一種鑄錠爐熱場結構及制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鑄錠爐熱場結構，包括：爐體，可升降的隔熱籠；熱交換臺；坩堝；石墨護板；加熱裝置；保溫板；可升降的隔熱底板，用于與隔熱籠一起形成封閉空腔；其中封閉空腔形成時，保溫板處于環(huán)繞坩堝底部一周的位置，隔熱底板相對爐體下降時能夠使保溫板下降到環(huán)繞熱交換臺一周的位置，隔熱籠相對爐體提升時，隔熱籠能夠帶動保溫板上升。保溫板在晶體熔化階段起保護籽晶作用，在晶體生長階段，利用隔熱底板和隔熱籠的運動控制保溫板上下移動，確保晶體生長時的四周和中心散熱速率相當，從而獲得平整的固液界面，得到高品質(zhì)的柱狀晶結構的晶體硅。還提出一種使用前述鑄錠爐熱場結構的制備工藝。
【專利說明】
一種鑄錠爐熱場結構及制備工藝
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及太陽能晶硅生長領域，具體涉及一種晶硅生長爐型的熱場結構及制備工藝。
【背景技術】
[0002]在晶硅發(fā)電領域，目前晶硅生長主要分為直拉(CZ)法制備單晶和定向凝固(DSS)法制備類單晶/多晶等方法。
[0003]由于現(xiàn)在行業(yè)競爭日趨激烈，晶硅越來越向高品質(zhì)、高效率產(chǎn)品方向發(fā)展。由于CZ法制備單晶成本下降，加之其效率較DSS晶硅高，迫使DSS法需要制備更高效、更低成本的產(chǎn)品才能與CZ法晶硅競爭。
[0004]目前在DSS法制備高效晶硅熱場裝置如圖1所示，是目前DSS法普遍采用的熱場結構，包括爐體1、位于爐體I內(nèi)的隔熱籠2、加熱裝置3、石墨護板4、石英坩禍5、石墨熱交換臺6及隔熱底板7。這種熱場結構在晶硅制備過程中有幾個問題:首先，目前高效晶硅都大都采用有籽晶生長晶體類型，業(yè)界普遍認為晶體生長過程中，平整或中間微凸的固液界面有利于獲得較好的柱狀晶體結構。目前熱場結構邊角散熱較中心快，導致晶體生長初期邊角快于中間，得不到上述所需的固液界面，無法獲得垂直向上的柱狀晶結構。而且晶體生長后期由于熱場打開程度更大，四周晶體生長仍快于中間，從而無法獲得理想的平整或微凸的固液界面。其次，在熔化過程中，怎樣控制四周區(qū)域的籽晶不熔也是個突出的問題。
[0005]針對上述難題，有許多專利和文獻都有改善，例如CN102330143B介紹了一種隔熱籠底部加保溫環(huán)的裝置，但只是保證在晶體熔化時籽晶不熔化以及均勻退火，并未提及如何在晶體生長過程中獲得上述所需的固液界面結構，而且此專利的保溫環(huán)需要額外的傳動裝置來帶動其升降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于此，有必要提供一種鑄錠爐熱場結構，能夠在保護四周區(qū)域的籽晶不被熔化的同時還能在晶體生長過程中獲得較為平整的固液界面。
[0007]—種鑄錠爐熱場結構，包括:爐體，所述爐體內(nèi)設有:可升降的隔熱籠;熱交換臺；坩禍，置于所述熱交換臺上;石墨護板，位于所述坩禍的四周;加熱裝置，用以熔化坩禍中的硅料;保溫板，位于所述坩禍與所述隔熱籠之間，所述保溫板繞所述坩禍一周；可升降的隔熱底板，用于與所述隔熱籠一起形成封閉空腔，所述封閉空腔用以容納熱交換臺及坩禍;其中所述封閉空腔形成時，所述保溫板處于環(huán)繞所述坩禍底部一周的位置，所述隔熱籠不動而隔熱底板相對爐體下降時，所述隔熱底板能夠使所述保溫板下降到環(huán)繞所述熱交換臺一周的位置，隔熱底板保持下降后的位置而所述隔熱籠相對爐體提升時，所述隔熱籠能夠帶動所述保溫板上升。
