一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法

一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法
【專利摘要】本發明公開了一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，包括以下步驟：一、裝料；二、預熱；三、熔化；四、熔化后至長晶前處理：401、降溫：將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T2降至T3，并保溫15～25min，T2＝1540～1560℃，T3＝1410～1420℃；402、升溫：將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T3升至T4，并保溫8～15min，T4＝1435～1445℃；五、長晶：將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度控制在T4并進行定向凝固，直至完成長晶過程；六、退火及冷卻。本發明方法步驟簡單、設計合理且實現簡便、使用效果好，通過增設熔化后至長晶前處理步驟，并對長晶工藝進行調整，能有效減小晶粒度，提高鑄錠成品的質量。
【專利說明】
_種減小晶粒度的多晶娃鑄徒方法
技術領域
[0001]本發明屬于多晶硅鑄錠技術領域，尤其是涉及一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法。
【背景技術】
[0002]光伏發電是當前最重要的清潔能源之一，具有極大的發展潛力。制約光伏行業發展的關鍵因素，一方面是光電轉化效率低，另一方面是成本偏高。光伏硅片是生產太陽能電池和組件的基本材料，用于生產光伏硅片的多晶硅純度必須在6N級以上(S卩非硅雜質總含量在Ippm以下)，否則光伏電池的性能將受到很大的負面影響。近幾年，多晶硅片生產技術有了顯著進步，多晶鑄錠技術已從G4(每個硅錠重約270公斤，可切4 X 4= 16個硅方)進步到65(5X5 = 25個硅方)，然后又進步到G6(6X6 = 36個硅方)。并且，所生產多晶硅鑄錠的單位體積逐步增大，成品率增加，且單位體積多晶硅鑄錠的制造成本逐步降低。
[0003]實際生產過程中，太陽能多晶硅鑄錠時，需使用石英坩禍來填裝硅料，且將硅料投入石英坩禍后，通常情況下還需經預熱、熔化(也稱熔料)、長晶(也稱定向凝固結晶)、退火、冷卻等步驟，才能完成多晶硅鑄錠過程。其中，退火是多晶硅鑄錠過程中極其重要的一個工藝步驟，退火效果不好直接影響鑄錠成品內部的應力分布狀態，對多晶硅鑄錠成品的質量影響較大。晶粒度是表示晶粒大小的尺度，晶粒度可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。工業生產上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。標準晶粒度共分8級，1-4級為粗晶粒，5-8級為細晶粒。目前多晶硅鑄錠過程中，沒有一個統一、標準且規范的減小晶粒度的方法(S卩加工細晶粒的多晶硅鑄錠方法)可供遵循，實際加工時不可避免地存在操作比較隨意、花費時間長、使用效果較差等問題。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其方法步驟簡單、設計合理且實現簡便、使用效果好，通過增設熔化后至長晶如處理步驟，并對長晶工藝進彳丁調整，能有效減小晶粒度，提尚鑄徒成品的質量。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0006]步驟一、裝料:將內裝硅料的坩禍裝入多晶硅鑄錠爐；
[0007]步驟二、預熱:采用多晶硅鑄錠爐對裝于坩禍內的硅料進行預熱，并將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度逐步提升至Tl;預熱時間為4h?6h，其中Tl = 1125 °C?1285 °C ;
[0008]步驟三、熔化:采用多晶硅鑄錠爐對裝于坩禍內的硅料進行熔化，熔化溫度為Tl?T2;其中 T2 = 1540°C ?1560°C;
[0009]步驟四、熔化后至長晶前處理，過程如下:
[0010]步驟401、降溫:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T2降至T3，并保溫15min?25min;其中 Τ3 = 1410Γ ?1420。。;
[0011]步驟402、升溫:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T3升至T4，并保溫8min?15min;其中 T4 = 1435°C ?1445Γ;
[0012]步驟五、長晶:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度控制在T4并進行定向凝固，直至完成長晶過程；
[0013]步驟六、退火及冷卻:步驟五中長晶過程完成后，進行退火與冷卻，并獲得加工成型的所述多晶娃鑄徒。
[0014]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟三中進行熔化時，待坩禍內的硅料全部熔化后，將所述多晶硅鑄錠爐的加熱溫度控制在T2，之后所述多晶硅鑄錠爐的加熱功率開始下降，待所述多晶硅鑄錠爐的加熱功率停止下降且持續時間t后，熔化過程完成；其中t = 20min?40min。
[0015]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟五中進行長晶過程中，所述多晶硅鑄錠爐的隔熱籠提升高度為8cm/h?12cm/h。
