CN104005081A - 一种单晶炉的停炉冷却系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单晶炉的停炉冷却系统，包括单晶炉、过滤器、真空泵，三者顺序连接，单晶炉的排气口设置排气口阀门A，过滤器上设置放气阀B，真空泵的入口设置电磁阀C；排气口阀门A、放气阀B、电磁阀C与统一的控制系统信号连接，由其自动控制开启或关闭。单晶炉拉晶结束后，关闭排气口阀门A，氩气或氮气继续冲入单晶炉；关闭真空泵，同时关闭电磁阀C；当单晶炉内压力接近1个大气压时，自动开启放气阀B；当单晶炉内压力略大于1个大气压时，自动开启排气口阀门A，单晶炉通过放气阀B排(风)气进行冷却。本发明使得气体热对流效果大大加强，单晶炉的冷却时间缩短20％以上；同时大大降低了单晶硅生产的耗能程度，具有节能减排的技术效果。

Description

一种单晶炉的停炉冷却系统及工艺

技术领域

本发明涉及太阳能单晶硅的制备工艺，尤其涉及单晶炉的停炉冷却工艺，属于单晶炉停炉冷却技术领域。

背景技术

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。

单晶硅生长过程需要加热将多晶硅料熔化，再通过温度稳定及精确的温度控制，将籽晶插入熔体，调节温度、籽晶转速、坩埚转速、籽晶升速将熔体不断定向在籽晶上结晶长大，单晶生长是在单晶炉中进行，其热场结构如图1所示。

单晶生长是高耗能产业，在单晶生产成本中占很大比重，所以大家都十分重视热场的保温，用各种高性能的保温材料来阻断热传导，单晶生长整个过程中是在一边抽空，一边通氩的状态下进行，通常称为减压拉晶工艺，其特点是通过定向流动的保护气体，能将系统挥发出来的SiO、CO等排除出炉体，炉内压力一般控制在10-50托(torr)范围内。整个热场系统只有上部区域是为了晶体能快速冷却而敞开的。当晶体生长结束后，整个热场要冷却下来才能打开炉筒，因为热场的发热材料石墨及保温材料系碳纤维制成，在较高的温度下容易与空气中的氧起氧化反应而被侵蚀掉，特别是保温材料通常是由密度小带大量空隙的碳纤维制成，一般要求在400度以下，较佳在350度以下，接触空气才能比较安全。

现有的单晶炉的停炉冷却工艺，当晶体生长结束后还需继续抽空、通氩冷却8-10小时，才能把保温性能好的热场冷却到400度以下，该过程需消耗电能、停炉冷却所需时间也比较长。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，现有的单晶炉的停炉冷却工艺，由于在负压状态下，冷却时间较长，而且由于真空泵一直开着，需要消耗大量电能。

本发明采取以下技术方案：

一种单晶炉的停炉冷却系统，包括单晶炉、过滤器、真空泵，三者顺序连接，其特征在于：单晶炉的排气口设置排气口阀门A，过滤器上设置放气阀B，真空泵的入口设置电磁阀C。

进一步的，所述放气阀B设置在过滤器的顶部。

进一步的，所述排气口阀门A、放气阀B均为电磁阀门，所述排气口阀门A、放气阀B、电磁阀C与统一的控制系统信号连接，由统一的控制系统自动控制开启或关闭。

进一步的，所述真空泵为机械泵。

一种单晶炉停炉冷却系统的停炉工艺，依次包括以下步骤：单晶炉拉晶结束后，关闭排气口阀门A，氩气或氮气继续冲入单晶炉；关闭真空泵，同时关闭电磁阀C；当单晶炉内压力接近1个大气压时，自动开启放气阀B；当单晶炉内压力略大于1个大气压时，自动开启排气口阀门A，单晶炉通过放气阀B排(风)气进行冷却。

本发明的停炉工艺停炉时，真空泵首先被关闭，整个工艺过程不进行运作，利用单晶炉内部的正压力，防止气体回流，避免空气进入单晶炉，不会对炉内的待冷却的单晶硅产品的质量造成任何影响。

放气阀B直到单晶炉内压力接近1个大气压时，才进行开启，是为了保持过滤器内部一定的正压力，预防由于排气口阀门A关闭不严密或发生故障时空气倒吸回流进入单晶炉内，起到双保险的作用。

