CN107460539A - 一种加热器及应用该加热器的单晶硅生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加热器，包括一体成型的圆筒状加热器本体，所述加热器本体由多个长加热片和多个短加热片通过连接片交替串联围合而成，所述长加热片和所述短加热片等宽且顶部平齐设置，每个长加热片和其相邻的短加热片间形成有间隙，每一个长加热片顶部沿加热器本体径向开设有一第一通槽，每一个短加热片顶部沿加热器本体径向开设有一第二通槽，第一通槽槽深大于第二通槽槽深。本发明所述的加热器减弱了拉晶过程中底部和侧下部的反应，进而实现氧含量的降低，同时，通过调整坩埚和加热器相对位置，避免硅料熔化前期出现再次结晶风险。

Description

一种加热器及应用该加热器的单晶硅生产方法

技术领域

本发明属于单晶硅生产领域，尤其是涉及一种加热器及应用该加热器的单晶硅生产方法。

背景技术

单晶硅是晶硅电池的重要原材料，近年来光伏市场迅猛发展，竞争也日趋激烈；为提高晶硅电池的光电转换效率，IBC、HIT、PERC等技术开始应用于规模化生产；实际生产中，单晶硅一般都会还有氧，并且氧分布是头高尾低，原材料单晶硅中的氧，会与掺杂剂硼元素形成B-O复合体，造成晶硅电池光电转化效率下降，也会影响新技术的使用效果，因此降低单晶硅中氧含量对光伏行业有着深远的意义。

当前降低直拉单晶硅中氧含量方法有：

1、采用磁场拉制单晶，即：MCZ工艺，磁场可以抑制熔体的热对流，采用低埚转拉制单晶，减少石英坩埚与熔体硅的反应速度，同时磁场可以减弱熔体中氧向生长边界层的运动，进而使单晶硅中氧含量降低。采用磁场拉制单晶降氧效果明显，但磁场设备昂贵，且运行过程中能耗大，单晶拉制成本较高，无法应用于竞争激烈的光伏行业。

2、通过工参数调整，如：氩气流量、炉压、晶转埚转等，可以降低氧含量，但效果差，成品率会收到影响；部分公司同样改变加热器结构降低氧含量，但其结构相对复杂，且不能有效解决加热器结构改变后带来的风险。

另外，拉晶过程中，一般都会对热场内氧气进行抽真空操作，拉晶过程中氧的来源主要是熔体硅与石英坩埚的反应，尤其坩埚的底部和侧下部反应剧烈，是氧引入的主要来源，

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种加热器及应用该加热器的单晶硅生产方法，以解决现有单晶硅生产中因氧含量高导致的质量问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种加热器，包括一体成型的圆筒状加热器本体，所述加热器本体由多个长加热片和多个短加热片通过连接片交替串联围合而成，所述长加热片和所述短加热片等宽且顶部平齐设置，所述加热器本体上部为高温区，其下部为低温区，每个长加热片和其相邻的短加热片间形成有间隙，每一个长加热片顶部沿加热器本体径向开设有一第一通槽，每一个短加热片顶部沿加热器本体径向开设有一第二通槽，第一通槽槽深大于第二通槽槽深。

进一步的，所述短加热片长度与长加热片长度比在1/5至3/4间。

进一步的，所述第一通槽宽度、第二通槽宽度及间隙等宽设置，该宽度为10-20mm。

进一步的，所述第一通槽槽底厚度和第二通槽槽底厚度相同，该厚度等于连接片高度，同时该厚度＝长加热片宽度/2。

相对于现有技术，本发明所述的加热器具有以下优势：

本发明所述的加热器通过交替串联的长加热片和短加热片围合而成，并且上部分发热片密集，发热量大，为高温区，下部分发热量少，为低温区，该结构减小了坩埚内竖直方向上温度梯度变化，进而实现氧含量的降低，同时，通过调整坩埚和加热器相对位置，避免硅料熔化前期出现再次结晶风险，保证拉晶时，埚内液面处于高温区，这样拉晶时功耗会降低，功耗降低会较弱石英坩埚和熔体硅的反应，进而可以降低氧含量。