[0016]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟五中進行長晶過程中，所述多晶硅鑄錠爐內位于坩禍上方的頂部加熱器的加熱功率為SOkW?95kW，四個分別布設在坩禍的四個側壁外側的側部加熱器的加熱功率均為30kW?50kW。
[0017]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟一中所述多晶硅鑄錠爐內設置有氣體冷卻裝置;步驟五中進行長晶過程中，通過增大所述氣體冷卻裝置的冷卻氣體流量將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度控制至T4。
[0018]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟一中所述多晶硅鑄錠爐內位于坩禍上方的頂部加熱器通過第一電極與頂部加熱電源連接，四個分別布設在坩禍的四個側壁外側的側部加熱器均通過第二電極與側部加熱電源連接;所述頂部加熱電源和側部加熱電源均與加熱功率調節裝置連接，所述加熱功率調節裝置為對頂部加熱電源和側部加熱電源的輸出功率分別進行調節的功率調節裝置。
[0019]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟三中熔化過程中、步驟四中熔化后至長晶前處理過程中和步驟五中長晶過程中，均向多晶硅鑄錠爐內充入惰性氣體并將多晶硅鑄錠爐內氣壓保持在Q1，其中Ql = 550mbar?650mbar。
[0020]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟六中進行退火及冷卻時，過程如下:
[0021]步驟601、第一次退火:經50min?70min將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度降至T5，并保溫 2h ?3h;其中，T5 = 1250°C ?1280°C;
[0022]步驟602、第二次退火:經50min?70min將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T5降至T6，并保溫211?311;了6 = 900°(:?9501€ ；
[0023]步驟603、冷卻:將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫，獲得加工成型的所述多晶娃鑄錠。
[0024]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟601中進行第一次退火過程中和步驟602中進行第二次退火過程中，均向多晶硅鑄錠爐內充入惰性氣體并將多晶硅鑄錠爐內的氣壓保持在Q2，其中Q2 = 180Pa?250Pa。
[0025]上述一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征是:步驟二中預熱過程中，將多晶硅鑄錠爐的加熱功率逐步升高至Pl，其中Pl = 50kW?10kW;步驟三中所述坩禍內的硅料全部熔化后，對多晶硅鑄錠爐的加熱功率變化情況進行觀測，待多晶硅鑄錠爐的加熱功率下降至P2，并保持P2不變且持續時間t后，熔料過程完成;其中，P2 = 25kW?45kW。
[0026]本發明與現有技術相比具有以下優點:
[0027]1、工藝步驟簡單、設計合理且實現方便，投入成本低。
[0028]2、能簡便、快速減少晶粒度，通過設置熔化后至長晶前處理步驟，同時對長晶過程中的加熱溫度進行限定，并對冷卻氣體流量以及頂部加熱器和四個所述側部加熱器的加熱功率進彳丁調整，實現尚溫長晶，并相應完成尚溫狀態下提籠過程，能有效提尚多晶娃鑄徒效率。
[0029]并且，長晶過程中，多晶硅鑄錠爐的加熱溫度維持不變，并處于1440°C左右，這樣使坩禍內上部始終處于熔融狀態，上部液面平穩，使長晶過程能快速、高質量進行，長晶階段控制簡便。并且，多晶硅鑄錠爐的隔熱籠提升高度為8cm/h?12cm/h，提幅大。因而，能有效提尚長晶效率。
[0030]3、熔化后至長晶前處理步驟設計合理且實現簡便、使用效果好，熔化完成后，先將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T2降至T3并保溫15min?25min，降溫至T3后，由于T3低于硅的熔點溫度，使熔化后的硅液能自發形核，即自動形成晶核，控制簡便;之后，再將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T3升至T4并保溫8min?15min，使所形成的晶核穩定，并開始生長。因而，步驟四中熔化后至長晶前處理為銜接熔化過程與長晶過程的一個過渡階段，使得熔化過程向長晶過程的過渡更平穩，并且易于控制。
[0031]4、能有效減少多晶硅鑄錠過程中的退火時間，與現有多晶硅鑄錠過程中的退火工藝相比，各次退火溫度均相對較低，并且退火處理時間較短，能有效提高多晶硅鑄錠效率。[0032 ] 5、退火效果好，能有效提尚多晶娃鑄徒成品的成品率，并且，由于多晶娃鑄徒過程在真空環境下進行，并且退火過程一般都在低壓環境下進行，而低壓環境下，硅的熔點降低，相應硅的軟化點也降低，但現有退火工藝中，仍按照常壓狀態下硅的熔點和軟化點設計退火溫度，導致實際退火溫度較高(通常情況下，第一退火溫度為1370°C?1390°C)，影響退火效果。而本發明中，考慮到低壓環境下硅的熔點和軟化點均降低，第一退火溫度設計為1250°C?1280°C，退火溫度設計合理，并且能有效節省退火時間。同時，第二次退火溫度設計為900°C?950°C，在該溫度條件下，硅氧發生相變，硅易于氧發生反應并生成二氧化硅等，發生相變過程中能有效釋放硅晶格應力，從而達到低溫退火釋放硅晶格應力的目的，同時能有效減少退火時間。
