CN102289235A - 基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多晶硅铸锭炉的生产控制，旨在提供一种基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统及方法。该系统中侧部加热器接于侧部电源，顶部加热器接于顶部电源，侧部电源和顶部电源通过导线连接至功率分配控制模块，另外设置中央控制模块、加热控制模块和长晶高度计算模块，以及炉室顶部的温控传感器、下水温流量传感器、侧水温流量传感器、侧加热器温度传感器、顶加热器温度传感器。本发明相对现有技术的优点是：晶体生长速度提高，缩短长晶时间；可以精确计算长晶速度及长晶高度，对长晶过程精确控制；加热器功率总功率降低，且由于其晶体生长时间缩短，能耗显著降低；使晶体生长界面更加平坦，晶粒垂直度更好且有利于其长大，晶体质量提高。

Description

基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统及方法

技术领域

本发明涉及多晶硅铸锭炉的生产控制，特别涉及一种基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统及方法，适用于制造大尺寸高品质的多晶硅锭。

背景技术

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，在太阳能的有效利用中，太阳能光电无疑是近年来最主要、最有活力的研究领域，并由此研制和开发了太阳能电池。太阳能电池主要以硅为原料，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，用于工业化生产合格的太阳能级多晶硅铸锭。多晶硅铸锭炉内核心环境为热场，热场内温度梯度的分布决定了多晶硅铸锭的品质。

铸造多晶硅内部存在大量的晶界，洁净的晶界呈非电活性，对少数载流子寿命并无影响或只有微小影响，而杂质的偏聚或沉淀会改变晶界的电活性，会显著降低少数载流子寿命，晶界越多，影响越大；但是研究表明，如果晶界垂直于器件表面，则晶界对材料电化学性能几乎没有影响，所以提高晶粒大小，改善长晶方向，是目前提高多晶硅铸锭品质的最优方法。

传统的多晶硅铸锭炉，一般是通过单一加热控制方法实现生产，即生产过程中加热功率调整由单一控制系统实现，加热效果变化单一。这样的技术方案导致的缺陷是：而传统的单电源多晶硅铸锭炉在长晶中后期，由于晶体增多，液体减少，散失热量效果减弱，同时晶体生长高度越来越接近加热器，尤其坩埚四壁处靠近四周的侧加热器，温度相对坩埚中心处较高，结晶速度较慢，因而长晶界面为“凸”字形。最终，中心处先长晶完成并透顶，必须随后再进行数小时的边角长晶工序方能使整个硅锭表面平整，导致整个生产时间延长、能耗大幅增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统及方法。通过该加热控制系统及方法，能够增大多晶硅晶粒，减少晶界，改善晶向，降低能耗，从而提高多晶硅铸锭品质。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统，包括：置于炉室内的隔热笼体，坩埚及热交换台置于支撑柱上，坩埚四周设侧部加热器和侧加热器温度传感器，顶部设顶部加热器和顶加热器温度传感器，炉室的水冷夹套设下水温流量传感器和侧水温流量传感器；所述侧部加热器接于侧部电源，顶部加热器接于顶部电源，侧部电源和顶部电源通过导线连接至功率分配控制模块，功率分配控制模块分别电连接至中央控制模块、加热控制模块和长晶高度计算模块，加热控制模块分别电连接至中央控制模块、长晶高度计算模块和设于炉室顶部的温控传感器，长晶高度计算模块分别电连接至下水温流量传感器、侧水温流量传感器、侧加热器温度传感器、顶加热器温度传感器和中央控制模块；隔热笼控制模块分别电连接至隔热笼提升系统和中央控制模块。

作为进一步的目的，本发明还提供了一种基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制方法，包括：

由加热控制模块给定总功率，功率分配模块根据长晶高度模块反馈的晶体高度，分别对顶部加热器和侧部加热器上的功率进行实时分配；其中，

在加热工序，加热控制模块运行于功率控制模式：通过对顶部电源和侧部电源的控制进而调整顶部加热器和侧部加热器的功率，在此阶段顶部加热器加载功率P_顶与侧部加热器加载功率P_侧相同，实现对硅料块进行加热；

