铸锭单晶硅或多晶硅中可重复利用的石墨坩埚及使用方法与流程

本发明涉及石墨坩埚，具体是一种铸锭单晶硅或多晶硅中可重复利用的石墨坩埚及使用方法。

背景技术：

光伏平价上网时代即将来临，经济性驱动全球光伏装机持续增长。受益于光伏产业链各环节成本的持续下降，世界各国的光伏发电成本与火电度电成本价差持续收窄；国内光伏发电政策逐渐成熟稳定趋向市场导向，这使得2020年国内装机稳中有进的态势越发明显。预计2020-2022年全球新增光伏装机分别为120.22gw、140gw、160gw。在光伏产业链中，直拉单晶硅和铸锭多晶硅硅锭是两个极为重要的环节。铸锭硅锭分为铸锭多晶硅和铸锭单晶硅(类单晶或准单晶)，铸锭多晶硅是将硅料装入涂层后的石英坩埚内，通过铸锭过程的加热、熔化、定向凝固结晶、退火、降温和出炉等工艺流程获得多晶硅铸锭产品。铸锭单晶是在常规的多晶硅铸锭工艺基础上，在坩埚的硅料底部铺入一层30～50mm单晶籽晶(理想需要(100)晶向)，通过定向凝固类似结晶后形成方形单晶硅锭的工艺。该工艺需要保证多晶硅铸锭料熔化的同时，还要确保铺在石英坩埚底部的籽晶大部不能熔化以确保单晶的晶向定向逐步生长。

目前铸硅锭过程都是采用石英坩正四方形埚装硅料后在铸锭炉内进行升温加热熔化和降温结晶来完成，石英坩埚主要化学成分为二氧化硅(sio2)，由sio2粉末经压铸烧结而成。当铸锭晶体硅锭出炉后，石英坩埚均已发生晶体结构改变，并出现明显的裂纹或碎裂，石英坩埚本身不可能再重复使用。工艺上把石英坩埚残片完全去除后，将硅锭移出石英坩埚，完成整个铸锭硅锭流程。由于石英坩埚在炉内高温下易发生析晶，炉内温度达到300℃以下才能出炉；出炉后石英坩埚遇到空气急剧降温，自发性完全破裂，不能重复使用，造成铸锭硅锭成本增加和资源浪费。

采用石英坩埚铸锭硅锭还具有以下隐患：a)石英坩埚隐形裂纹：石英坩埚因制作类型分成有注浆成型和注凝成型两种，但都会存在隐裂和气孔等缺陷，造成硅料渗漏溢出现象；b)硅锭氧化：硅锭内氧元素含量偏高，主要氧污染来源于石英坩埚；c)硅锭裂纹：严重影响硅锭收率。石英的热膨胀系数与晶体硅的热膨胀系数差距巨大，主要是石英坩埚和硅锭之间发生剧烈的热胀冷缩拉扯“粘锅”造成；d)底部平整：铸锭单晶硅时需要在石英坩埚底部铺满籽晶，对石英坩埚底部平整度的要求很高，否则晶体硅的晶向不能保证，影响铸锭单晶生长。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种铸锭单晶硅或多晶硅中可重复利用的石墨坩埚及使用方法，本发明石墨坩埚经表面涂层处理后，可直接装铸锭用高纯度硅料进行铸锭多晶硅或铸锭单晶硅，代替目前传统使用的石英坩埚，提高热效率，降低光伏硅中的氧含量，节约材料资源，缩短工艺流程，同时也大大地降低了光伏产业链中的铸硅锭成本。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种铸锭单晶硅或多晶硅中可重复利用的石墨坩埚，包括：

