專利名稱：一種準單晶硅鑄錠設備及鑄錠方法
技術領域：
本發明涉及鑄錠技術領域，具體涉及準單晶硅鑄錠技術領域。
背景技術：
準單晶硅(mono like，也稱“類單晶硅”)是基于多晶鑄錠的工藝，在長晶時通過部分使用單晶籽晶，獲得外觀和電性能均類似單晶的多晶硅片。這種通過鑄錠的方式形成單晶硅的技術，其功耗只比普通多晶硅多5%，所生產的單晶硅的品質接近直拉單晶硅，是目前光伏行業應用最廣泛的鑄錠工藝之一。現有技術中存在多種準單晶硅鑄錠工藝，較為新穎的鑄錠方法包括:申請號為200910152970.2的中國專利申請，一種單晶向、柱狀大晶粒的鑄造多晶硅的制備方法；申請號為201010198142.5的中國專利申請，一種準單晶硅的鑄錠方法；申請號為201010564154.5的中國專利申請，一種石英坩堝和鑄造準單晶的方法；以及申請號為201110067923.5的中國專利申請，用于定向凝固法生長硅晶體的弓I晶模具及晶體生長方法。上述工藝都不外乎兩種準單晶鑄錠法:無籽晶鑄錠和有籽晶鑄錠。因為無籽晶鑄錠在晶體生長時要求溫度梯度與晶體生長速度等條件要求苛刻，所以工藝控制難度較大；有籽晶鑄錠，則一般采用把籽晶放入坩堝底部，上面裝入硅料，再加熱融化硅料，在固液相共存時保持籽晶不被融化，確保晶體生長在未融化籽晶上開始生長，需要坩堝底部的溫度梯度精準控制，工藝控制難度也非常大。因此，現有技術中的準單晶鑄錠工藝都存在溫度梯度控制難度大的問題，這嚴重影響了準單晶硅鑄錠的效率，提升了工藝難度，成品率低。

發明內容
本發明的目的 是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種在硅料完全熔化后，長晶階段前，再將籽晶投入坩堝，然后完成整個長晶過程，從而大幅降低溫度控制的難度，提高生產效率，有效保證了成品率，且操作過程簡單，實現成本低廉，應用范圍廣泛的一種準單晶硅鑄錠設備及鑄錠方法。為了實現上述的目的，本發明的準單晶硅鑄錠設備具有如下構成:該準單晶硅鑄錠設備包括殼體、設置于所述的殼體內的鑄錠室、設置于所述的鑄錠室內的坩堝和加熱裝置，設置于所述的殼體內的籽晶儲存室，設置于所述的籽晶儲存室和所述的鑄錠室之間的隔熱門，以及用以將籽晶穿過所述的隔熱門設置于所述的籽晶儲存室或所述的鑄錠室的坩堝中的籽晶投放裝置。其中，所述的加熱裝置設置于所述的坩堝的周圍，所述的坩堝表面可以具有氮化硅(Si3N4)或氮化硼(BN)涂層。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的四周的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上方。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板和連接所述籽晶托板的托板升降桿，所述的托板升降桿用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內位于坩堝上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的籽晶投放裝置包括籽晶夾持件和連接所述的籽晶夾持件的夾持件升降桿，所述的夾持件升降桿用以將所述的籽晶夾持件設置于所述的籽晶儲存室內坩堝一側上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內的靠近坩堝一側側壁的位置。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的該準單晶硅鑄錠設備還包括保溫籠，所述的保溫籠設置與所述的鑄錠室內，所述的坩堝和加熱裝置設置于所述的保溫籠內。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的保溫籠為可移動保溫籠，所述的可移動保溫籠及加熱裝置可在所述的鑄錠室內于所述的籽晶夾持件設置于坩堝內的靠近坩堝一側側壁的位置及坩堝另一側側壁的位置間往復移動。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的加熱裝置包括圍繞坩堝的垂直面環形加熱裝置以及設置于所述的坩堝下方的輔助加熱裝置。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的上方和下方的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上部的側方。