CN102586864B - 单晶炉引晶温度寻找和控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种单晶炉引晶温度寻找和控制方法，在化料过程中，计算机不断接收到来自测温装置的温度信息，当计算机跟踪到至少5分钟时间内测温装置测得的温度恒定在某一数值上，计算机自动将该温度设定为引晶温度，维持最大化料功率，当到达设定的后段化料时间，计算机指令降低加热装置的功率，计算机根据测温装置采集到的温度信息与设定的引晶温度比较，不断调整加热装置功率，直至采集到的温度与设定的引晶温度一致并保持恒定。本发明利用晶体从固态变成液态的熔化过程中温度不变的现象寻找硅晶体的熔化温度，即是引晶温度，本发明简单，但是解决了长期以来单晶炉寻找引晶温度凭经验、费时间的问题。本方法节省时间，节约能源，有利降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及单晶炉引晶温度寻找和控制方法。
背景技术
目前太阳能光伏发电是大家共认的清洁能源。利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能。在制造太阳能光伏电池过程中，原生多晶硅在高温、高真空状态下通过提拉的形式变成高纯度的单晶棒。在这提拉过程中有一个很重要的环节就是要找到适合晶体生长的拉晶温度，行业中叫引晶温度。引晶温度的控制关系到能不能引晶成功以及拉晶的稳定性。
单晶棒的制作在单晶炉中完成，单晶炉具有主炉室和处于主炉室上方的副室以及处于副室上方的籽晶旋转升降机构，主炉室内设有坩锅，主炉室的筒体上设有观察孔，主炉室由主炉室升降机构带动升降， 副室由副室提升机构带动提升，坩锅由坩锅驱动机构带动旋转和升降，籽晶旋转升降机构通过钨丝绳连接籽晶夹头。多晶材料的熔化、拉伸在主炉室内进行。主炉室外部设有测温装置，单晶炉具有控制系统。
由于拉晶需要在高温1420度左右、高真空状态下进行，还没有那种材料的温度计能直接测量到硅溶液的温度。目前在国内一般通过籽晶试验的方法，先让硅液降温，看硅液表面的光泽，凭经验感觉温度差不多了，然后用籽晶放到硅液中看籽晶周围的光圈变化，籽晶放下去出现光圈，但很快就变小了，甚至溶化了，说明温度过高，要再次降温，假如光圈变大，很快长出晶体，并且速度很快，说明温度太低，要进行加温，若籽晶和熔硅接触后，籽晶周围逐渐出现光圈，最后光圈变圆。若籽晶是方形，籽晶和熔硅接触的四条棱变成针状，面上呈圆弧形，圆弧直径略小于籽晶断面的棱长，这时的温度即是引晶温度。而在主炉室外部测温装置上反映出温度值对应的是炉内真正的引晶温度，由操作员把测温装置上的温度值作为引晶温度输入控制系统，控制系统根据主炉室外部测温装置采集到的温度信息，围绕输入的引晶温度值进行自动控制。一般找引晶温度都要化一定的时间，短的一个小时，长的好几个小时，甚至更长，这过程中要耗大量的电和氩气。
美国的全自动单晶炉采取在炉内安装高级的红外线测温仪，每台要5～6万元，测的是表面温度，通过测到的表面温度传输给控制系统进行处理、控制，由于拉晶的温度是硅液下面15mm左右的温度，而且硅液表面有杂质尘埃漂动，会影响红外线测温的精确度，该仪器所测度很容易偏离实际所需要的值，同时该仪器安装在高真空、高温度的环境中，也容易出故障，使用成本非常高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种单晶炉引晶温度寻找和控制方法，能快速、方便、正确地寻找和控制引晶温度。
