CN113703411B - 多晶硅生长过程监测系统、方法及多晶硅生产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多晶硅生长过程监测系统、方法及多晶硅生产系统，属于多晶硅生产领域。上述监测系统用于监测还原炉中多晶硅的生长状况，其包括监测模块、分析模块及输出模块；其中，监测模块用于实时监测还原炉内的物料流量及硅棒温度；分析模块用于接收监测模块的监测数据并进行计算，计算后通过输出模块进行输出。通过此系统，能够实时掌握还原炉内的硅棒生长情况；通过对温度、硅棒直径的监测可以判断物料配比和流量是否是最优值；通过杂质浓度监测，测得多晶硅中杂质的浓度变化，而且减少或代替硅棒中杂质的监测，避免了套料和拉晶制样过程，具有比较高的及时性。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产领域，具体而言，涉及一种多晶硅生长过程监测系统、方法及多晶硅生产系统。
背景技术
高纯多晶硅是制备太阳能电池的主要原料，制备高纯多晶硅主要使用改良西门子法，在多晶硅气相沉积过程中，有众多的杂质会随着硅的沉积进入硅棒，多晶硅中杂质的组成和含量是衡量多晶硅产品质量的重要指标之一。目前，多晶硅中杂质的测定方法是对出炉的棒子进行套料后拉制成单晶，然后用检测设备进行检测，检测结果受套料和检测设备的影响较大，通常为了检测结果的准确性，要在硅芯旁、硅棒中部、硅棒表皮等诸多部位进行套料，增加取样量的同时也增加了检测工作量。
因此，如何针对多晶硅杂质检测和控制设计更为合理的方法，使其能够解决前述存在的问题成为当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多晶硅生长过程监测系统及方法，其能够实时监测还原炉内多晶硅的生长状况。
本发明的另一目的在于提供一种多晶硅生长设备，其采用了上述检测系统，从而能够实时监测还原炉内多晶硅的生长状况。
本发明是这样实现的：
一种多晶硅生长过程监测系统，包括
监测模块，所述监测模块用于监测还原炉内的物料流量及硅棒温度；
分析模块，所述分析模块与所述监测模块通信连接，能够接收所述监测模块的监测数据；所述分析模块能够根据所获得的监测数据及预设公式进行计算；
输出模块，所述输出模块与所述分析模块通信连接，并根据指令输出对应的数据。
进一步，所述监测模块能够根据还原炉的运行情况，实时监测物料流量、硅棒温度及生长时间，并将监测数据存储在分析模块中；存储在所述分析模块中的数据可以通过所述输出模块输出。
进一步，所述分析模块中预存有硅棒在不同温度下对应的径向生长速度，所述分析模块能够根据获取的硅棒温度来选择对应的径向生长速度数据；并根据以下公式计算硅棒的直径：
D＝2vt+d
式中：
D为硅棒直径，mm；
v为硅棒的径向生长速度，mm/h；
t为运行时间，h；
d为硅芯直径，mm。
进一步，硅棒温度在900-1000℃时，硅棒的径向生长速度为0.8-1.1mm/h；温度在1001-1100℃时，硅棒的径向生长速度为1.1-1.3mm/；温度在1101-1200℃时，硅棒的径向生长速度为1.3-1.5mm/。
进一步，所述分析模块能够根据获得的指令利用物料杂质浓度、物料中杂质的沉积率、硅棒的径向生长速度、硅的密度计算出任意时刻硅棒中的杂质浓度，所用到的计算公式如下：
式中：
ω杂质为杂质的质量浓度，mg/kg；
ω0为物料中的杂质浓度，mg/kg；
Q为物料的流量，kg/h；
δ为物料中杂质的沉积率；
t2、t1为时间，h；
v为硅棒的径向生长速度，mm/h；
ρ为硅的密度，kg/m3；
n为一还原炉中硅棒的根数；
h为硅棒的高度，mm；
δ与ω0呈正相关，可以通过实验监测得到。
进一步，所述分析模块中还预存有硅棒杂质质量浓度的上限值，若计算的硅棒的杂质质量浓度高于所述上限值，则系统发出报警提示。
进一步，通过多晶硅生长模拟实验，得出不同条件下物料中杂质的沉积率，拟合形成曲线，分析模块在计算时，根据指令可随时获得某一时刻的沉积率的值。
