[发明专利]一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及晶硅铸锭炉热场结构领域，具体地说是一种晶硅铸锭炉热场热门控制装置。

背景技术

晶硅铸锭炉是一种硅重熔铸锭设备，是制备太阳能电池硅片的一个重要工艺装备。生产时，将符合一定要求的晶硅原料盛放在坩埚内装入炉中，按照一定的工艺要求对硅料进行加热熔化、定向长晶、退火冷却出炉。生产出的晶硅铸锭再通过破方切片，得到符合要求的硅片用于制备太阳能电池。影响太阳能电池效率的因素很多，对目前太阳能电池行业，每提高电池转换效率0.1％都是非常有意义的一项技术改进。高质量的电池硅片特别对晶粒的大小、均匀性，晶粒的形态结构以及晶界杂质含量的多少要求非常高，虽然这些要求或多或少都能通过铸锭工艺的摸索、改进有所提高，但很多时候都局限于铸锭炉热场结构的劣性而不能提高。本申请人多年来一直致力于晶体生长方面的研究，研发了多种类型的晶硅铸锭炉热场，发现热场热门的打开方式对晶体生长的影响尤为重要。

热场是晶硅铸锭炉炉内核心部件的一个统称，物理上热场主要由置于炉体内的四方绝热笼、布置于绝热笼内的加热器、用于放置盛放晶硅原料坩埚的热交换台、悬空于绝热笼内用于阻隔或贯通热交换台与绝热笼体外部进行散热的热门、置于绝热笼外部的冷板(或是炉壁)以及必要的测温组件、进出气控制系统等组成。由这些器件(零部件)在空间上构成一个物理结构，同时当加热器升温或降温时，所带来的空间上的温度分布情况，包含不仅仅是物理结构上的意义，行业上称之为热场。

通过设计热交换台和冷壁之间的位置、距离、角度、温差，材质等因素可以形成不同特性的散热结构，配合加热器及炉内热腔的设计可以形成独特的热场，从而完成不同要求的铸锭过程。

目前传统晶硅铸锭炉热场的开合，主要有以下几种方法：

1、绝热笼上提使得热交换台和炉体冷壁之间形成辐射通道，简称侧板提拉法，见图1。

侧板提拉法主要是将构成热场的绝热笼的四侧板设计为一个运动部件，侧板往下运动可以将多晶硅重熔长晶的热场封闭起来，通电使热场里的加热器升温，以加热熔化多晶硅原材料；侧板往上提升，则打开热场腔室，暴露出热交换台，形成温降梯场，通过一定的工艺步骤，实现定向长晶过程。

2、隔板抽拉法，其是将构成热场的绝热笼的中间设置一组保温隔热衬板，将热场底部的通水冷却块与热交换台隔开，当原材料完全熔化后，按一定工艺步骤抽去中间的保温隔热衬板，使通水冷却块与热交换台发生热交换，形成温降梯场，实现定向长晶过程。

上述的两种方法，虽然都能达到晶体定向生长的目的，但都存在结构复杂，能耗偏高，热冲击大，长晶缓慢，晶体生长质量差等问题。

3、绝热底板下移使得热交换台和炉体冷壁之间形成辐射通道(本申请人的专利ZL200820121103.3)，简称底板升降法，见图02。

该方法是由本申请人针对侧板提拉法的一些现存问题做出的技术改进。通过固定上部绝热笼，通过挡块改变硅锭底部、中部的温度梯度，修正熔化和晶体生长速度。该专利的延伸产品已经得到业内广泛认可。

4、底板侧向移动，热交换台和底部冷壁形成辐射通道，简称底板抽拉法，见图3。

该方法在光伏铸锭设备中也有应用，该方法能够得到大范围的辐射通道，但是无法对初期成核和能耗进行控制。

上述的几种方法，各有优缺点。根据热交换法的基本原理，辐射量的大小决定了单位时间内通过热交换台和冷壁之间的能量。而保证辐射量Q＝ε·F·A·(T_h⁴-T_l⁴)的参数中，若保持材料一致性，那么辐射角F和辐射面积A成为主要的可变参数，通过调整散热区域的结构，可以起到完善热场的作用。

通过数据对比底板升降法和底板抽拉法的热场底部辐射通道，就能明显看出两者之间的优劣之处。在铸锭炉的辐射模型中，高温石墨交换台作为辐射源，下底面温度标记为T_h，水冷炉壁或者水冷铜板作为辐射接受面表面温度约为常温，标记为T_l。

如图4所示，A1面与A4面形成的辐射角F_1-4表示热交换台对水冷炉壁的辐射通道。而A1面与A5面形成的辐射角用F1-5表示，图中形成的虚线框表示辐射腔体。

图中所示数值为一典型性特例，用以说明辐射角的变化规律。