雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多晶硅鑄錠工藝，具體涉及一種雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，包括裝料抽真空、熔化保溫、長晶、退火、降溫和開方，其特征在于熔化保溫階段中，先采用功率控制模式，通過增大加熱器功率，使得石英坩堝內(nèi)溫度達(dá)到熔化溫度，然后采用溫度控制模式，控制熔化溫度不變進(jìn)行保溫。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）控制模式轉(zhuǎn)換的溫度即為熔化溫度，省去了預(yù)熱再升溫的步驟，另外一開始通過高功率加熱，縮短了整個(gè)工藝的時(shí)間3～4h；（2）由于工藝時(shí)間的縮短，能夠使得整個(gè)鑄錠工藝的成本降低大約5%。
【專利說明】雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多晶硅鑄錠工藝，具體涉及一種雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國已成為世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國，但人均能源消費(fèi)水平還很低。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，我國能源需求將持續(xù)增長，針對目前的能源緊張狀況，世界各國都在進(jìn)行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促進(jìn)可再生能源的開發(fā)和應(yīng)用，減少對進(jìn)口石油的依賴，加強(qiáng)能源安全。
[0003]作為可再生能源的重要發(fā)展方向之一的太陽能光伏發(fā)電近年來發(fā)展迅猛，其所占比重越來越大。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中國力爭使太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.8GW (百萬千瓦)，到2050年將達(dá)到600GW。預(yù)計(jì)到2050年，中國可再生能源的電力裝機(jī)將占全國電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到5%。預(yù)計(jì)2030年之前，中國太陽能裝機(jī)容量的復(fù)合增長率將高達(dá)25%以上。
[0004]太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于對多晶硅原料的提純。多晶硅原料的提純工藝目前主要依賴以下幾種工藝:西門子法、硅烷法、氣體流化床法和冶金法。以上幾種方法都會(huì)涉及到多晶硅最終的鑄錠工藝，鑄錠過程主要分為六個(gè)階段，包括裝料抽真空、熔化保溫、長晶、退火、降溫和開方。在長晶階段中，從硅液底部開始凝固長晶，由于長晶界面是凸形，所以中央部位會(huì)先凝固長晶到硅液上表面，即完成中央長晶階段；然后頂部兩側(cè)再慢慢長晶完成，即完成邊角長晶階段。
[0005]目前，太陽能發(fā)電成本相比火力發(fā)電仍然很高，這不利于太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中，現(xiàn)有的鑄錠工藝需要60 ?65小時(shí)，其中熔化保溫階段就占據(jù)了很大的比例，大約18?20h。原因主要有兩點(diǎn)，一是無法直接通過溫度控制，硅的熔點(diǎn)比較高，設(shè)定較高溫度參數(shù)容易使加熱器超負(fù)荷工作，增加加熱器負(fù)擔(dān)；二是現(xiàn)有技術(shù)中需要長時(shí)間的預(yù)熱，預(yù)熱在較低的功率下進(jìn)行，然后達(dá)到一個(gè)較低的預(yù)熱溫度開始轉(zhuǎn)換溫度控制，進(jìn)行升溫至熔化溫度并保溫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，通過工藝調(diào)整，采用功率和溫度兩種模式控制熔化保溫階段，加快加熱及熔化速度，實(shí)現(xiàn)縮短鑄錠周期的目的。
