CN110965119A - 一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构 - Google Patents

一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构。该石墨平台包括一个底面、一个顶面和四个侧面，底面和顶面的形状均为大小一致的正方形，侧面的形状均为长方形，顶面的边长与侧面的长边一致，侧面的长边大于侧面的宽边，底面上设有一个凹陷结构，凹陷结构的开口部边缘形状为正方形且该正方形的中心与底面的中心重合，凹陷结构的形状为曲面，曲面由两个正交的圆柱面构成。本发明的有益效果是：有效抑制该石墨平台的中心和***温度不均衡，保证在熔料时底部的籽晶不会发生顶部不熔化或底部熔穿的情形，保证晶体生长时坩埚内硅液的等温面为水平面，保证在铸造单晶时都能够长成与籽晶大小形状相同的方柱形单晶。

Description

一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构
技术领域
本发明涉及坩埚相关技术领域，尤其是指一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构。
背景技术
在光伏发电制造链中，需要将多晶硅变为单晶硅。传统的单晶硅是采用CZ法进行拉制而成的，而采取类似于多晶硅铸锭的定向凝固方式进行单晶生长的工艺，也称铸造单晶或者铸锭单晶，因为铸造单晶成本比CZ法拉制单晶的工艺成本可以大大降低，因而引起了众多研究机构和厂家的兴趣。铸锭单晶是在方形的石英陶瓷坩埚底部先铺满单晶籽晶，然后将多晶硅料放在籽晶上面，放入铸造单晶炉炉内将多晶硅料和籽晶上部熔化，同时保证籽晶的底部一直是固态晶体，然后开始从籽晶开始自下而上进行单晶的生长，直到整个全部硅液都长成单晶。
铸锭单晶生长工艺中的一个关键要点，就是保持硅液在坩埚内的固液界面始终是水平结构，只有这样才能保证坩埚底部的籽晶能够保持上部熔化而底部不熔化，也只有这样才能保证单晶生长时的方向是垂直向上，而避免各籽晶上的单晶在生长过程中与相邻的籽晶生长的单晶进行竞争，造成整个硅锭形成枝状晶而导致单晶率下降。而要做到这一点，就需要坩埚内的硅液在单晶生长过程中，硅液的等温面必须一直保持水平。由于装有硅液的石英坩埚是放置在一个石墨平台上的，因此，最基本的要求就是石墨平台的顶面温度必须保持等温。
由于坩埚是放置在碳毡制成的隔热屏和加热体中，在硅液熔化时，加热体加热，加热体的温度高于坩埚内部，而在晶体生长阶段，由于硅液温度一直高于外部，造成石墨平台和坩埚的四周温度偏低，而坩埚中部温度偏高。也就是说，坩埚四周和坩埚中心的温度必然存在梯度以及梯度的变化，因此，要保持固液界面水平，或者说要保持硅液内或石墨平台的等温面是水平的，在正常情况下是无法实现的。这就是目前铸造单晶的四周仍有部分多晶存在、成品率较低的原因。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种能够抑制坩埚石墨平台中心和四周温度不均衡的用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构，该石墨平台包括一个底面、一个顶面和四个侧面，所述底面和顶面的形状均为大小一致的正方形，所述侧面的形状均为长方形，所述顶面的边长与侧面的长边一致，所述侧面的长边大于侧面的宽边，所述的底面上设有一个凹陷结构，所述凹陷结构的开口部边缘形状为正方形且该正方形的中心与底面的中心重合，所述凹陷结构的形状为曲面，所述的曲面由两个正交的圆柱面构成。
铸造单晶时，盛放硅料的石英坩埚放置在该石墨平台的顶面上。加热体和隔热屏在坩埚及该石墨平台的上、下或四周，能够抑制坩埚石墨平台中心和四周温度不均衡的情况。该凹陷结构的曲面形状设计使得该石墨平台和其上面的坩埚的向下散热速率在整个石墨平台的顶面内是均衡的，从而使坩埚底部的温度保持一个水平的等温面，这保证了在熔料时底部的籽晶内的等温面为水平，从而保证坩埚底部所有的籽晶的底部温度相同，防止了因温度不均匀造成有的籽晶顶部尚未熔化，另一些籽晶已经全部熔化的情形。在籽晶顶部熔化后，单晶开始向上生长时，该石墨平台结构也能够使硅液的等温面保持水平，从保持固液界面始终保持水平并随着单晶生长不断向上移动，从而保证铸造单晶时每块籽晶上生长的单晶都形成垂直的方柱形单晶。
作为优选，所述的凹陷结构具有如下的尺寸关系：D＝k1 L，R＝k1 2 L2/(8k2 H)+k1H/2，其中：L表示底面的边长，H表示侧面的宽边，D表示凹陷结构的开口部边缘的边长，R为凹陷结构的曲面半径，k1和k2均为0～1之间的常数，k1的值与平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关，k2的值与平台和坩埚的相对大小有关。
作为优选，所述k1的值为0.5～0.9，所述k2的值为0.2～0.9。
作为优选，所述k1的值为0.6～0.7，所述k2的值为0.6～0.8。
