一种交叉排布双环路侧部加热器及晶硅铸锭炉制造技术

本发明专利技术涉及一种侧部加热器及晶体硅铸锭炉，所述侧部加热器包括两个闭合导电环路，分别围绕坩埚一周；在每个导电环路上，分别设置两或三个电极接入点，两环路的电极接入点在周长上交替布置；石墨电极穿过保温板直接或通过中间连接板连接加热器环路；在每个电极接入点附近，两环路在竖直方向上交叉一次；在交叉点处，安装绝缘瓦片实现两环路间的电绝缘；在各自环路的石墨电极上，施加单相或三相交变电压。所述侧加热器产生的旋转磁场和在熔硅周边方向一致的向上或向下的运动磁场，驱动熔硅做水平旋转流动，同时在周边区域做相对一致的向上或向下的流动，在保证合适对流强度的前提下，改善冷热区均匀性，有利于实现高质量的铸造单晶生长。

【技术实现步骤摘要】
一种交叉排布双环路侧部加热器及晶硅铸锭炉
本专利技术涉及晶体生长设备领域，特别涉及一种晶硅铸锭炉的侧部加热器结构及其使用方法。
技术介绍
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PERC等高效电池技术的普及，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单晶或类单晶铸锭技术。国内大约有六千台晶硅铸锭炉，大部分属于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定向凝固石墨块下方的底部加热器。顶加热器直接和穿过顶部保温板的三个石墨电极连接。侧加热器一般由四片蛇形周期结构石墨发热体或C/C复合材料直板组成，在四角位置通过石墨连接板形成一个闭环。由于采用提升隔热笼散热，侧加热器通过三个吊臂同由顶部保温板引入的石墨电极相连接。顶部和侧部加热器，或是并联由一个三相交流电源供电，或是由两组独立控制的三相交流电源分别供电。三相交变电源的线电压一般在25V左右，峰值电流随炉型大小不同，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。作用在感应电流上的洛伦兹力的效果都是抑制磁场和流体间的相对运动。在直拉单晶炉中，静态强磁场抑制熔硅中的热对流运动。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。铸锭炉中硅晶体自下而上生长，熔硅总体温度分布是上部高，下部低。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。在小尺寸铸锭中，电磁搅拌力强度至少和热浮力相当。在大尺寸铸锭中，电磁搅拌力起主导的作用。不对称的电磁力场导致不对称的流场。熔硅向上流的区域会偏冷，界面内斜，进而导致多晶的侧壁形核和向内侵入，这会影响铸锭单晶的得率。熔硅向下流的区域，热硅流的冲刷导致偏热，界面外斜，界面曲率大，热应力大，位错密度增加，进而导致电池效率下降和效率分布变宽。简单升高电压，同功率下电流按比例下降，电磁搅拌力（正比于电流平方）下降，对流强度下降，冷热区不对称的问题自动缓解，但对流强度下降会带来一系列新的问题。铸锭使用氮化硅涂层的石英陶瓷坩埚，由于涂层的疏松结构，石英坩埚本体中的氧会透过涂层进入熔硅。熔硅对流偏弱，不能把氧及时输送到熔硅表面挥发出去，会导致晶体中氧含量高，进而损害电池效率和光致衰减表现。由于氮化硅涂层的使用，氮在硅晶体生长过程中始终处于饱和状态。碳的来源有两个，一方面，硅熔挥发出的SiO和石墨热场反应，生成CO再被气流带入熔硅，引入碳杂质。另一方面，由于炉腔侧面单一排气口引入的不对称性，侧部和顶部保温板间隙大小的不均匀性，四面侧加热器发热量的不均匀性，以及四面侧保温层性能的不均匀性等原因，隔热笼内的氩气流场形态通常是不对称的。不规则气流会直接把从保温粘上掉落的含C粉尘，从坩埚护板和盖板的开口处吹入熔硅，引入碳杂质。在全部使用西门子法原生多晶硅料的情况下，熔硅中的碳一般在长晶的后半段逐渐达到饱和；在正常回用铸锭边皮等回收料的情况下，碳杂质一般在长晶初期就已经饱和。硅晶体生长过程中，碳和氮杂质的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。熔硅对流弱，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。碳和氮的沉淀析出主要有三方面的不利影响：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。这里需要讨论一下自然对流，也就是热对流的影响。由于浮力来源于同一水平面上的温度差异分布，再考虑熔硅的高热导率，热对流的产生必然伴随着固液界面的倾斜分布。在一个扁平的熔池中，需要更大的驱动力来维持一个有序的适当强度的热对流流场，意味着在G7或G8大尺寸铸锭中，需要有更大的中心-边缘固液界面高度差来驱动热对流，而这会损害晶体质量。首先，过度凸起的界面意味着更长的边缘长晶时间，也就是更严重的杂质扩散，包括坩埚中杂质向硅锭的扩散，以及硅锭顶部分凝积聚的金属杂质向硅锭内部的反扩散。其次，更凸的界面也意味着在温度均匀化的退火过程中会产生更高的应力，导致更高的位错密度。再次，在掺镓的硅晶体中，由于镓的分凝系数只有0.008，不平整的固液界面意味着热区晶砖的上部容易出现低电阻，以及在同一张硅片内电阻率分布的不均匀。由于过凸界面的显然弊端，热对流的强度一般只能维持在一个勉强够用的水平，前述弱对流导致杂质富集和沉淀析出的各种问题都会出现。为缓解这些问题，一个应对方法是降低长晶速度促进排杂，这会增加电耗和成本。另外就是尽量避免或减少使用杂质含量高的低价格低品质硅料，这同样会增加晶锭成本。在保证足够的对流强度的前提下，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。加热器的发热均匀性是高质量长晶的基础，侧部加热器上下分层独立控制结构，测加热器上层和顶加热器并联的结构，顶和侧部加热器通过厚度变化实现局部发热量调控的设计，侧部加热器采用六电极同时和顶加热器共享其中三个电极的结构等不同设计见于专利CN107523867、CN107699943和CN108193266。前述的结构都是针对加热器发热量均匀性的改善，并不能解决吊臂处洛伦兹力不对称的问题。在大尺寸铸锭中，电磁搅拌力起主导的作用，仅针对发热均匀性的改善，并不能解决晶锭冷热区不对称的问题。电阻加热器在发热的同时，利用其电流产生一个移动磁场来调节熔硅对流，这样的铸锭炉设计见于专利DE102009045680。其侧部加热器为多层线圈结构，虽然可以产生竖直方向的移动磁场，但由于各层线圈处在不同高度，其线圈的外部连接电极没有四面对称性，导致电磁搅拌力场四面不对称。专利WO2007148988中提出了一种铸锭炉结构，在炉壳和保温层之间布置多层水冷铜线圈，通过馈入不同位相的交变电流，实现对熔硅的电磁搅拌。这种结构需要专门的供电单元和线圈布置，需要额外消耗电能，且占用炉腔内空间，这不利于现有铸锭炉的升级改造。专利CN1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶体生长炉用的侧部电阻加热器，其特征是：/na、包括两个闭合导电环路，分别围绕坩埚一周；/nb、在一个导电环路上，设置n个电极接入点，在另一个导电环路上，同样设置n个电极接入点，n=2或3，两个环路的电极接入点在环路周长线上交替布置；/nc、石墨电极穿过保温板，直接或通过一个中间连接板，在所述电极接入点处，连接加热器环路；/nd、在每一个电极接入点的临近区域内，两个环路各自的高度中心线在竖直方向上发生一次交叉，在交叉点处，通过安装绝缘瓦片或保持空气间隙，实现两个环路间的电绝缘；/ne、在每个环路的n个石墨电极上，施加n相交变电压，其频率范围是1到500Hz，两相间电压的范围是12V到72V。/n

