[发明专利]一种交叉排布双环路侧部加热器及晶硅铸锭炉

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

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。