CN101319366A - 多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种多晶硅铸锭炉自动控制系统，包括：中央处理单元，与中央处理单元连接的PLC可编程控制器，所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分，所述的PLC可编程控制器连接人机界面装置、开关量真空泵组和电磁阀。一种多晶硅铸锭炉自动控制方法，其步骤为：第一步，自动抽真空和检漏，第二步，当检漏通过以后，进入配方运行阶段，中央处理器通过与多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分的数据通讯，处理当前运行状况，并与工艺要求进行对比，以输出控制信号来达到完成工艺要求的目的。本发明的优点是控制功能强大，使用操作方便，能够有效提高多晶硅铸锭的加工质量。

Description

多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法

技术领域

本发明属于多晶硅铸锭生产技术领域，特别涉及一种多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法。

背景技术

硅是自然界常见的一种化学元素，纯净的硅熔点为1414℃，用于太阳能级多晶硅纯度一般在99.99％以上。多晶硅铸锭炉是一种专业的硅重熔设备，用于生产大量合格的太阳能用多晶硅铸锭。生产中，将达到一定纯度要求的多晶硅装入炉中，按工艺要求加热熔化、定向长晶、热处理、冷却出炉。现有技术中对多晶硅铸锭炉的生产工艺流程无法实现自动化的准确监控，从而不能生产出高质量符合要求的多晶硅铸锭。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法，其控制功能强大，使用操作方便，能够有效提高多晶硅铸锭的加工质量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种多晶硅铸锭炉自动控制系统，包括：中央处理单元，与中央处理单元连接的PLC可编程控制器，所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分，所述的PLC可编程控制器连接人机界面装置、开关量真空泵组和电磁阀。

所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉加热部分的温控仪。

所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉加热部分的隔热层。

所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉气路部分的水流量计、高温计、质量流量计和压力传感器。

一种多晶硅铸锭炉自动控制方法，包括如下步骤：

第一步，自动抽真空和检漏，中央处理器通过与压力传感器通讯来检测多晶硅铸锭炉的腔室压力大小，并结合工艺要求，通过PLC可编程器控制各路开关量真空泵组和各路电磁阀的启停动作，当腔室压力达到工艺要求时开始检漏；

第二步，当检漏通过以后，进入配方运行阶段，中央处理器通过与多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分的数据通讯，处理当前运行状况，并与工艺要求进行对比，以输出控制信号来达到完成工艺要求的目的。

所述第一步的自动抽真空包括：打开机械泵、小口径抽气阀，进行抽气，对炉内进行降压；当压力降到200mbar以下，打开插板阀，关闭小口径抽气阀，进行大口径抽气，继续降压；炉内压力降至25mbar后，打开罗茨泵，继续降压，使其压力降至0.005mbar。

所述第一步的检漏包括：关闭插板阀，保持5分钟，以确认检漏通过；关闭检漏阀，打开充大气阀，保持5分钟，以确认检漏通过。

所述第二步的配方运行分为以下阶段：

加热控制阶段，中央处理单元通过PLC可编程控制器控制实现隔热层的位置归零，进气阀门处于关闭状态，以在真空模式下根据工艺要求控制温控仪输出设定的功率对炉体进行加热，达到设定的温度值1175℃时，进入熔化阶段；

熔化控制阶段，首先保持设定的温度值，使硅料充分拍出油脂和气体，其后，中央处理单元控制PLC可编程控制器的开关量信号打开小口径氩气进气阀门，以进入气体模式，并且通过调节进气或者出气的大小来保持达到腔室内的压力大小为600mbar，控制温控仪提高加热功率达到熔化温度值1540℃，在熔化结束后，降低加热功率以至温度值1440℃；

长晶控制阶段，中央处理单元根据工艺要求，用温控仪对温度进行精确控制，用质量控制仪对晶体生长的流量进行精确控制，同时通过PLC可编程控制器对隔热层进行位置控制，使硅体上下形成一个稳定的温度梯度，从而使晶体垂直生长，在此阶段炉内压通过压力传感器来保持压力恒定，保证长晶处于一个稳定的压力环境来达到工艺要求；