排气口阀门A、放气阀B均采用电磁阀，并且与单晶炉内的压力传感器信号连接，从而通过传感器的信号传递，自动实现电磁阀的开启和关闭，同时，也可以设定延时程序，让放气阀B开启后延时一段特定的时间后排气口阀门A开启，也能够起到同样的作用。

本发明的有益效果在于：

1)由于真空泵在冷却过程中被关闭，避免了气体处于真空状态，气体热对流效果大大加强，热量被带走的速度更快，加速了炉子的冷却速度，单晶炉的冷却时间缩短20％。

2)关闭1个真空泵每10个小时能够节省耗电110千瓦，以单炉年产500兆瓦单晶硅片计算，可以节电300万度。大大降低了单晶硅生产的耗能程度，具有节能减排的技术效果。

附图说明

图1是单晶炉结构及热场的示意图。

图2是单晶炉排气系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图2，一种单晶炉的停炉冷却系统，包括单晶炉、过滤器、真空泵，三者顺序连接，单晶炉的排气口设置排气口阀门A，过滤器上设置放气阀B，真空泵的入口设置电磁阀C。

所述放气阀B设置在过滤器的顶部。

所述排气口阀门A、放气阀B均为电磁阀门，所述排气口阀门A、放气阀B、电磁阀C与统一的控制系统信号连接，由统一的控制系统自动控制开启或关闭。

所述真空泵为机械泵。

具体步骤如下：当单晶生长结束后，先关闭炉子排气阀门A，炉子内继续充气(可用氮气替代氩气)，接下来关闭机械泵(机械泵上电磁阀C同时被关闭)，过滤器B内保持一定正压，当炉内压力接近1个大气压时，自动开启过虑器上阀门B，当炉内压力略大于1个大气压时，自动打开炉子排气口阀门A，完成阀门自动开启和关闭的操作过程。

该技术方案能明显节约能源，通常一个22寸热场的真空抽气系统用2H-120真空泵，其马达功率为11千瓦，冷却8小时耗电88千瓦，冷却10小时耗电110千瓦，以一个年产500兆瓦单晶硅片计算，需3000吨硅单晶，每炉约100kg产量计算，要开炉拉晶30000炉，以每炉约节约100度电，就可以节电300万度电，有非常明显的节能减排及经济效果。

同时，本发明能缩短炉子的冷却时间20％以上，热量流动的三种方式，热传导、热对流、热幅射，而在低压状态下，特别是真空状态热对流将大幅减少,热量很难被带走，当在常压状况下，气流的热对流效果会明显增加，加速了炉子的冷却速度。

本发明缩短了机械泵工作时间约15％，延长了使用寿命，同时节约了真空泵油的消耗。

下表对现有技术及本发明两种不同工艺的冷却效果做了对比。

由上表可以看出，“冲氩(氮)正压流通冷却8小时”相对于“抽空、充氩(氮)负压冷却8小时或10小时的条件下，导流筒，上保温罩，托身，加热器的温度均更低，说明冷却效果更好。由于在明显低于350度的条件下，能更好的保护热场系统，降低热场老化速度，保持热场温度稳定性，有利于单晶稳定顺利生长。

以上数据是在气体流量每分钟40-50升/分取得，如果利于价格更低的氮气，增加流量会更有效冷却，进一步缩短冷却时间。

Claims (5)

1.一种单晶炉的停炉冷却系统，包括单晶炉、过滤器、真空泵，三者顺序连接，其特征在于：单晶炉的排气口设置排气口阀门A，过滤器上设置放气阀B，真空泵的入口设置电磁阀C。

2.如权利要求1所述的停炉冷却系统，其特征在于：所述放气阀B设置在过滤器的顶部。

3.如权利要求1所述的停炉冷却系统，其特征在于：所述排气口阀门A、放气阀B均为电磁阀门，所述排气口阀门A、放气阀B、电磁阀C与统一的控制系统信号连接，由统一的控制系统自动控制开启或关闭。

4.如权利要求1所述的停炉冷却系统，其特征在于：所述真空泵为机械泵。

5.一种权利要求3所述的停炉冷却系统的停炉工艺，依次包括以下步骤：

单晶炉拉晶结束后，关闭排气口阀门A，氩气或氮气继续冲入单晶炉；

关闭真空泵，同时关闭电磁阀C；

当单晶炉内压力接近1个大气压时，自动开启放气阀B；

当单晶炉内压力略大于1个大气压时，自动开启排气口阀门A，单晶炉通过放气阀B排气进行冷却。