該準單晶硅鑄錠設備中，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板、托板傳送臂和托板升降桿，所述的籽晶托板設置于所述的托板傳送臂上，所述的托板傳送臂用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內 或設置于所述的鑄錠室內的坩堝的正上方，并使所述的籽晶托板位于連接所述的托板升降桿的位置，所述的托板升降桿用于連接所述的籽晶托板，并將所述的籽晶托板設置于所述的坩堝的正上方或坩堝內。本發明還提供一種利用所述設備的準單晶硅鑄錠方法，該方法包括以下步驟:(I)將硅原料放置于所述的坩堝內；(2)將籽晶放置于所述的籽晶儲存室內籽晶投放裝置上；(3)將殼體內抽真空；(4)利用所述的加熱裝置對坩堝及硅原料進行加熱，使所述的硅原料完全熔化為硅液后，控溫至硅液結晶前狀態；(5)打開所述的隔熱門；(6)利用所述的籽晶投放裝置將所述的籽晶從籽晶儲存室移動至鑄錠室的坩堝中；(7)進行長晶，然后退火冷卻，形成硅錠。該準單晶硅鑄錠方法中，所述的步驟(I)將硅原料放置于所述的坩堝內，具體為:將硅粉料或硅塊料放置于所述的坩堝內，并根據成品硅錠的目標電阻率加入摻雜劑。該準單晶硅鑄錠方法中，所述的步驟(3)將殼體內抽真空，具體為:若步驟(I)中放入的為硅粉料，則將殼體內慢速抽真空至氣壓為3pa _2pa ;若步驟(I)中放入的為硅塊料，則將殼體內快速抽真空至氣壓為3pa _2pa。該準單晶硅鑄 錠方法中，所述的步驟(2)將籽晶放置于所述的籽晶儲存室內籽晶投放裝置上，具體為:在所述的籽晶儲存室內的籽晶投放裝置上放置至少一塊籽晶，所述各塊籽晶組成的整體的的斷面邊長為80mm 155mm,厚度為6mm 60mm。該準單晶硅鑄錠方法中，步驟(4)具體包括以下步驟:(41)向殼體內充入保護氣體氬氣；
(42)利用所述的加熱裝置對坩堝及硅原料進行加熱至所述的硅原料完全熔化為硅液；(43)控溫至硅液結晶前狀態，該硅液結晶前狀態為所述的硅液面溫度為1420°C 1600°C，坩堝底部溫度為1390°C 1410°C，并保持所述的硅液面溫度和坩堝底部溫度5分鐘 90分鐘。該準單晶硅鑄錠方法中，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的四周的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上方，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板和連接所述籽晶托板的托板升降桿，所述的托板升降桿用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內位于坩堝上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內，則所述的步驟(6)具體包括以下步驟:(611)利用所述的托板升降桿將放置有籽晶的籽晶托板從籽晶儲存室移動至鑄錠室中距離坩堝口大于30cm處；(612)在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶溫度烘烤至800°C 1400°C ；(613)利用所述的托板升降桿將所述的籽晶均速下降至坩堝內底部。
·
該準單晶硅鑄錠方法中，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的四周的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上方，所述的籽晶投放裝置包括籽晶夾持件和連接所述的籽晶夾持件的夾持件升降桿，所述的夾持件升降桿用以將所述的籽晶夾持件設置于所述的籽晶儲存室內坩堝一側上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內的靠近坩堝一側側壁的位置，則所述的步驟(6)具體包括以下步驟:(621)利用所述的夾持件升降桿將夾持有籽晶的籽晶夾持件從籽晶儲存室移動至鑄錠室中距離坩堝口大于30cm處；(622)在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶溫度烘烤至800°C 1400°C ；(623)所述的夾持件升降桿將所述的籽晶均速下降至坩堝內貼近一側側壁的位置。該準單晶硅鑄錠方法中，所述的該準單晶硅鑄錠設備還包括可移動保溫籠，所述的可移動保溫籠設置與所述的鑄錠室內，所述的坩堝和加熱裝置設置于所述的可移動保溫籠內，所述的步驟(7)具體包括以下步驟:(71)所述的可移動保溫籠及加熱裝置自所述的籽晶夾持件設置于坩堝內的靠近坩堝一側向坩堝另一側側壁移動，進行水平長晶；(72)水平長晶完成后，退火冷卻，形成硅錠。