一种多晶硅生产系统，包括还原炉及上述多晶硅生长过程监测系统，所述监测模块与所述还原炉连接，用于实时监测所述还原炉的工况。
一种多晶硅生长过程监测方法，所述监测方法采用了所述的多晶硅生长过程监测系统；包括以下步骤：
获取还原炉中物料流量及硅棒温度；
利用预设公式计算硅棒的杂质浓度，并将计算结果输出。
进一步，还包括以下步骤：
当硅棒杂质浓度大于预设上限值时，发出报警提示。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明通过上述设计得到的多晶硅生长过程监测系统，使用时，监测模块实时监测还原炉内的物料流量及硅棒温度，并将数据传递给分析模块；然后分析模块利用预存算法对上述数据进行计算，从而能够得到多晶硅杂质质量浓度；分析模块将计算结果传递到输出模块进行输出。通过此系统，能够实时掌握还原炉内的硅棒生长情况；通过对温度、硅棒直径的监测可以判断物料配比和流量是否是最优值；通过杂质浓度监测，测得多晶硅中杂质的浓度变化，而且减少或代替硅棒中杂质的监测，避免了套料和拉晶制样过程，具有及时性。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的多晶硅生产系统的示意图；
图2是本发明实施方式提供的多晶硅生产系统增设报警装置及DCS控制系统后的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
实施例1：
本实施例提供了一种多晶硅生长过程监测系统，用于监测还原炉中多晶硅的生长状况。上述监测系统包括监测模块、分析模块及输出模块；其中，监测模块用于实时监测还原炉内的物料流量及硅棒温度；分析模块用于接收监测模块的监测数据并进行计算，计算后通过输出模块进行输出。
具体地，监测模块包括设置在还原炉进气管上的流量计，以及设置在钟罩上的温度传感器。上述流量计和温度传感器采用了电子流量计，其与分析模块通信连接，能够将流量数据和温度数据实时传输给分析模块。上述元件均可以直接购买，不再对其进行详细描述。
分析模块采用了单片机，其包括储存器和处理器，其中存储器中预存有硅棒在不同温度下对应的径向生长速度的数据。具体地，还原炉内气压在0.6MPa时，当硅棒温度为900-1000℃时，硅棒的径向生长速度为0.8-1.1mm/h；当硅棒温度在1001-1100℃时，硅棒的径向生长速度为1.1-1.3mm/h；温度在1101-1200℃时，硅棒的径向生长速度为1.3-1.5mm/h。
分析模块能够根据获得的指令，并利用物料杂质浓度、物料中杂质的沉积率、硅棒的径向生长速度、硅的密度计算出任意时刻硅棒中的杂质浓度，所用到的计算公式如下：
式中：
ω杂质为杂质的质量浓度，mg/kg；
ω0为物料中的杂质浓度，mg/kg，该数据可以直接通过对物料进行组分分析得到；
Q为物料的流量，kg/h，该数据可以通过流量计直接得到；
δ为物料中杂质的沉积率，δ与ω0呈正相关，可以通过实验监测得到；
t2、t1为时间，h；
v为硅棒的径向生长速度，mm/h，该数据可以由处理器在预存数据中选择；
ρ为硅的密度，kg/m3；
n为一还原炉中硅棒的根数；
h为硅棒的高度，mm。
即通过上述公式可以计算出还原炉内硅棒杂质的质量浓度。另外，储存器中还预存有硅棒杂质质量浓度的上限值，当硅棒的杂质质量浓度高于上述上限值时，系统发出报警提示。并且，由于上述公式使用的原始数据可以通过实验监测得到，因此，利用上述公式得到的数值其误差较小，参考价值比较大。
本实施例中的输出模块，可以采用现有技术中的显示器进行输出。
本实施例多晶硅生长过程监测系统的有益效果如下：
通过此系统，能够实时掌握还原炉内的硅棒生长情况；通过温度、硅棒直径监测可以判断物料配比和流量是否是最优值；通过杂质浓度监测，测得多晶硅中杂质的浓度变化，而且减少或代替硅棒中杂质的监测，避免了套料和拉晶制样过程，具有及时性。此外，设置了报警装置，如果多晶硅杂质含量大于设定值，报警装置有会报警提示，并将信息反馈到DCS控制系统，并对相应参数进行调整，为实现多晶硅生产实现闭环智能控制打下有利基础。