[0033]6、多晶硅鑄錠爐內加熱器采用雙電源進行單獨控制，不需要更改多晶硅鑄錠爐內的加熱器結構，投入成本低且實現方便，頂部加熱器和側部加熱器采用各自獨立的電源，頂部加熱器和側部加熱器能進行單獨控制且二者的加熱功率能分開單獨進行控制，此時控制方式具有以下優點:第一、更加節能，不必須頂部加熱器和側部加熱器采用同樣的加熱功率，從而達到減少加熱電力的目的，同時能有效減少單位時間內冷卻水帶走的熱量，從而間接地減少了動力制冷設備的負荷;第二、能更好地控制熱場，由于頂部加熱器和側部加熱器能進行單獨控制，能簡便實現頂部加熱器和側部加熱器分開加熱的目的，從而能達到有效控制熱場的目的；第三、對于晶體生長過程及退火過程具有很大的改善作用，有利于在多晶硅鑄錠爐內部形成更均勻的垂直梯度熱場，從而更好地控制長晶速率和退火效果，使得長晶界面更加平緩，從而減少陰影、紅區等不利因素，加熱效果更佳；同時使鑄錠內部熱場分布均勻，進一步提高退火效果;第四、能有效減輕主線路上承載的負荷，有效減少主線路上的電流疊加量，從而減少線路負載量，對于母線和配電室有一定的保護作用；第五、能延長內部熱場的使用壽命。
[0034]7、退火溫度設計合理，能有效改善多晶硅鑄錠成品內的應力狀態，并能形成更均勻的垂直梯度熱場，尤其對于尺寸較大的鑄錠而言，退火過程中熱場分布均勻，退火效果更佳，能有效避免因溫度加熱溫度分布不均勻導致的退火效果較差、影響多晶硅鑄錠成品質量等問題。
[0035]8、使用效果好且實用價值高，能簡便、快速完成細晶粒的多晶硅鑄錠過程，鑄錠效率尚，控制簡便且鑄徒成品的質量尚。
[0036]9、實用性強，便于批量生產。
[0037]綜上所述，本發明方法步驟簡單、設計合理且實現簡便、使用效果好，通過增設熔化后至長晶前處理步驟，并對長晶工藝進行調整，能有效減小晶粒度，提高鑄錠成品的質量。
[0038]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
【附圖說明】
[0039]圖1為本發明的方法流程框圖。
[0040]圖2為本發明多晶硅鑄錠爐內頂部加熱器與側部加熱器的布設位置示意圖。
[0041]圖3為本發明頂部加熱器、側部加熱器與加熱功率調節裝置的電路原理框圖。
[0042 ]圖4為本發明進行熔化時的溫度及功率曲線圖。
[0043]附圖標記說明:
[0044]I 一坩禍；2—頂部加熱器；2-1—頂部加熱電源；
[0045]3 一多晶娃鑄徒爐；4 一側部加熱器；4_1 一側部加熱電源；
[0046]5一DS塊；6—加熱功率調節裝置；7—i甘禍護板；
[0047]8一保溫筒；9一托桿。
【具體實施方式】
[0048]實施例1
[0049]如圖1所示的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，包括以下步驟:
[0050 ]步驟一、裝料:將內裝硅料的坩禍I裝入多晶硅鑄錠爐3;
[0051 ]步驟二、預熱:采用多晶硅鑄錠爐3對裝于坩禍I內的硅料進行預熱，并將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度逐步提升至Tl ；預熱時間為5h，其中Tl = 1200°C ;
[0052]步驟三、熔化:采用多晶硅鑄錠爐3對裝于坩禍I內的硅料進行熔化，熔化溫度為Tl?T2;其中 T2 = 1550°C;
[0053]步驟四、熔化后至長晶前處理，過程如下:
[0054]步驟401、降溫:將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T2降至T3，并保溫20min;其中T3 =1415°C；
[0055 ] 步驟402、升溫:將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T3升至T4，并保溫I Omi η;其中T4 =1440 °C；
[0056]步驟五、長晶:將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T4并進行定向凝固，直至完成長晶過程；
[0057]步驟六、退火及冷卻:步驟五中長晶過程完成后，進行退火與冷卻，并獲得加工成型的所述多晶娃鑄徒。
[0058]實際使用過程中，可根據具體需要，對Τ1、Τ2、Τ3和Τ4的大小進行相應調整。其中，Τ2為多晶硅熔化溫度。
[0059]本實施例中，步驟三中進行熔化時，待坩禍I內的硅料全部熔化后，將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在Τ2，之后所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率開始下降，待所述多晶娃鑄錠爐3的加熱功率停止下降且持續時間t后，恪化過程完成;其中t = 30min。
[0060]本實施例中，步驟五中進行長晶過程中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度為8cm/h?12cm/h。
[0061]并且，步驟五中進行長晶過程中，所述多晶硅鑄錠爐3內位于坩禍I上方的頂部加熱器2的加熱功率為80kW?95kW，四個分別布設在坩禍I的四個側壁外側的側部加熱器4的加熱功率均為30kW?50kW。
[0062]實際使用過程中，將頂部加熱器2的加熱功率在80kW?95kW范圍內進行相應調整，并將四個所述側部加熱器4的加熱功率在30kW?50kW范圍內進行相應調整。
[0063]本實施例中，步驟一中所述多晶硅鑄錠爐3內設置有氣體冷卻裝置;步驟五中進行長晶過程中，通過增大所述氣體冷卻裝置的冷卻氣體流量將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制至T4。并且，通過增大所述氣體冷卻裝置的冷卻氣體流量，將所述氣體冷卻裝置的冷卻氣體體積濃度在60ppm?80ppm范圍內進行調整。
