CN101311341B

CN101311341B - 一种用于多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统

Info

Publication number: CN101311341B
Application number: CN2008100308290A
Authority: CN
Inventors: 肖益波; 王滋渊; 陈国红; 童晖
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute; CETC 18 Research Institute
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: CN101311341A

Abstract

本发明公开了一种用于多晶硅铸锭工艺真空压力连续控制方法，在炉温加热到阶段采用真空模式，进入熔化、生长、退火、冷却阶段，采用气体调压模式，在气体调压模式下，采用进气调节和排气调节两种模式来调节炉压。同时，还公开了一种实现上述控制方法的控制系统。本发明能用于多晶硅铸锭生产，稳定地控制真空炉压，保证进气、排气同时稳定，节省输入气体耗量，简单实用、且控制效果理想。

Description

一种用于多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种工业炉真空压力和气体流量的连续控制，进一步是指一种多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统。

背景技术

目前，制备太阳能电池用硅锭的生产工艺主要包括单晶硅拉制和多晶硅铸锭。多晶硅铸锭技术由于能直接熔铸出适于规模化生产的大尺寸方形硅锭、制造过程相对简单、生产成本大为降低，从而成为太阳能电池用硅锭制备的主流方法。

制备太阳能电池用硅锭工艺过程包括：硅料加热、硅料熔化、晶体生长、硅锭退火、硅锭冷却五个过程。全过程时间长约50小时。

1)由于硅料在加热到1175℃以前，炉膛材料会放气及炉内真空油脂、加热器及隔热层吸收的水份等杂质挥发，需快速除气，控制炉压小于0.01mbar(约6小时)；

2)温度从1175℃加热到1200期间，为了保护铸锭使用的模具-石英坩埚脱模层SIN涂层不会在低真空度下挥发、脱落，且加热用的石墨加热器必须在真空负压下及通于高纯惰性气体(Ar)保护，需精确快速控制真空压力达到600mbar(30分钟)；

3)当加热到达1200℃后，真空压力需在600mbar恒定，进入“硅料熔化”阶段(约10小时)，直到晶体生长(约18小时)、硅锭退火完成温度1280℃(约3小时)；

4)进入硅锭冷却阶段1280℃到400℃，仍需控制真空压力在600mbar恒定，防止硅锭降温开裂(约11小时)；

5)出炉调压到950mbar(20分钟)。

如果以上过程真空压力控制不稳定，产生振荡、波动较大，则进气、排气不稳定，会严重影响硅锭质量。由于时间长达50小时，还需节省工艺氩气进气耗量，减少生产运行成本。

当前常规的真空压力控制方法有如下三种：

1)真空区域排气阀ON/OFF方式；

2)蝶阀排气开度PID控制方式；

3)固定输入进气+排气开度PID连续控制方式。

上述第一种方式：简单，但真空压力只能区域控制，波动很大，不能连续调节真空压力。

上述第二种方式：能连续调节真空压力，但由于蝶阀是采用电机驱动，可靠性太差，故障太高，压力波动大，不适于长期运行。

上述第三种方式：应用非常广泛，能连续调节真空压力，但真空压力易产生超调，调节稳定时间长，进气流量难以控制且消耗量大，运行成本高。当压力设定值发生阶跃变化，如果采用常规的“排气调压”模式，如真空压力测量值与设定值比较偏低时，会关闭“排气调节阀”，即关闭真空“废气排气口”，炉内气体停留时间过长及炉内杂质会迅速与多晶硅发生反应，影响多晶硅性能。

同样在“硅料冷却”降温阶段，由于降温时间长达约11小时，采用“排气调节”，固定进气，既难保证废气排出稳定、畅通，还会耗费大量的工艺气体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，根据上述工艺要求提供一种用于多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统，能用于多晶硅铸锭生产，稳定控制真空炉压，保证进气、排气同时稳定，节省输入气体耗量。简单实用，且控制效果理想。

本发明的技术解决方案是，一种用于多晶硅铸锭工艺真空压力连续控制方法，在炉温≤1175℃时，对加热炉内抽真空，当炉温＞1175℃后直到冷却结束阶段，对加热炉进行气体调压，其中气体调压时，实时检测加热炉内真空压力，进行压力闭环调节；所述压力闭环调节是根据炉温范围选择进气调节和排气调节两种方式，进气调节时，恒定抽气量，调节进气流量；排气调节时，恒定进气流量，调节排气量。

