CN103409789A - 一种多晶硅定向凝固装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于定向凝固领域，特别涉及一种多晶硅定向凝固装置，本发明装置构思独特，在原有设备的基础上，加以创新改进，在热场没有相对移动的情况下，通过控制上部加热装置、下部加热装置和中部加热装置的温度来产生长晶所需的温度梯度，形成多晶铸锭。操作简单，易于控制和计算。

Description

一种多晶硅定向凝固装置

技术领域

本发明属于定向凝固领域，特别涉及一种多晶硅定向凝固装置。

背景技术

定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。

现有多晶硅铸锭炉是采用电阻或感应加热，将配比好的多晶硅放入方形坩埚内进行熔化后，通过对组成热场的零组件之间做相对运动，以使得多晶硅料从底部开始冷却，逐渐向上长晶的定向凝固的方式，得到多晶硅锭的。评价多晶硅铸锭炉性能的一个重要指标是单位质量的能耗，而降低单位质量的能耗，进而降低成本是企业赢得市场竞争的重要手段。目前市场上企业降低能耗的主要方式是提高单炉产能，从2004年的单炉产量120kg，到170kg，250kg，450kg，650kg。

目前，市面上主流多晶硅铸锭炉最大的产能是660公斤。伴随着单炉产能的增加，单个硅锭尺寸必然相应加大，而在铸锭长晶阶段，硅锭底部先冷却，顶部后冷却，这样晶体才能从底部到顶部慢慢生长，顶部的冷却是靠底部硅晶体将热量不断带到底部而进行的。而如果硅锭尺寸过大，那么，由于硅晶体的导热性并不好，因此底部和顶部的温差将会过大而产生应力，此外，晶体过长会导致晶体生长过程中变形，而且，更重要的是，过大的硅锭给坩埚的制造和硅锭的处理以及硅锭的开方带来困难，不仅需要新型的配套设备，而且，给这些配套设备的坩埚等辅件的成本带来很大的挑战。因此，单纯提高单炉产能以降低单位质量能耗的方法已经面临瓶颈。

发明内容

本发明克服上述不足问题，提供一种多晶硅定向凝固装置，可以最大限度的利用炉体空间，节约设备投资成本。同时，通过控制下部加热装置和中部加热装置的温度和水冷的方式来实现所述坩埚底部温度的降低，使得冷却速度更快，因此降低了铸锭单位质量的能耗。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：包括炉体，连通有通气管路的上炉盖通过炉体外置的电动螺旋升降机构安装在炉体顶部，下炉盖通过螺纹连接在炉体底部，炉体内安置有坩埚，与下炉盖相连通的可旋转升降水冷平台机构与坩埚底固定连接，炉体内坩埚正上方安装有上部加热装置，其包括安装在炉壁上的上部水冷铜电极，还有安装在炉内的依靠螺栓连接的上部石墨电极和上部加热器石墨环；炉体内坩埚壁外侧安装有中部加热装置，其包括石墨汇流器和与其依靠螺栓连接的石墨加热棒，石墨加热棒上端与石墨汇流器相连，下端与扇形石墨分流器相连；坩埚和下炉盖之间安装有下部加热装置，其包括安装在炉内的下部石墨电极和固定于下炉盖上的下部水冷铜电极，下部石墨电极下端与下部水冷铜电极相连，上端与扇形石墨分流器相连；炉体内表面均设置有保温层，其包括位于坩埚正上方的上保温盖、位于坩埚外壁的侧保温桶、位于坩埚下的下保温环和下保温盖。

