张志强 (中国江苏省常州市新北区天合光伏产业园天合路2号, Jiangsu 1, 213031, CN)
HUANG, Zhenfei (No.2 Trina Road, Trina PV park Xinbei Distric, Changzhou Jiangsu 1, 213031, CN)
黄振飞 (中国江苏省常州市新北区天合光伏产业园天合路2号, Jiangsu 1, 213031, CN)
常州天合光能有限公司 (中国江苏省常州市新北区天合光伏产业园天合路2号, Jiangsu 1, 213031, CN)
ZHANG, Zhiqiang (No.2 Trina Road, Trina PV park Xinbei Distric, Changzhou Jiangsu 1, 213031, CN)
张志强 (中国江苏省常州市新北区天合光伏产业园天合路2号, Jiangsu 1, 213031, CN)
HUANG, Zhenfei (No.2 Trina Road, Trina PV park Xinbei Distric, Changzhou Jiangsu 1, 213031, CN)
| 1、 一种硅单晶炉高效热屏， 包括热屏外层 （1)、 热屏内层 （2)， 在 热屏外层 （1) 和热屏内层 （2) 之间的空间内填充保温材料 （3)， 其特征 是： 在所述的热屏外层 （1) 和热屏内层 （2) 之间设置温差电池模块 （4) 和冷端模块 （5) ，冷端模块 （5) 紧贴温差电池模块 （4) 外层。 2、 根据权利要求 1所述的硅单晶炉高效热屏， 其特征是： 温差电池 模块 （4) 紧贴热屏内层 （2)。 3、 根据权利要求 1所述的硅单晶炉高效热屏， 其特征是： 所述的冷 端模块 （5) 是以液体或气体为冷却剂的盘管式或列管式换热装置。 4、 根据权利要求 3 所述的硅单晶炉高效热屏， 其特征是： 所述的冷 端模块 （5) 的冷却剂为水或氩气。 5、 根据权利要求 1所述的硅单晶炉高效热屏， 其特征是： 所述的温 差电池模块 （4) 和冷端模块 （5) 的圆锥角与热屏内层 （2) 的圆锥角相 同或偏差不超过 5度。 6、 根据权利要求 1所述的硅单晶炉高效热屏， 其特征是： 所述的温 差电池模块 （4) 和冷端模块 （5) 的高度占热屏总高的 20% 80%， 所述的 冷端模块 （5) 的厚度为 10 30 7、 根据权利要求 1所述的硅单晶炉高效热屏， 其特征是： 所述的冷 端模块 （5) 的下沿距离热屏下沿的距离为 2(T300mm |
本发明涉及光电转换材料制造设备技术领域， 特别是一种硅单晶炉高效热 屏。
背景技术
切克劳斯基法即 CZ直拉单晶法， 通过电阻加热， 将装在石英坩埚中的多晶 硅熔化， 并保持略高于硅熔点的温度， 在惰性气体的保护下， 经过引晶、 放肩、 转肩、 等径生长、 收尾、 取出晶体等步骤， 完成硅单晶体的生长。 因硅的熔点 较高 （1420°C )， 在直拉单晶过程中需要耗费大量的电能。 因此， 从降低能耗和 组织单晶炉内气体流场的考虑， 现在， 单晶热场基本引入了热屏装置。 相比较 开放式热场， 能耗得以大大降低， 且热场部件的寿命也得以提高。 同时， 由于 热屏装置的引入， 增加了晶体纵向温度梯度， 一定程度上增加了拉晶速度， 提 高了产能， 缩短了周期。
但是， 传统的热屏装置一般为内、 外层复合装置， 外层使用石墨或碳 /碳复 合材料， 内层使用隔热保温材料。 因为热场空间和保温材料性能的限制， 即使 目前最优的热屏设计， 对于 22in热场， 拉直 8in单晶时， 其平均拉速一般在 0. 6〜0. 9mm/min。
d T , 3 Τ ,
V λ λ
P Δ H d η d η
上式为晶体生长速度的理论值， 从上式可以看出， 晶体的纵向温度梯度^ 越大，则长晶速度¾ ^越大。 由于热屏所能够提供的最大纵向温度梯度的限 制， 拉速上升的空间已非常有限。
在现有技术中公开号为 CN101575731A和 CN1782141A都提供了一种增加纵 向温度梯度的水套装置， 但是这中方案过多的占用了炉腔内空间， 影响炉腔内 气流的分布，对单晶棒外形的检测也构成不利 影响。美国专利 US20020134302A1 公开了一种通过在热屏内增加冷却器的方式， 来降低热屏内侧表面温度的方法。 但是， 这种方式， 使得晶棒表面的高温、 高品位热能白白浪费掉。 没有达到资 源再利用的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是： 对传统热屏进行改进， 以实现对晶棒表面 散发的高温热能的再利用和提高单晶生产的拉 晶速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种硅单晶炉高效热 屏， 包括热屏外层、 热屏内层， 在热屏外层和热屏内层之间的空间内填充 保温材料， 在热屏外层和热屏内层之间设置温差电池模块 和冷端模块，冷 端模块紧贴温差电池模块外层。