[0008]上述鑄錠爐熱場結構，保溫板在晶體熔化階段起保護籽晶作用，在晶體生長階段，可利用隔熱底板和隔熱籠的運動控制保溫板上下移動，確保晶體生長時的四周和中心散熱速率相當，從而獲得平整的固液界面，得到高品質(zhì)的柱狀晶結構的晶體硅。
[0009]在其中一個實施例中，還包括支撐結構，所述支撐結構與所述保溫板固定連接且與所述隔熱底板可分離地配接，其中，所述隔熱底板相對爐體下降時，通過所述支撐結構使所述保溫板下降到環(huán)繞所述熱交換臺一周的位置;所述隔熱籠能夠帶動所述保溫板上升時，所述支撐結構與隔熱底板分離;所述封閉空腔形成時，所述保溫板與所述支撐結構達成配接。
[0010]在其中一個實施例中，所述支撐結構包括支撐桿，所述隔熱底板上設置有與所述支撐桿相配合的定位槽。
[0011]在其中一個實施例中，所述隔熱籠的內(nèi)側(cè)壁上設置有卡勾，所述保溫板具有與所述卡勾抵接配合的卡持部，所述封閉空腔形成時，所述卡持部位于所述卡勾之上且二者間隔設置。
[0012]在其中一個實施例中，所述卡持部抵接于所述卡勾時，所述隔熱籠能夠帶動所述保溫板上升。
[0013]在其中一個實施例中，所述保溫板的高度為100?250mm，厚度為10?30mm，距離石墨護板的間隙為5?15mm，所述封閉空腔形成時，所述保溫板距離隔熱底板的高度為60?I20mmο
[0014]還提出一種利用上述鑄錠爐熱場結構的制備工藝，包括步驟:
[0015]熔化:在所述坩禍底部先鋪設一層籽晶，然后裝填硅料，使所述隔熱籠、隔熱底板形成封閉空腔，保溫板處于環(huán)繞所述坩禍底部一周的位置，加熱熔化所述硅料且使坩禍底部四周區(qū)域的籽晶不被熔化，獲得晶體生產(chǎn)初期的固液界面；
[0016]長晶，包括:
[0017]第一階段:先下降所述隔熱底板且?guī)颖匕逑陆档奖匕瀛h(huán)繞所述熱交換臺一周的位置，保證熱交換臺四周的散熱速率基本與中心的散熱速率相當，使晶體硅從下而上生長且具有平整的長晶界面，及
[0018]第二階段:向上提升隔熱籠，帶動保溫板向上提升，使得晶體生長過程中，四周散熱和中心散熱速率相當，減緩晶體硅四周的生長速率；
[0019]退火:所述隔熱籠下降復位同時所述隔熱底板上升復位以重新形成所述封閉空腔，使晶體在均勻的溫度下退火；
[0020]冷卻:停止加熱，提升隔熱籠，進行冷卻。
[0021]在其中一個實施例中，在所述熔化階段中，所述保溫板的下端與所述熱交換臺的上端平齊。
[0022]在其中一個實施例中，所述長晶的第一階段中，保溫板下降到保溫板的下端與所述熱交換臺的下端平齊或超過熱交換臺的下端的位置。
[0023]在其中一個實施例中，所述隔熱籠下降復位且所述隔熱底板上升復位以重新形成所述封閉空腔的步驟中，所述隔熱底板上升復位后重新與所述保溫板配接以能夠帶動所述保溫板下降。
【附圖說明】
[0024]圖1為目前普遍采用的DSS鑄錠爐熱場結構；
[0025]圖2為本發(fā)明熔化階段鑄錠爐的熱場結構；
[0026]圖3為本發(fā)明保溫板的正面圖；
[0027]圖4為本發(fā)明長晶初期鑄錠爐的熱場結構；
[0028]圖5為本發(fā)明長晶中期鑄錠爐的熱場結構；
[0029]圖6為圖5的熱場結構的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0030]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0031]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0032]下面結合附圖，說明本發(fā)明的較佳實施方式。