一种应用加热器的单晶硅生产方法，包括以下步骤：

1)、准备：

将加热器本体放于热场内，将一定量的固态硅原料装于坩埚内，利用举升装置调整坩埚和加热器本体相对位置，保证坩埚顶部相对于加热器本体顶部低60-70mm，此时坩埚埚底处于加热器本体低温区；

2)、抽空：

利用真空***将热场内氧气抽干，同时充入氩气作为保护气体；

3)、化料：

对加热器本体通电加热，坩埚内硅料开始出现熔体硅后，通过热场内的举升装置将坩埚上移45-65mm，此时埚底处于高温区下部区域；

4)、塌料：

坩埚内固态硅继续熔化，当未熔硅全部漂浮在硅液中时，升高坩埚直至坩埚顶部高出加热器本体的短加热片长度的1/5；

5)、温度稳定化节段：

坩埚内硅料整体熔化呈液态时，控制热场内温度不变，提升坩埚位置直至埚内液面距离加热器顶部的距离为短加热片长度的3/10，此时液面位于高温区上部区域，在该温度下坩埚位置保持不变1-2小时；

6)、引晶：

调整热场温度，对坩埚内硅液进行引晶生产，引晶过程中保持坩埚内液面处于高温区，且继续保持坩埚内液面距离加热器顶部的距离为短加热片长度的3/10间；

7)、放肩转肩：

对引晶后的硅棒进行放肩转肩生产，放肩转肩生产中，保持坩埚内液面距离加热器顶部的距离为短加热片长度的3/10间；

8)、等径：

保持步骤7)中坩埚位置不变进行等径生产，等径50mm后利用举升装置开始逐渐提升坩埚位置，待等径200mm时将坩埚位置步骤7)基础上上升2-10mm，保证埚内液面位于处于高温区的拉晶设定位置，即拉晶生产中光圈设定位置，保持坩埚内液面和加热器顶部距离不变直至等径结束；

9)、收尾；

10)、停炉冷却。

进一步的，步骤3)中，包括一下分步：

(a)、坩埚内硅料开始出现熔体硅后，通过热场内的举升装置将坩埚上移30-40mm，此时坩埚埚底处于加热器本体高温区下部区域；

(b)、化料过程中，硅料大量熔化时，埚底处存在固态硅，继续向上提升埚位15-25mm,保证埚底处于高温区下部区域的较高温度区。

进一步的，所述热场内充入氩气作为保护气体。

相对于现有技术，本发明所述的应用加热器的单晶硅生产方法具有以下优势：

本发明所述的应用加热器的单晶硅生产方法中，通过调整化料、温度稳定化节段及等径节段坩埚、液面相对于加热器位置，保证硅棒生产过程中，通过调整坩埚和加热器相对位置，避免硅料熔化前期出现再次结晶风险，同时，保证拉晶时，埚内液面处于高温区，这样拉晶时功耗会降低，功耗降低会较弱石英坩埚和熔体硅的反应，进而可以降低氧含量。

温度稳定化和等径过程埚位调整，是利用该加热器的特性(上部发热量大)，将液面控制在高温区，进而降低功耗，同样可以实现减弱熔体硅与石英坩埚反应的目的，进而降低氧含量；等径过程中可以将埚位逐渐提升，既能够保证头部氧含量降低，不影响后期的成晶。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的加热器结构示意图；