作为优选，所述凹陷结构中的两个圆柱面均通过离散化设计形成若干个离散化台阶，所述离散化台阶的数量为5个以上。为了加工方便，上述的坩埚石墨平台的圆柱面结构在加工时，可离散化为多个离散化台阶，这些台阶的轮廓面仍为两个圆柱面相交而成的四个圆柱面构成的曲面。该区面的剖视图仍具有如下的尺寸关系：D＝k1 L，R＝k1 2 L2/(8k2 H)+k1 H/2，其中：L表示底面的边长，H表示侧面的宽边，D表示凹陷结构的开口部边缘的边长，R为凹陷结构的曲面半径，k1和k2均为0～1之间的常数，k1的值与平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关，k2的值与平台和坩埚的相对大小有关。
本发明的有益效果是：能够有效抑制该石墨平台的中心和***温度不均衡的情况，保证了在熔料时底部的籽晶不会发生顶部不熔化或底部熔穿的情形，也保证了晶体生长时坩埚内硅液的等温面为水平面，也就是晶体生长时固液界面为水平，从而保证在铸造单晶时都能够长成与籽晶大小形状相同的方柱形单晶。
附图说明
图1是本发明的剖面结构图；
图2是本发明的仰视图；
图3是本发明中图1离散化的剖面结构图；
图4是本发明离散化的仰视图。
图中：1.顶面，2.侧面，3.底面，4.凹陷结构，5.离散化台阶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1、图2所述的实施例中，一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构，该石墨平台包括一个底面3、一个顶面1和四个侧面2，底面3和顶面1的形状均为大小一致的正方形，侧面2的形状均为长方形，顶面1的边长与侧面2的长边一致，侧面2的长边大于侧面2的宽边，底面3上设有一个凹陷结构4，凹陷结构4的开口部边缘形状为正方形且该正方形的中心与底面3的中心重合，凹陷结构4的形状为曲面，所述的曲面由两个正交的圆柱面构成。凹陷结构4具有如下的尺寸关系：D＝k1 L，R＝k1 2 L2/(8k2 H)+k1 H/2，其中：L表示底面3的边长，H表示侧面2的宽边，D表示凹陷结构4的开口部边缘的边长，R为凹陷结构4的曲面半径，k1和k2均为0～1之间的常数，k1的值与平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关，k2的值与平台和坩埚的相对大小有关。其中：k1的较佳值为0.5～0.9，k2的较佳值为0.2～0.9。k1的最佳值为0.6～0.7，k2的最佳值为0.6～0.8。
铸造单晶时，盛放硅料的石英坩埚放置在该石墨平台的顶面1上。加热体和隔热屏在坩埚及该石墨平台的上、下或四周，能够抑制坩埚石墨平台中心和四周温度不均衡的情况。该凹陷结构4的曲面形状设计使得该石墨平台和其上面的坩埚的向下散热速率在整个石墨平台的顶面1内是均衡的，从而使坩埚底部的温度保持一个水平的等温面，这保证了在熔料时底部的籽晶内的等温面为水平，从而保证坩埚底部所有的籽晶的底部温度相同，防止了因温度不均匀造成有的籽晶顶部尚未熔化，另一些籽晶已经全部熔化的情形。在籽晶顶部熔化后，单晶开始向上生长时，该石墨平台结构也能够使硅液的等温面保持水平，从保持固液界面始终保持水平并随着单晶生长不断向上移动，从而保证铸造单晶时每块籽晶上生长的单晶都形成垂直的方柱形单晶。
如图3、图4所示，凹陷结构4中的两个圆柱面均通过离散化设计形成若干个离散化台阶5，离散化台阶5的数量为5个以上。为了加工方便，上述的坩埚石墨平台的圆柱面结构在加工时，可离散化为多个离散化台阶5，这些台阶的轮廓面仍为两个圆柱面相交而成的四个圆柱面构成的曲面。该区面的剖视图仍具有如下的尺寸关系：D＝k1 L，R＝k1 2 L2/(8k2 H)+k1 H/2，其中：L表示底面3的边长，H表示侧面2的宽边，D表示凹陷结构4的开口部边缘的边长，R为凹陷结构4的曲面半径，k1和k2均为0～1之间的常数，k1的值与平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关，k2的值与平台和坩埚的相对大小有关。其中：k1的较佳值为0.5～0.9，k2的较佳值为0.2～0.9。k1的最佳值为0.6～0.7，k2的最佳值为0.6～0.8。
本发明以图3、图4的坩埚石墨平台作为较佳实施方式，各参数的取值分别为：L＝1500毫米，H＝150毫米，k1＝0.618，k2＝0.618，并分别计算可得D＝927毫米，R＝1205毫米。加工时，为了加工方便，进行离散化加工，从凹陷结构4的底部到顶部，取6个台阶，即凹限结构的离散化台阶5的数量为6。
采用本发明图3、图4的较佳实施方式进行铸造单晶的生长方法如下，在该坩埚石墨平台的顶部上面方式***边长为1440的正方形坩埚，先在坩埚底部铺设8x8共计64块边长为156毫米、厚度为20毫米的正方形单晶籽晶块，籽晶从坩埚底部中心向外铺设，之后装入1200公斤多晶硅硅料，加热，待硅料和全体籽晶上部熔化且控制温度使全体籽晶底部都保持固态，开始长晶；长晶过程持续约32小时。长晶过程中，对坩埚底部的不同位置测温。具体测量结果为：
表1坩埚底部不同位置的温度及长晶过程中随时间的变化
Figure BDA0002357719210000061
从表1可以看出，采用本发明图3、图4的较佳实施方式的坩埚石墨平台，有效地抑制了该平台中心和***温度不均衡的情况。在整个晶体生长过程中，能够保持坩埚底部的边缘与中心的温度误差在1.5摄氏度以内，保证了坩埚底部的等温面最大程度地接近水平面，能够有效地保证晶体生长时的固液界面为水平。且熔料时可以方便地控制设备功率参数，使得全部的64块籽晶的顶部均熔化而底部均不会熔化，大大提高了单晶率。