实施例2：
本实施例中，分析模块中植入了多组数据，即不同时刻获取的物料中的杂质沉积率。而通过数据拟合的方式将上述多组数据拟合成曲线，分析模块在计算时，可以随时获取某一时刻的沉积率数值；而无需再通过实验监测获取。
实施例3：
本实施例中，还原炉实时运行并和监测系统形成关联，监测系统根据还原炉运行获得的数据进行人工学习计算得到较优值，并根据产品质量要求，设定硅棒的杂质质量浓度上限值。若计算的硅棒的杂质质量浓度高于设定值，则系统发出报警提示，系统将对相应参数进行自调节。
本方案中，分析的硅中的杂质可以是碳、硼、磷等。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多晶硅生长过程监测系统，其特征在于，包括：
监测模块，所述监测模块用于监测还原炉内的物料流量及硅棒温度；
分析模块，所述分析模块与所述监测模块通信连接，能够接收所述监测模块的监测数据；所述分析模块能够根据所获得的监测数据及预设公式进行计算；
输出模块，所述输出模块与所述分析模块通信连接，并根据指令输出对应的数据；
所述监测模块能够根据还原炉的运行情况，实时监测物料流量、硅棒温度及生长时间，并将监测数据存储在分析模块中；存储在所述分析模块中的数据通过所述输出模块输出；
所述分析模块能够根据获得的指令，利用物料杂质浓度、物料中杂质的沉积率、硅棒的径向生长速度、硅的密度计算出任意时刻硅棒中的杂质浓度，所用到的计算公式如下：
式中：
ω杂质为杂质的质量浓度，mg/kg；
ω0为物料中的杂质浓度，mg/kg；
Q为物料的流量，kg/h；
δ为物料中杂质的沉积率；
t2、t1为时间，h；
v为硅棒的径向生长速度，mm/h；
ρ为硅的密度，kg/m3；
n为一还原炉中硅棒的根数；
h为硅棒的高度，mm；
δ与ω0呈正相关，通过实验监测得到。
2.根据权利要求1所述的多晶硅生长过程监测系统，其特征在于：
所述分析模块中预存有硅棒在不同温度下对应的径向生长速度，所述分析模块能够根据获取的硅棒温度来选择对应的径向生长速度数据；并根据以下公式计算硅棒的直径：
D＝2vt+d
式中：
D为硅棒直径，mm；
v为硅棒的径向生长速度，mm/h；
t为运行时间，h；
d为硅芯直径，mm。
3.根据权利要求1所述的多晶硅生长过程监测系统，其特征在于：
硅棒温度在900-1000℃时，硅棒的径向生长速度为0.8-1.1mm/h；温度在1001-1100℃时，硅棒的径向生长速度为1.1-1.3mm/h；温度在1101-1200℃时，硅棒的径向生长速度为1.3-1.5mm/h。
4.根据权利要求1所述的多晶硅生长过程监测系统，其特征在于：
所述分析模块中还预存有硅棒杂质质量浓度的上限值，若计算的硅棒的杂质质量浓度高于所述上限值，则系统发出报警提示。
5.根据权利要求1所述的多晶硅生长过程监测系统，其特征在于：
通过多晶硅生长模拟实验，得出不同条件下物料中杂质的沉积率，拟合形成曲线，分析模块在计算时，根据指令可随时获得某一时刻的沉积率的值。
6.一种多晶硅生产系统，其特征在于，包括还原炉及权利要求1-4任一项所述的多晶硅生长过程监测系统，所述监测模块与所述还原炉连接，用于实时监测所述还原炉的工况。
7.一种多晶硅生长过程监测方法，其特征在于，所述监测方法采用了权利要求6所述的多晶硅生产系统；包括以下步骤：
获取还原炉中物料流量及硅棒温度；
利用预设公式计算硅棒的杂质浓度，并将计算结果输出。
8.根据权利要求7所述的多晶硅生长过程监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当硅棒杂质浓度大于预设上限值时，发出报警提示。
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- 2021-08-31 CN CN202111011498.8A patent/CN113703411B/zh active Active
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