該準單晶硅鑄錠方法中，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的上方和下方的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上部的側方，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板、托板傳送臂和托板升降桿，所述的籽晶托板設置于所述的托板傳送臂上，所述的托板傳送臂用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內或設置于所述的鑄錠室內的坩堝的正上方，并使所述的籽晶托板位于連接所述的托板升降桿的位置，所述的托板升降桿用于連接所述的籽晶托板，并將所述的籽晶托板設置于所述的坩堝的正上方或坩堝內，則所述的步驟(6)具體包括以下步驟:(631)利用所述的托板傳送臂將放置有籽晶的籽晶托板從所述的籽晶儲存室內移動至鑄錠室內的坩堝的正上方距離坩堝口大于30cm處；
(632)控制所述的托板升降桿連接所述的籽晶托板，并在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶溫度烘烤至800°C 1400°C ；(633)利用所述的托板升降桿將所述的籽晶均速下降至坩堝內底部。采用了該發明的準單晶硅鑄錠設備及鑄錠方法，由于該設備包括設置于殼體內的鑄錠室和籽晶儲存室，籽晶儲存室和鑄錠室之間設置有的隔熱門，以及可以將籽晶從籽晶儲存室穿過隔熱門移動鑄錠室的坩堝中的籽晶投放裝置。從而在利用該設備的準單晶硅鑄錠方法中，可以先利用加熱裝置對坩堝及置入坩堝內的硅料進行加熱，待硅原料完全熔化為硅液，并控溫至硅液結晶前狀態后，再打開所述的隔熱門，利用所述的籽晶投放裝置將籽晶從籽晶儲存室移動至鑄錠室的坩堝中，進行長晶，形成硅錠。從而大幅降低溫度控制的難度，避免了現有技術中坩堝底部溫度難以精確控制，籽晶可能全部熔化或不熔化的問題，并進而提高了生產效率，有效保證了產品的成品率，且平移保溫籠來控制硅晶體沿著籽晶水平方向生長方法，所得目標產品，可做成與坩堝內底面積同等規格準單晶塊，解決了用多塊籽晶拼接的問題，本發明的準單晶硅鑄錠設備結構簡單，成本低廉，其鑄錠方法操作過程簡便，應用范圍十分廣泛。


圖1為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第一種實施方式在硅原料加熱熔化前的結構示意圖。圖2為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第一種實施方式在置入籽晶時的結構示意圖。圖3為本發明的準單 晶硅鑄錠設備的第一種實施方式在長晶時的結構示意圖。圖4為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第二種實施方式在硅原料加熱熔化前的結構示意圖。圖5為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第二種實施方式在置入籽晶時的結構示意圖。圖6為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第二種實施方式在開始長晶時的結構示意圖。圖7為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第二種實施方式在進行水平長晶時的結構示意圖。圖8為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第三種實施方式在硅原料加熱熔化前的結構示意圖。圖9為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第三種實施方式在平移籽晶時的結構示意圖。圖10為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第三種實施方式在置入籽晶時的結構示意圖。圖11為本發明的準單晶硅鑄錠設備的第三種實施方式在長晶時的結構示意圖。圖12為本發明的準單晶硅鑄錠方法的步驟流程圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本發明的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。請參閱圖1所示，為本發明的準單晶硅鑄錠設備的一種實施方式的結構示意圖。該準單晶硅鑄錠設備包括殼體1、設置于所述的殼體I內的鑄錠室2和籽晶儲存室3、設置于所述的鑄錠室2內的坩堝4和加熱裝置5，設置于所述的籽晶儲存室3和所述的鑄錠室2之間的隔熱門6，以及用以將籽晶穿過所述的隔熱門6設置于所述的籽晶儲存室3或所述的鑄錠室2的坩堝4中的籽晶投放裝置7。其中，所述的加熱裝置5設置于所述的坩堝4的周圍，且所述的坩堝4表面可以具有厚度小于2_的氮化硅(Si3N4)或氮化硼(BN)涂層(圖中未示出)。利用該實施方式的設備進行準單晶硅鑄錠的方法，如圖12所示，包括以下步驟:(I)將硅原料8放置于所述的坩堝4內；(2)將籽晶9放置于所述的籽晶儲存室3內籽晶投放裝置7上；(3)將殼體I內抽真空；(4)利用所述的加熱裝置5對坩堝4及硅原料8進行加熱，使所述的硅原料8完全熔化為娃液后，控溫至娃液結晶前狀態；