优选方案如下：

坩埚为石英材质坩埚。

上部加热器石墨环的内径大于坩埚内径。

上部加热器石墨环为方形结构。

上部石墨电极与侧保温桶之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

上部水冷铜电极与炉体之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

在上部水冷铜电极与上部石墨电极的连接端面设置有石墨碳纸，以防发热量大而导致电极螺纹损坏。

下部石墨电极与下部保温环之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

下部水冷铜电极与下炉盖之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

下部水冷铜电极与下部石墨电极的连接端面设置有石墨碳纸，以防发热量大而导致电极螺纹损坏。

工作过程如下：

1、电动螺旋升降机构带动上炉盖上升，与炉体分离，旋转上炉盖至完全打开；可旋转升降水冷平台机构推动石英坩埚上升，使其高出炉体顶面，装入硅料。

2、可旋转升降水冷平台机构带动石英坩埚下降，闭合上炉盖，开始抽真空。

3、当炉体内部的真空度达到1Pa时，开始向炉体内充氩气，当炉体内部的真空度达到60000Pa时，启动上加热装置、中加热装置和下加热装置，开始加热硅料至完全融化。

4、逐步降低中部加热装置和下部加热装置的温度，并同时提高可旋转升降水冷平台机构中水的流速，使坩埚底部温度逐渐降低，当坩埚底部温度低于1414℃时，坩埚底部开始结晶并形成多晶硅，当定向凝固至45%时，然后再降低上部加热装置的温度，使多晶硅继续往上生长。

5、当多晶硅完全生长成时，调整上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置温度，对多晶硅锭进行退火后保温，最后关闭加热装置的电源，让硅锭自动降温。

6、当多晶硅形成的多晶硅锭的温度降低到300℃以下时，打开上炉盖，启动可旋转升降水冷平台机构,将坩埚升至其底面高出炉体上炉盖口表面，取出多晶硅铸锭，操作结束。

本发明装置构思独特，在原有设备的基础上，加以创新改进，在热场没有相对移动的情况下，通过控制上部加热装置、下部加热装置和中部加热装置的温度来产生长晶所需的温度梯度，形成多晶铸锭。操作简单，易于控制和计算。

附图说明

图1为一种多晶硅定向凝固装置结构示意图。

图中，1.上炉盖2.硅料3.下炉盖4.电动螺旋升降机构5.通气管路6.上保温盖7.侧保温桶8.下部保温环9.下保温盖10.下部石墨电极11.下部水冷铜电极12.扇形石墨分流器13.石墨加热棒14.石墨汇流器15.上部加热器石墨环16.上部石墨电极17.上部水冷铜电极18.可旋转升降水冷平台机构19.坩埚

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1：

一种多晶硅定向凝固装置，包括炉体，连通有通气管路5的上炉盖1通过炉体外置的电动螺旋升降机构4安装在炉体顶部，下炉盖3通过螺纹连接在炉体底部，炉体内安置有坩埚19，与下炉盖3相连通的可旋转升降水冷平台机构18与坩埚19底固定连接，炉体内坩埚19正上方安装有上部加热装置，其包括安装在炉壁上的上部水冷铜电极17，还有安装在炉内的依靠螺栓连接的上部石墨电极16和上部加热器石墨环15；炉体内坩埚19壁外侧安装有中部加热装置，其包括石墨汇流器14和与其依靠螺栓连接的石墨加热棒13，石墨加热棒13上端与石墨汇流器14相连，下端与扇形石墨分流器12相连；坩埚19和下炉盖3之间安装有下部加热装置，其包括安装在炉内的下部石墨电极10和固定于下炉盖3上的下部水冷铜电极11，下部石墨电极10下端与下部水冷铜电极11相连，上端与扇形石墨分流器12相连；炉体内表面均设置有保温层，其包括位于坩埚19正上方的上保温盖6、位于坩埚19外壁的侧保温桶7、位于坩埚19下的下保温环8和下保温盖9。

上部加热装置为100kw，中部加热装置和下部加热装置为60kw。

上部加热器石墨环15为方形结构，且其内径大于石英坩埚19内径。

上部石墨电极16与侧保温桶7之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

上部水冷铜电极17与炉体之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

在上部水冷铜电极17与上部石墨电极16的连接端面设置有石墨碳纸，以防发热量大而导致电极螺纹损坏。

下部石墨电极10与下部保温环8之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

下部水冷铜电极11与下炉盖3之间安装有陶瓷套，用于绝缘。

下部水冷铜电极11与下部石墨电极10的连接端面设置有石墨碳纸，以防发热量大而导致电极螺纹损坏。

工作过程如下：

1、电动螺旋升降机构4带动上炉盖1上升，与炉体分离，旋转上炉盖1至完全打开；可旋转升降水冷平台机构18推动石英坩埚19上升，使其高出炉体顶面，装入670kg硅料。

2、可旋转升降水冷平台机构18带动石英坩埚19下降，闭合上炉盖1，开始抽真空。

3、当炉体内部的真空度达到1Pa时，开始向炉体内充氩气，当炉体内部的真空度达到60000Pa时，启动上加热装置、中加热装置和下加热装置，开始加热硅料2，经过6小时，硅料2开始融化，再继续加热4小时后，硅料完全融化，此时，在1490℃的温度下保温0.5小时。