【技术特征摘要】
1.一种晶体生长炉用的侧部电阻加热器，其特征是：
a、包括两个闭合导电环路，分别围绕坩埚一周；
b、在一个导电环路上，设置n个电极接入点，在另一个导电环路上，同样设置n个电极接入点，n=2或3，两个环路的电极接入点在环路周长线上交替布置；
c、石墨电极穿过保温板，直接或通过一个中间连接板，在所述电极接入点处，连接加热器环路；
d、在每一个电极接入点的临近区域内，两个环路各自的高度中心线在竖直方向上发生一次交叉，在交叉点处，通过安装绝缘瓦片或保持空气间隙，实现两个环路间的电绝缘；
e、在每个环路的n个石墨电极上，施加n相交变电压，其频率范围是1到500Hz，两相间电压的范围是12V到72V。


2.如权利要求1所述加热器，其特征在于，所述任一个环路，是由多段不同形状的加热段，使用螺栓依次首尾连接而成的闭环；其中任一段的形状可以是单层直板、并联的多层直板、垂直连接板、垂直或倾斜的Z形交叉点连接板、角部连接板、蛇形周期结构板等。


3.如权利要求1所述加热器，其特征在于，所述两个环路的总计2n个电极接入点，在环路周长线上均匀布置，而将环路周长线分割为大致等长度的2n段。


4.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：路景刚，
申请(专利权)人：路景刚，
类型：发明
国别省市：江苏;32