图2为本发明例单晶硅生产中应用所述加热器前后硅棒氧含量对照表；

图3为本发明例单晶硅生产中应用所述加热器前后硅棒氧含量对照图；

附图标记说明：

1-加热器本体； 11-长加热片； 111-第一通槽；

121-第二通槽； 12-短加热片； 13-间隙；

14-连接片； 2-坩埚。

具体实施方式

需要说明的是，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种加热器，包括一体成型的圆筒状加热器本体1，所述加热器本体1由多个长加热片11和多个短加热片12通过连接片14交替串联围合而成，所述短加热片12长度与长加热片11长度比在＝1/5至3/4间，所述长加热片11和所述短加热片12等宽且顶部平齐设置，长加热片11底部凸出短加热片12设置，因此加热器本体1上部为高温区，下部为低温区，每个长加热片11和其相邻的短加热片12间形成有间隙13，间隙宽度为10-20mm，每一个长加热片11顶部沿加热器本体1径向开设有一第一通槽111，且该第一通槽111中线和长加热片11沿加热器本体1轴向方向中线相交，每一个短加热片12顶部沿加热器本体1径向开设有一第二通槽121，且该第二通槽121中线和短加热片12沿加热器本体1轴向方向中线相交，所述第一通槽111宽度、第二通槽121宽度等宽，且分别和间隙13宽度相等，第一通槽111槽深大于第二通槽121槽深。

本实施例中，所述第一通槽111槽底厚度和第二通槽121槽底厚度相同，该厚度等于连接片14高度，同时该厚度＝长加热片11宽度/2，该结构保证加热器温度均匀性。

如图2、图3所示，一种应用加热器的单晶硅生产方法，包括以下步骤：

1)、准备：

将加热器本体1放于热场内，将一定量的固态硅原料装于坩埚2内，利用举升装置调整坩埚2和加热器本体1相对位置，保证坩埚2顶部相对于加热器本体1顶部低60-70mm，此时坩埚2埚底处于加热器本体1低温区；

2)、抽空：

利用真空***将热场内氧气抽干，同时充入氩气作为保护气体；

3)、化料：

对加热器本体1通电加热，坩埚2内硅料开始出现熔体硅后，通过热场内的举升装置将坩埚2上移30-40mm，此时坩埚2埚底处于加热器本体1高温区下部区域；化料过程中，硅料开始大量熔化，此时还有固态硅存在埚底部，同时液态硅流向底部，继续向上提升埚位15-25mm,因加热器加热后形成加热梯度，本步骤中二次提升坩埚保证埚底处于高温区下部区域的较高温度区，避免坩埚底部出现凝固现象；

4)、塌料：

坩埚2内固态硅继续熔化，大量熔体硅出现，适时对坩埚内物料监测，当未熔硅全部漂浮在硅液中时，此时液面位于加热器顶部以下，升高坩埚2直至坩埚2顶部高出加热器本体1的短加热片长度的1/5，由于坩埚埚底处于高温区，因此有效避免熔体凝固现象出现；

5)、温度稳定化节段：

坩埚2内硅料整体熔化呈液态时，控制热场内温度不变，提升坩埚位置直至埚内液面距离加热器顶部的距离为短加热片长度的3/10，此时液面位于高温区上部区域，在该温度下坩埚2位置保持不变1-2小时；

6)、引晶：

调整热场温度，对坩埚2内硅液进行引晶生产，引晶过程中保持坩埚内液面处于高温区，且继续保持坩埚内液面距离加热器顶部的距离为短加热片长度的3/10间；

7)、放肩转肩：

对引晶后的硅棒进行放肩转肩生产，放肩转肩生产中，保持坩埚内液面距离加热器顶部的距离为短加热片长度的3/10间；

8)、等径：

单晶硅棒转肩后进行等经生产，保持步骤7)中坩埚位置不变进行等径生产，等径50mm后利用举升装置开始逐渐提升坩埚位置，待等径200mm时将坩埚位置步骤7)基础上上升2-10mm，保证埚内液面位于处于高温区的拉晶设定位置，即拉晶生产中光圈设定位置，保持坩埚内液面和加热器顶部距离不变直至等径结束；该步骤中，采用等径50mm后再逐渐提升坩埚位置，并且保证在等径50-200mm内液面提升量为2-10mm，该操作有效降低单晶硅棒中等径头部的含氧量，降氧效果见附图2和附图3，同时为了避免由于液面距离大不利后期成晶，因此等径50mm后采用逐渐提升坩埚位置，减小拉晶液面距离，保证后期成晶质量；