底板，所述底板包括一上侧面；

两个第一竖板，两个所述第一竖板设于所述上侧面的两个相对侧边上；

两个第二竖板，两个所述第二竖板设于所述上侧面的另外两个相对侧边上；

若干个冷却构件，设于所述第一竖板与所述底板之间的直角外部、设于所述第二竖板与所述底板之间的直角外部、设于所述第一竖板与所述第二竖板之间的直角外部。

进一步地，所述底板的所述上侧面四周开设有下沉式四周槽。

进一步地，所述四周槽包括两个第一直槽，两个所述第一直槽设于所述上侧面的两个相对侧边上，两个所述第一竖板设于两个所述第一直槽内；所述四周槽还包括两个第二直槽，两个所述第二直槽设于所述上侧面的另外两个相对侧边上，且与两个所述第一直槽相互连通设置，两个所述第二竖板设于设于两个所述第二直槽内。

进一步地，所述第一直槽与所述第二直槽的连接处位于所述第二直槽的两个端点之间且靠近其中一个端点，使得所述第一竖板位于两个所述第二竖板之间。

进一步地，所述底板的侧面开设有吊具孔。

进一步地，所述第二竖板内侧面的两端均开设有竖直方向的竖槽，所述竖槽的下端与所述第一直槽相对接，所述第一竖板伸进所述竖槽内。

进一步地，所述第一竖板的两个端面开有第一固定孔，所述第二竖板上开有第二固定孔，所述第一竖板通过所述第一固定孔、所述第二固定孔与固定件固定连接所述第二竖板。

进一步地，所述冷却构件包括4个竖向冷却板和4个横向冷却板；所述竖向冷却板的一竖侧面与所述第二竖板竖向端面接触，该侧面同时通过第一垫块与所述第一竖板接触；所述横向冷却板的一横侧面与所述底板横向端面接触或者与所述第二竖板横向端面接触，同时通过第二垫块与所述第二竖板接触。

进一步地，所述竖向冷却板和所述横向冷却板上均开有冷源进口和冷源出口。

一种铸锭单晶硅或多晶硅中可重复利用的石墨坩埚的使用方法，所述石墨坩埚采用上述任一项所述的石墨坩埚，所述方法包括，将两个所述第一竖板放置在第一直槽内，两个所述第二竖板放置在第二直槽内，利用固定件将相邻的所述第一竖板和所述第二竖板固定，将冷却构件分别固定在所述石墨坩埚的底部四周和四个竖向拐角处；对整个所述石墨坩埚进行氮化硅涂层处理；装入铸锭多晶硅的硅料，或者，在所述石墨坩埚底部铺满籽晶，然后在籽晶上面装入铸锭单晶硅的硅料；放入铸锭炉内；向冷却构件内充入惰性气体或者液体冷源；铸锭工艺完成后开炉，将各个零部件拆开，将多晶硅锭或者单晶硅锭取出。

综上所述，本发明取得了以下技术效果：

1、本发明石墨坩埚表面处理后直接装入硅料进行铸锭单晶硅或多晶硅，不需要像石英坩埚底部和四周再加石墨护板；

2、本发明石墨坩埚是拼接而成，出炉后不会发生裂纹，可重复使用；

3、本发明石墨坩埚竖向直角和横向直角有专门冷却件保护，不会发生硅液渗漏溢出现象；

4、本发明铸锭单晶过程中石墨坩埚高温下底部不变形，底部籽晶晶向可靠保证；

5、本发明石墨坩埚四周和底部之间夹角是90°，铸锭单晶装料时单晶籽晶直接镶嵌底部而且可铺满底部，单晶晶向生长更有利，而石英坩埚却无法实现底部铺满籽晶；

6、本发明石墨坩埚可根据铸锭炉需要，设计制作成其他形状和尺寸的坩埚，不像石英坩埚那样受固定的形状和尺寸限制；

7、本发明针对铸锭硅锭中的石英坩埚产生的问题，使用石墨坩埚代替石英坩埚，石墨坩埚采用高纯致密石墨材质制作加工而成；石墨坩埚不但避免铸锭炉铸锭硅锭中出现的问题，而且铸硅锭过程中使用的石墨坩埚可重复利用，省去石英坩埚，提高热效率，降低光伏硅中的氧含量，节约材料资源，缩短工艺流程，同时也大大地降低了光伏产业链中的铸硅锭成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的石墨坩埚立体示意图；