进一步的，本发明还提供了一种实现上述控制方法的控制系统，包括控制部分、进气系统和排气系统；其中进气系统包括一条由气体质量流量控制器和进气阀组成的支路和一条由手动旁通进气调节阀和旁通进气电磁阀组成的支路，两路支路均接入加热炉的进气口；加热炉的出气口连接有排气系统，其包括一条由真空阀和真空抽气比例阀组成的小抽支路和一条由真空主抽阀组成的大抽管路，同时，所述真空主抽阀通过一罗茨泵与真空抽气比例阀一同接入机械泵，最后机械泵接入排气口；其中控制部分包括与加热炉连接的真空规压力传感器，分别与真空规压力传感器连接的进气调节控制器和排气调节控制器，进气调节控制器和排气调节控制器分别接入进气系统中的气体质量流量控制器和排气系统中的真空抽气比例阀。

以下对本发明做出进一步说明：

铸锭工艺全过程抽真空，设置机械泵与罗茨泵，组成一个前后级真空抽气系统，其罗茨泵为增压泵，在真空压力为10.0∽0.01mbar时，具有很强的抽速，配合机械泵，能快速抽至真空极限。

同时，上述排气系统还可包括一真空放气阀，通过罗茨泵接入机械泵。设置的真空放气阀为常通电磁阀，且与机械泵联动。当机械泵启动时，真空放气阀上电，与大气进气断开，当机械泵停止时，真空放气阀失电，大气进入机械泵中，使机械泵快速充气，防止真空泵油由于压差返流到真空主系统，污染真空管路。

首先开启机械泵，分别根据炉温选择真空或者气体调节两种不同模式。硅料加热阶段，在炉温≤1175℃时，启用真空模式，对加热炉内抽真空：关闭进气质量流量控制器、真空抽气比例阀和旁通进气电磁阀，首先启动机械泵，将真空抽至10mbar，当电容式真空规压力传感器B1≤10mbar时，再启动罗茨泵，继续抽至极限真空≤0.01mbar。

炉温升到1175℃后直到冷却结束阶段，进行气体调压，关闭罗茨泵和真空主抽阀，打开进气阀，设定真空压力，控制气体质量流量控制器流量和真空抽气比例阀开度，达到控制真空压力之目的。

在气体调压模式阶段，真空压力由电容式压力传感器输出0-10V对应0-1333mbar，送入进气调节控制器和排气调节控制器两路PID控制器。检测真空压力后，反馈调节炉压，设置压力控制模式为进气调节还是排气调节，在进气调节时，恒定抽气开度，调进气流量；在排气调节时，恒定进气流量，调排气阀开度，从而有效控制真空压力。

综上所述，本发明所述用于多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统能用于多晶硅铸锭生产，稳定地控制真空炉压，保证进气、排气同时稳定，节省输入气体耗量，简单实用、且控制效果理想。

附图说明

图1是实现本发明的工艺气体控制系统示意图；

图2是实现本发明中真空抽气系统示意图；

图3是本发明的控制原理框图；

在图中：

B1-电容式压力传感器 F1-加热炉

V1-气体质量流量控制器 V2-真空抽气比例阀

V3-进气阀 V4-真空排气阀

V5-旁通进气电磁阀 V6-真空主抽阀

V7-手动旁通进气调节阀 V8-真空放气阀

P1-机械泵 P2-罗茨泵

SP-压力设定值 PV-压力测量值

PID1：进气调节控制器 PID2：排气调节控制器

具体实施方式

参见图1至图3，本实施例具体描述如下：

进气流量控制采用气体质量流量控制器V1，输入标准的控制电压0.0-5.0V，对应气体控制流量0-满量程，连续线性控制方式。同时设置一路手动旁通进气调节阀V7和旁通进气电磁阀V5组成的气体输入旁通支路，用于加热炉F1内大流量手动进气的场合，不参与炉压连续控制。

真空排气控制采用真空抽气比例阀V2，输入标准的控制电流4.0-20.0mA，对应输出开度0.0-100.0％，连续线性控制方式。

真空压力检测采用电容式压力传感器B1，即真空规，其反馈电压0-10V，对应真空压力0-1333mbar，线性输入到进气调节控制器和排气调节控制器两路PID控制器，作为控制器的压力测量值PV，而压力设定值SV由温度范围确定。

