一種多晶硅鑄錠用退火工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多晶硅鑄錠用退火工藝，包括以下步驟：步驟一、第一次退火：多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經50min～70min將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度降至T1，并保溫2h～3h；其中，T1＝1250℃～1280℃；步驟二、第二次退火：經50min～70min將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T1降至T2，并保溫2h～3h；T2＝900℃～950℃。本發明工藝步驟簡單、設計合理且實現簡便、使用效果好，分兩次進行退火，第一次退火根據低壓狀態下硅的軟化點合理設定退火溫度，第二次在低溫條件下進行退火使硅晶格應力得到有效釋放，提高多晶硅鑄錠成品質量。
【專利說明】
一種多晶硅鑄錠用退火工藝
技術領域
[0001]本發明屬于多晶硅鑄錠技術領域，尤其是涉及一種多晶硅鑄錠用退火工藝。
【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。而目前對多晶硅鑄錠進行退火處理時，沒有一個統一、標準且規范的方法可供遵循，實際加工時不可避免地存在操作比較隨意、花費時間長、退火效果較差等問題。

【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，提供一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其工藝步驟簡單、設計合理且實現簡便、使用效果好，分兩次進行退火，第一次退火根據低壓狀態下硅的軟化點合理設定退火溫度，第二次在低溫條件下進行退火使硅晶格應力得到有效釋放，提尚多晶娃鑄徒成品質量。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟:
[0006]步驟一、第一次退火:多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經50min?70min將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度降至Tl，并保溫2h?3h;其中，Tl = 1250°C?1280°C ;
[0007]步驟二、第二次退火:經50min?70min將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由Tl降至T2，并保溫211?311;了2 = 900°(:?950°(:。
[0008]上述一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征是:步驟一中進行第一次退火過程中和步驟二中進行第二次退火過程中，均向所述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Q1，其中Ql = 180Pa?250Pa。
[0009]上述一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征是:步驟一中進行第一次退火時，經Ih將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度降至Tl;步驟二中進行第二次退火時，經Ih將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由Tl降至T2。
[0010]上述一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征是:步驟二中第二次退火完成后，完成所加工多晶硅鑄錠的退火過程，再將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫。
[0011 ] 上述一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征是:將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫時，按照90 °C /h?120 V /h的降溫速率進行冷卻。
[0012]上述一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征是:步驟一中多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經50min?70min將多晶硅鑄錠爐的加熱溫度由T3降至Tl;其中T3為長晶結束后所述多晶硅鑄錠爐的加熱溫度，且T3 = 1395 °C?1405 °C。
[0013]本發明與現有技術相比具有以下優點:
[0014]1、工藝步驟簡單、設計合理且實現方便，投入成本低。
[0015]2、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。[00? 0] 3、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。
[0017]4、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。
[0018]5、使用效果好，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。
[0019]綜上所述，本發明工藝步驟簡單、設計合理且實現簡便、使用效果好，分兩次進行退火，第一次退火根據低壓狀態下硅的軟化點合理設定退火溫度，第二次在低溫條件下進tx退火使娃晶格應力得到有效釋放，提尚多晶娃鑄徒成品質量。
[0020]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】
[0021 ]圖1為本發明的方法流程框圖。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]附圖標記說明:
[0025]I一樹禍；2—頂部加熱器；2-1—頂部加熱電源；
[0026]3 一多晶娃鑄徒爐；4 一側部加熱器；4_1 一側部加熱電源；
[0027]5一DS塊；6—加熱功率調節裝置；7—i甘禍護板；
[0028]8—保溫筒；9 一托桿。
【具體實施方式】
[0029]實施例1
[0030]如圖1所示的一種多晶硅鑄錠用退火工藝，包括以下步驟:
[0031 ]步驟一、第一次退火:多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經Ih將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度降至TI，并保溫2.5;其中，Tl = 1260°C ;
[0032 ]步驟二、第二次退火:經Ih將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由TI降至T2，并保溫2.5h;T2 = 920 cC ο
[0033]本實施例中，步驟一中進行第一次退火過程中和步驟二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Ql，其中Ql = 200Pa。
[0034]并且，所述惰性氣體為氬氣。
[0035]實際加工時，可根據具體需要，對T1、T2和Ql的取值大小分別進行相應調整。
[0036]本實施例中，步驟二中第二次退火完成后，完成所加工多晶硅鑄錠的退火過程，再將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫。
[0037]本實施例中，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。
[0038]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。
[0039]本實施例中，步驟一中多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經50min?70min將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T3降至Tl;其中T3為長晶結束后所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度，且T3 = 1398°C0
[0040]實際使用時，可根據具體需要，對Τ3的取值大小進行相應調整。
[0041]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。此處，多晶硅鑄錠工藝采用全熔鑄錠法，因而步驟一中進行第一退火之前，按照常規多晶硅全熔鑄錠法中的裝料、預熱、熔料和長晶方法，完成多晶硅鑄錠的裝料、預熱、熔料和長晶過程。其中，預熱、熔料和長晶過程中，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Q2，其中Q2 =550mbar?650mbaro
[0042]實際使用過程中，可根據具體需要，對Q2的取值大小進行相應調整。
[0043]實際進行裝料時，先按照常規全熔鑄錠法的裝料方法進行裝料。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，再按照常規半熔鑄錠法的預熱方法對坩禍I內的硅料進行預熱。預熱完成后，再開始進行熔化。
[0044]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。
[0045]實際使用時，所述石英坩禍的裝料量為600kg左右。
[0046]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。
[0047]本實施例中，如圖2、圖3所示，步驟一中所述頂部加熱器2通過第一電極與頂部加熱電源2-1連接，四個所述側部加熱器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。
[0048]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。