(5)打開所述的隔熱門6;(6)利用所述的籽晶投放裝置7將所述的籽晶9從籽晶儲存室3移動至鑄錠室2的坩堝4中；(7)進行長晶，然后退火冷卻，形成硅錠。在一種較優選的實施方式中，所述的步驟(I)將硅原料8放置于所述的坩堝4內，具體為:將硅粉料或硅塊料放置于所述的坩堝4內，并根據成品硅錠的目標電阻率加入摻雜劑。則所述的步驟⑶將殼體I內抽真空，具體為:若步驟⑴中放入的為硅粉料，則將殼體內慢速抽真空至氣壓為3pa _2pa ;若步驟(I)中放入的為硅塊料，則將殼體內快速抽真空至氣壓為3pa _2pa。在另一種較優選的實施方式中，所述的步驟(2)將籽晶9放置于所述的籽晶儲存室3內籽晶投放裝置7上，具體為:在所述的籽晶儲存室3內的籽晶投放裝置7上放置至少一塊籽晶9,所述各塊籽晶9組成的整體的的斷面邊長為80mm 155mm,厚度為6mm 60_。在又一種較優選的實施方式中，步驟(4)具體包括以下步驟:(41)向殼體I內充入保護氣體IS氣；(42)利用所述的加熱裝置5對坩堝4及硅原料8進行加熱至所述的硅原料8完全熔化為硅液8'；(43)控溫至硅液8結晶前狀態，該硅液8結晶前狀態為所述的硅液面溫度為1420°C 1600°C，坩堝底部溫度為1390°C 1410°C，并保持所述的硅液面溫度和坩堝底部溫度5分鐘 90分鐘。在一種更優選的實施方式中，如圖1、2、3所示，所述的加熱裝置5為設置于所述的坩堝4的四周的加熱裝置，所述的籽晶儲存室3設置于所述的鑄錠室2的上方。所述的籽晶投放裝置7包括籽晶托板71和連接所述籽晶托板71的托板升降桿72，所述的托板升降桿72用以將所述的籽晶托板71設置于所述的籽晶儲存室3內坩堝4正上方的位置或設置于所述的鑄錠室2內的坩堝4內。在利用該實施方式的設備進行準單晶硅鑄錠的方法中，所述的步驟(6)具體包括以下步驟:(611)利用所述的托板升降桿72將放置有籽晶9的籽晶托板71從籽晶儲存室3移動至鑄錠室2中距離坩堝口大于30cm處；(612)在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶9烘烤至800°C 1400°C ；(613)利用所述的托板升降桿72將所述的籽晶9均速下降至坩堝4內底部。在另一種更優選的實施方式中，如圖4、5、6、7所示，所述的加熱裝置5包括圍繞坩堝4的垂直面環形加熱裝置51以及設置于所述的坩堝4下方的輔助加熱裝置52。所述的籽晶儲存室3設置于所述的鑄錠室2的上方。所述的籽晶投放裝置7包括籽晶夾持件73和連接所述的籽晶夾持件73的夾持件升降桿74，所述的夾持件升降桿74用以將所述的籽晶夾持件73設置于所述的籽晶儲存室3內坩堝4 一側上方的位置或設置于所述的鑄錠室2內的坩堝4內的靠近坩堝一側側壁的位置。在利用該實施方式的設備進行準單晶硅鑄錠的方法中，所述的步驟(6)具體包括以下步驟:(621)利用所述的夾持件升降桿74將夾持有籽晶9的籽晶夾持件73從籽晶儲存室3移動至鑄錠室2中距離坩堝口大于30cm處；(622)在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶9烘烤至800°C 1400°C ；(623)所述的夾持件升降桿74將所述的籽晶9均速下降至坩堝4內貼近一側側壁的位置。在一種更進一步 優選的實施方式中，所述的該準單晶硅鑄錠設備還包括保溫籠10和側熱門11，所述的保溫籠10設置與所述的鑄錠室2內，所述的坩堝4和加熱裝置5設置于所述的保溫籠10內。該保溫籠10為可移動保溫籠，所述的可移動保溫籠10及加熱裝置5可在所述的鑄錠室2內于所述的籽晶夾持件73設置于坩堝4內的靠近坩堝一側側壁的位置及坩堝4另一側側壁的位置間往復移動。在利用更進一步優選實施方式的設備進行準單晶硅鑄錠的方法中，所述的步驟