图2是底板示意图；

图3是第一竖板示意图；

图4是第二竖板示意图；

图5是图1中a部分示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例：

如图1所示，一种铸锭单晶硅或多晶硅中可重复利用的石墨坩埚，包括：

底板1，底板1包括一上侧面；

两个第一竖板4，两个第一竖板4设于上侧面的两个相对侧边上；

两个第二竖板6，两个第二竖板6设于上侧面的另外两个相对侧边上；

若干个冷却构件，设于第一竖板4与底板1之间的直角外部、设于第二竖板6与底板1之间的直角外部、设于第一竖板4与第二竖板6之间的直角外部。

还包括，与石墨坩埚配套的热场(未图示)、与石墨坩埚配套的更精密热场控制软件及对应的plc控制模块(未图示)等。

底板1采用石墨底板，石墨底板在石墨坩埚的底部，四个竖板在石墨坩埚的四周，石墨底板与石墨竖板之间的三个面交接处的直角利用固定件进行固定，石墨竖向板与石墨竖向板之间的直角也采用固定件进行固定。

石墨坩埚材质是高纯石墨。高纯石墨具有电阻系数小、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、抗热震性好、导电导热性优良、因热膨胀系数小而在室温到高温的很宽温度范围保持机械加工形状基本不变、易于精密机加工、可精密组装重复高质量使用、氧含量低、在2000℃以下石墨不易挥发等优点，是适合于铸锭炉用的最佳材料。

本实施例中，石墨底板厚度为15～100mm，底部形状可以是传统的正方形，也可以是适应未来光伏产业市场需要的其它形状，比如正六边形、矩形等，并且尺寸不受限制。只要从经济角度考虑底部的尺寸能接受的石墨坩埚拼件的尺寸即可。例如，考虑到现在石墨材质材料的经济性和现有通用石墨材的经济尺寸，拼装型石墨坩埚的底部和竖侧面的单个板材的尺度不大于2000mm。也就是说，如果采用传统的正方形铸锭，可以考虑一次性入料4.6吨，相当于目前g14多晶硅铸锭的一次性入炉用硅重量，而就目前的石英坩埚制作工艺而言，g8尺寸石英坩埚的制作已经接近经济工艺极限。

如图2所示，底板1的上侧面四周开设有下沉式四周槽2，四周槽2深度为5～80mm，宽度为10～60mm，内开槽的形状尺寸便于镶嵌石墨竖板稳定形状，并保证石墨坩埚的整体几何结构在长时间高温、低压氩气、与熔融硅汤长时间密切接触的环境下基本与硅不浸润，不变形。

具体的，四周槽2包括两个第一直槽201，两个第一直槽201设于上侧面的两个相对侧边上，两个第一竖板4设于两个第一直槽201内；四周槽2还包括两个第二直槽202，两个第二直槽202设于上侧面的另外两个相对侧边上，且与两个第一直槽201相互连通设置，两个第二竖板6设于设于两个第二直槽202内。第一直槽201与第二直槽202的连接处位于第二直槽202的两个端点之间且靠近其中一个端点，使得第一竖板4位于两个第二竖板6之间。

石墨底板相对面两侧面有内孔，内孔直径为5～50mm。此孔功能用于运输移动石墨坩埚的吊具，石墨底板另外相对面两侧面没有内孔。

另外，第一竖板4与第二竖板6的厚度均为10～60mm，长和宽分别小于石墨底板的长和宽10～60mm。其中，相向对面的2块石墨竖向板内表面两边竖直方向有竖槽7，竖槽7深度5～50mm，另外相向对面的2块石墨竖向板没有竖槽，即，如图4所示，第二竖板6内侧面的两端均开设有竖直方向的竖槽7，竖槽7的下端与第一直槽201相对接，第一竖板4伸进竖槽7内，如图5所示。

如图3和图4所示，第一竖板4的两个端面开有第一固定孔5，第二竖板6上开有第二固定孔8，第一竖板4通过第一固定孔5、第二固定孔8与固定件9(图1示)固定连接第二竖板6。第一固定孔5采用螺丝孔，直径为5～50mm，第二固定孔8直径为5～50mm。