[0049]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。
[0050]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。
[0051]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。
[0052]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。
[0053]同時，所述坩禍I下方還設置有托桿9。
[0054]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。
[0055]本實施例中，步驟一中進行第一次退火之前，進行長晶時，將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度降至T4后，開始進行定向凝固并進入長晶過程，其中T4為多晶硅結晶溫度;長晶過程如下:
[0056]步驟Al、將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T4，并保溫50min?70min;本步驟中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度為60mm?100mm;
[0057]步驟A2、將所述多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T4，并保溫10min?140min;本步驟中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度與步驟Al中的提升高度相同；
[0058]步驟A3、將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T4，并保溫160min?200min;本步驟中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度為105mm?115mm;
[0059]步驟A4、將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T4逐漸降至T5，降溫時間為7h?9h;本步驟中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度為205mm?215mm;其中，T5 = 1405°C?1425°C ；
[0060]步驟A5、將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T5，并保溫7h?9h;本步驟中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度與步驟A4中的提升高度相同；
[0061 ]步驟A6、將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度控制在T5，并保溫7h?9h;本步驟中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度與步驟A4中的提升高度相同；
[0062]步驟A7、將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T5逐漸降至T3，降溫時間為4h?5.5h;本步驟中，所述多晶硅鑄錠爐3的隔熱籠提升高度與步驟A4中的提升高度相同。
[0063 ] 實際加工時，可根據具體需要，將T4在1420 °C?1440 °C范圍內進行相應調整。
[0064]其中，步驟A4中將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T4逐漸降至T5過程中和步驟A7中將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由T5逐漸降至T3中，通過減小四個所述側部加熱器4的加熱功率或減少四個所述側部加熱器4的加熱時間對多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度進行降低。
[0065]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。
[0066]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。
[0067]并且，加工成型鑄錠成品的表面無雜質，無粘禍現象，少子壽命>5.5us(微秒)，硬質點比例<0.5%，成品率為68%以上。
[0068]實施例2
[0069]本實施例中，與實施例1不同的是:步驟一中多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經70min將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度降至Tl，并保溫3h;其中，Tl = 1250°C ;步驟二中經70min將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由Tl降至T2，并保溫3h，T2 = 900°C ; Ql = 180Pa，T3 = 1395°C ；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。
[0070]本實施例中，其余方法步驟和工藝參數均與實施例1相同。
[0071]并且，加工成型鑄錠成品的表面無雜質，無粘禍現象，少子壽命>5.5us(微秒)，硬質點比例<0.5%，成品率為65%以上。
[0072]實施例3
[0073]本實施例中，與實施例1不同的是:步驟一中多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經5011^11將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度降至1'1，并保溫211，1'1 = 1280°(:;步驟二中經501^11將多晶硅鑄錠爐3的加熱溫度由TI降至T2，并保溫2h，T2 = 950°C ;Ql = 250Pa，T3 = 1405°C ;將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫時，按照120 0C /h的降溫速率進行冷卻。
[0074]本實施例中，其余方法步驟和工藝參數均與實施例1相同。
[0075]并且，加工成型鑄錠成品的表面無雜質，無粘禍現象，少子壽命>5.5us(微秒)，硬質點比例<0.5%，成品率為65%以上。
[0076]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】
1.一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟: 步驟一、第一次退火:多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經50min?70min將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度降至Tl，并保溫2h?3h;其中，Tl = 1250°C?1280°C ; 步驟二、第二次退火:經50min?70min將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度由Tl降至T2，并保溫211?311;了2 = 900°(:?950°(:。2.按照權利要求1所述的一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征在于:步驟一中進行第一次退火過程中和步驟二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Ql，其中Ql = 180Pa?250Pa。3.按照權利要求1或2所述的一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征在于:步驟一中進行第一次退火時，經Ih將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度降至Tl;步驟二中進行第二次退火時，經I h將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度由TI降至T2。4.按照權利要求1或2所述的一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征在于:步驟二中第二次退火完成后，完成所加工多晶硅鑄錠的退火過程，再將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫O5.按照權利要求4所述的一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征在于:將所加工多晶硅鑄錠隨爐冷卻至室溫時，按照90°C/h?120°C/h的降溫速率進行冷卻。6.按照權利要求1或2所述的一種多晶硅鑄錠用退火工藝，其特征在于:步驟一中所述的多晶硅鑄錠過程中長晶結束后，經50min?70min將多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度由T3降至Tl;其中T3為長晶結束后所述多晶硅鑄錠爐(3)的加熱溫度，且T3 = 1395°C?1405°C。
【文檔編號】C30B33/02GK106087065SQ201610693915
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月19日 公開號201610693915.4, CN 106087065 A, CN 106087065A, CN 201610693915, CN-A-106087065, CN106087065 A, CN106087065A, CN201610693915, CN201610693915.4
【發明人】劉波波, 賀鵬, 藺文, 宗紅梅
【申請人】西安華晶電子技術股份有限公司