(7)具體包括以下步驟:(71)所述的可移動保溫籠10及加熱裝置5，依圖7中箭頭所指的方向，自所述的籽晶夾持件73設置于坩堝4內的靠近坩堝一側向坩堝4另一側側壁移動，進行水平長晶；(72)水平長晶完成后，退火冷卻，形成硅錠。在又一種更優選的實施方式中，如圖8、9、10、11所示，所述的加熱裝置5為設置于所述的坩堝4的上方和下方的加熱裝置，所述的籽晶儲存室3設置于所述的鑄錠室2的上部的側方。所述的籽晶投放裝置7包括籽晶托板71、托板傳送臂75和托板升降桿72，所述的籽晶托板71設置于所述的托板傳送臂75上，所述的托板傳送臂75用以將所述的籽晶托板71設置于所述的籽晶儲存室3內或設置于所述的鑄錠室2內的坩堝4的正上方，并使所述的籽晶托板71位于連接所述的托板升降桿72的位置，所述的托板升降桿72用于連接所述的籽晶托板71，并將所述的籽晶托板71設置于所述的坩堝4的正上方或坩堝4內。在利用該實施方式的設備進行準單晶硅鑄錠的方法中，所述的步驟(6)具體包括以下步驟:(631)利用所述的托板傳送臂75將放置有籽晶9的籽晶托板71從所述的籽晶儲存室3內移動至鑄錠室2內的坩堝4的正上方距離坩堝口大于30cm處；
(632)控制所述的托板升降桿72連接所述的籽晶托板71，并在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶9烘烤至800°C 1400°C ；(633)利用所述的托板升降桿72將所述的籽晶9均速下降至坩堝內底部。在本發明的實際應用中，總體而言，本發明的準單晶硅的鑄錠方法包括如下工藝步驟:步驟一、將硅粉料、硅塊料裝入坩堝內；步驟二、將籽晶裝入籽晶儲存室內；步驟三、按投料狀況進行抽真空至要求；步驟四、開始加熱、升溫、熔硅、控溫至結晶前準備；步驟五、將籽晶投入坩堝內；步驟六、運行長晶程序，直至長晶結束、退火、冷卻，得到目標產品。步驟一中的坩堝具有氮化硅(Si3N4)或氮化硼(BN)涂層，根據硅料的形狀及坩堝的規格裝入一定量的娃料，并根據目標電阻率:1.5 2.0 Ω.cm,加入摻雜劑于 甘禍內。步驟二中所述籽晶儲存室根據爐內加熱方式:上下加熱方式、四周加熱方式、上下垂直面環形加熱方式。若上下加熱方式的爐子，籽晶儲存室置于爐子上部側面；若四周加熱方式的爐子、上下垂直面環形加熱方式的爐子，籽晶儲存室置于爐子內坩堝的正上方。籽晶應當滿足以下要求:用直拉得到的晶向棒進行開方，得到的斷面邊長為:80 155mm，厚度為:6 60mm。初次使用為一塊或多塊籽晶，拼成一個整體，籽晶平鋪入特制的儲存室內，以后可用準單晶硅錠，把底部或側面未熔籽晶多次進行切割、去皮、清洗后，整塊平鋪入特制的儲存室內，或把水平長晶的準單 晶硅錠按坩堝底部面積大小進行切割、去皮、清洗后，制作成多塊籽晶，把其中一整塊平鋪入特制的儲存室內。步驟三中按投料狀況進行抽真空，硅粉料要求慢速抽真空，要求爐內真空為:3pa _2pa ;娃塊料可快速抽至3pa _2pa ;籽晶儲存室真空與爐內真空相同。步驟四中開始加熱之時充入保護氣體氬氣，然后開啟加熱器，分段升溫、熔硅、控溫至結晶前準備；控制硅液面溫度1420°C 1600°C，坩堝底部溫度通過提升保溫籠或開閉保溫籠的熱門，坩堝底部溫度恒定在1390°C 1410°C，保持時間:5 90min。步驟五中的投料方式根據不同的加熱裝置設置位置采用不同的方式。投料方式A、上下加熱方式的爐子，利用機構將籽晶從儲存室取出，懸掛于坩堝正上方，離坩堝口 > 30cm，通過升降機構鉤住，停留時間:1 20min，烘烤籽晶溫度至:800°C 1400°C，然后均速下降至坩堝底部，脫鉤后機構回原點，籽晶在坩堝底部的硅液中保持時間:0 20min，通過調整加熱器功率及開閉保溫籠熱門或提升保溫籠來實現定向凝固前的底部溫場:1390°C 1410°C。投料方式B、四周加熱方式的爐子，開啟儲存室機構，機構托住籽晶，下降到離坩堝口 > 30cm處，停留時間:1 20min，烘烤籽晶溫度至:800°C 1400°C，然后均速下降至 甘禍底部，脫鉤后機構回原點，桿晶在纟甘禍底部的娃液中保持時間:0 20min,通過調整加熱器功率及開啟保溫籠熱門或提升保溫籠來實現定向凝固前的坩堝底部溫場:1390°C 1410。。。投料方式C、上下垂直面環形加熱方式的爐子，開啟儲存室機構，機構掛住籽晶，下降到離坩堝口 > 30cm處，停留時間:1 20min，烘烤籽晶溫度至:800°C 1400°C，通過機構均速下降至坩堝一內側面。通過調整垂直面環形加熱裝置功率、水平方向移動保溫籠及開啟側面熱門來實現橫向長晶，凝固前，投放籽晶側的坩堝側溫場:1390°C 1410°C。在步驟六中，上下加熱方式、四周加熱方式爐子運行長晶程序，通過調整加熱器的功率、開閉保溫籠熱門或提升保溫籠來控制坩堝底部的溫度，待坩堝內底部硅界面生長趨于水平后，硅晶體沿著籽晶方向向上生長至長晶結束、退火、冷卻，得到目標產品。而上下垂直面環形加熱方式的爐子運行晶體生長程序，通過調整環形加熱體的功率、開啟側面熱門，平移保溫籠來控制硅晶體沿著籽晶水平方向生長至結束、退火、冷卻，最終得到目標產品在最佳的實施方式中，本發明的準單晶硅鑄錠方法包括以下步驟:首先，選擇氮化娃涂層、免燒結石英相■禍一個，規格為:840mmX840mmX420mm,按填裝方式裝入原生娃塊料，凈重為448kg,且按目標電阻率為1.5 2.0 Ω ^cm,分散投入摻雜劑于娃料中；然后，將25塊籽晶，規格140mm X 140mm X 40mm,按5 X 5方式，拼成整體平放于籽晶