为达到上述目的，本发明采取的第一种技术方案如下：本方法包括单晶炉，单晶炉具有主炉室以及控制系统，主炉室内设有对坩锅内的硅料加热的加热装置，主炉室外面安装有测温装置，控制系统包括计算机以及显示测温装置所测得的温度变化的显示屏，其特征在于：首先设定参数，参数包括最大化料功率、后段化料时间、化料后的匀温时间，把上述参数输入计算机；计算机程序控制启动加热装置后，逐步加大加热装置的功率，直至达到设定的最大化料功率，在这过程中温度逐渐上升，计算机不断接收到来自测温装置的温度信息，当计算机跟踪到至少5分钟时间内测温装置测得的温度恒定在某一数值上，计算机自动将该温度设定为引晶温度，维持最大化料功率，当到达设定的后段化料时间，计算机指令降低加热装置的功率，计算机根据测温装置采集到的温度信息与设定的引晶温度比较，不断调整加热装置功率，直至采集到的温度与设定的引晶温度一致并保持恒定，恒定的时间达到设定的匀温时间，拉晶开始；后段化料时间为2至5个小时，化料后的匀温时间为20至40分钟。
为达到上述目的，本发明采取第二种技术方案如下：本方法包括单晶炉，单晶炉具有主炉室以及控制系统，主炉室内设有对坩锅内的硅料加热的加热装置，主炉室外面安装有测温装置，控制系统包括计算机以及显示测温装置所测得的温度变化的显示屏，其特征在于：首先设定参数，参数包括化料功率，后段化料时间，化料后的匀温时间，把上述参数输入计算机；操作人员启动加热装置后，逐步加大加热装置的功率，直至达到设定的化料功率，在这过程中温度逐渐上升，操作人员通过显示屏监视测温装置的温度信息，当观察到测温装置的温度至少有5分钟时间恒定在某一数值上，操作人员将该数值输入计算机作为引晶温度，维持最大化料功率，当到达设定的后段化料时间，计算机指令降低加热装置的功率，计算机根据测温装置采集到的温度信息与设定的引晶温度比较，不断调整加热装置功率，直至采集到的温度与设定的引晶温度一致并保持恒定，恒定的时间达到设定的匀温时间，拉晶开始；后段化料时间为2至5个小时，化料后的匀温时间为20至40分钟。
同一种晶体的熔点和凝固点相同是自然规律，本发明利用晶体从固态变成液态的熔化过程中温度不变的现象寻找硅晶体的熔化温度，从而寻找到引晶温度，本发明简单，但是解决了长期以来单晶炉拉晶寻找引晶温度凭经验、费时间的问题。本方法节省时间，节约能源和资源，降低成本，具有很高的经济效益和社会效益。
具体实施方式
实施例1
本实施例为全自动控制方法，包括单晶炉，单晶炉具有主炉室以及控制系统，主炉室内设有对坩锅内的硅料加热的加热装置，主炉室外面安装有红外线测温装置，控制系统包括计算机以及显示测温装置所测得的温度变化的显示屏。
本方法首先设定参数，参数包括最大化料功率、后段化料时间、化料后的匀温时间。所谓后段化料时间是指在化料过程中，中间有一段时间温度是恒定的，把恒定温度之后所给予的继续化料时间称为后段化料时间。上述最大化料功率根据加热装置的功率决定的。上述后段化料时间是根据炉料量的多少决定的，一般是2至5个小时，化料后的匀温时间一般为20至40分钟。
如炉径为20寸，最大化料功率为95千瓦，投料是80㎏，后段化料时间可以是2小时，化料后的匀温时间可以是20分钟。如炉径为22寸，最大化料功率为95千瓦，投料是110㎏，后段化料时间可以是3小时，化料后的匀温时间可以是30分钟。如炉径为24寸，最大化料功率为105千瓦，投料是150㎏，后段化料时间可以是3小时，化料后的匀温时间可以是30分钟。如炉径为26寸，最大化料功率为135千瓦，投料是180㎏，后段化料时间可以是5小时，化料后的匀温时间可以是40分钟。对上述时间没有严格的要求，允许有较大的误差，时间过长浪费能源。