当达到工艺设定温度后进入熔化工序，加热控制模块运行于温控工作模式，通过微分先行PID控制避免温度给定值升降时引起系统振荡；在该过程中，PID控制部分的微分先行增量式控制算法为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)-K_d[y(k)-2y(k-1)+y(k-2)]，

其中e(k)＝r(k)-y(k)，

式中，Δu(k)为PID控制器的输出值，K_p为比例系数，e(k)为温度偏差，K_i为积分时间常数，K_d为积分时间常数，y(k)为热场内温度测量值，r(k)为温度给定值；

通过对顶部电源和侧部电源的控制进而调整顶部加热器和侧部加热器的功率，在此阶段顶部加热器加载功率P_顶与侧部加热器加载功率P_侧相同，实现对硅料块进行熔化；

进入长晶阶段，加热控制模块仍然工作于温控工作模式，控制仍然采用微分先行的PID控制策略，根据长晶高度模块计算的晶体生长高度，功率分配控制模块对总功率进行分配，控制策略为：当长晶高度h＜80mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度80≤h＜160mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度160≤h＜200mm时，顶部加热器加载功率当长晶高度200≤h＝时，侧部加热器加载功率P_侧在一个小时内线性降到零；

在退火及冷却阶段，顶部加热器加载功率P_顶＝侧部加热器加载功率P_侧。

本发明中，晶体高度由长晶高度模块通过下述方式获得：

长晶高度

式中γ为修正系数，ρ_水为水的密度，Q_水为冷却水流量，C_硅为硅由液态到固态的比热容，A为水冷夹套内冷却水温度，P_t为总加载功率(包含顶部加热器功率及侧部加热器功率)，S为硅锭面积，ρ_硅为硅的密度，L_硅为硅的潜热，A_t为时间t水冷夹套内冷却水温度、A₀为初始水冷夹套内冷却水温度。

本发明具有的有益的效果是：

顶侧分开的控制方法相对于传统单电源控制方法的优势：

(1)晶体生长速度提高，缩短长晶时间；

(2)可以精确计算长晶速度及长晶高度，对长晶过程精确控制；

(3)加热器功率总功率降低，且由于其晶体生长时间缩短，能耗显著降低；

(4)使晶体生长界面更加平坦，晶粒垂直度更好且有利于其长大，晶体质量提高。

附图说明

图1本发明机械部分结构图；

图2本发明控制部分结构图；

图3长晶速度对比图；

图4单电源、双电源加热功率对比图。

图中的附图标记：1侧部电源，2顶部电源，3炉室，4氩气充气部件，5隔热笼体，6顶部加热器，7侧部加热器，8坩埚，9热交换台，10下水温流量传感器，11侧水温流量传感器，12侧加热器温度传感器，13顶加热器温度传感器，14抽真空部件，15隔热笼提升系统，16温控传感器，17氩气保护控制模块，18长晶高度计算模块，19隔热笼控制模块，20加热控制模块，21功率分配控制模块，22中央控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统，包括：置于炉室3内的隔热笼体5，坩埚8及热交换台9置于支撑柱上，坩埚8四周设侧部加热器7和侧加热器温度传感器12，顶部设顶部加热器6和顶加热器温度传感器13，炉室3的水冷夹套设下水温流量传感器10和侧水温流量传感器11；所述侧部加热器7接于侧部电源1，顶部加热器6接于顶部电源2，侧部电源1和顶部电源2通过导线连接至功率分配控制模块21，功率分配控制模块21分别电连接至中央控制模块22、加热控制模块20和长晶高度计算模块18，加热控制模块20分别电连接至中央控制模块22、长晶高度计算模块18和设于炉室顶部的温控传感器16，长晶高度计算模块18分别电连接至下水温流量传感器10、侧水温流量传感器11、侧加热器温度传感器12、顶加热器温度传感器13和中央控制模块22；隔热笼控制模块19分别电连接至隔热笼提升系统15和中央控制模块22。

本发明中所述的氩气保护控制模块、长晶高度计算模块、隔热笼控制模块、加热控制模块、功率分配控制模块、中央控制模块，均为控制工程领域常用的实现控制功能的模块，可有软硬件结合或分别使用软件或硬件的方式实现，本领域技术人员运用其掌握的基本技能可以自己熟悉的方式结合现场生产实际需要实现，因此本发明对此不再赘述。