[0064]實際使用時，通過頂部加熱器2和四個所述側部加熱器4的加熱功率，并調整所述氣體冷卻裝置的冷卻氣體流量，將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制至T4。
[0065]實際使用時，本發明通過設置步驟四中所述的熔化后至長晶前處理步驟，同時對步驟五中長晶過程中的加熱溫度進行限定，并對冷卻氣體流量以及頂部加熱器2和四個所述側部加熱器4的加熱功率進行調整，實現高溫長晶，并相應完成高溫狀態下提籠過程，能有效提尚多晶娃鑄徒效率。
[0066]并且，長晶過程中，多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度維持不變，并處于1440°C，這樣使坩禍I內上部始終處于熔融狀態，上部液面平穩，使長晶過程能快速、高質量進行，長晶階段控制簡便。并且，所述多晶娃鑄徒爐3的隔熱籠提升尚度為8cm/h?12cm/h，提幅大。因而，能有效提尚長晶效率。
[0067]其中，熔化完成后，先將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T2降至T3并保溫20min，降溫至T3后，由于T3低于硅的熔點溫度，使熔化后的硅液能自發形核，即自動形成晶核，控制簡便;之后，再將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T3升至T4并保溫lOmin，使所形成的晶核穩定，并開始生長。因而，步驟四中熔化后至長晶前處理為銜接熔化過程與長晶過程的一個過渡階段，使得熔化過程向長晶過程的過渡更平穩，并且易于控制。
[0068]實際使用時，步驟三中熔化過程中、步驟四中熔化后至長晶前處理過程中和步驟五中長晶過程中，均向多晶硅鑄錠爐3內充入惰性氣體并將多晶硅鑄錠爐3內氣壓保持在Ql，其中 Ql = 550mbar?650mbar。本實施例中，Ql = 600mbar。
[0069]實際進行熔化時，可以根據具體需要，對Ql和t的取值大小進行相應調整。
[0070]目前，多晶硅鑄錠方法主要有半熔鑄錠法和全熔鑄錠法兩種，半熔鑄錠法也稱為有籽晶鑄錠多晶硅法，是指采用毫米級硅料作為形核中心進行外延生長，鑄造低缺陷高品質的多晶娃鑄徒;全恪鑄徒法也稱為無軒晶鑄徒多晶娃法或無軒晶尚效多晶娃技術，是指采用非硅材料在坩禍底部制備表面粗糙的異質形核層，通過控制形核層的粗糙度與形核時過冷度來獲得較大形核率，鑄造低缺陷高品質多晶硅鑄錠。目前，多晶硅鑄錠方法以全熔鑄錠法為主。此處，所采用的多晶硅鑄錠方法為常規的多晶硅鑄錠方法，具體為全熔多晶硅鑄錠法O
[0071]因而，步驟一中進行裝料、步驟二中進行預熱、步驟三中進行熔化和步驟六中進行退火及冷卻時，所采用的方法均為全熔多晶硅鑄錠法采用的常規方法。
[0072]本實施例中，所述坩禍I為立方體坩禍。
[0073]本實施例中，步驟一中進行裝料時，按照常規全熔鑄錠法的裝料方法進行裝料。如圖2所示，裝料完成后，將坩禍I放置于多晶硅鑄錠爐3內的DS塊5上。其中，DS塊5為石墨塊，所述石墨塊的導熱性很強。所述DS塊5也稱為定向固化塊或DS-BL0CK。所述多晶硅鑄錠爐3內設置有保溫筒8。之后，再按照常規全熔鑄錠法的預熱方法對坩禍I內的硅料進行預熱。預測完成后，再開始進行熔化。
[0074]本實施例中，所述多晶硅鑄錠爐3為G5型鑄錠爐。并且，所述多晶硅鑄錠爐3具體為浙江晶盛機電股份有限公司生產的G5型鑄錠爐。所述坩禍I為石英坩禍且其為G5坩禍，并且生產出來的多晶硅鑄錠為G5錠。
[0075]實際使用時，所述石英坩禍的裝料量為600kg左右。
[0076]本實施例中，所述石英坩禍的裝料量為560kg。實際使用過程中，可以根據具體需要，對所述石英坩禍的裝料量進行相應調整。
[0077]本實施例中，如圖2、圖3所示，步驟一中所述多晶硅鑄錠爐3內位于坩禍I上方的頂部加熱器2通過第一電極與頂部加熱電源2-1連接，四個分別布設在坩禍I的四個側壁外側的側部加熱器4均通過第二電極與側部加熱電源4-1連接;所述頂部加熱電源2-1和側部加熱電源4-1均與加熱功率調節裝置6連接，所述加熱功率調節裝置6為對頂部加熱電源2-1和側部加熱電源4-1的輸出功率分別進行調節的功率調節裝置。
[0078]所述頂部加熱電源2-1和側部加熱電源4-1均為功率可調節電源，并且頂部加熱器2和四個所述側部加熱器4分別采用兩個不同的電源(即所述頂部加熱電源和所述側部加熱電源)，能實現頂部加熱器2和側部加熱器4的單獨控制，使用操作簡便且使用效果好。
[0079]本實施例中，所述加熱功率調節裝置6中包括兩個加熱功率調節設備，兩個所述加熱功率調節設備分別為對頂部加熱器2的加熱功率進行調節的第一加熱功率調節設備和對四個所述側部加熱器4的加熱功率進行同步調節的第二加熱功率調節設備。
[0080]實際使用時，兩個所述加熱功率調節設備也可以共用一個所述加熱功率調節設備，只需能達到對兩個所述電源分別進行控制的目的即可。
[0081]本實施例中，所述頂部加熱器2和側部加熱器4均為現有多晶硅鑄錠爐3采用的現有加熱器，所述頂部加熱器2和四個所述側部加熱器4的結構和布設位置均為現有多晶硅鑄錠爐相同。每個所述側部加熱器4均與位于其內側的坩禍I的側壁呈平行布設。
[0082]所述坩禍I的四個側壁外側均設置有坩禍護板7，所述側部加熱器4位于坩禍護板7外側;所述坩禍護板7為呈豎直向布設的石墨板。
[0083]同時，所述坩禍I下方還設置有托桿9。
[0084]實際安裝時，所述頂部加熱器2和四個所述側部加熱器4均通過吊裝件吊裝在多晶硅鑄錠爐3的頂蓋上。
[0085]本實施例中，步驟二中進行預熱和步驟三中進行熔化過程中，所述頂部加熱器2和四個所述側部加熱器4的加熱功率均相同。
