[发明专利]一种水致冷铸锭炉及其铸锭工艺

说明书

技术领域

本发明涉及到一种多晶硅铸锭炉，特别是涉及到一种水致冷铸锭炉及其铸锭工艺。

背景技术

多晶硅铸锭炉是光伏领域中多晶硅生产的主要设备，其工作过程是将掺杂物和多晶硅料在真空、高温状态下，再加入惰性保护气体，经过加热、熔化、定向结晶、退火和冷却几个阶段后长成有一定晶体生长方向的多晶硅锭。

现有的铸锭过程中，采用顶部和侧部加热器控制热场分布，在熔化和长晶阶段采取一升降装置提升隔热笼体的方法来降低硅料熔化速度和控制长晶速度，退火阶段再次提高隔热笼体，使热量一部分通过坩埚底部石墨块热传递带走，一部分通过打开的隔热笼辐射发散出去。

但上述的方法存在很多问题。首先，提升隔热笼体，侧面散热，导致坩埚径向存在热量的传递，径向传热产生径向温度梯度并导致在坩埚壁附近容易形核，该晶核会随着径向传热的进行而不断长大，垂直梯度和径向梯度双重作用造成晶粒非垂直生长，而是呈现从侧壁向中心斜向上生长，从而产生大量晶核，影响柱状晶的形成，同时，大量晶核易使硅锭存在大量的晶界和位错，晶界和位错能在硅禁带中引入深能级，易形成光生少数载流子的复合中心，进而降低硅电池的光电转换效率；其次，隔热笼体在提升过程中与隔热笼顶部摩擦，产生碳粉尘，易进入坩埚，增加硅锭的碳杂质含量，碳原子比硅原子小，碳原子替代硅原子后容易引起晶格畸变，造成氧原子在附近偏聚而形成氧沉淀的异质核心，产生原生氧沉淀，成为复合中心或引入复合中心的二次缺陷，导致硅材料中少数载流子寿命降低，另外高纯度碳可在硅熔体中形成SiC颗粒，影响硅锭的有效利用率；最后，提升隔热笼体后，坩埚底部热交换台中心和边缘散热不均匀，则在生产过程中固—液界面不水平，导致界面成核不均匀，影响柱状晶的形成，固—液界面不水平同时也导致硅锭中热应力较大，使硅锭中缺陷较多，过多缺陷易形成光生少数载流子的复合中心，影响硅电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种水致冷铸锭炉及其铸锭工艺，解决现有的硅锭铸造炉在铸造硅锭时，采用升降装置提升隔热笼的方式来降低硅料熔化速度和控制长晶速度，带来硅锭存在大量的晶界和位错的缺点，以及碳杂质含量增加导致硅材料中少数载流子寿命的降低的缺陷。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种水致冷铸锭炉，包括炉体、设置在炉体内的隔热笼以及设置在隔热笼中热交换台，所述的热交换台上放置有一个坩埚，所述的坩埚的顶端及四周分布有加热器，热交换台的下端设置有底部加热器，所述的热交换台的下端设置有水冷盘，且水冷盘位于底部加热器的下端，水冷盘内设流腔，并设置进水口和出水口，进水口和出水口通过流腔连通，进水口和出水口还分别连通炉体外端。本装置通过向水冷盘通入冷水降低坩埚底部的温度，而底部加热器则提升坩埚底部的温度，两者配合下保持固—液界面横向温度梯度趋于零，给晶体生长提供理想的温场条件，促进晶体柱状生长；在退火阶段，底部石墨加热器和水冷盘双重作用可以在较短时间内使硅锭温度均一，获得较优化的退火条件，有利于硅锭内部热应力的释放，提高硅片的成品率；采用水冷盘降温即无需提升隔热笼，从而减少了进入坩埚里的碳粉尘，有效消除硅锭内部热应力，减小硅锭中缺陷，显著提高硅片质量。

进一步，上述水冷盘和底部加热器之间设置有绝热固化毡，绝热固化毡可以有效阻断热量向下传递，降低能耗，保证底部加热器的加热效果。

进一步，上述的底部加热器的上下两面都覆有一层立方氮化硼，立方氮化硼是导热率良好的绝缘体，不但可以有效阻止石墨加热器上面石墨交换台形成电路，还可以保证热量的有效均匀传递。

进一步，所述的热交换台通过支柱进行固定，所述的支柱的一端安装在热交换台的底面，另一端穿过隔热笼安装在炉体的底部。

进一步，上述的坩埚的周边和下端设置有石墨护板，石墨护板不仅对坩埚起到支撑作用，还能够对炉体进行保温。

进一步，上述的热交换台采用石墨制成，石墨有良好的导热性能，而且导热较均匀。

进一步，上述的坩埚的顶端、四周的加热器以及底部加热器均采用石墨制成。