儲存室內 ；之后，將448kg原生多晶硅放入單個鑄錠爐內，開啟真空機組，快速抽真空至Ipa ；隨后，充入保護氣體IS氣20000pa于爐內，開啟加熱電極,分段加熱、升溫、娃料完全熔化，硅液溫度為:1550°C，通過開閉保溫籠熱門，微調底部加器功率，恒定坩堝底部溫度在1410°C，保持時間:40min，充分做好長晶前準備；再此之后，利用機構將籽晶從儲存室取出，懸掛于坩堝正上方，通過升降機構鉤住，烘烤籽晶溫度至:1380°C，然后均速下降，投入坩堝底部，脫鉤后升降機構回原點，籽晶在坩堝內保持時間:2min，通過調整熱門，穩定坩堝底部溫度為:1408°C。最后，運行長晶工藝，通過開啟熱門，控制坩堝底部的溫度，待坩堝內底部硅界面生長趨于水平后，硅晶體沿著籽晶方向向上生長，直至長晶結束、退火、冷卻，得到的硅錠，按5 X 5方式開方，得小方錠為25塊，通過測量原投入籽晶厚:30 36mm，未熔籽晶經切割、去皮、清洗后可多次利用。小方錠切片為350 480片，其中90%以上為準單晶片；其中大晶粒(> 50mm)占40 70% ;電阻率:0.5 3Ω.cm ;少子壽命大于等于4μ S ;硅錠得率為63% ;將其做成電池片的平均轉換效率大于17.6%，與同樣生產線常規單晶硅片相當。本發明的準單晶硅鑄錠設備及方法與現有技術相比具有以下優點:1、本發明通過加裝籽晶儲存室、籽晶的升降和/或平移機構及儲存室下部打開機構(熱門)，可在多晶硅鑄錠爐內實現準單晶鑄錠。2、本發明采用硅料熔化后，再投入籽晶于坩堝底部的方法，直接長晶，工藝控制簡單，現有的技術是:籽晶放入坩堝底部，上面放置硅料，加熱熔化硅料、固液相共存時，坩堝底部溫度難以精確控制，可能造成籽晶全部熔化或不熔化。3、本發明的設備生產成本低廉，若在原有鑄錠爐的基礎上進行轉型改造，則成本更低，且操作簡單，生產效率高，完全可實現工業化生產。采用了該發明的準單晶硅鑄錠設備及鑄錠方法，由于該設備包括設置于殼體內的鑄錠室和籽晶儲存室，籽晶儲存室和鑄錠室之間設置有的隔熱門，以及可以將籽晶從籽晶儲存室穿過隔熱門移動鑄錠室的坩堝中的籽晶投放裝置。從而在利用該設備的準單晶硅鑄錠方法中，可以先利用加熱裝置對坩堝及置入坩堝內的硅料進行加熱，待硅原料完全熔化為硅液，并控溫至硅液結晶前狀態后，再打開所述的隔熱門，利用所述的籽晶投放裝置將籽晶從籽晶儲存室移動至鑄錠室的坩堝中，進行長晶，形成硅錠。從而大幅降低溫度控制的難度，避免了現有技術中坩堝底部溫度難以精確控制，籽晶可能全部熔化或不熔化的問題，并進而提高了生產效率，有效保證了產品的成品率，且平移保溫籠來控制硅晶體沿著籽晶水平方向生長方法，所得目標產品，可做成與坩堝內底面積同等規格準單晶塊，解決了用多塊籽晶拼接的問題，本發明的準單晶硅鑄錠設備結構簡單，成本低廉，其鑄錠方法操作過程簡便，應用范圍十分廣泛。在此說明書中，本發明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性 的。
權利要求
1.一種準單晶硅鑄錠設備，所述的設備包括殼體、設置于所述的殼體內的鑄錠室以及設置于所述的鑄錠室內的坩堝和加熱裝置，所述的加熱裝置設置于所述的坩堝的周圍，其特征在于，所述的準單晶硅鑄錠裝置還包括: 籽晶儲存室，設置于所述的殼體內， 隔熱門，設置于所述的籽晶儲存室和所述的鑄錠室之間； 籽晶投放裝置，用以將籽晶穿過所述的隔熱門設置于所述的籽晶儲存室或所述的鑄錠室的坩堝中。
2.根據權利要求1所述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的四周的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上方。
3.根據權利要求2所述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板和連接所述籽晶托板的托板升降桿，所述的托板升降桿用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內位于坩堝上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內。