把参数输入计算机；计算机程序控制启动加热装置后，逐步加大加热装置的功率，例如开始时化料功率为30千瓦，可以每隔20分钟或30分钟升高20千瓦或30千瓦，这没有什么严格要求，只要逐步加大即可，直至达到设定的最大化料功率。在这过程中温度逐渐上升，计算机不断接收到来自测温装置的温度信息，开始时温度是较快地往上升的，到一定时间温度的变化会变小，直到有一个阶段温度会恒定，当计算机跟踪到至少5分钟时间内温度恒定在某一数值上，说明坩锅内的硅料进入熔化状态，由于测温装置测得的是坩锅周围的温度值，所以测得的温度值是低于引晶温度值，但是与这个温度对应的炉内温度是熔化温度，也就是引晶温度，计算机自动将测得的恒定数值设定为引晶温度。维持上述最大化料功率，温度继续上升，当到达设定的后段化料时间，计算机指令降低加热装置的功率，计算机根据测温装置采集到的温度信息与设定的引晶温度比较，不断调整加热装置功率，直至采集到的温度与设定的引晶温度一致，为使坩锅内的硅液体温度均匀，需要恒定一段时间，当恒定的时间达到设定的匀温时间，可以拉晶。
实施例2
本实施例为半自动化控制方法，包括单晶炉，单晶炉具有主炉室以及控制系统，主炉室内设有对坩锅内的硅料加热的加热装置，主炉室外面安装有红外线测温装置，控制系统包括计算机以及显示测温装置所测得的温度变化的显示屏。关于参数的选择与实施例1中介绍的一致。
把选择好的参数输入计算机；操作人员启动加热装置后，逐步加大加热装置的功率，直至达到设定的最大化料功率，在这过程中温度逐渐上升，操作人员通过显示屏监视测温装置的温度信息，当观察到测温装置的温度至少有5分钟时间恒定在某一数值上，操作人员将该数值输入计算机作为引晶温度，继续维持最大化料功率，当到达设定的后段化料时间，计算机指令降低加热装置的功率，计算机根据测温装置采集到的温度信息与设定的引晶温度比较，不断调整加热装置功率，直至采集到的温度与设定的引晶温度一致并保持恒定，恒定的时间达到设定的匀温时间，可以拉晶。
实施2适宜目前采用籽晶试验法寻找引晶温度的单晶炉上使用。
Claims (2)
1.一种单晶炉引晶温度寻找和控制方法，包括单晶炉，单晶炉具有主炉室以及控制系统，主炉室内设有对坩锅内的硅料加热的加热装置，主炉室外面安装有测温装置，控制系统包括计算机以及显示测温装置所测得的温度变化的显示屏，其特征在于：首先设定参数，参数包括最大化料功率、后段化料时间、化料后的匀温时间，把上述参数输入计算机；计算机程序控制启动加热装置后，逐步加大加热装置的功率，直至达到设定的最大化料功率，在这过程中温度逐渐上升，计算机不断接收到来自测温装置的温度信息，当计算机跟踪到至少5分钟时间内测温装置测得的温度恒定在某一数值上，计算机自动将该温度设定为引晶温度，维持最大化料功率，当到达设定的后段化料时间，计算机指令降低加热装置的功率，计算机根据测温装置采集到的温度信息与设定的引晶温度比较，不断调整加热装置功率，直至采集到的温度与设定的引晶温度一致并保持恒定，恒定的时间达到设定的匀温时间，拉晶开始；后段化料时间为2至5个小时，化料后的匀温时间为20至40分钟。
2.一种单晶炉引晶温度寻找和控制方法，包括单晶炉，单晶炉具有主炉室以及控制系统，主炉室内设有对坩锅内的硅料加热的加热装置，主炉室外面安装有测温装置，控制系统包括计算机以及显示测温装置所测得的温度变化的显示屏，其特征在于：首先设定参数，参数包括化料功率，后段化料时间，化料后的匀温时间，把上述参数输入计算机；操作人员启动加热装置后，逐步加大加热装置的功率，直至达到设定的化料功率，在这过程中温度逐渐上升，操作人员通过显示屏监视测温装置的温度信息，当观察到测温装置的温度至少有5分钟时间恒定在某一数值上，操作人员将该数值输入计算机作为引晶温度，维持最大化料功率，当到达设定的后段化料时间，计算机指令降低加热装置的功率，计算机根据测温装置采集到的温度信息与设定的引晶温度比较，不断调整加热装置功率，直至采集到的温度与设定的引晶温度一致并保持恒定，恒定的时间达到设定的匀温时间，拉晶开始；后段化料时间为2至5个小时，化料后的匀温时间为20至40分钟。
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