CN114574963A - 一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多晶硅铸锭设备技术领域，具体为一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统及控制方法，一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，包括温度测量模块、高度统计模块、加热模块、功率调节模块、数据统计模块、温度对比模块和时间记录模块；所述温度测量模块包括炉内温度测量模块和炉表温度测量模块，所述炉内温度测量模块用于测量所述加热模块的温度，所述炉表温度测量模块用于测量多晶铸锭炉外表的温度；所述高度统计模块，用于带动所述炉表温度测量模块进行上下移动，本发明利用固液界面的增长速度来对加热模块需求的输出功率进行控制，进而避免对硅液的温度进行采集，从而提高温度输出功率的精准性。

Description

一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及多晶硅铸锭设备技术领域，具体为一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统及控制方法。
背景技术
多晶硅铸锭炉简称多晶铸锭炉，主要用于生产多晶硅铸锭。多晶硅铸锭炉是采用电阻或感应加热，首先将配比好的多晶硅熔化，然后从多晶硅铸锭炉的底部对熔化的硅进行冷却，随后通过逐渐向上长晶的定向凝固方式，即可获得多晶硅锭。现有的多晶硅铸锭炉是采用电阻或感应对硅进行加热的，通过对温度输出功率的调节，来控制晶体的生长(主要是指晶胚形成、多晶生长、顶部收顶及退火降温)。现有多晶铸锭炉温度的输出功率调节只要依靠PID控制模块或PLC控制模块，它们在保证稳定的前提下，还提高了控制的精度。
温度输出功率控制系统在对温度输出功率进行调节时，需要对环境温度进行采集，而现有的多晶铸锭炉是在炉底外部安装红外测温仪对硅液底部的温度进行测量的，但是测点与硅液之间还隔着一层坩埚，这导致红外测量的温度仅能提高参考，更多的还是需要依靠炉子各自的经验数据进行温度补偿，另外随着多晶硅的生长，红外测量的温度需要穿过多晶硅才能对硅液底部的温度进行测量，而多晶硅的导热效果较差，这进一步导致温度数据的不准确性，进而导致温度的难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统及控制方法，以解决上述背景技术中提出的现有多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统需要对硅液的温度进行准确采集的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，包括温度测量模块、高度统计模块、加热模块、功率调节模块、数据统计模块、温度对比模块和时间记录模块；
所述温度测量模块包括炉内温度测量模块和炉表温度测量模块，所述炉内温度测量模块用于测量所述加热模块的温度，所述炉表温度测量模块用于测量多晶铸锭炉外表的温度；
所述高度统计模块，用于带动所述炉表温度测量模块进行上下移动，并对所述温度测量模块所在的高度进行测量；
所述加热模块，用于对多晶铸锭炉的内腔底部及顶部进行加热；
所述功率调节模块，用于对所述加热模块的输出功率进行调节；
所述数据统计模块，用于记录所述温度测量模块测量的温度数据、所述加热模块输出的功率数据以及所述高度统计模块测量的高度数据，然后建立炉内温度测量模块的温度数据和功率数据函数关系，建立高度数据与炉内温度测量模块的温度数据的函数关系；
所述温度对比模块，用于分析所述炉表温度测量模块测量的温度数据，并根据炉表温度测量模块测量的温度数据获取恒温带及梯度差带；
所述时间记录模块，用于测量时长。
优选的，所述高度统计模块在带动炉表温度测量模块进行上下移动时，沿竖直方向进行匀速移动。
