一种多晶硅铸锭炉的制作方法

1.本发明涉及多晶硅冶炼设备的技术领域，尤其涉及一种多晶硅铸锭炉。


背景技术：

2.目前，世界光伏产业的年平均增长率为31.2％，其增长速度在全球能源发电市场上位列第一。随着各个国家出台相关政策和制定相应计划，光伏产业真正走向快速发展的道路。
3.多晶硅是单质硅元素的一种形态，单质硅在熔融以后经过冷却凝固，形成多晶硅，由于多晶硅的化学性质十分的稳定，同时自身也没有一定的环境污染，还有半导体材料良好的特点，因此被广泛的使用在工业、农业、航天等多方面。在人工智能、自动控制等半导体的元器件中也少不了要使用到多晶硅，多晶硅是硅材料中最主要的光伏材料，是影响硅材料制备产业发展规模的重要环节。多晶硅在铸锭的过程中，温度梯度要保证两个基本条件，一个是温度梯度始终是下低上高，而且固液界面以我们希望的长晶速度向上移动；其次，要保证固液界面尽量水平。如果固液界面不水平，就必然导致中部长得快，或者旁边长得快。如果四边长得快，硅锭中部会产生阴影，不利于定向凝固去杂；如果中心长得太快，晶体在中部交叉，可能导致多晶硅锭内部的应力增大，使得硅锭容易破裂。
4.中国专利cn203200374u公开了一种多晶硅铸锭炉热场结构，包括炉体、设于所述炉体内的热场箱、设于所述热场箱内的坩埚、设于所述热场箱内壁与所述坩埚外壁之间的加热器和设于所述坩埚底部的热交换平台，所述热场箱包括隔热笼和保温壳，所述保温壳包括保温侧板、保温顶板和保温底板，所述保温侧板贴合固定于所述隔热笼的内侧壁上，所述炉体底部还设有用于带动所述保温底板升降以使所述保温底板贴合密封或者脱离所述保温侧板底端开口的升降杆。其结晶生产过程中，通过控制升降杆带动保温底板下降，可使隔热笼与保温底板之间具有可使热量散发的间隙，从而使熔化后的多晶硅形成纵向温度梯度，纵向逐渐结晶，最终形成多晶硅铸锭。
5.该装置呈四边形，通过升降杆带动保温底板下降，从底部进行结晶，硅锭四个角位置的角锭相邻两个面都靠近坩埚，受到来自坩埚杂质的影响、受热场边界效应影响大，容易生产出受热场边界效应影响大的、低转换效率的角锭，并且角部热场温度分布不均匀，导致转换效率比较低，影响硅锭效率的离散性，从而影响到整个硅锭的平均转换效率。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多晶硅铸锭炉，通过对现有的四边形热场进行改进，增大热场尺寸，升级为八边形的热场，解决相关技术中存在的长晶过程中固液界面水平度低、晶体中部应力太大及出现底转换率角锭的问题，提高一次铸锭的产品合格率。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种多晶硅铸锭炉，包括上炉体、下炉体、下活动保温组件、坩埚和支撑板，所述下
炉体底部中间设有通孔，通孔外侧设有下炉盖，所述下炉体底部内侧设有支撑柱，所述支撑柱上端水平固定有支撑板，所述支撑板上设有热交换台，所述热交换台上放置有坩埚；
9.所述坩埚采用石英坩埚，所述坩埚呈八边形，所述坩埚的底部、侧面和顶部均设有坩埚护板；
10.所述下活动保温组件包括下保温层、与下保温层相配合的下活动保温层，所述下活动保温层底部固定连接有活动杆件，所述活动杆件穿设所述炉盖连接至驱动电机，所述支撑柱穿设所述下保温层且与其固定连接；
11.所述坩埚的四周及上方设有加热器，所述加热器四周设有侧活动保温层，所述侧活动保温层顶部固定连接有升降杆，所述升降杆穿设所述上炉体顶部，所述升降杆的上端连接至升降电机的驱动端；所述加热器上方设有上保温层，所述上保温层上表面固定连接有提拉杆，所述提拉杆固定连接在所述上炉体顶部。
12.优选的，所述上炉体顶部中间设有开口，所述开口上方设有上炉盖。
13.更优选的，所述加热器上端连接有电极，所述加热器通过所述电极悬挂于上炉体内。
14.优选的，所述侧活动保温层与下保温层、上保温层之间通过端部设置的阶梯口进行配合连接。
15.优选的，所述上炉体与下炉体可紧密结合达到密封状态。
16.更优选的，还包括进气管，所述进气管穿过所述上炉盖、上保温层和加热器伸入坩埚护板的上方。
17.与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
18.(1)本发明通过驱动电机控制下活动保温层，成核初始为底部中央开始，避免了坩埚四周壁与坩埚底部交界处成核而长出边角籽晶及坩埚壁向内籽晶，同时便于调节初始籽晶生长及初始固液面控制，改进了传统的直接提拉法先从四周向中心的冷却方法，能完美的改善多晶硅成型过程中内部产生阴影的情况。
19.(2)本发明通过对现有的四边形热场进行改进，增大热场尺寸，升级为八边形的热场，角部热场温度分布均匀，可以避免受热场边界效应影响大的低转换率角锭的产生，提高硅锭的平均转换效率，提高硅锭的整锭质量，改善硅锭效率的离散性，整锭效率提升0.05％-0.1％。同时更加有效利用炉腔空间，增大热场内部有效面积，提高装料量，通过对热场结构的改进，使用创新型设计的八边形铸锭炉热场，进一步节省了铸锭炉的铸锭整体成本。
20.(3)本发明通过侧活动保温层在炉体内的上下移动，精确的控制了需要冷却的热场，减少内部应力产生，使硅锭定向生长，保证了固液界面尽量水平，这样制得的多晶硅锭内部缺陷大大减少，并且熔铸过程中将杂质均匀的推向硅锭的四周，保证了成品的中央部分能够获得很高品质的多晶硅锭，提高一次铸锭的产品合格率。
附图说明
21.图1是本发明一种多晶硅铸锭炉的下活动保温层开启状态示意图；