多晶硅铸锭炉是一种硅重熔设备，将达到一定纯度要求的多晶硅装入炉中，按工艺要求进入抽真空工序，氩气保护控制模块17对抽真空部件14进行控制，在炉室3内形成一定的真空度；炉室3检漏通过后，进入加热工序，加热控制模块20控制加热功率，对硅料块进行加热，且此过程为功率控制；加热到工艺设定温度后，进入熔化工序，加热控制模块20处于温控工作模式。

通常，顶部加热器6和侧部加热器7由方形高纯石墨加工而成，总阻值很低，一般采用低电压、大电流的加热方式。石墨加热具有大滞后、大惯性、温度超调严重、振荡大，且难于控制、稳定时间长等特点。

在加热工序，加热控制模块运行于功率控制模式：通过对顶部电源和侧部电源的控制进而调整顶部加热器和侧部加热器的功率，在此阶段顶部加热器加载功率P_顶与侧部加热器加载功率P_侧相同，实现对硅料块进行加热；

当达到工艺设定温度后进入熔化工序，加热控制模块运行于温控工作模式，控制系统通过加热控制模块20控制加热部件的功率，而温度控制采用PID调节规律。由于设定温度曲线是不断变化的，为了避免温度给定值升降时引起系统振荡，不同于前期的开环功率控制加热控制模块采用微分先行PID控制算法，PID控制部分的微分先行增量式控制算法为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)-K_d[y(k)-2y(k-1)+y(k-2)]，

其中e(k)＝r(k)-y(k)，

式中，Δu(k)为PID控制器的输出值，K_p为比例系数，e(k)为温度偏差，K_i为积分时间常数，K_d为积分时间常数，y(k)为热场内温度测量值，r(k)为温度给定值；控温精度可达到±0.3％。

通过对顶部电源和侧部电源的控制进而调整顶部加热器和侧部加热器的功率，在此阶段顶部加热器加载功率P_顶与侧部加热器加载功率P_侧相同，实现对硅料块进行熔化；

氩气控制模块控制氩气充气部件4，将炉室3内压力控制在设定数值。

熔化完成后进入长晶工序，此时炉室3内维持设定压力，隔热笼控制模块19控制隔热笼体5按一定的速度缓缓提起，热交换台9在隔热笼体5的底部暴露出来，大量的热会通过热交换台9从隔热笼体5底部辐射到带水冷夹套的炉室上，多晶硅原料底部冷却，开始长晶，长晶高度计算模块18根据公式(1)进行计算，确定晶体生长高度，功率分配控制模块21根据预先埋入的曲线(该曲线为晶体生长高度的函数)分配顶部加热器6和侧部加热器7的功率，：

长晶高度

公式(1)

式中γ为修正系数，ρ_水为水的密度，Q_水为冷却水流量，C_硅为硅由液态到固态的比热容，A为水冷夹套内冷却水温度，P_t为总加载功率(包含顶部加热器功率及侧部加热器功率)，S为硅锭面积，ρ_硅为硅的密度，L_硅为硅的潜热，A_t为时间t水冷夹套内冷却水温度、A₀为初始水冷夹套内冷却水温度。

该控制方法可以通过对炉室3下部水温进行测算，由长晶高度计算模块18推导出长晶过程中的硅锭高度；

该控制方法可以在长晶过程中对热场内温度进行有效控制，通过功率分配模块单独控制顶、侧加热器的输出功率，合理分配顶侧加热器功率之比，即可在结晶过程中形成一个垂直的温度梯度，从而可使硅的结晶凝固得到有效的控制，进而加快长晶效率，降低能耗，提高硅锭品质。此外，还可以配合相应工艺文件，根据需要优化顶侧加热功率的配比。

采用该控制方法的多晶硅铸锭炉，采用侧部加热器7与顶部加热器6分开独立控制的模式，尤其在长晶的中后期，逐步降低侧部加热器7的功率，单独依靠顶部加热器6工作，那样整体的晶体受热水平均匀，生长界面更水平，四个角生与中间几乎同时生长完成，加快后期长晶速度。整个过程可以改善热场内温度梯度分布，拉平长晶界线，增大晶粒，改善晶向，降低能耗。