优选的，所述炉表温度测量模块包括两个测量探头，两个测量探头之间的间距可调，且间距可调范围为2～20mm。
优选的，所述功率调节模块包括手动调节模块和自动调节模块；
所述手动调节模块，用于人工手动调节加热模块的输出功率；
所述自动调节模块，用于自动调节加热模块的输出功率。
优选的，所述数据统计模块还包括数据显示模块和数据导出模块；
所述数据显示模块，用于显示所述数据统计模块记录的数据；
所述数据导出模块，用于导出所述数据统计模块记录的数据。
一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统的控制方法，该用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统的控制方法如下：
步骤一、将硅原料加入多晶铸锭炉中，然后通过加热模块对多晶铸锭炉的内腔进行缓慢加热，使硅原料完全熔化，然后将加热模块的温度降低到到1440℃，并进行保温，随后利用炉表温度测量模块对多晶铸锭炉的温度进行扫描，数据统计模块对扫描结果及硅原料完全熔化所用时间进行记录；
步骤二、将多晶铸锭炉的内腔底部的加热模块缓慢降温至1415℃，然后通过高度统计模块带动炉表温度测量模块上下移动，通过炉表温度测量模块对多晶铸锭炉外侧的下端温度进行扫描，确保多晶铸锭炉外侧下端的温度不存在梯度差带，然后继续缓慢降低内腔底部的加热模块的温度，直至多晶铸锭炉外侧下端的温度出现梯度差带，然后保持温度不变，并记录底部加热模块此时的温度，此时多晶铸锭炉的内腔底部的温度会出现梯度差带与波动带，梯度差带与波动带的界限即为固液界面，固液界面所在高度即为炉表温度测量模块所在高度，然后对固液界面进行追踪，当固液界面的高度发生变化时，记录多晶铸锭炉的内腔底部的加热模块的保温时长；
步骤三、缓慢降低多晶铸锭炉内腔底部的加热模块的温度，使固液界面的增长速度保持在6～20mm每小时，记录底部加热模块温度的降低速度及固液界面的增长速度，随着固液界面高度增加，波动带会逐渐消失，此时多晶铸锭炉内腔底部的温度会出现梯度差带与恒温带，梯度差带与恒温带的界限即为固液界面；
步骤四、计算顶部加热模块对于长晶的干扰度，干扰度＝现在固液界面的增长速度/现在底部加热模块温度的变化速度÷初始固液界面的增长速度/初始底部加热模块温度的变化速度，当干扰度小于0.5时，则降低多晶铸锭炉内腔顶部的加热模块的温度，使干扰度保持在0.5及其以上，直至顶部的加热模块的温度降低至1415℃，记录底部及顶部加热模块的温度变化及固液界面的高度变化；
步骤五：控制顶部的加热模块的温度保持不变，底部加热模块的温度匀速降低，直至固液界面的高度不在增长，记录固液界面的高度及底部加热模块降温所用时长，缓慢降低内腔顶部的加热模块的温度，此时固液界面的高度继续增高，直至封顶。
优选的，所述步骤三中，固液界面的增长速度保持恒定，其波动范围小于±1mm每小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用炉内温度测量模块对加热模块的温度进行精准采集，然后利用炉表温度测量模块对多晶铸锭炉内部硅的温度进行粗略采集，然后利用采集出来的恒温带及梯度差带，对固液界面的高度进行判断，利用固液界面的增长速度来对加热模块需求的输出功率进行控制，进而避免对硅液的温度进行采集，从而提高温度输出功率的精准性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例：
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，包括包括温度测量模块、高度统计模块、加热模块、功率调节模块、数据统计模块、温度对比模块和时间记录模块；