22.图2是本发明一种多晶硅铸锭炉的侧活动保温层开启状态示意图；
23.图3是本发明一种多晶硅铸锭炉的上炉体中部剖面结构示意图；
24.图4是本发明一种多晶硅铸锭炉的八边形坩埚热场的结构示意图；
25.其中：1、上炉盖；2、提拉杆；3、电极；4、升降杆；5、进气管；6、上保温层；7、坩埚护板；8、坩埚；9、热交换台；10、侧活动保温层；11、上炉体；12、下活动保温组件；14、下炉体；15、支撑柱；16、下炉盖；17、支撑板；18、加热器；12-1、下保温层；12-2、下活动保温层；12-3、活动杆件。
具体实施方式
26.以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.实施例1
28.一种多晶硅铸锭炉，包括上炉体11、下炉体14、下活动保温组件12、坩埚8和支撑板17，所述下炉体14底部中间设有通孔，通孔外侧设有下炉盖16，所述下炉体14底部内侧设有支撑柱15，所述支撑柱15上端水平固定有支撑板17，所述支撑板17上设有热交换台9，所述热交换台9上放置有坩埚8；
29.所述下活动保温组件12包括下保温层12-1、与下保温层12-1相配合的下活动保温层12-2，所述下活动保温层12-2底部固定连接有活动杆件12-3，所述活动杆件12-3穿设所述炉盖16连接至驱动电机，所述支撑柱15穿设所述下保温层12-1且与其固定连接，所述驱动电机采用伺服减速电机，以保证有足够精确的可控度控制下活动保温层12-2的上下移动；
30.所述坩埚8采用石英坩埚，石英坩埚不易氧化，具有更好的高温稳定性，所述坩埚8呈八边形，可以避免角锭的产生，所述坩埚8的底部、侧面和顶部均设有坩埚护板7，坩埚护板7采用刚玉护板，可有效避免坩埚8在高温下变形严重而造成的硅溢流；
31.所述坩埚8的四周及上方设有加热器18，所述加热器18采用电阻式加热器，电阻式加热器能良好的控制温度梯度，所述加热器18四周设有侧活动保温层10，所述侧活动保温层10顶部固定连接有升降杆4，所述升降杆4穿设所述上炉体11顶部，所述升降杆4的上端连接至升降电机的驱动端，所述升降电极采用伺服减速电机，以保证有足够精确的可控度控制侧活动保温层10的上下移动；所述加热器18上方设有上保温层6，所述上保温层6上表面固定连接有提拉杆2，所述提拉杆2固定连接在所述上炉体11顶部。
32.在本实施例中，所述上炉体11顶部中间设有开口，所述开口上方设有上炉盖1。
33.在本实施例中，所述加热器18上端连接有电极3，所述加热器18通过所述电极3悬挂于上炉体11内。
34.在本实施例中，所述侧活动保温层10与下保温层12-1、上保温层6之间通过端部设置的阶梯口进行配合连接，达到内部保温状态。
35.在本实施例中，所述上炉体11与下炉体14可紧密结合达到密封状态。
36.在本实施例中，还包括进气管5，所述进气管5穿过所述上炉盖1、上保温层6和加热器18伸入坩埚护板7的上方。
37.本发明一种多晶硅铸锭炉的工作原理如下：
38.首先打开下炉体至最下位置，将坩埚8底部的坩埚护板7安装完毕后，将多晶硅料
装入坩埚8，然后将坩埚8侧面和顶部的坩埚护板7依次安装；将坩埚8及坩埚护板7装好后，利用专用叉车将其放置在热交换台9正中央位置，关闭下炉体14。通过驱动电机调整侧活动保温层10，升降电机调整下活动保温层12-2，使上保温层6、下保温层12-1、下活动保温层12-2和侧活动保温层10配合呈封闭状态，保温层可达到内部保温作用，使用抽真空装置对炉体抽真空，抽空检漏完成后通过加热器18升温熔化坩埚8内的多晶硅原料。在熔化结束后，打开下活动保温组件12中央的下活动保温层12-2，炉内冷空气进入热交换台9中央位置开始冷却，将硅溶液的温度降低到1440℃-1480℃，并保持一段时间，在通过热交换台9中央位置成核结束后，提升侧活动保温层10预定距离，在底部长晶液面平缓趋于平面后，再逐步提升侧保温层10使晶体达到定向生长。
39.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和偏移处理。该类修改、改进和偏移处理在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、偏移处理仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
40.此外，本领域技术人员可以理解，本说明书的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对它们的任何新的和有用的改进。相应地，本说明书的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件包括固件、常驻软件、微码等执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本说明书的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
41.需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。
42.最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其它的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施。