退火控制阶段，中央处理单元通过PLC可编程控制器控制关闭隔热层，使硅锭上下温度保持均匀并根据工艺要求通过温控仪降低加热功率使硅体处于一个临界温度，并且保持该温度一段时间，以消除硅体内部应力；

冷却控制阶段，中央处理单元根据工艺要求，使功率慢慢降至为零，以最大限度的消除硅锭应力，当温度降至1000℃以下，通过PLC可编程控制器控制隔热层打开，同时增加炉内压力加速冷却，缩短整个工艺过程时间。

本发明的多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法具有以下有益效果：

1.控制功能强大，能够实现多晶硅铸锭炉的腔室升降运动及速度控制，隔热层的升降运动及位置与速度控制，真空泵组启、停及气路系统的各路电磁阀的开关控制，炉内温度控制，加热功率控制，炉内保压控制，控制比例阀打开角度的模拟输出信号，以及各种故障报警和工艺参数偏差报警的功能。

2.使用操作方便，通过与人机界面装置，可建立各种操作控制界面，如：报警屏幕、浏览屏幕、模式屏幕、配方屏幕、手动屏幕、曲线屏幕等等，从而使得多晶硅的生产工艺流程达到便于自动控制的目的，从而为多晶硅铸锭炉的生产工艺流程提供了可靠的保证。

附图说明

图1为本发明多晶硅铸锭炉自动控制系统的结构原理图；

图2为本发明多晶硅铸锭炉自动控制方法的流程图。

具体实施方式

图1所示的多晶硅铸锭炉自动控制系统，包括：中央处理单元，与中央处理单元连接的PLC可编程控制器，所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分，所述的PLC可编程控制器连接人机界面装置、开关量真空泵组和电磁阀。所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉加热部分的温控仪。所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉加热部分的隔热层。所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉气路部分的水流量计、高温计、质量流量计和压力传感器。

如图2所示，对多晶硅铸锭炉的加热单元的功率/温度控制，功率控制模式时由中央处理单元根据工艺要求控制温控仪输出设定的功率，温度控制模式时由中央处理单元将温度曲线传送给温控仪以调节功率达到设定的温度值。

对多晶硅铸锭炉的腔室压力状态的真空/气体控制，真空控制模式时由中央处理单元控制PLC可编程控制器的开关量信号实现进气阀门关闭，气体控制模式时由中央处理单元控制PLC可编程控制器的开关量信号实现小口径氩气进气阀门打开。

对多晶硅铸锭炉的腔室压力大小的进气/出气控制，进气控制模式时由中央处理单元通过调节质量流量计控制氩气的进气量来保证腔室压力，出气控制模式时由中央处理单元通过调节比例阀来调节炉子的排气量从而保证腔室压力。

对多晶硅铸锭炉的隔热层的位置控制，中央处理单元通过计算设定相应的速度，通过PLC可编程控制器实现隔热层的位置控制。

对多晶硅铸锭炉的水流量控制，中央处理单元根据水流量计检测的水冷管信息，读取八路水冷的水流量大小，当水流量小于设定的临界值时，中央处理单元会发出相应的报警。

本发明的多晶硅铸锭炉自动控制方法分为以下步骤：

第一步，自动抽真空和检漏，中央处理器通过与压力传感器通讯来检测多晶硅铸锭炉的腔室压力大小，并结合工艺要求，通过PLC可编程器控制各路开关量真空泵组和各路电磁阀的启停动作，当腔室压力达到工艺要求时开始检漏。

硅料进入炉腔内，关闭炉体，打开抽真空与检漏界面进行抽真空，分为三步：1、机械泵，小口径抽气阀打开，进行抽气，对炉内进行降压，此步骤主要进行微抽；2、当压力降到200mbar以下，打开插板阀，关闭小口径抽气阀，进行大口径抽气，继续降压；3、炉内压力降至25mbar后，打开罗茨泵，继续降压，使其压力降至0.005mbar。