固定件9为高纯石墨材质，或碳碳复合材料、碳纤维类复合材料、等静压石墨材质等。如图1所示，固定件9将第一竖板4与第二竖板6之间固定连接，2个第一竖板4与2个第二竖板6组合共同镶嵌在底板1的四周槽2内，四周利用冷却构件围挡，内部原料(液体)不会流出，同时，内部原料在高温下撑开四个竖板，也就使得竖板外撑四周槽，保证竖板与底板之间的紧密卡接不会分离。

第一竖板4与第二竖板6衔接于石墨底板上的四周槽2内，并由固定件9通过螺丝孔将相邻的竖板固定在一起，使4块竖板可以组装成为一个整体拼装石墨坩埚，竖向板与底板的之间的角度是90°，第一竖板4与第二竖板6之间的夹角也是90°。

进一步地，如图1所示，冷却构件包括4个竖向冷却板10和4个横向冷却板11；竖向冷却板10的一竖侧面与第二竖板6竖向端面接触，该侧面同时通过第一垫块14与第一竖板4接触；横向冷却板11的一横侧面与底板1横向端面接触或者与第二竖板6横向端面接触，同时通过第二垫块15与第二竖板6接触。

进一步地，竖向冷却板10和横向冷却板11上均开有冷源进口12和冷源出口13，冷源进口12和冷源出口13采用穿透孔形式，内径为5～50mm，功能是让液体或者惰性气体通过。在第一竖板4上，冷源液体为软化水或者低熔点、高沸点液体，冷源惰性气体为氩气，它们的主要作用是在硅熔化过程中或者完全熔化后，防止硅液从两个石墨竖向板的直角处泄漏溢出。在第二竖板6上，冷源是低熔点高沸点液体或惰性气体，冷源通过穿透孔；冷源液体为软化水或者耐高温液体，冷源惰性气体为氩气，它们的主要作用是在硅熔化过程中或者完全熔化后，防止硅液从石墨底板和石墨竖向板的直角处泄漏溢出。

在另一个实施例中，提供一种铸锭单晶硅或多晶硅中可重复利用的石墨坩埚的使用方法，石墨坩埚采用上述任一项的石墨坩埚，方法包括，1将两个第一竖板4放置在第一直槽201内，两个第二竖板6放置在第二直槽202内，利用固定件9将相邻的第一竖板4和第二竖板6固定，将冷却构件分别固定在石墨坩埚的底部四周和四个竖向拐角处；2对整个石墨坩埚进行氮化硅涂层处理；3装入铸锭多晶硅的硅料，或者，在石墨坩埚底部铺满籽晶，然后在籽晶上面装入铸锭单晶硅的硅料；(4)放入铸锭炉内；(5)向冷却构件内充入惰性气体或者液体冷源；(6)铸锭工艺完成后开炉，将各个零部件拆开，将多晶硅锭或者单晶硅锭取出。

具体的，在铸锭多晶硅时：石墨坩埚底板长、宽和厚度为1090*1090*50mm³，石墨竖向板厚度为40mm，石墨坩埚的内部尺寸为990*990*600mm³。通过直径为20mm的固定件将石墨底板、第一竖板4、第二竖板6、竖向冷却板10和横向冷却板11进行固定在一起，对整个石墨坩埚进行氮化硅涂层处理。涂层处理后在石墨坩埚内装料为950kg。竖向冷却板10和横向冷却板11中，冷源进口12和冷源出口13直径为30mm，充入惰性气体为氩气，氩气压力为0.4mpa，流量为120l/min。将带有硅料的石墨坩埚放入到g6铸锭炉中进行铸锭多晶硅。经过升温加热、熔化、定向凝固结晶、退火、降温和出炉等一系列工艺流程，硅锭的尺寸为990*990*410mm³。石墨坩埚各个部分完好无损，硅锭无粘锅和裂纹现象，在开方和切硅片流程中硅锭利用率为72％，高于石英坩埚铸锭利用率。