[0086]同時，步驟二中預熱過程中，將多晶硅鑄錠爐3的加熱功率逐步升高至Pl，其中Pl= 50kW?I OOkW;步驟三中所述坩禍I內的硅料全部熔化后，對所述鑄錠爐的加熱功率變化情況進行觀測，待多晶硅鑄錠爐3的加熱功率下降至P2，并保持P2不變且持續時間t后，熔料過程完成；其中，P2 = 25kW?45kW。
[0087]并且，步驟三中進行熔化時，過程如下:
[0088]第I步、保溫:將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在Tl，并保溫0.4h?0.6h;
[0089]第2步至第5步、升溫及加壓:由先至后分四步將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由Tl逐漸提升至T7，升溫時間為0.4h?0.6h;升溫過程中向所述多晶硅鑄錠爐3內充入惰性氣體并將所述多晶硅鑄錠爐3的氣壓逐步提升至Ql;其中，T4 = 1190 °C?1325 °C ;
[0090]第6步、第一次升溫及保壓:將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T7逐漸提升至T8且升溫時間為3.5h?4.5h，升溫過程中所述多晶硅鑄錠爐3內氣壓保持在Ql;其中，T6 =1440 cC ?1460。。；
[0091]第7步:第二次升溫及保壓:將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T8逐漸提升至T9且升溫時間為3.5h?4.5h，升溫過程中所述多晶硅鑄錠爐3內氣壓保持在Ql;其中，T7 =1490。。?1510。。；
[0092]第8步、第三次升溫及保壓:將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T9逐漸提升至T2且升溫時間為3.5h?4.5h，升溫過程中所述多晶硅鑄錠爐3內氣壓保持在Ql;其中，T2 =1540 cC ?1560。。；
[0093]第9步、保溫:將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T2，并保溫3.5h?4.5h;保溫過程中，所述多晶硅鑄錠爐3內氣壓保持在Ql;
[0094]第10步、持續保溫:將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T2，并保溫4h?8h，直至坩禍I內的硅料全部熔化;保溫過程中，所述多晶硅鑄錠爐3內氣壓保持在Q1。
[0095]本實施例中，第6步中進行第一次升溫及保壓過程中、第7步中進行第二次升溫及保壓過程中、第8步中進行第三次升溫及保壓過程中和第9步中進行保溫過程中，均需對所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率變化情況進行觀測，并確保所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率變化平穩。
[0096]同時，第2步至第5步中由先至后分四步將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由Tl逐漸提升至?時，每一步提升溫度5°C?8°C，且每一步提升均需5min?lOmin。
[0097]并且，步驟二中預熱時間為5h;預熱過程中，將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率以10kW/h?15kW/hkW/h的增長速率逐步提升至Pl。
[0098]本實施例中，步驟二中預熱過程中，將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率逐步升高至P1，其中 Pl = 75kW。
[0099]實際進行預熱時，可以根據具體需要，對預熱時間、預熱過程中加熱功率的增長速率以及Tl和Pl的取值大小進行相應調整。
[0100]本實施例中，待坩禍I內的硅料全部熔化后，將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T2，并對所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率隨時間變化的曲線即功率曲線進行觀測，詳見圖4。圖4中，細實線為所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率隨時間變化的曲線，需實線為所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度隨時間變化的曲線，豎線為坩禍I內的硅料全部熔化時的報警線。由圖2可以看出，待坩禍I內的硅料全部熔化后，所述多晶硅鑄錠爐3的功率曲線開始下降，待所述多晶硅鑄錠爐3的功率曲線下降且走平30min后，熔料過程完成，之后進入長晶階段；即圖4中的A點為熔料過程完成的時間點。
[0101]實際操作過程中，通過觀測功率曲線便能準確確定熔料過程完成的時間點，即由熔化階段切換到長晶階段的切換時間點。實際操作簡便，且實現方便，能準確把握由熔化階段切換到長晶階段的切換時機。
[0102]本實施例中，步驟三中所述坩禍I內的硅料全部熔化后，對所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率變化情況進行觀測，待所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率下降至P2，并保持P2不變且持續時間t后，熔料過程完成;其中，P2 = 35kW。
[0103]實際進行熔化時，根據所述坩禍I內裝料量的不同，P2的大小相應在25kW?45kW范圍內進行調整。
[0104]本實施例中，第I步中保溫0.5h;