温差电池模块紧贴热屏内层。
冷端模块是以液体或气体为冷却剂的盘管式或 列管式换热装置。
冷端模块的冷却剂为水或氩气。
温差电池模块和冷端模块的圆锥角与热屏内层 的圆锥角相同或偏差 不超过 5度。
温差电池模块和冷端模块的高度占热屏总高的 20% 80%， 冷端模块的 厚度为 10 30
冷端模块的下沿距离热屏下沿的距离为 2(T300m m
本发明的有益效果是：热屏内层和冷端模块构 成了温差电池模块的高温、 低温两端， 因而可以输出电能。 同时， 由于冷端模块温度较低， 通过热传导降 低了热屏内层的表面温度， 强化了晶棒与热屏内层的辐射换热， 增加了晶棒内 的纵向温度梯度。 通过控制冷端模块的温度， 可以间接促进晶体的生长速度。 在不影响晶体质量的前提下， 可大大提高拉晶速度， 提高了生产效率， 降低了 成本。
通过对热场的分析表明， 靠近结晶界面部分的单晶硅棒的纵向温度梯度 ， 对拉晶速度的提高起主导作用。 距离结晶界面的距离越远， 对拉晶速度的提升 作用越不明显。 相对现有技术， 本发明是针对影响拉晶速度的关键部分， 提供 的一种即能实现废热利用又可以增加晶棒纵向 温度梯度、 提高拉晶速度的解决 方案。 不额外占用炉腔空间， 不影响炉腔内气体的流动方式， 不影响对单晶棒 的外观检测和直径控制信号的捕捉。
附图说明- 图 1 本发明的结构示意图
图 2 本发明引起晶棒中纵向温度梯度的变化
图中： 1、 热屏外层； 2、 热屏内层； 3、 保温材料； 4、 温差电池模块； 5、 冷端模块； 6、 热屏支撑板； 7、 冷却剂管道； 8、 温差电池电缆。
具体实施方式
如图 1所示， 本发明的一种硅单晶炉高效热屏， 包括热屏外层 1、 热屏内层 2、 保温材料 3、 温差电池模块 4、 冷端模块 5、 冷却剂管道 7、 温差电池电缆 8。 紧贴热屏内层 2设置温差电池模块 4， 温差电池模块 4后设置冷端模块 5， 冷端模块 5与热屏外层 1之间的空间内填充保温材料 3。在拉单晶过程中， 热屏内层 2的表面温度通常在 500 °C以上， 作为温差电池模块 4的热端， 冷端模块 5作为温差电池模块 4的冷端， 高温区向低温区热传导， 通过温 差电池模块 4将部分热量转换为电能， 达到余热再利用的目的。 同时， 在 冷端模块 5的作用下， 热屏内层 2的表面温度也得以降低， 从而有助于增 强晶体内部的纵向温度梯度， 提高晶体的生长速度。 热屏内层 2、 热屏外层 1的 材料可以是等静压石墨、 碳 /碳复合材料或金属钼中任意一种。 冷端模块 5 是 以液体或气体为冷却剂的盘管式或列管式换热 装置， 其横截面为圆锥台形。 冷端模块 5内部设有冷却剂通道。 以维持温差电池模块 4冷端需要的温度。 冷 端模块 5的厚度为 10〜30匪。 温差电池模块 4、 冷端模块 5与热屏内层 2的圆锥 角相同， 高度为热屏总高度的 20%〜80%。
实际运行时将本发明放在热屏支撑板 6上， 组成封闭式热场。 通过检测冷 却剂出口温度和设定的拉速来调节冷却剂的流 量。 间接控制热屏内层 2 外表面 的温度， 从而控制晶体的纵向温度梯度， 使之与设定的拉速值相匹配。
下面是对采用传统热屏与本发明的热屏的两种 单晶热场进行的仿真分析的 比较：
比较一： 晶体中纵向温度梯度的比较。
在一种单晶炉中应用本发明， 经过模型分析， 当冷端模块的壁面温度为 60 °C时， 从结晶界面到晶体 500匪高度， 晶体内纵向温度比较如图 2所示。 从图 上可以看出， 应用本发明后， 晶体内纵向温度梯度由原来的 3500K/m 上升到 6000K/m， 上升了近一倍。 若提高冷却剂流量， 降低冷端模块的壁面温度， 则晶 体内的纵向温度梯度将更低， 拉晶速度将更高。
比较二： 晶体生长界面与结晶界面 V/G比
直拉硅晶体内的缺陷基本上是在晶体生长和冷 却期间形成的， 与结晶界面 的生长速度和温度梯度相关， 通常认为结晶界面的 V/G越接近于临界值生长出 的晶体质量越好， 一般认为临界值的大小为 0. 00134cnT2/min. k。 对于 22in热 场， 拉制 8in单晶时， 采用本发明的单晶热场， 其结果是， 等径阶段的平均拉 速为 1. 65mm/min, 结晶界面的 V/G比为 0. 0015〜0. 00295。 而应用普通热屏时， 晶体等径生长阶段的平均拉速为 0. 75mm/min, 结晶界面的 V/G比的值的变化范 围是 0. 002〜0. 003。 可见， 应用本发明后， 在拉晶速度比原来提高了 120%以后， 其结晶界面的 V/G值没有增大反而有所减小。 即应用本发明大幅度提高拉晶速 度后， 对晶体的质量没有产生负面暴 4 1向。
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