在铸锭单晶硅时：石墨坩埚底板长、宽和厚度为1420*1420*55mm³，石墨竖向板厚度为45mm，石墨坩埚的内部尺寸为1300*1300*650mm³。通过直径为25mm的固定件将石墨底板、第一竖板4、第二竖板6、竖向冷却板10和横向冷却板11进行固定在一起，对整个石墨坩埚进行氮化硅涂层处理。在石墨坩埚底部铺满籽晶，籽晶厚度为40mm，然后在籽晶上面装入硅料为1600kg。在竖向冷却板10和横向冷却板11中，冷源进口12和冷源出口13直径为35mm，充入惰性气体为氩气，氩气压力为0.5mpa，流量为150l/min。将带有硅料的石墨坩埚放入到改造的g7铸锭炉中进行铸锭单晶硅。经过升温加热、半熔化、定向凝固结晶、退火、降温和出炉等一系列工艺流程，硅锭的尺寸为1300*1300*450mm³。石墨坩埚各个部分完好无损，硅锭无粘锅和裂纹现象，在开方检测，形成单晶硅的成品率达到68％，高于石英坩埚铸锭单晶成品率。

本石墨坩埚与传统石英坩埚装料铸硅锭相比较：

1、硅锭出炉时无需像传统工艺一样必须首先打碎石英坩埚，才能取出硅锭；本工艺只需有序打开石墨固定件和石墨竖向板，即可取出硅锭；采用可循环使用的组装石墨坩埚，降低约14％综合铸锭成本；

2、石墨坩埚可依市场需要的硅片尺寸的大小而自由拼接，改变硅锭的尺寸，进而改变硅片的尺寸；本工艺特别对大面积硅片有利；

3、石墨热导系数显著大于石英(在1000℃高温段，约70倍)，石墨坩埚免去了石英坩埚底部和四周再使用石墨护板的情况，可明显提高热场控制精度、缩短加热时间进而缩短铸锭总时长；同时，石墨坩埚将显著提高电加热效率，与石英坩埚相比较，综合节电约12％；

4、铸锭单晶过程中，高温软化的石英坩埚底部不平整，不能保证单晶硅种晶的晶向稳定不变，种晶晶向的即便是微小的改变也将大幅影响铸造单晶的品质；本工艺的石墨坩埚底部平整不变形即便升温到1600℃也可以保证种晶不会移动倾斜，可以保证晶向的稳定不变；

5、石墨坩埚采用高纯致密石墨，避免了硅锭可能有隐形裂纹的现象；石墨坩埚内外都进行了涂层处理，避免了“粘锅”现象，保证了产品硅锭的质量并提高收率；

6、石墨坩埚可设计多套最佳种晶几何尺寸以及形状(比如未来可期的长方形、正六边形硅片的市场需求)，可以轻松地实现最小种晶间的对接接缝长度，提高产品质量及收率；

7、铸锭单晶的氧含量可降到与fz区熔单晶相同的数量级，降低其对电阻率影响，同时避免当氧沉淀过大时，导致硅片的翘曲，降低硅材料和器件的电学性能有破坏作用，增加载流子复合几率和降低衰减率；石墨坩埚在铸锭工艺中的使用将促进光伏发电用硅片的氧含量进入到与芯片同等级的品质阶段；

8、石英坩埚侧面和底部由于制作工艺原因，其之间有过渡圆弧(不是直角相接)，而石墨坩埚四周和底部之间夹角是90°，可将单晶籽晶直接镶嵌底部而且可铺满底部，对单晶晶向理想生长更有利。

本发明整个部件和结构设计以自主、科学合理、经济独特的节能、安全、高效的制作方式。同时本设计可根据不同客户需求，自由地拼装生产市场需要的不同形状和尺寸的石墨坩埚以适应不同市场需要的硅片尺寸需要，产品市场惯性小。此技术在制作过程中具有加工简单、零部件少、高质量产出等优势，将为光伏行业降低成本贡献力量。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

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