[0033]本發(fā)明提供一種鑄錠爐熱場結構，能夠在晶體生長過程中獲得平整的固液界面。
[0034]參圖2，本發(fā)明的鑄錠爐熱場結構包括:爐體110、設置于爐體110內(nèi)的:可升降的隔熱籠120、熱交換臺130、置于熱交換臺130上的坩禍140、設置于坩禍140四周的石墨護板150、用以熔化坩禍140中的硅料的加熱裝置160、位于坩禍140與隔熱籠120之間的保溫板170及可升降的隔熱底板180。
[0035]隔熱底板180、隔熱籠120能夠一起形成封閉空腔，用以提供封閉的熱場。當該封閉空腔形成時，熱交換臺130、坩禍140、石墨護板150、加熱裝置160、保溫板170均是位于該封閉空腔內(nèi)。
[0036]本發(fā)明中，利用隔熱底板180和隔熱籠120的運動控制保溫板170上下移動，確保晶體生長時的四周和中心散熱速率相當，從而獲得平整的固液界面，得到高品質(zhì)的柱狀晶結構的晶體硅。
[0037]保溫板170通過支撐結構支撐于隔熱底板180。如圖5所示，支撐結構包括支撐桿192。如圖6所示，隔熱底板180的上表面設置有定位槽182。定位槽182與支撐桿192之間可以配接在一起，使隔熱底板180下降時能夠帶動保溫板170—起運動。同時，當隔熱籠120帶動保溫板170上升時，定位槽182與支撐桿192之間分離。
[0038]隔熱籠120的內(nèi)側(cè)壁上設置有卡勾122。保溫板170具有與卡勾122抵接配合的卡持部172。如圖2所示，前述的封閉空腔形成時，卡持部172位于卡勾122之上且二者間隔設置。如圖4所示，隔熱籠120向上提升的過程中，當卡持部172穿過卡勾122且抵接于卡勾122時，隔熱籠120繼續(xù)提升時就能夠帶動保溫板170—起上升。
[0039]卡持部172可以為保溫板170上伸出的突出部分，也可以為滑槽。當卡持部172為滑槽時，其與卡勾122的位置也可以互換。
[0040]保溫板170可選用石墨氈等隔熱保溫材料，其環(huán)繞坩禍140—周，整體呈回字形，由四個如圖3所示的保溫板單元組合而成。每一個保溫板單元上均設置有卡持部172?；刈中蔚谋匕?70的四個側(cè)面上具有卡持部172。隔熱籠120帶動保溫板170上升時，保溫板170受力均勻。
[0041 ] 保溫板170的高度為100?250mm，厚度為10?30mm，距離石墨護板150的間隙為5?15_，前述封閉空腔形成時，保溫板170距離隔熱底板180的高度為60?120_。
[0042]參圖2，其中前述封閉空腔形成時，保溫板170處于環(huán)繞坩禍140底部一周的位置。可以是保溫板170的下端與熱交換臺130的上端平齊。
[0043]參圖4，隔熱籠120不動而隔熱底板180相對爐體110下降時，隔熱底板180通過支撐結構能夠使保溫板170下降到環(huán)繞熱交換臺130—周的位置。保溫板170的位置可以是:保溫板170的下端與熱交換臺130的下端平齊或超過熱交換臺130的下端。
[0044]參圖5，隔熱底板180保持下降后的位置，而隔熱籠120相對爐體110提升時，隔熱籠120能夠帶動保溫板170上升。此時，支撐結構與隔熱底板180分離開來。
[0045]進一步地，當隔熱籠120下降復位且隔熱底板180上升復位以重新形成所述封閉空腔時，保溫板170所連接的支撐結構與隔熱底板180將重新達成配接。
