置多晶硅料，對(duì)爐體內(nèi)抽真空至爐內(nèi)壓力為0. Olmbar-O. 05mbar，然后加熱爐體，使多晶硅料受熱開(kāi)始熔化，當(dāng)控溫?zé)崤?4)溫度為1450°C -1550°C時(shí)，向爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體，使?fàn)t內(nèi)壓力達(dá)到500mbar-7OOmbar,同時(shí)提升隔熱籠(2) 3_10cm,穩(wěn)定時(shí)間為 30min-500min ； 2)、當(dāng)定向凝固塊底部熱偶(5)溫度達(dá)到1150°C-1350°C時(shí)，保持控溫?zé)崤?4)的溫度及隔熱籠(2)的高度不變，向爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體，流量為20-35L/min，穩(wěn)定時(shí)間為30min-300min ； 3)、保持控溫?zé)崤?4)溫度及隔熱籠(2)高度不變，當(dāng)定向凝固塊底部熱偶(5)溫度達(dá)到1250°C -1400°C時(shí)，控制爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體的流量為15-25L/min，穩(wěn)定時(shí)間為30min_300min ； 4)保持控溫?zé)崤?4)溫度及隔熱籠(2)高度不變，當(dāng)定向凝固塊底部熱偶(5)溫度在12500C -1400°C范圍內(nèi)，且溫度變化量小于1°C /IOmin時(shí)，控制爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體流量為 10-20L/min，穩(wěn)定時(shí)間為 30min_300min ； 5)、當(dāng)控溫?zé)崤?4)溫度降至1410°C-1450°C時(shí)，進(jìn)入籽晶長(zhǎng)晶階段。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的方法，其特征是，所述向爐體內(nèi)部通入保護(hù)性氣體是通過(guò)設(shè)置在隔熱籠(2)頂部的石墨導(dǎo)氣管(I)通入的。
3.—種鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的裝置，包括多晶鑄錠爐，所述多晶鑄錠爐內(nèi)設(shè)有隔熱籠(2)，其特征是，所述隔熱籠(2)上設(shè)有向爐體內(nèi)通保護(hù)氣體的石墨導(dǎo)氣管(1)，所述隔熱籠(2)內(nèi)設(shè)有控溫?zé)崤?4)，所述多晶鑄錠爐底部設(shè)有定向凝固塊底部熱偶(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的裝置，其特征是，所述石墨導(dǎo)氣管(I)設(shè)在隔熱籠的頂部。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鑄造單晶過(guò)程中通過(guò)氣流控制籽晶熔化程度的方法及裝置。為了防止籽晶完全熔化，利用所述方法，在鑄造單晶硅錠過(guò)程中的籽晶熔化階段，通過(guò)控制保護(hù)氣體流量變化，利用氣流所帶熱量而不是加熱器熱量實(shí)現(xiàn)籽晶緩慢熔化，從而精確控制籽晶熔化程度，確保底部籽晶不完全熔化，正常生產(chǎn)出單晶硅錠。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102703968SQ20121018191
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者李佳, 楊曉生, 段金剛, 瞿海斌, 賈京英, 陳國(guó)紅 申請(qǐng)人:湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司