4、逐步降低中部加热装置和下部加热装置的温度，并同时提高可旋转升降水冷平台机构18中水的流速，使坩埚19底部温度逐渐降低，当坩埚19底部温度低于1414℃时，坩埚19底部开始结晶并形成多晶硅，当定向凝固至45%时，然后再降低上部加热装置的温度，使多晶硅继续往上生长。

其中，中部加热装置和下部加热装置的降温按照以下程序进行：温度从1450℃开始下降，最初的3小时以每小时15℃的速度下降，随后以每小时5℃的速度下降，直至下降至950℃。

上部加热装置的降温按照以下程序进行：从1460℃开始下降，以每小时2℃的速度下降，最终稳定在1350℃。

可旋转升降水冷平台机构18中水的流速为200L/min。

5、当多晶硅完全生长成时，调整上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置温度，对多晶硅锭进行退火后保温，最后关闭加热装置的电源，让硅锭自动降温。

其中，当多晶硅锭完全生长成后，提高中部加热装置和下部加热装置至1350℃，保温1.5小时，再用2.5小时降低上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置温度至1100℃，保温1.5小时；之后再用2.5小时降低上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置的温度至800℃，保温0.5小时，最后关闭加热装置的电源，让硅锭自动降温。

6、当多晶硅形成的多晶硅锭的温度降低到300℃以下时，打开上炉盖1，启动可旋转升降水冷平台机构18,将坩埚升至其底面高出炉体上法兰表面，取出多晶硅铸锭，操作结束。

经过实验所得数据进行对比如下：

实施例2：

应用实施例1的装置工作过程如下：

1、电动螺旋升降机构4带动上炉盖1上升，与炉体分离，旋转上炉盖1至完全打开；可旋转升降水冷平台机构18推动石英坩埚19上升，使其高出炉体顶面，装入640kg硅料。

2、可旋转升降水冷平台机构18带动石英坩埚19下降，闭合上炉盖1，开始抽真空。

3、当炉体内部的真空度达到1Pa时，开始向炉体内充氩气，当炉体内部的真空度达到60000Pa时，启动上加热装置、中加热装置和下加热装置，开始加热硅料2，经过6小时，硅料2开始融化，再继续加热4小时后，硅料完全融化，此时，在1490℃的温度下保温0.5小时，最后关闭加热装置的电源，让硅锭自动降温。

4、逐步降低中部加热装置和下部加热装置的温度，并同时提高可旋转升降水冷平台机构18中水的流速，使坩埚19底部温度逐渐降低，当坩埚19底部温度低于1414℃时，坩埚19底部开始结晶并形成多晶硅，当定向凝固至45%时，然后再降低上部加热装置的温度，使多晶硅继续往上生长。

其中，中部加热装置和下部加热装置的降温按照以下程序进行：温度从1500℃开始下降，最初的3小时以每小时25℃的速度下降，随后以每小时15℃的速度下降，直至下降至1000℃。

上部加热装置的降温按照以下程序进行：从1500℃开始下降，以每小时5℃的速度下降，最终稳定在1370℃。

可旋转升降水冷平台机构18中水的流速为300L/min。

5、当多晶硅完全生长成时，调整上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置温度，对多晶硅锭进行退火后保温，最后关闭加热装置的电源，让硅锭自动降温。

其中，当多晶硅锭完全生长成后，提高中部加热装置和下部加热装置至1370℃，保温2.5小时，再用3.5小时降低上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置温度至1200℃，保温2.5小时；之后再用3.5小时降低上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置的温度至950℃，保温1.5小时。

6、当多晶硅形成的多晶硅锭的温度降低到300℃以下时，打开上炉盖1，启动可旋转升降水冷平台机构18,将坩埚升至其底面高出炉体上法兰表面，取出多晶硅铸锭，操作结束。

经过实验所得数据进行对比如下：

实施例3：

应用实施例1的装置工作过程如下：

1、电动螺旋升降机构4带动上炉盖1上升，与炉体分离，旋转上炉盖1至完全打开；可旋转升降水冷平台机构18推动石英坩埚19上升，使其高出炉体顶面，装入650kg硅料。