温度测量模块包括炉内温度测量模块和炉表温度测量模块，炉内温度测量模块用于对多晶铸锭炉的内腔底部及顶部的加热模块的温度进行测量，炉表温度测量模块用于对多晶铸锭炉外表的温度进行测量，由于在长晶的过程中(包含晶胚形成、多晶生长及顶部收顶)，多晶铸锭炉内的固液界面存在一定的温度差，利用该温度差可以测定多晶铸锭炉内的固液界面的高度，炉表温度测量模块包括两个测量探头，两个测量探头之间的间距可调，且间距可调范围为2～20mm，在进行多晶生长时，晶体的生长速度需要保持在6～20mm每小时，通过调节两个测量探头之间的间距，可以实现在不移动炉表温度测量模块的前提下，对晶体的生长速度进行监测；
高度统计模块用于带动温度测量模块的炉表温度测量模块进行上下移动，炉表温度测量模块通过上下移动对多晶铸锭炉外表的温度进行检测，从而找出温度差的范围界限，进而找到固液界面，并对温度测量模块所在高度进行测量，以温度测量模块所在高度表示固液界面所在高度，固液界面高度表示固液界面与多晶铸锭炉内腔底部之间的距离，现有测量方式主要是测量距离的，为了保证温度测量模块所在高度的准确性，高度统计模块在带动炉表温度测量模块进行上下移动时需要沿竖直方向进行移动，最好是匀速移动，进而方便计算数据的延时；
加热模块包含两部分，一部为位于对多晶铸锭炉的内腔底部，用于对多晶铸锭炉的内腔底部进行加热，另一部分位于多晶铸锭炉的内腔顶部，用于对多晶铸锭炉的内腔顶部进行加热，在多晶铸锭炉的内腔底部开始散热降温时，多晶铸锭炉的内腔顶部的温度仍要大于硅的熔点，因此在晶体的生长中，通过加热模块在多晶铸锭炉的内腔底部及顶部进行加热，可以使得多晶铸锭炉的内腔中的温度始终保持着下低上高，从而使得晶体可以向上生长；
功率调节模块用于对加热模块的输出功率进行调节，多晶铸锭炉的内腔底部及顶部的加热模块是分开进行调节的，通过降低输出功率，可以降低加热模块的温度，进而使得多晶铸锭炉内腔中的硅液可以定向凝固，在对多晶铸锭炉的温度进行控制时，有时也需要人工进行控制，将功率调节模块包括手动调节模块和自动调节模块，手动调节模块用于人工手动调节加热模块的输出功率，自动调节模块，用于自动调节加热模块的输出功率；
数据统计模块，用于记录温度测量模块测量的温度数据、加热模块输出的功率数据以及高度统计模块测量的高度数据，然后建立炉内温度测量模块的温度数据和功率数据函数关系，加热模块的输出功率与加热模块的温度成正比，利用线性函数可以通过控制输出功率来控制加热模块的温度，多晶铸锭炉内固液界面的高度受到底部加热模块及顶部加热模块的共同影响，而多晶硅的生成是从底部向上长晶凝固的，因此在建立高度数据与炉内温度测量模块的温度数据的函数关系时，以底部加热模块的工作温度与高度数据的移动距离之间关系建立线性函数，在初始时，顶部加热模块对下方的干扰较低，此时固液界面的增长速度与底部加热模块的温度呈线性函数，随着高度固液界面的增高顶部加热模块对下方的干扰增大，此时加上干扰补偿建立函数关系，随着干扰持续增大，此时可以通过降低顶部加热模块的温度进行补偿；
温度对比模块用于分析炉表温度测量模块测量的温度数据，并根据炉表温度测量模块测量的温度数据获取恒温带及梯度差带，在硅原料熔化后，多晶铸锭炉的内腔中几乎全是液态硅，而液体会因为分子移动传热，此时多晶铸锭炉内只有恒温带，随着底部加热模块温度降低，与多晶铸锭炉底部接触的液态硅中的一些质点会先形成晶核，保持温度不变，此时这些晶核会横向生长，形成晶片，当这些晶片相遇时，其中一些会脱离多晶铸锭炉壁体进入液态硅中熔化，由于固态硅的导热效果差，所以此时固态硅中会存在一定的温度差，该温度差中温度从下向上逐渐升高，该温度差即为梯度差带，而此时的液态硅中，底部由于晶片进入熔化吸热，所以此时液态硅的下端会出现波动的温度范围，此范围即为波动带，而液态硅中，恒温区域即为恒温带，随着多晶铸锭炉的底部长满晶体后，晶片不会在脱落，之后波动带会逐渐消失，在波动带存在时，波动带与梯度差带的界限即为固液界面，当波动带不存在时，恒温带与梯度差带的界限即为固液界面；
时间记录模块，用于测量时长。