[0046]下面結合鑄錠爐熱場結構鑄錠的工藝過程來描述本發(fā)明的原理。
[0047]參圖2，整個鑄錠過程至少包括四個階段:熔化、長晶、退火、冷卻。
[0048]熔化:包括準備階段和加熱熔化。具體地，在坩禍140底部先鋪設一層籽晶，然后裝填硅料，使隔熱籠120、隔熱底板180形成封閉空腔，保溫板170則處于環(huán)繞坩禍140底部一周的位置。加熱熔化硅料且使坩禍底部四周區(qū)域的籽晶不被熔化，獲得晶體生產(chǎn)初期的固液界面。
[0049]具體地，保溫板170的下端與熱交換臺130的上端平齊，剛好能保護坩禍140底部四周區(qū)域的籽晶不被熔化，從而獲得較好的晶體生長初期的固液界面。
[0050]長晶，包括第一階段和第二階段，其中第一階段為長晶的初期，第二階段則為長晶的中、后期。
[0051]第一階段:先下降隔熱底板180且?guī)颖匕?70下降到保溫板170能夠環(huán)繞熱交換臺130—周的位置，保證熱交換臺130四周的散熱速率基本與中心的散熱速率相當，使晶體硅從下而上生長且具有平整的長晶界面。
[0052]如圖4所示，首先下降隔熱底板180散熱，使晶體硅從下而上生長，帶動保溫板170下降，使其完全包住坩禍140下面的熱交換臺13，其中保溫板170下降到保溫板170的下端與熱交換臺130的下端平齊的位置。這樣就保證長晶初期熱交換臺130四周的散熱速率基本與中心的散熱速率相當，故能獲得平整的長晶界面。
[0053]第二階段:向上提升隔熱籠120，帶動保溫板170向上提升，使得晶體生長過程中，四周散熱和中心散熱速率相當，減緩晶體硅四周的生長速率。
[0054]參圖5，當晶體硅繼續(xù)生長，需要提升隔熱籠120來獲得更大的過冷度。當隔熱籠120向上提升到卡勾122與保溫板170的卡持部172掛上后，隔熱籠120繼續(xù)提升時將帶動保溫板170上升，從而減緩晶體四周的生長速率，使得晶體生長過程中，四周散熱和中心散熱速率相當，這樣更利于晶體垂直方向的生長，獲得理想的柱狀晶體結構，從而得到更高效的曰7；土立口曰曰々土廣口口 O
[0055]退火:隔熱籠120下降復位同時隔熱底板180上升復位以重新形成封閉空腔，使晶體在均勻的溫度下退火。
[0056]退火步驟中，重新形成封閉的熱場，使生長好的晶體處在一個恒溫的狀態(tài)，消除晶體內(nèi)部的熱應力。
[0057]另外，此過程中，隔熱底板180上升復位后，將重新與保溫板170配接以能夠帶動保溫板170下降。
[0058]冷卻:停止加熱，提升隔熱籠，進行冷卻。
[0059]如，可以是:停止加熱，然后提升隔熱籠120，緩慢降溫到400°，然后出爐。出爐后，自然冷卻，然后取出鑄錠，即可用以開方。
[0060]本發(fā)明設置的保溫板170在晶體熔化階段起保護籽晶作用，在晶體生長階段，利用隔熱底板180和隔熱籠120的運動控制保溫板170上下移動，確保晶體生長時四周和中心散熱速率相當，從而獲得平整的固液界面，得到高品質(zhì)的柱狀晶結構的晶體硅。
[0061]以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。