[0105]第2步至第5步中由先至后分四步將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由Tl逐漸提升至T7，升溫時間為0.5h即第2步至第5步的總時間為0.5h;升溫過程中向所述多晶硅鑄錠爐3內充入惰性氣體并將所述多晶硅鑄錠爐3的氣壓逐步提升至Ql;其中，T7 = 1250°C ；
[0106]第2步至第5步中由先至后分四步將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由Tl逐漸提升至T7時，每一步提升溫度5°C?8°C，且每一步提升均需5min?lOmin;
[0107]第6步中進行第一次升溫及保壓時，升溫時間為4h，T8 = 1450°C;
[0108]第7步中進行第二次升溫及保壓時，升溫時間為4h，T9 = 1500°C。
[0109]第8步中進行第三次升溫及保壓時，升溫時間為4h;
[0110]第9步中進行保溫時，保溫4h;
[0111]第10步中進行持續保溫時，保溫6h，直至坩禍I內的硅料全部熔化。
[0112]本實施例中，第6步中進行第一次升溫及保壓過程中、第7步中進行第二次升溫及保壓過程中、第8步中進行第三次升溫及保壓過程中和第9步中進行保溫過程中，均需對所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率變化情況進行觀測，并確保所述多晶硅鑄錠爐3的加熱功率變化平穩。
[0113]也就是說，第6步至第9步中進行熔化時，必須使功率曲線平穩前進，不能出現較為明顯的凹凸點，這樣會帶來硬質點的增多。
[0114]本實施例中，第2步至第5步中進行升溫及加壓時，過程如下:
[0115]第2步、第一步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1200°C提升至1220°C，且升溫時間為7min。
[0116]第3步、第二步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1220°C提升至1235 °C，且升溫時間為8min。
[0117]第4步、第三步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1235°C提升至1242°C，且升溫時間為5min。
[0118]第5步、第四步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1242°C提升至1250°C，且升溫時間為5min。
[0119]本實施例中，第10步中待坩禍I內的硅料全部熔化且所述多晶硅鑄錠爐3發出“熔化完成報警”后，需人工干預，對功率曲線的下降情況進行觀測，待所述多晶硅鑄錠爐3的功率曲線下降且走平30min后，熔料過程完成，之后人工干預將熔化階段切入到長晶階段。
[0120]本實施例中，所述惰性氣體為氬氣。
[0121 ]本實施例中，步驟六中進行退火及冷卻時，過程如下:
[0122]步驟601、第一次退火:經Ih將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度降至T5，并保溫2.5h;其中，Τ5 = 1260Γ;
[0123]步驟602、第二次退火:經Ih將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T5降至T6，并保溫2.5h；T6 = 920°C；
[0124]步驟603、冷卻:將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫，獲得加工成型的所述多晶娃鑄錠。
[0125]本實施例中，步驟601中進行第一次退火過程中和步驟602中進行第二次退火過程中，均向所述多晶硅鑄錠爐3內充入惰性氣體并將多晶硅鑄錠爐3內的氣壓保持在Q2，其中Q2 = 200Pa。
[0126]并且，所述惰性氣體為氬氣。
[0127]實際加工時，可根據具體需要，對T5、T6和Q2的取值大小分別進行相應調整。
[0128]本實施例中，步驟603中將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫時，按照100°C/h的降溫速率進行冷卻。
[0129]實際進行冷卻時，可根據具體需要，對降溫速率進行相應調整。
[0130]實際進行多晶硅鑄錠時，通常均在真空環境下進行，并且退火過程一般都在低壓環境下進行。由于低壓環境下，硅的熔點降低，相應硅的軟化點也降低。而現有退火工藝中，仍按照常壓狀態下硅的熔點和軟化點設計退火溫度，導致實際退火溫度較高(通常情況下，第一退火溫度為1370 0C?1390°C )，影響退火效果。而本發明中，考慮到低壓環境下硅的熔點和軟化點均降低，第一退火溫度設計為1250°C?1280°C，退火溫度設計合理，并且能有效節省退火時間。同時，第二次退火溫度設計為900°C?950°C，在該溫度條件下，硅氧發生相變，硅易于氧發生反應并生成二氧化硅等，發生相變過程中能有效釋放硅晶格應力，提高鑄錠成品質量，從而達到低溫退火釋放硅晶格應力的目的，同時能有效減少退火時間。
[0131]與常規的退火工藝相比，采用本發明公開的退火工藝能使多晶硅鑄錠成品的成品率提高5%以上。
[0132]本實施例中，加工成型鑄錠成品的表面無雜質，無粘禍現象，鑄錠底部含氧量降低60 %以上，少子壽命>5.5us (微秒)，硬質點比例<0.5 %，能有效提高鑄錠成品質量，成品率為72%，晶粒度為8級。
[0133]實施例2
[0134]本實施例中，與實施例1不同的是:步驟二中預熱時間為4h且TI = 1285 °C，PI =100欣;步驟三中了2 = 1560°(:八=2011^11，？2 = 45欣，01 = 65011^&0第1步中保溫時間為0.411;第2步至第5步中了7 = 1325°(:，升溫時間為0.411;第6步中了8=1460°(:且升溫時間為3.511;第7步中T9 = 1510 °C且升溫時間為3.5h;第8步中升溫時間為3.5h;第9步中保溫時間為3.5h;第1步中保溫時間為4h;