技术特征：
1.一种多晶硅铸锭炉，其特征在于：包括上炉体(11)、下炉体(14)、下活动保温组件(12)、坩埚(8)和支撑板(17)，所述下炉体(14)底部中间设有通孔，通孔外侧设有下炉盖(16)，所述下炉体(14)底部内侧设有支撑柱(15)，所述支撑柱(15)上端水平固定有支撑板(17)，所述支撑板(17)上设有热交换台(9)，所述热交换台(9)上放置有坩埚(8)；所述下活动保温组件(12)包括下保温层(12-1)、与下保温层(12-1)相配合的下活动保温层(12-2)，所述下活动保温层(12-2)底部固定连接有活动杆件(12-3)，所述活动杆件(12-3)穿设所述下炉盖(16)连接至驱动电机，所述支撑柱(15)穿设所述下保温层(12-1)且与其固定连接；所述坩埚(8)采用石英坩埚，所述坩埚(8)呈八边形，所述坩埚(8)的底部、侧面和顶部均设有坩埚护板(7)；所述坩埚(8)的四周及上方设有加热器(18)，所述加热器(18)四周设有侧活动保温层(10)，所述侧活动保温层(10)顶部固定连接有升降杆(4)，所述升降杆(4)穿设所述上炉体(11)顶部，所述升降杆(4)的上端连接至升降电机的驱动端；所述加热器(18)上方设有上保温层(6)，所述上保温层(6)上表面固定连接有提拉杆(2)，所述提拉杆(2)固定连接在所述上炉体(11)顶部。2.根据权利要求1所述一种多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述上炉体(11)顶部中间设有开口，所述开口上方设有上炉盖(1)。3.根据权利要求1所述一种多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述加热器(18)上端连接有电极(3)，所述加热器(18)通过所述电极(3)悬挂于上炉体(11)内。4.根据权利要求1所述一种多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述侧活动保温层(10)分别与下保温层(12-1)、上保温层(6)之间通过端部设置的阶梯口进行配合连接。5.根据权利要求1所述一种多晶硅铸锭炉，其特征在于：所述上炉体(11)与下炉体(14)可紧密结合达到密封状态。6.根据权利要求3所述一种多晶硅铸锭炉，其特征在于：还包括进气管(5)，所述进气管(5)穿过所述上炉盖(1)、上保温层(6)和加热器(18)伸入坩埚护板(7)的上方。

技术总结
本发明公开了一种多晶硅铸锭炉，包括上炉体、下炉体、下活动保温组件，所述下炉体底部中间设有通孔，通孔外侧设有下炉盖，所述下炉体底部内侧设有支撑柱，所述支撑柱上端水平固定有支撑板，所述支撑板上设有热交换台，所述热交换台上放置有坩埚；所述坩埚的四周及上方设有加热器，所述加热器四周设有侧活动保温层，所述侧活动保温层顶部固定连接有升降杆，所述升降杆穿设所述上炉体顶部，所述升降杆的上端连接至升降电机的驱动端；所述加热器上方设有上保温层，所述上保温层上表面固定连接有提拉杆，所述提拉杆固定连接在所述上炉体顶部。本发明通过下活动保温层和侧活动保温层的活动性，实现了硅锭定向生长，提高了一次硅锭的整体合格率。体合格率。体合格率。


技术研发人员：刘立新 张建功 颜宇力 何家雍 杜农涛
受保护的技术使用者：吉利硅谷（谷城）科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/13