Claims (5)

1.一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构，其特征是，该石墨平台包括一个底面(3)、一个顶面(1)和四个侧面(2)，所述底面(3)和顶面(1)的形状均为大小一致的正方形，所述侧面(2)的形状均为长方形，所述顶面(1)的边长与侧面(2)的长边一致，所述侧面(2)的长边大于侧面(2)的宽边，所述的底面(3)上设有一个凹陷结构(4)，所述凹陷结构(4)的开口部边缘形状为正方形且该正方形的中心与底面(3)的中心重合，所述凹陷结构(4)的形状为曲面，所述的曲面由两个正交的圆柱面构成。
2.根据权利要求1所述的一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构，其特征是，所述的凹陷结构(4)具有如下的尺寸关系：D＝k1 L，R＝k1 2 L2/(8k2 H)+k1H/2，其中：L表示底面(3)的边长，H表示侧面(2)的宽边，D表示凹陷结构(4)的开口部边缘的边长，R为凹陷结构(4)的曲面半径，k1和k2均为0～1之间的常数，k1的值与平台的热传导率和设定的晶体生长速度有关，k2的值与平台和坩埚的相对大小有关。
3.根据权利要求2所述的一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构，其特征是，所述k1的值为0.5～0.9，所述k2的值为0.2～0.9。
4.根据权利要求3所述的一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构，其特征是，所述k1的值为0.6～0.7，所述k2的值为0.6～0.8。
5.根据权利要求1所述的一种用于铸造单晶的坩埚石墨平台结构，其特征是，所述凹陷结构(4)中的两个圆柱面均通过离散化设计形成若干个离散化台阶(5)，所述离散化台阶(5)的数量为5个以上。
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