检漏，当腔室压力达到工艺要求时开始检漏，分为两步：1、检测炉腔是否漏气，此时关闭插板阀，保持5分钟，看腔室内是否漏气；2、检查TC管是否漏气，此时关闭检漏阀，打开充大气阀，保持5分钟，看腔室内是否漏气。

第二步，当检漏通过以后，进入配方运行阶段，中央处理器通过与多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分的数据通讯，处理当前运行状况，并与工艺要求进行对比，以输出控制信号来达到完成工艺要求的目的。多晶硅铸锭炉的配方运行主要涉及到运行时间、运行模式、运行步骤、各个环路控制(加热模式，压力模式，气体模式，及隔热层位置)等几个方面，这几个方面都对应有相应的参数。

加热控制阶段，加热是在真空模式下进行，利用石墨加热器给炉体加热，首先使石墨部件(包括加热器，坩埚护板，定向长晶块等)、隔热层、硅原料等表而吸附的湿气蒸发，然后缓慢加温，使石英坩埚的温度达到1200℃左右。该过程需要4小时左右。由于温度低于1000℃时，温度控制就不可能稳定地控制温度，所以不能用来控制炉子的温度，必须在功率控制模式下进行加热，当温度达到1175℃时，由热电偶测量此转换温度，此时，控制模式由功率控制转换到温度控制模式，程序将结束加热。温度信号由热电偶检测后传送给温控仪，当为功率控制时，由中央处理单元根据工艺要求控制温控仪输出设定的功率。

熔化控制阶段，首先，硅料在熔化循环的第一阶段以烘干水分，保持恒定温度1175℃长达1.5个小时，使硅料温度与石墨块温度相同且充分排出水分，和油脂。该阶段仍处于真空模式。从熔化第二阶段开始，由真空模式转换为气体模式，进气阀打开，通入氩气作为保护气，将压力基本维持在600mbar，通入氩气过程分为几步，防止激活压力报警，在此期间，功率逐渐增加，温度按一定斜率发生微变，这样可以尽可能的缩短整个循环时间。熔化温度按一定的斜率上升到最高熔化温度1540℃，且在规定时间内保持这个值，使硅料完全熔化。当熔化结束时，所有的硅料都达到熔点1420℃，但因为是边缘加热，所以四周比中间温度高，由此产生对流使熔体出现扰动。当熔化快结束时，程序会提醒操作工，此时，操作工应通过高温计口观察硅料是否已经完全熔化，确定是否进入下步。硅原料熔化结束后，降低加热功率，使温度由最高点降至1440℃左右，且保持该温度1小时，为长晶作准备。转成温度控制时，温度坏路接收并调节输出信号，从而改变设定功率，控制与设定温度相互匹配。通过调节进气或者出气的大小来保持达到腔室内的压力大小。

长晶控制阶段，在前面阶段，隔热层按照设定的速率慢慢打开，坩埚的热量和炉壁在坩埚底部进行热交换，热量由焊接于炉壁内部的冷却水管带走，这样从熔体底部到顶部形成一个温度梯度，熔体底部温度低于顶部温度，晶体硅首先在底部形成，并呈柱状像上生长，所以，长晶是由下向上长的，长晶率每小时约1-2cm左右，生长过程同液界面始终与水平面基本保持平行，直至长晶完成，整个长晶过程大约20多个小时。长晶结束后，系统会提醒操作工确认。

退火控制阶段，晶体长晶完成后，由于晶体底部和上部存在较大的温度梯度，因此，晶锭中可能存在热应力，在硅片加工和电池制备过程中容易造成硅片碎裂，所以，晶体生长完成后，需要在一个临界温度下消除应力，退火第一阶段，隔热层关闭，为了使硅锭上下温度保持均匀，温度下降至1370℃，并保持该温度1小时，退火第三阶段转为功率控制模式.炉子转换到功率控制模式后，功率按一定曲线减小到退火第三阶段里的最后功率值，这样，硅锭顶部和底部温度就会更均匀。

