[发明专利]侧部加热器电缆排布和电磁搅拌器

说明书

本发明涉及一种侧部加热器炉腔外电缆的排布结构，用以实现电磁搅拌。其结构包括：有n个电极的侧部加热器，连接n相交变电源，n=3或4；侧加热器电流经吊臂由上部馈入；与侧加热器环路各段对应，在炉腔外部靠近炉壁布置导体电路，包括横向延伸段及其两端的向下延伸段；一个向下延伸段下端连接至侧加电源，另一个向下延伸段下端连接至侧加石墨电极。调整电缆连接，使得侧加环路各段中的电流位相，与临近的炉腔外横向延伸段中电流位相大致相同，两电流协同得到更大电磁搅拌力。炉内侧加吊臂电流与炉外向下延伸段电流大致反向，相互削弱得到更均匀的电磁搅拌力场，进而得到均匀一致的熔硅流场，这有利于实现高质量的铸锭单晶生长。

技术领域

本发明涉及晶体生长设备领域，特别涉及一种炉腔内电流和炉腔外电流相互配合的电磁搅拌装置及其使用方法。

背景技术

定向凝固法晶硅铸锭生长炉是硅晶体生长及硅片制造领域的一个关键设备。相比直拉法单晶硅生长，铸锭法的优势是能耗低和生产成本低，缺点是硅晶体有更多的杂质，以及位错和晶界等缺陷。随着背钝化和异质结等高效电池技术的推广普及，铸造多晶硅电池的转换效率，和单晶电池的差距越来越大。铸锭技术需要提高硅晶体品质，这有赖于发展基于籽晶生长的铸锭单晶技术。

在铸锭硅晶体生长过程中，熔硅中的碳和氮杂质一般都达到饱和溶解度浓度,其固液分凝系数分别是0.07和不到0.001的水平，意味着固液界面向前推进过程中，绝大部分的碳和氮杂质都将被排到熔硅中。如果熔硅中没有足够强度的对流，排入熔体中的碳氮杂质不能被及时带走，会在界面前沿形成杂质富集层，促进碳化硅和氮化硅的形核析出。这会进一步导致三方面不利影响：首先形成点状杂质和红外检测的阴影缺陷，降低铸锭良率；其次，氮化硅和碳化硅沉淀使得晶砖的硬度增加，更难切片，进一步导致切片成本升高和切片良率（每公斤晶砖出片数）下降；最后，对于铸造单晶，杂质沉淀析出的影响更大，考虑到晶粒和位错更容易在杂质点处形核生长，影响单晶区得率和电池转换效率。因此，足够强度的熔硅对流是铸锭单晶生长的前提条件。

铸锭单晶生长的另一个前提条件是要能够保持固液界面平坦，也就是保证温度分布的均匀性和对称性，避免冷热区分布的不对称性。在晶体生长过程中，熔硅流速可以达到几个厘米每秒，对流传热是主导传热形式。因此，热对称性不仅依赖于发热体和热场保温结构的对称均匀性，更依赖于熔硅流场的均匀对称性，特别是要避免熔硅局部的上下翻腾流动。熔硅向上流的区域会偏冷，界面内斜，导致侧壁形核和多晶区侵入，影响单晶比例。熔硅向下流的区域，热硅流的冲刷会导致偏热，界面外斜，热应力大，位错密度增加，导致电池效率下降。

在保证足够对流强度前提下，保持对流的圆周对称性，改善冷热区均匀性，是铸造单晶要解决的核心问题。现有晶硅铸锭炉无法同时满足上述两项要求。国内约六千台铸锭炉大部分为GT类炉型，其加热器包括位于坩埚上方的顶部加热器和位于坩埚侧面的侧部加热器。在一些较晚近交付使用的大尺寸炉台上，顶侧加热器之外，又增加了独立控制的位于坩埚下方的底部加热器。顶、侧和底部加热器分别连接三相交流电源。在线电压25V下，峰值电流一般在1600到2800A范围。熔硅距离吊臂和侧加热器约10cm，交变电流在硅熔表面处产生30到60高斯的磁场，可以引起5到10A/cm²的感应电流。在50Hz工频下，交变磁场在熔硅不同的部位穿透深度（强度减半的距离）大致在2~4cm范围。感应电流在磁场中受到洛伦兹力作用，在距离熔硅表面几个厘米深度内，其体积力可达到10N/m³以上。在铸锭炉中，沿ABC方向的旋转磁场引起熔硅同方向的旋转流动。由于电流是通过吊臂自上而下引入侧加热器环路，电流分布在竖直方向上的不对称性，导致电极两侧的熔硅在竖直方向上所受电磁力的不对称。以电极B为例，在其附近区域，偏向A电极一侧，熔硅会受到向上的拉力，而在偏向C电极一侧，则会受到向下的推力。在这类低电压大电流的炉型中，电磁搅拌力较大，有足够强度的熔硅对流，但由于电磁力场的不对称性，导致熔硅对流的不对称，晶体生长过程中冷热区分布很不均匀，无法实现高质量的铸锭单晶生长。