[0135]本實施例中，第2步至第5步中進行升溫及加壓時，過程如下:
[0136]第2步、第一步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1285°C提升至1290°C，且升溫時間為5min。
[0137]第3步、第二步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1290°C提升至1295°C，且升溫時間為5min。
[0138]第4步、第三步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1295°C提升至1315°C，且升溫時間為9min。
[0139]第5步、第四步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1315°C提升至1325 °C，且升溫時間為5min;
[0140]步驟401中T3 = 1410°C，保溫時間為25min;步驟402中T4 = 1435°C，保溫時間為15min；
[0141 ]步驟601中經70min將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度降至T5，并保溫3h ;其中，T4 =1250°C;步驟602中經70min將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T5降至T6，并保溫3h，T6 = 900°C ； Q2 = 180Pa;將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫時，按照90°C/h的降溫速率進行冷卻。
[0142]本實施例中，其余方法步驟和工藝參數均與實施例1相同。
[0143]本實施例中，加工成型鑄錠成品的表面無雜質，無粘禍現象，鑄錠底部含氧量降低60 %以上，少子壽命> 5.5us (微秒)，硬質點比例<0.5 %，成品率為74 %，晶粒度為7級。
[0144]實施例3
[0145]本實施例中，與實施例1不同的是:步驟二中預熱時間為6h且TI= 1125 °C，PI =50?;步驟三中了2 = 1540°(:八=401^11，？1 = 25?，01 = 55011^&0第1步中保溫時間為0.611;第2步至第5步中了7 = 1190°(:，升溫時間為0.611;第6步中了8=1440°(:且升溫時間為4.511;第7步中T9 = 1490 0C且升溫時間為4.5h;第8步中升溫時間為4.5h;第9步中保溫時間為4.5h;第1步中保溫時間為8h;
[0146]本實施例中，第2步至第5步中進行升溫及加壓時，過程如下:
[0147]第2步、第一步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1125°C提升至1140 °C，且升溫時間為9min。
[0148]第3步、第二步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1140°C提升至1155 °C，且升溫時間為8min。
[0149]第4步、第三步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1155°C提升至1175°C，且升溫時間為1min。
[0150]第5步、第四步提升:將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由1175°C提升至1190 °C，且升溫時間為9min。
[0151]本實施例中，步驟401中T3 = 1420 V，保溫時間為15min ；步驟402中T4= 1445 V，保溫時間為8min;
[0152]本實施例中，步驟601中經50min將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度降至T4，并保溫2h，T4=1280°C;步驟二中經50min將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T4降至T5，并保溫2h，T5 =950°C；Ql = 250Pa，TlO = 1405°C ;將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫時，按照120°C/h的降溫速率進行冷卻。
[0153]本實施例中，其余方法步驟和工藝參數均與實施例2相同。
[0154]本實施例中，加工成型鑄錠成品的表面無雜質，無粘禍現象，鑄錠底部含氧量降低65 %以上，少子壽命> 5.5us (微秒)，硬質點比例<0.5 %，成品率為72 %，晶粒度為7級。
[0155]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。
【主權項】