4.根據權利要求2所 述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的籽晶投放裝置包括籽晶夾持件和連接所述的籽晶夾持件的夾持件升降桿，所述的夾持件升降桿用以將所述的籽晶夾持件設置于所述的籽晶儲存室內坩堝一側上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內的靠近坩堝一側側壁的位置。
5.根據權利要求4所述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的該準單晶硅鑄錠設備還包括保溫籠，所述的保溫籠設置與所述的鑄錠室內，所述的坩堝和加熱裝置設置于所述的保溫籠內。
6.根據權利要求5所述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的保溫籠為可移動保溫籠，所述的可移動保溫籠及加熱裝置可在所述的鑄錠室內于所述的籽晶夾持件設置于坩堝內的靠近坩堝一側側壁的位置及坩堝另一側側壁的位置間往復移動。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的加熱裝置包括圍繞坩堝的環形加熱裝置以及設置于所述的坩堝下方的輔助加熱裝置。
8.根據權利要求1所述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的上方和下方的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上部的側方。
9.根據權利要求8所述的準單晶硅鑄錠設備，其特征在于，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板、托板傳送臂和托板升降桿，所述的籽晶托板設置于所述的托板傳送臂上，所述的托板傳送臂用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內或設置于所述的鑄錠室內的坩堝的正上方，并使所述的籽晶托板位于連接所述的托板升降桿的位置，所述的托板升降桿用于連接所述的籽晶托板，并將所述的籽晶托板設置于所述的坩堝的正上方或坩堝內。
10.一種利用權利要求1所述設備的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟: (1)將硅原料放置于所述的坩堝內； (2)將籽晶放置于所述的籽晶儲存室內籽晶投放裝置上； (3)將殼體內抽真空； (4)利用所述的加熱裝置對坩堝及硅原料進行加熱，使所述的硅原料完全熔化為硅液后，控溫至硅液結晶前狀態； (5)打開所述的隔熱門； (6)利用所述的籽晶投放裝置將所述的籽晶從籽晶儲存室移動至鑄錠室的坩堝中； (7)進行長晶，然后退火冷卻，形成硅錠。
11.根據權利要求10所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的步驟(I)將硅原料放置于所述的坩堝內，具體為: 將硅粉料或硅塊料放置于所述的坩堝內，并根據成品硅錠的目標電阻率加入摻雜劑。
12.根據權利要求11所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的步驟(3)將殼體內抽真空，具體為: 若步驟(I)中放入的為硅粉料，則將殼體內慢速抽真空至氣壓為3pa _2pa;若步驟(I)中放入的為硅塊料，則將殼體內快速抽真空至氣壓為3pa -2pa。
13.根據權利要求1 0所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的步驟(2)將籽晶放置于所述的籽晶儲存室內籽晶投放裝置上，具體為: 在所述的籽晶儲存室內的籽晶投放裝置上放置至少一塊籽晶，所述各塊籽晶組成的整體的的斷面邊長為80mm 155mm,厚度為6mm 60mm。
14.根據權利要求10所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的步驟(4)具體包括以下步驟: (41)向殼體內充入保護氣體IS氣； (42)利用所述的加熱裝置對坩堝及硅原料進行加熱至所述的硅原料完全熔化為硅液； (43)控溫至硅液結晶前狀態，該硅液結晶前狀態為所述的硅液面溫度為1420°C 1600°C，坩堝底部溫度為1390°C 1410°C，并保持所述的硅液面溫度和坩堝底部溫度5分鐘 90分鐘。