长晶阶段加热控制模块仍然工作于温控工作模式，控制仍然采用微分先行的PID控制策略，根据长晶高度模块计算的晶体生长高度，功率分配控制模块对总功率进行分配，控制策略为：当长晶高度h＜80mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度80≤h＜160mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度160≤h＜200mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度200≤h＝时，侧部加热器加载功率P_侧在一个小时内线性降到零；

长晶结束后的退火及冷却阶段，顶部加热器加载功率P_顶＝侧部加热器加载功率P_侧，控制硅锭到一定温度，工艺运行完毕，进行出炉操作，一个完整的生产周期结束。

图3所示为利用长晶高度计算模块18所得出的长晶速度，与传统石英棒接触测量所得数据非常接近，从而验证了该方法的可行性；

图4所示是加热器功率随时间变化曲线。长晶前半段时间内，顶侧分开控制设备功率略高于单电源设备，但进入后半段，顶侧分开控制功率迅速下降，且加热功率大幅度低于单电源长晶过程。

Claims (3)

1.基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制系统，包括：置于炉室内的隔热笼体，坩埚及热交换台置于支撑柱上，坩埚四周设侧部加热器和侧加热器温度传感器，顶部设顶部加热器和顶加热器温度传感器，炉室的水冷夹套设下水温流量传感器和侧水温流量传感器；其特征在于，所述侧部加热器接于侧部电源，顶部加热器接于顶部电源，侧部电源和顶部电源通过导线连接至功率分配控制模块，功率分配控制模块分别电连接至中央控制模块、加热控制模块和长晶高度计算模块，加热控制模块分别电连接至中央控制模块、长晶高度计算模块和设于炉室顶部的温控传感器，长晶高度计算模块分别电连接至下水温流量传感器、侧水温流量传感器、侧加热器温度传感器、顶加热器温度传感器和中央控制模块；隔热笼控制模块分别电连接至隔热笼提升系统和中央控制模块。

2.基于顶侧分开控制多晶硅铸锭炉的加热控制方法，包括：

由加热控制模块给定总功率，功率分配模块根据长晶高度模块反馈的晶体高度，分别对顶部加热器和侧部加热器上的功率进行实时分配；其中，

在加热工序，加热控制模块运行于功率控制模式：通过对顶部电源和侧部电源的控制进而调整顶部加热器和侧部加热器的功率，在此阶段顶部加热器加载功率P_顶与侧部加热器加载功率P_侧相同，实现对硅料块进行加热；

当达到工艺设定温度后进入熔化工序，加热控制模块运行于温控工作模式，通过微分先行PID控制避免温度给定值升降时引起系统振荡；在该过程中，PID控制部分的微分先行增量式控制算法为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)-K_d[y(k)-2y(k-1)+y(k-2)]，

其中e(k)＝r(k)-y(k)，

式中，Δu(k)为PID控制器的输出值，K_p为比例系数，e(k)为温度偏差，K_i为积分时间常数，K_d为积分时间常数，y(k)为热场内温度测量值，r(k)为温度给定值；

通过对顶部电源和侧部电源的控制进而调整顶部加热器和侧部加热器的功率，在此阶段顶部加热器加载功率P_顶与侧部加热器加载功率P_侧相同，实现对硅料块进行熔化；

进入长晶阶段，加热控制模块仍然工作于温控工作模式，控制仍然采用微分先行的PID控制策略，根据长晶高度模块计算的晶体生长高度，功率分配控制模块对总功率进行分配，控制策略为：当长晶高度h＜80mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度80≤h＜160mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度160≤h＜200mm时，顶部加热器加载功率

当长晶高度200≤h＝时，侧部加热器加载功率P_侧在一个小时内线性降到零；

在退火及冷却阶段，顶部加热器加载功率P_顶＝侧部加热器加载功率P_侧。

3.根据权利要求2所述加热控制方法，其特征在于，晶体高度由长晶高度模块通过下述方式获得：

式中γ为修正系数，ρ_水为水的密度，Q_水为冷却水流量，C_硅为硅由液态到固态的比热容，A为水冷夹套内冷却水温度，P_t为总加载功率(包含顶部加热器功率及侧部加热器功率)，S为硅锭面积，ρ_硅为硅的密度，L_硅为硅的潜热，A_t为时间t水冷夹套内冷却水温度、A₀为初始水冷夹套内冷却水温度。

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