数据统计模块还包括数据显示模块和数据导出模块，数据显示模块用于显示数据统计模块记录的数据，进而便于使用人员的直接观察，数据导出模块用于导出数据统计模块记录的数据，从而便于数据的留存及检查。
一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统的控制方法，该用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统的控制方法如下：
步骤一、将硅原料加入多晶铸锭炉中，然后通过加热模块对多晶铸锭炉的内腔进行缓慢加热，使硅原料完全熔化，然后将加热模块的温度降低到到1440℃，并进行保温，随后利用炉表温度测量模块对多晶铸锭炉的温度进行扫描，数据统计模块对扫描结果及硅原料完全熔化所用时间进行记录；
步骤二、将多晶铸锭炉的内腔底部的加热模块缓慢降温至1415℃，硅的熔点为1410～1414℃，所以此时液态硅不会凝固，然后通过高度统计模块带动炉表温度测量模块上下移动，通过炉表温度测量模块对多晶铸锭炉外侧的下端温度进行扫描，确保多晶铸锭炉外侧下端的温度不存在梯度差带，即确保此时多晶铸锭炉内只有液态硅，然后继续缓慢降低内腔底部的加热模块的温度，直至多晶铸锭炉外侧下端的温度出现梯度差带，此时开始出现晶核，然后保持温度不变，并记录底部加热模块此时的温度，同时晶片进入液态硅，波动带也随之出现，梯度差带与波动带的界限即为固液界面，固液界面所在高度即为炉表温度测量模块所在高度，然后对固液界面进行追踪，当固液界面的高度发生变化时，记录多晶铸锭炉的内腔底部的加热模块的保温时长；
步骤三、缓慢降低多晶铸锭炉内腔底部的加热模块的温度，使固液界面的增长速度保持在6～20mm每小时，即多晶的生长速度，记录底部加热模块温度的降低速度及固液界面的增长速度，随着固液界面高度增加，波动带会逐渐消失，此时多晶铸锭炉内腔底部的温度会出现梯度差带与恒温带，梯度差带与恒温带的界限即为固液界面；
步骤四、计算顶部加热模块对于长晶的干扰度，干扰度＝现在固液界面的增长速度/现在底部加热模块温度的变化速度÷初始固液界面的增长速度/初始底部加热模块温度的变化速度，当干扰度小于0.5时，则降低多晶铸锭炉内腔顶部的加热模块的温度，使干扰度保持在0.5及其以上，当干扰度小于0.5，则表示顶部加热模块对底部的影响过大，需要降低顶部加热模块的温度，来减少干扰，直至顶部的加热模块的温度降低至1415℃，记录底部及顶部加热模块的温度变化及固液界面的高度变化；
步骤五：控制顶部的加热模块的温度保持不变，底部加热模块的温度匀速降低，直至固液界面的高度不在增长，记录固液界面的高度及底部加热模块降温所用时长，缓慢降低内腔顶部的加热模块的温度，此时固液界面的高度继续增高，直至封顶。
步骤三中，固液界面的增长速度保持恒定，其波动范围小于±1mm每小时，固液界面的增长速度保持恒定即多晶匀速生长，这样可以使得多晶硅保持良好的品质。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，其特征在于：包括温度测量模块、高度统计模块、加热模块、功率调节模块、数据统计模块、温度对比模块和时间记录模块；
所述温度测量模块包括炉内温度测量模块和炉表温度测量模块，所述炉内温度测量模块用于测量所述加热模块的温度，所述炉表温度测量模块用于测量多晶铸锭炉外表的温度；
所述高度统计模块，用于带动所述炉表温度测量模块进行上下移动，并对所述温度测量模块所在的高度进行测量；
所述加热模块，用于对多晶铸锭炉的内腔底部及顶部进行加热；
所述功率调节模块，用于对所述加热模块的输出功率进行调节；
所述数据统计模块，用于记录所述温度测量模块测量的温度数据、所述加热模块输出的功率数据以及所述高度统计模块测量的高度数据，然后建立炉内温度测量模块的温度数据和功率数据函数关系，建立高度数据与炉内温度测量模块的温度数据的函数关系；
所述温度对比模块，用于分析所述炉表温度测量模块测量的温度数据，并根据炉表温度测量模块测量的温度数据获取恒温带及梯度差带；