15.根據權利要求10至14中任一項所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的四周的加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上方，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板和連接所述籽晶托板的托板升降桿，所述的托板升降桿用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內位于坩堝上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內，則所述的步驟(6)具體包括以下步驟: (611)利用所述的托板升降桿將放置有籽晶的籽晶托板從籽晶儲存室移動至鑄錠室中距離坩堝口大于30cm處； (612)在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶溫度烘烤至800°C 1400°C； (613)利用所述的托板升降桿將所述的籽晶均速下降至坩堝內底部。
16.根據權利要求10至14中任一項所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的加熱裝置為圍繞坩堝的垂直面環形加熱裝置以及設置于所述的坩堝下方的輔助加熱裝置，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上方，所述的籽晶投放裝置包括籽晶夾持件和連接所述的籽晶夾持件的夾持件升降桿，所述的夾持件升降桿用以將所述的籽晶夾持件設置于所述的籽晶儲存室內坩堝一側上方的位置或設置于所述的鑄錠室內的坩堝內的靠近坩堝一側側壁的位置，則所述的步驟(6)具體包括以下步驟: (621)利用所述的夾持件升降桿將夾持有籽晶的籽晶夾持件從籽晶儲存室移動至鑄錠室中距離坩堝口大于30cm處； (622)在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶溫度烘烤至800°C 1400°C； (623)所述的夾持件升降桿將所述的籽晶均速下降至坩堝內貼近一側側壁的位置。
17.根據權利要求16所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的該準單晶硅鑄錠設備還包括可移動保溫籠，所述的可移動保溫籠設置與所述的鑄錠室內，所述的坩堝和加熱裝置設置于所述的可移動保溫籠內，所述的步驟(7)具體包括以下步驟: (71)所述的可移動保溫籠及加熱裝置自所述的籽晶夾持件設置于坩堝內的靠近坩堝一側向坩堝另一側側壁移動，進行水平長晶； (72)水平長晶完成后，退火冷卻，形成硅錠。
18.根據權利要求10至14中任一項所述的準單晶硅鑄錠方法，其特征在于，所述的加熱裝置為設置于所述的坩堝的上方和下方的加熱電極，所述的籽晶儲存室設置于所述的鑄錠室的上部的側方，所述的籽晶投放裝置包括籽晶托板、托板傳送臂和托板升降桿，所述的籽晶托板設置于所述的托板傳送臂上，所述的托板傳送臂用以將所述的籽晶托板設置于所述的籽晶儲存室內或設置于所述的鑄錠室內的坩堝的正上方，并使所述的籽晶托板位于連接所述的托板升降桿的位置，所述的托板升降桿用于連接所述的籽晶托板，并將所述的籽晶托板設置于所述的坩堝的正上方或坩堝內，則所述的步驟(6)具體包括以下步驟: (631)利用所述的托板傳送臂將放置有籽晶的籽晶托板從所述的籽晶儲存室內移動至鑄錠室內的坩堝的正上方距離坩堝口大于30cm處； (632)控制所述的托板升 降桿連接所述的籽晶托板，并在該位置停留I分鐘 20分鐘，將籽晶溫度烘烤至800°C 1400°C ； (633)利用所述的托板升降桿將所述的籽晶均速下降至坩堝內底部。
全文摘要
本發明涉及一種準單晶硅鑄錠設備，其包括設置于殼體內的鑄錠室和籽晶儲存室，設置于籽晶儲存室和鑄錠室之間的隔熱門以及可以將籽晶從籽晶儲存室穿過隔熱門移動鑄錠室的坩堝中的籽晶投放裝置。本發明還涉及利用該設備的準單晶硅鑄錠方法，該方法先利用加熱裝置對坩堝及置入坩堝內的硅料進行加熱，待硅原料完全熔化為硅液，并控溫至硅液結晶前狀態后，再利用籽晶投放裝置將籽晶從籽晶儲存室移動至鑄錠室的坩堝中，進行長晶，形成硅錠。采用本發明的準單晶硅鑄錠設備及方法大幅降低溫度控制的難度，避免了現有技術中坩堝底部溫度難以精確控制，籽晶可能全部熔化或不熔化的問題，并進而提高了生產效率，有效保證了產品的成品率。
文檔編號C30B11/00GK103194794SQ20121000579
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者徐傳興 申請人:徐傳興