2、可旋转升降水冷平台机构18带动石英坩埚19下降，闭合上炉盖1，开始抽真空。

3、当炉体内部的真空度达到1Pa时，开始向炉体内充氩气，当炉体内部的真空度达到60000Pa时，启动上加热装置、中加热装置和下加热装置，开始加热硅料2，经过6小时，硅料2开始融化，再继续加热4小时后，硅料完全融化，此时，在1490℃的温度下保温0.5小时，最后关闭加热装置的电源，让硅锭自动降温。

4、逐步降低中部加热装置和下部加热装置的温度，并同时提高可旋转升降水冷平台机构18中水的流速，使坩埚19底部温度逐渐降低，当坩埚19底部温度低于1414℃时，坩埚19底部开始结晶并形成多晶硅，当定向凝固至50%时，然后再降低上部加热装置的温度，使多晶硅继续往上生长。

其中，中部加热装置和下部加热装置的降温按照以下程序进行：温度从1470℃开始下降，最初的3小时以每小时20℃的速度下降，随后以每小时10℃的速度下降，直至下降至980℃。

上部加热装置的降温按照以下程序进行：从1470℃开始下降，以每小时3℃的速度下降，最终稳定在1360℃。

可旋转升降水冷平台机构18中水的流速为250L/min。

5、当多晶硅完全生长成时，调整上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置温度，对多晶硅锭进行退火后保温，最后关闭加热装置的电源，让硅锭自动降温。

其中，当多晶硅锭完全生长成后，提高中部加热装置和下部加热装置至1360℃，保温2小时，再用3小时降低上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置温度至1150℃，保温2小时；之后再用3小时降低上部加热装置、中部加热装置和下部加热装置的温度至870℃，保温1小时。

6、当多晶硅形成的多晶硅锭的温度降低到300℃以下时，打开上炉盖1，启动可旋转升降水冷平台机构18,将坩埚升至其底面高出炉体上法兰表面，取出多晶硅铸锭，操作结束。

经过实验所得数据进行对比如下：

Claims (10)

1.一种多晶硅定向凝固装置，包括炉体，连通有通气管路（5）的上炉盖（1）通过炉体外置的电动螺旋升降机构（4）安装在炉体顶部，下炉盖（3）通过螺纹连接在炉体底部，炉体内安置有坩埚（19），与下炉盖（3）相连通的可旋转升降水冷平台机构(18)与坩埚(19)底固定连接，其特征在于炉体内坩埚（19）正上方安装有上部加热装置，其包括安装在炉壁上的上部水冷铜电极（17），还有安装在炉内的依靠螺栓连接的上部石墨电极（16）和上部加热器石墨环（15）；炉体内坩埚(19)壁外侧安装有中部加热装置，其包括石墨汇流器（14）和与其依靠螺栓连接的石墨加热棒（13），石墨加热棒（13）上端与石墨汇流器（14）相连，下端与扇形石墨分流器(12)相连；坩埚（19）和下炉盖（3）之间安装有下部加热装置，其包括安装在炉内的下部石墨电极（10）和固定于下炉盖（3）上的下部水冷铜电极（11），下部石墨电极（10）下端与下部水冷铜电极（11）相连，上端与扇形石墨分流器(12)相连；炉体内表面均设置有保温层，其包括位于坩埚（19）正上方的上保温盖（6）、位于坩埚（19）外壁的侧保温桶（7）、位于坩埚（19）下的下保温环（8）和下保温盖（9）。

2.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的坩埚（19）为石英坩埚。

3.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的上部加热器石墨环（15）的内径大于坩埚（19）内径。

4.权利要求1或3所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的上部加热器石墨环（15）为方形结构。

5.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的上部石墨电极（16）与侧保温桶（7）之间安装有陶瓷套。

6.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的上部水冷铜电极（17）与炉体之间安装有陶瓷套。

7.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的在上部水冷铜电极（17）与上部石墨电极（16）的连接端面设置有石墨碳纸。

8.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的下部石墨电极（10）与下部保温环（8）之间安装有陶瓷套。

9.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的下部水冷铜电极（11）与下炉盖（3）之间安装有陶瓷套。

10.权利要求1所述的一种多晶硅定向凝固装置，其特征在于所述的下部水冷铜电极（11）与下部石墨电极（10）的连接端面设置有石墨碳纸。

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