[0007]本發(fā)明所述的一種雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，包括裝料抽真空、熔化保溫、長晶、退火、降溫和開方，熔化保溫階段中，先采用功率控制模式，通過增大加熱器功率，使得石英坩堝內(nèi)溫度達(dá)到熔化溫度，然后采用溫度控制模式，控制熔化溫度不變進(jìn)行保溫。
[0008]熔化保溫階段優(yōu)選按照以下步驟依次進(jìn)行:[0009](I)采用功率控制模式:通入氬氣作為保護(hù)氣，使得鑄錠爐內(nèi)壓強(qiáng)為40?60KPa，在I?1.5h內(nèi)加熱功率由10%增加到85%，然后在2?3h內(nèi)使石英坩堝內(nèi)溫度達(dá)到1560?1580 0C ；
[0010](2)采用溫度控制模式:在1560?1580°C范圍內(nèi)保溫7?8h。
[0011]其中，所述的裝料抽真空優(yōu)選方案如下:將多晶硅料裝入鑄錠爐中的石英坩堝內(nèi)，然后抽真空至0.6?1.0Pa0
[0012]所述的多晶硅料的純度優(yōu)選為5?6N (99.999%?99.9999%)。多晶硅鑄錠階段要求硅料的純度要高，對于太陽能電池來說，通常要求在5?6N，因此只要滿足這個(gè)要求即可。
[0013]所述的長晶優(yōu)選方案如下:在保溫結(jié)束后，先將鑄錠爐內(nèi)通過通入氬氣使壓力調(diào)整至50?70KPa，經(jīng)0.5h降溫到1440°C，然后經(jīng)25?27h降溫到1420°C，完成中央長晶階段，再經(jīng)過2?3h降溫到1410°C完成邊角長晶階段。
[0014]所述的退火優(yōu)選方案如下:將多晶硅鑄錠在0.5h內(nèi)降溫到1310?1370°C并保溫2 ?4h0
[0015]所述的降溫優(yōu)選方案如下:向鑄錠爐內(nèi)通入循環(huán)氬氣冷卻，控制降溫速率為60?800C /h,降至400°C后取出多晶硅鑄錠。
[0016]所述的開方優(yōu)選方案如下:將多晶硅鑄錠經(jīng)過切除頂部雜質(zhì)及四周邊角料后，置于開方機(jī)中進(jìn)行開方。
.[0017]在本發(fā)明工藝中，不需要預(yù)熱，直接通過功率控制模式在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熔化溫度，再通過溫度控制模式恒定在熔化溫度范圍內(nèi)，進(jìn)行保溫。由于省略了預(yù)熱步驟，所以工藝時(shí)間縮短。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)控制模式轉(zhuǎn)換的溫度即為熔化溫度，省去了預(yù)熱再升溫的步驟，另外一開始通過高功率加熱，縮短了整個(gè)工藝的時(shí)間3?4h ；(2)由于工藝時(shí)間的縮短，能夠使得整個(gè)鑄錠工藝的成本降低大約5%。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0020]實(shí)施例1:
[0021]按照以下步驟進(jìn)行多晶硅鑄錠工藝:
[0022](I)裝料抽真空:將純度為5N的多晶硅料650kg裝入鑄錠爐中的石英坩堝內(nèi)，然后抽真空至0.6Pa。
[0023](2)熔化保溫:先采用功率控制模式，通入氬氣作為保護(hù)氣，使得鑄錠爐內(nèi)壓強(qiáng)為40KPa，總功率為168kw，在Ih內(nèi)加熱功率由10%增加到85%，然后在2h內(nèi)使石英坩堝內(nèi)溫度達(dá)到1560°C ;再采用溫度控制模式:在1560°C保溫7h。
[0024](3)長晶:在保溫結(jié)束后，先將鑄錠爐內(nèi)通過通入氬氣使壓力調(diào)整至50KPa，經(jīng)
0.5h降溫到1440°C，然后經(jīng)25h降溫到1420°C，完成中央長晶階段，再經(jīng)過2h降溫到1410°C完成邊角長晶階段。
[0025](4)退火:將多晶硅鑄錠在0.5h內(nèi)降溫到1310°C并保溫2h。
[0026](5)降溫:向鑄錠爐內(nèi)通入循環(huán)氬氣冷卻，控制降溫速率為60°C /h,降至400°C后取出多晶硅鑄錠。
[0027](6)開方:將多晶硅鑄錠經(jīng)過切除頂部雜質(zhì)及四周邊角料后，置于開方機(jī)中進(jìn)行開方。
[0028]實(shí)施例2:
[0029]按照以下步驟進(jìn)行多晶硅鑄錠工藝:
[0030](I)裝料抽真空:將純度為6N的多晶硅料650kg裝入鑄錠爐中的石英坩堝內(nèi)，然后抽真空至1.0Pa0
[0031](2)熔化保溫:先采用功率控制模式，通入氬氣作為保護(hù)氣，使得鑄錠爐內(nèi)壓強(qiáng)為60KPa，總功率為168kw，在1.5h內(nèi)加熱功率由10%增加到85%，然后在3h內(nèi)使石英坩堝內(nèi)溫度達(dá)到1580°C ;再采用溫度控制模式:在1580°C保溫8h。
[0032](3)長晶:在保溫結(jié)束后，先將鑄錠爐內(nèi)通過通入氬氣使壓力調(diào)整至70KPa，經(jīng)
0.5h降溫到1440°C，然后經(jīng)27h降溫到1420°C，完成中央長晶階段，再經(jīng)過3h降溫到1410°C完成邊角長晶階段。
[0033](4)退火:將多晶硅鑄錠在0.5h內(nèi)降溫到1370°C并保溫4h。
[0034](5)降溫:向鑄錠爐內(nèi)通入循環(huán)氬氣冷卻，控制降溫速率為80°C /h,降至400°C后取出多晶硅鑄錠。
[0035](6)開方:將多晶硅 鑄錠經(jīng)過切除頂部雜質(zhì)及四周邊角料后，置于開方機(jī)中進(jìn)行開方。
【權(quán)利要求】
1.一種雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，包括裝料抽真空、熔化保溫、長晶、退火、降溫和開方，其特征在于熔化保溫階段中，先采用功率控制模式，通過增大加熱器功率，使得石英坩堝內(nèi)溫度達(dá)到熔化溫度，然后采用溫度控制模式，控制熔化溫度不變進(jìn)行保溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，其特征在于熔化保溫階段按照以下步驟依次進(jìn)行: (O采用功率控制模式:通入氬氣作為保護(hù)氣，使得鑄錠爐內(nèi)壓強(qiáng)為40?60KPa，在I?1.5h內(nèi)加熱功率由10%增加到85%，然后在2?3h內(nèi)使石英坩堝內(nèi)溫度達(dá)到1560?1580 0C ； (2)采用溫度控制模式:在1560?1580°C范圍內(nèi)保溫7?8h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，其特征在于所述的裝料抽真空是將多晶硅料裝入鑄錠爐中的石英坩堝內(nèi)，然后抽真空至0.6?1.0Pa0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，其特征在于所述的多晶硅料的純度為5?6N。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，其特征在于所述的長晶是在保溫結(jié)束后，先將鑄錠爐內(nèi)通過通入氬氣使壓力調(diào)整至50?70KPa，經(jīng)0.5h降溫到1440°C，然后經(jīng)25?27h降溫到1420°C，完成中央長晶階段，再經(jīng)過2?3h降溫到1410°C完成邊角長晶階段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，其特征在于所述的退火是將多晶硅鑄錠在0.5h內(nèi)降溫到1310?1370°C并保溫2?4h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，其特征在于所述的降溫是向鑄錠爐內(nèi)通入 循環(huán)氬氣冷卻，控制降溫速率為60?80°C /h,降至400°C后取出多晶娃鑄淀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模式控制熔化保溫的多晶硅鑄錠工藝，其特征在于所述的開方是將多晶硅鑄錠經(jīng)過切除頂部雜質(zhì)及四周邊角料后，置于開方機(jī)中進(jìn)行開方。
【文檔編號(hào)】C30B29/06GK103436957SQ201310374136
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】李鵬廷, 王峰, 安廣野, 姜大川, 熊華江, 黃佳琪, 譚毅 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司