再根据PID控制算法，得出两路PID控制器的输出值Out1和Out2分别控制气体质量流量控制器V1进气流量、真空抽气比例阀V2的排气开度。

其中PID控制算法为：根据压力设定值SV与压力测量值PV的偏差e_i，利用P.I.D(比例、积分、微分)增量控制算法Out[i]＝Out[i-1]+K_P*(e_i-e_i-1)+K_I*e_i+K_D*(e_i-2e_i-1-e_i-2)计算。

其中K_P-比例系数 K_I-积分系数 K_D-微分系数

e_i＝SV-PV_i e_i-1＝SV-PV_i-1 e_i-2＝SV-PV_i-2

硅料“加热”阶段，温度升到1175℃和该温度之前，均采用真空模式，强抽真空到达极限。开启机械泵P1，打开真空主抽阀V6和真空放气阀V8，关闭气体质量流量控制器V1、真空抽气比例阀V2、进气阀V3、真空排气阀V4、旁通进气电磁阀V5，由电容式压力传感器B1检测炉压，当加热炉F1内真空压力PV≤10mbar时，则启动罗茨泵P2。

硅料“加热”阶段，温度到达1175℃之后，直到“冷却”结束温度400℃，进入气体调压模式，开启进气阀V3，真空排气阀V4，机械泵P1，关闭罗茨阀P2，旁通进气电磁阀V5和真空主抽阀V6。在气体调压模式下，可选择进气调节或排气调节：

a)“熔化”阶段温度在1175℃-1200℃期间和硅锭“冷却”期间(温度1280℃-400℃)时，采用进气调节：即固定排气开度，调节进气开度的调压方式。具体操作为：根据设定的排气输出开度OUTLE(0.0-100.0％)，固定排气调节控制器PID2的输出值OUT2＝OUTLE，直接控制真空抽气比例阀V2的开度，调节进气调节控制器PID1控制真空压力，由进气调节控制器PID1输出标准信号0-5.0V到气体质量流量控制器V1，对应0-100.0％FS(FS为量程满刻度)调节进气流量。其中“熔化”阶段温度在1175℃-1200℃期间：使压力设定缓慢上升到600mbar；硅锭“冷却”期间(温度1280℃-400℃)使压力设定稳定在600mbar。

b)“熔化”阶段温度大于1200℃和整个“长晶”及“退火”阶段，控制真空压力600mbar，采用排气调节：即固定进气开度，调节排气开度。根据设定的进气输入开度INTLE(0.0-100.0％)，固定进气调节控制器PID1的输出值OUT1＝INTLE，固定气体质量流量控制器V1的开度，选择排气调节控制器PID2，调节真空压力，排气调节控制器PID2输出标准信号4.0-20.0mA到真空抽气比例阀V2，对应0-100.0％FS(FS为量程满刻度)，调节排气开度。

c)在“冷却”阶段，当温度降到400℃以后，设定压力950mbar，进气调节模式，设定气体质量流量控制器V1开度为100.0％，抽气比例阀开度为0.0％，使压力在20分钟内快速到达950mbar。

d)当压力到达950mbar以后，关闭气体质量流量控制器V1和真空抽气比例阀V2，整个工艺过程结束。

Claims

1.一种用于多晶硅铸锭工艺真空压力连续控制方法，其特征在于，在加热升温阶段，当炉温≤1175℃时，对加热炉内抽真空；当炉温升到＞1175℃后直到冷却结束阶段，对加热炉进行气体调压，实时检测加热炉内气体压力，进行压力闭环调节；所述压力闭环调节是根据炉温范围选择进气调节和排气调节两种方式，进气调节时，恒定抽气量，调节进气流量；排气调节时，恒定进气流量，调节排气量。

2.一种实现权利要求1所述控制方法的控制系统，包括控制部分、进气系统和排气系统，其特征在于，所述进气系统包括一条由气体质量流量控制器和进气阀组成的支路和一条由手动旁通进气调节阀和旁通进气电磁阀组成的支路，两路支路均接入加热炉的进气口；加热炉的出气口连接有排气系统，其包括一条由真空阀和真空抽气比例阀组成的小抽支路和一条由真空主抽阀组成的大抽管路，同时，所述真空主抽阀通过一罗茨泵与真空抽气比例阀一同接入机械泵，最后机械泵接入排气口；其中控制部分包括与加热炉连接的真空规压力传感器，分别与真空规压力传感器连接的进气调节控制器和排气调节控制器，进气调节控制器和排气调节控制器分别接入进气系统中的气体质量流量控制器和排气系统中的真空抽气比例阀。

3.根据权利要求2所述控制系统，其特征在于，所述排气系统还包括一真空放气阀，通过罗茨泵接入机械泵。