9)、收尾；

10)、停炉冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种加热器，其特征在于：包括一体成型的圆筒状加热器本体(1)，所述加热器本体(1)由多个长加热片(11)和多个短加热片(12)通过连接片(14)交替串联围合而成，所述长加热片(11)和所述短加热片(12)等宽且顶部平齐设置，所述加热器本体上部为高温区，其下部为低温区，每个长加热片(11)和其相邻的短加热片(12)间形成有间隙(13)，每一个长加热片(11)顶部沿加热器本体(1)径向开设有一第一通槽(111)，每一个短加热片(12)顶部沿加热器本体(1)径向开设有一第二通槽(121)，第一通槽(111)槽深大于第二通槽(121)槽深。

2.根据权利要求1所述的一种加热器，其特征在于：所述短加热片(12)长度与长加热片(11)长度比在1/5至3/4间。

3.根据权利要求1所述的一种加热器，其特征在于：所述第一通槽(111)宽度、第二通槽(121)宽度及间隙(13)等宽设置，该宽度为10-20mm。

4.根据权利要求1所述的一种加热器，其特征在于：所述第一通槽(111)槽底厚度和第二通槽(121)槽底厚度相同，该厚度等于连接片(14)高度，同时该厚度＝长加热片(11)宽度/2。

5.一种应用权利要求1-5加热器的单晶硅生产方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、准备：

将加热器本体(1)放于热场内，将一定量的固态硅原料装于坩埚(2)内，利用举升装置调整坩埚(2)和加热器本体(1)相对位置，保证坩埚(2)顶部相对于加热器本体(1)顶部低60-70mm，此时坩埚(2)埚底处于加热器本体(1)低温区；

2)、抽空：

利用真空***将热场内氧气抽干，同时充入氩气作为保护气体；

3)、化料：

对加热器本体(1)通电加热，坩埚(2)内硅料开始出现熔体硅后，通过热场内的举升装置将坩埚(2)上移45-65mm，此时埚底处于高温区下部区域；

4)、塌料：

坩埚(2)内固态硅继续熔化，当未熔硅全部漂浮在硅液中时，升高坩埚(2)直至坩埚(2)顶部高出加热器本体(1)的短加热片长度的1/5；

5)、温度稳定化节段：

坩埚(2)内硅料整体熔化呈液态时，控制热场内温度不变，提升坩埚(2)位置直至埚内液面距离加热器本体(1)顶部的距离为短加热片长度的3/10，此时液面位于高温区上部区域，在该温度下坩埚位置保持不变1-2小时；

6)、引晶：

调整热场温度，对坩埚(2)内硅液进行引晶生产，引晶过程中保持坩埚(2)内液面处于高温区，且继续保持坩埚(2)内液面距离加热器本体(1)顶部的距离为短加热片长度的3/10间；

7)、放肩转肩：

对引晶后的硅棒进行放肩转肩生产，放肩转肩生产中，保持坩埚(2)内液面距离加热器本体(1)顶部的距离为短加热片长度的3/10间；

8)、等径：

保持步骤7)中坩埚位置不变进行等径生产，等径50mm后利用举升装置开始逐渐提升坩埚位置，待等径200mm时将坩埚位置步骤7)基础上上升2-10mm，保证埚内液面位于处于高温区的拉晶设定位置，即拉晶生产中光圈设定位置，保持坩埚(2)内液面和加热器本体(1)顶部该距离不变直至等径结束；

9)、收尾；

10)、停炉冷却。

6.根据权利要求5所述的单晶硅生产方法，其特征在于：步骤3)中，包括一下分步：

(a)、坩埚(2)内硅料开始出现熔体硅后，通过热场内的举升装置将坩埚(2)上移30-40mm，此时坩埚(2)埚底处于加热器本体高温区下部区域；

(b)、化料过程中，硅料大量熔化时，埚底处存在固态硅，继续向上提升埚位15-25mm,保证埚底处于高温区下部区域的较高温度区。

7.根据权利要求5所述的单晶硅生产方法，其特征在于：所述热场内充入氩气作为保护气体。