冷却控制阶段，冷却的第一阶段，在气体模式下，功率慢慢降至0，温度平缓的降到1000℃左右，此阶段隔热层为关闭，为了防止硅锭底部比顶部冷却的快。从第二阶段开始，隔热层慢慢打开，增加冷却速度，同时炉内压力也增加至700mbar，整个冷却过程大约9小时。当冷却结束后，配方运行完毕，此时可以向腔室充气达到压力平衡，就可以打开下腔室出炉了。中央处理单元与水流量计通讯，读到8路水冷的水流量大小，当水流量小于设定的临界值时，中央处理单元会发出相应的报警，提示给操作工。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种多晶硅铸锭炉自动控制系统，其特征在于包括：中央处理单元，与中央处理单元连接的PLC可编程控制器，所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分，所述的PLC可编程控制器连接人机界面装置、开关量真空泵组和电磁阀。

2、如权利要求1所述的多晶硅铸锭炉自动控制系统，其特征在于：所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉加热部分的温控仪。

3、如权利要求2所述的多晶硅铸锭炉自动控制系统，其特征在于：所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉加热部分的隔热层。

4、如权利要求3所述的多晶硅铸锭炉自动控制系统，其特征在于：所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉气路部分的水流量计、高温计、质量流量计和压力传感器。

5、一种多晶硅铸锭炉自动控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，自动抽真空和检漏，中央处理器通过与压力传感器通讯来检测多晶硅铸锭炉的腔室压力大小，并结合工艺要求，通过PLC可编程器控制各路开关量真空泵组和各路电磁阀的启停动作，当腔室压力达到工艺要求时开始检漏；

第二步，当检漏通过以后，进入配方运行阶段，中央处理器通过与多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分的数据通讯，处理当前运行状况，并与工艺要求进行对比，以输出控制信号来达到完成工艺要求的目的。

6、如权利要求5所述的多晶硅铸锭炉自动控制方法，其特征在于：所述第一步的自动抽真空包括：

打开机械泵、小口径抽气阀，进行抽气，对炉内进行降压；

当压力降到200mbar以下，打开插板阀，关闭小口径抽气阀，进行大口径抽气，继续降压；

炉内压力降至25mbar后，打开罗茨泵，继续降压，使其压力降至0.005mbar。

7、如权利要求5所述的多晶硅铸锭炉自动控制方法，其特征在于：所述第一步的检漏包括：

关闭插板阀，保持5分钟，以确认检漏通过；

关闭检漏阀，打开充大气阀，保持5分钟，以确认检漏通过。

8、如权利要求5所述的多晶硅铸锭炉自动控制方法，其特征在于所述第二步的配方运行分为以下阶段：

加热控制阶段，中央处理单元通过PLC可编程控制器控制实现隔热层的位置归零，进气阀门处于关闭状态，以在真空模式下根据工艺要求控制温控仪输出设定的功率对炉体进行加热，达到设定的温度值1175℃时，进入熔化阶段；

熔化控制阶段，首先保持设定的温度值，使硅料充分拍出油脂和气体，其后，中央处理单元控制PLC可编程控制器的开关量信号打开小口径氩气进气阀门，以进入气体模式，并且通过调节进气或者出气的大小来保持达到腔室内的压力大小为600mbar，控制温控仪提高加热功率达到熔化温度值1540℃，在熔化结束后，降低加热功率以至温度值1440℃；

长晶控制阶段，中央处理单元根据工艺要求，用温控仪对温度进行精确控制，用质量控制仪对晶体生长的流量进行精确控制，同时通过PLC可编程控制器对隔热层进行位置控制，使硅体上下形成一个稳定的温度梯度，从而使晶体垂直生长，在此阶段炉内压通过压力传感器来保持压力恒定，保证长晶处于一个稳定的压力环境来达到工艺要求；

退火控制阶段，中央处理单元通过PLC可编程控制器控制关闭隔热层，使硅锭上下温度保持均匀并根据工艺要求通过温控仪降低加热功率使硅体处于一个临界温度，并且保持该温度一段时间，以消除硅体内部应力；

冷却控制阶段，中央处理单元根据工艺要求，使功率慢慢降至为零，以最大限度的消除硅锭应力，当温度降至1000℃以下，通过PLC可编程控制器控制隔热层打开，同时增加炉内压力加速冷却，缩短整个工艺过程时间。

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