[发明专利]基于多加热器的铸锭炉热场结构及运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅铸锭炉的制造技术领域，具体涉及一种基于多加热器的多晶硅铸锭炉热场结构及运行方法，适用于制造大投料量大尺寸高品质的多晶硅锭。

背景技术

多晶硅铸锭炉是一种专业的硅重熔设备，用于生产合格的太阳能级多晶硅铸锭。铸锭生产是先将符合要求的多晶硅原料装入炉中，而后按照工艺设定进行加热、熔化、长晶、退火、冷却等各个步骤，最终将多晶硅锭取出的过程。

但是，铸造多晶硅内部存在大量的晶界，洁净的晶界呈非电活性，对少数载流子寿命并无影响或只有微小影响，而杂质的偏聚或沉淀会改变晶界的电活性，会显著降低少数载流子寿命，晶界越多，影响越大。因此，相比于单晶，多晶硅所制备的太阳能电池效率低，影响了其在太阳能光伏行业的广泛应用。

多晶炉中硅原料的重熔和长晶需要一个稳定的温度梯度环境，通常称之为热场。常见的热场结构通常主要由炉室、隔热笼体、顶部保温板、顶侧加热器、坩埚及护板、支撑柱及下保温层以及负责定向散热的助凝块等构成（如图1所示）。中国发明专利“用于多晶硅垂直定向生长的随动隔热环热场结构”（ZL 201010108876.X）揭示了另一种热场结构（如图2所示）：包括置于炉室内的坩埚，坩埚的热场包括顶部加热器、侧部加热器和位于坩埚底部的热交换台，其中顶部加热器和侧部加热器固定于电极上；所述炉室内设有侧面包围式的隔热笼体，所述坩埚及热场均置于隔热笼体中，隔热笼体的上端与提升装置相连；隔热笼体上下分别设置顶部保温板和下保温层，其中顶部保温板固定悬挂于电极上，下保温层及所述热交换台均固定于支撑柱上，顶部保温板与隔热笼体上端活动相接、下保温层与隔热笼体下端活动相接；一个环形的随动隔热环通过数个连接装置固定在隔热笼体的内部。

上述两种热场结构的运行过程基本相似：熔化阶段，隔热笼关闭，由隔热笼体、顶部保温板及下保温层组成一个封闭的腔室，加热器工作将硅料熔化；长晶阶段，隔热笼打开，由定向助凝块负责散热，坩埚底部产生了低温区，开始进行硅液的结晶过程。

常规的多晶铸锭炉，一般只获取热场内一个特定点的温度，并根据该信号温度对加热器功率输出进行整体控制，其余测温点仅做参考使用，不参与温控。这样的工作方式，决定了炉体内温度的可控性差，不能构建合理的温度梯度，在面临大投料量及大尺寸铸锭的形势下，具有不可克服的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于多加热器的铸锭炉热场结构及运行方法。通过该热场结构及温控系统，能够有效监测热场各部分的温度，调整各个加热器的功率输出，建立更加合理的温度梯度，适应大投料量以及大尺寸铸锭趋势。使长晶初期晶核形成更均匀，增大晶粒，减少晶界，改善晶向，降低能耗，最终提高晶锭的品质。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种多加热器的铸锭炉热场的运行方法，在坩埚的顶部、侧部以及热交换台的底部分别设置顶部加热器、侧部加热器和底部加热器，其运行过程包括：

（1）加热阶段：在按照工艺要求完成装料并抽真空后，启用全部加热器；各加热器均按照工艺设定要求采用功率输出控制，使炉内温度在5小时内上升至1000℃以上；

（2）融化阶段：继续升温，当坩埚顶板温度达到1500℃后，将各加热器的功率输出控制改为采用温度输出控制，根据坩埚表面的温度检测信号来调节各加热器功率，使各控制点的温度均符合工艺设定要求；在将固态硅料全部融化成液态后，保持稳定的加热状态0.5～1小时；然后降低底部加热器的功率直至关闭，同时降低顶部加热器和侧部加热器的功率，用1个小时使坩埚的温度下降至硅结晶点，为晶体生长做准备；

（3）长晶阶段：开启隔热笼体和炉体冷却水进行散热，根据坩埚顶部和侧部的表面温度调节顶部加热器和侧部加热器的功率，控制垂直方向上的温度梯度确保长长晶速度在1～15mm/hr，并使长晶速度保持稳定；

（4）退火阶段：关闭隔热笼体，并重新启用底部加热器，使坩埚底部温度在15分钟内上升至1300℃；

（5）冷却阶段：关闭底部加热器，并重新打开隔离笼体，使硅锭在10～12个小时内缓慢冷却至400℃；然后将炉体打开，取出硅锭。