1.一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、裝料:將內裝硅料的坩禍(I)裝入多晶硅鑄錠爐(3); 步驟二、預熱:采用多晶硅鑄錠爐(3)對裝于坩禍(I)內的硅料進行預熱，并將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度逐步提升至Tl;預熱時間為4h?6h，其中Tl = 1125 °C?1285 °C ; 步驟三、熔化:采用多晶硅鑄錠爐(3)對裝于坩禍(I)內的硅料進行熔化，熔化溫度為Tl?T2;其中 T2 = 1540°C ?1560°C; 步驟四、熔化后至長晶前處理，過程如下: 步驟401、降溫:將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度由T2降至T3，并保溫15min?25min ；其中 Τ3 = 1410Γ ?1420。。; 步驟402、升溫:將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度由T3升至T4，并保溫8min?15min ；其中T4 = 1435°C ?1445°C; 步驟五、長晶:將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度控制在T4并進行定向凝固，直至完成長晶過程； 步驟六、退火及冷卻:步驟五中長晶過程完成后，進行退火與冷卻，并獲得加工成型的所述多晶娃鑄錠。2.按照權利要求1所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟三中進行熔化時，待坩禍(I)內的硅料全部熔化后，將所述多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度控制在T2，之后所述多晶硅鑄錠爐(3)的加熱功率開始下降，待所述多晶硅鑄錠爐(3)的加熱功率停止下降且持續時間t后，恪化過程完成;其中t = 20min?40min。3.按照權利要求1或2所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟五中進行長晶過程中，所述多晶硅鑄錠爐(3)的隔熱籠提升高度為8cm/h?12cm/h04.按照權利要求1或2所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟五中進行長晶過程中，所述多晶硅鑄錠爐(3)內位于坩禍(I)上方的頂部加熱器(2)的加熱功率為80kW?95kW，四個分別布設在坩禍(I)的四個側壁外側的側部加熱器(4)的加熱功率均為30kW?50kW。5.按照權利要求4所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟一中所述多晶硅鑄錠爐(3)內設置有氣體冷卻裝置;步驟五中進行長晶過程中，通過增大所述氣體冷卻裝置的冷卻氣體流量將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度控制至T4。6.按照權利要求1或2所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟一中所述多晶硅鑄錠爐(3)內位于坩禍(I)上方的頂部加熱器(2)通過第一電極與頂部加熱電源(2-1)連接，四個分別布設在坩禍(I)的四個側壁外側的側部加熱器(4)均通過第二電極與側部加熱電源(4-1)連接;所述頂部加熱電源(2-1)和側部加熱電源(4-1)均與加熱功率調節裝置(6)連接，所述加熱功率調節裝置(6)為對頂部加熱電源(2-1)和側部加熱電源Μ-?) 的輸出功率分別進行調節的功率調節裝置。7.按照權利要求1或2所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟三中熔化過程中、步驟四中熔化后至長晶前處理過程中和步驟五中長晶過程中，均向多晶硅鑄錠爐(3)內充入惰性氣體并將多晶硅鑄錠爐(3)內氣壓保持在Ql，其中Ql = 550mbar?650mbaro8.按照權利要求1或2所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟六中進行退火及冷卻時，過程如下: 步驟601、第一次退火:經50min?70min將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度降至T5，并保溫2h ?3h;其中，T5 = 1250°C ?1280°C; 步驟602、第二次退火:經50min?70min將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度由T5降至T6，并保溫211?311;16 = 900°(:?9501€ ； 步驟603、冷卻:將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫，獲得加工成型的所述多晶硅鑄錠。9.按照權利要求1或2所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟601中進行第一次退火過程中和步驟602中進行第二次退火過程中，均向多晶硅鑄錠爐(3)內充入惰性氣體并將多晶硅鑄錠爐(3)內的氣壓保持在Q2，其中Q2 = 180Pa?250Pa。10.按照權利要求1或2所述的一種減小晶粒度的多晶硅鑄錠方法，其特征在于:步驟二中預熱過程中，將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱功率逐步升高至Pl，其中Pl = 50kW?10kW;步驟三中所述坩禍(I)內的硅料全部熔化后，對多晶硅鑄錠爐(3)的加熱功率變化情況進行觀測，待多晶硅鑄錠爐(3)的加熱功率下降至P2，并保持P2不變且持續時間t后，熔料過程完成；其中，P2 = 25kW ?45kW。
【文檔編號】C30B29/06GK106087046SQ201610694944
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月19日 公開號201610694944.2, CN 106087046 A, CN 106087046A, CN 201610694944, CN-A-106087046, CN106087046 A, CN106087046A, CN201610694944, CN201610694944.2
【發明人】虢虎平, 劉波波, 賀鵬, 史燕凱
【申請人】西安華晶電子技術股份有限公司