所述时间记录模块，用于测量时长。
2.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，其特征在于：所述高度统计模块在带动炉表温度测量模块进行上下移动时，沿竖直方向进行匀速移动。
3.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，其特征在于：所述炉表温度测量模块包括两个测量探头，两个测量探头之间的间距可调，且间距可调范围为2～20mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，其特征在于：所述功率调节模块包括手动调节模块和自动调节模块；
所述手动调节模块，用于人工手动调节加热模块的输出功率；
所述自动调节模块，用于自动调节加热模块的输出功率。
5.根据权利要求1所述的一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统，其特征在于：所述数据统计模块还包括数据显示模块和数据导出模块；
所述数据显示模块，用于显示所述数据统计模块记录的数据；
所述数据导出模块，用于导出所述数据统计模块记录的数据。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统的控制方法，其特征在于：该用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统的控制方法如下：
步骤一、将硅原料加入多晶铸锭炉中，然后通过加热模块对多晶铸锭炉的内腔进行缓慢加热，使硅原料完全熔化，然后将加热模块的温度降低到到1440℃，并进行保温，随后利用炉表温度测量模块对多晶铸锭炉的温度进行扫描，数据统计模块对扫描结果及硅原料完全熔化所用时间进行记录；
步骤二、将多晶铸锭炉的内腔底部的加热模块缓慢降温至1415℃，然后通过高度统计模块带动炉表温度测量模块上下移动，通过炉表温度测量模块对多晶铸锭炉外侧的下端温度进行扫描，确保多晶铸锭炉外侧下端的温度不存在梯度差带，然后继续缓慢降低内腔底部的加热模块的温度，直至多晶铸锭炉外侧下端的温度出现梯度差带，然后保持温度不变，并记录底部加热模块此时的温度，此时多晶铸锭炉的内腔底部的温度会出现梯度差带与波动带，梯度差带与波动带的界限即为固液界面，固液界面所在高度即为炉表温度测量模块所在高度，然后对固液界面进行追踪，当固液界面的高度发生变化时，记录多晶铸锭炉的内腔底部的加热模块的保温时长；
步骤三、缓慢降低多晶铸锭炉内腔底部的加热模块的温度，使固液界面的增长速度保持在6～20mm每小时，记录底部加热模块温度的降低速度及固液界面的增长速度，随着固液界面高度增加，波动带会逐渐消失，此时多晶铸锭炉内腔底部的温度会出现梯度差带与恒温带，梯度差带与恒温带的界限即为固液界面；
步骤四、计算顶部加热模块对于长晶的干扰度，干扰度＝现在固液界面的增长速度/现在底部加热模块温度的变化速度÷初始固液界面的增长速度/初始底部加热模块温度的变化速度，当干扰度小于0.5时，则降低多晶铸锭炉内腔顶部的加热模块的温度，使干扰度保持在0.5及其以上，直至顶部的加热模块的温度降低至1415℃，记录底部及顶部加热模块的温度变化及固液界面的高度变化；
步骤五：控制顶部的加热模块的温度保持不变，底部加热模块的温度匀速降低，直至固液界面的高度不在增长，记录固液界面的高度及底部加热模块降温所用时长，缓慢降低内腔顶部的加热模块的温度，此时固液界面的高度继续增高，直至封顶。
7.根据权利要求6所述的一种用于多晶铸锭炉的温度输出功率控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤三中，固液界面的增长速度保持恒定，其波动范围小于±1mm每小时。
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