[0062]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1.一種鑄錠爐熱場結構，其特征在于，包括: 爐體，所述爐體內(nèi)設有: 可升降的隔熱籠； 熱交換臺； 坩禍，置于所述熱交換臺上； 石墨護板，位于所述坩禍的四周； 加熱裝置，用以熔化坩禍中的硅料； 保溫板，位于所述坩禍與所述隔熱籠之間，所述保溫板繞所述坩禍一周； 可升降的隔熱底板，用于與所述隔熱籠一起形成封閉空腔，所述封閉空腔用以容納熱交換臺及坩禍； 其中所述封閉空腔形成時，所述保溫板處于環(huán)繞所述坩禍底部一周的位置，所述隔熱籠不動而隔熱底板相對爐體下降時，所述隔熱底板能夠使所述保溫板下降到環(huán)繞所述熱交換臺一周的位置，隔熱底板保持下降后的位置而所述隔熱籠相對爐體提升時，所述隔熱籠能夠帶動所述保溫板上升。2.根據(jù)權利要求1所述的鑄錠爐熱場結構，其特征在于，還包括支撐結構，所述支撐結構與所述保溫板固定連接且與所述隔熱底板可分離地配接，其中，所述隔熱底板相對爐體下降時，通過所述支撐結構使所述保溫板下降到環(huán)繞所述熱交換臺一周的位置;所述隔熱籠能夠帶動所述保溫板上升時，所述支撐結構與隔熱底板分離;所述封閉空腔形成時，所述保溫板與所述支撐結構達成配接。3.根據(jù)權利要求2所述的鑄錠爐熱場結構，其特征在于，所述支撐結構包括支撐桿，所述隔熱底板上設置有與所述支撐桿相配合的定位槽。4.根據(jù)權利要求1所述的鑄錠爐熱場結構，其特征在于，所述隔熱籠的內(nèi)側(cè)壁上設置有卡勾，所述保溫板具有與所述卡勾抵接配合的卡持部，所述封閉空腔形成時，所述卡持部位于所述卡勾之上且二者間隔設置。5.根據(jù)權利要求4所述的鑄錠爐熱場結構，其特征在于，所述卡持部抵接于所述卡勾時，所述隔熱籠能夠帶動所述保溫板上升。6.根據(jù)權利要求1所述的鑄錠爐熱場結構，其特征在于，所述保溫板的高度為100?250mm，厚度為1?30mm，距離石墨護板的間隙為5?15mm，所述封閉空腔形成時，所述保溫板距離隔熱底板的高度為60?120mm。7.—種使用如權利要求1所述鑄錠爐熱場結構的制備工藝，其特征在于，包括步驟: 熔化:在所述坩禍底部先鋪設一層籽晶，然后裝填硅料，使所述隔熱籠、隔熱底板形成封閉空腔，保溫板處于環(huán)繞所述坩禍底部一周的位置，加熱熔化所述硅料且使坩禍底部四周區(qū)域的籽晶不被熔化，獲得晶體生產(chǎn)初期的固液界面； 長晶，包括: 第一階段:先下降所述隔熱底板且?guī)颖匕逑陆档奖匕瀛h(huán)繞所述熱交換臺一周的位置，保證熱交換臺四周的散熱速率基本與中心的散熱速率相當，使晶體硅從下而上生長且具有平整的長晶界面，及 第二階段:向上提升隔熱籠，帶動保溫板向上提升，使得晶體生長過程中，四周散熱和中心散熱速率相當，減緩晶體硅四周的生長速率； 退火:所述隔熱籠下降復位同時所述隔熱底板上升復位以重新形成所述封閉空腔，使晶體在均勻的溫度下退火； 冷卻:停止加熱，提升隔熱籠，進行冷卻。8.根據(jù)權利要求7所述的制備工藝，其特征在于，在所述熔化階段中，所述保溫板的下端與所述熱交換臺的上端平齊。9.根據(jù)權利要求7所述的制備工藝，其特征在于，所述長晶的第一階段中，保溫板下降到保溫板的下端與所述熱交換臺的下端平齊或超過熱交換臺的下端的位置。10.根據(jù)權利要求7所述的制備工藝，其特征在于，所述隔熱籠下降復位同時所述隔熱底板上升復位以重新形成所述封閉空腔的步驟中，所述隔熱底板上升復位后重新與所述保溫板配接以能夠帶動所述保溫板下降。
【文檔編號】C30B29/06GK105970283SQ201610604510
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】郭曉琛, 黃春來, 王雙麗, 程愛菊
【申請人】江蘇協(xié)鑫硅材料科技發(fā)展有限公司