CN201133766Y - 采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉 - Google Patents

采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉 Download PDF

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本实用新型提供的一种采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，包含炉底自动进料机构，炉体加热机构，以及炉顶机构；炉底自动进料机构包含炉底、坩埚、连接炉底的升降机构、连接升降机构的水平移动机构；炉体加热机构包含炉身、可移动加热元件、保温层；炉顶机构包含炉盖、设置在炉盖上的在线加料装置、抽真空装置、气体导入装置、观察窗和热电偶测温装置；本实用新型能够将固体硅料加热熔融之后在能够以连续梯度自下而上地进行降温、从而能够达到通过自动结晶对坩埚内的硅料同时进行提纯和精铸锭。

Description

采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉
技术领域
本实用新型属于多晶硅生产设备技术领域，特别涉及一种制备高纯度(纯度99.99％)多晶硅的分凝和铸锭用真空炉。
背景技术
在多晶硅的生产和提纯的过程中，尤其是物理或冶金法制备提纯多晶硅的过程中，需要通过定向凝固去杂和铸锭。中国专利200620031881.4实用新型专利公开了一种制备多晶硅用铸锭炉，在通过自下而上设有分层加热元件的加热罩来对坩埚中的硅水进行加热、保温和冷却，并在坩埚底部设有水冷循环系统，并在坩埚底部和保温罩顶部设有升降机构，以进行倒入硅水和出料，由于硅水由上直接倒入坩埚在实际操作中并不可行，容易造成氧化、硅水溅出和容易造成坩埚损坏；炉顶的机构复杂，容易故障；而采用分层加热元件的方式无法保证坩埚内硅水凝固铸锭的效果。因此，该专利实际并不可行。
实用新型内容
本实用新型提供的一种采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，能够将固体硅料加热熔融之后在能够以连续梯度自下而上地进行降温、从而能够达到通过自动结晶对坩埚内的硅料同时进行提纯和精铸锭。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，包含炉底自动进料机构，炉体加热机构，以及炉顶机构；
所述的炉底自动进料机构包含炉底、坩埚、连接炉底的升降机构、连接升降机构的水平移动机构；所述的坩埚底部放置在具有一定厚度的均热层上，均热层底部设置有底部加热元件，底部加热元件的下部设置炉底保温层，再下面通过一炉底支架与炉底相连；所述的炉底内侧设有支承坩埚的水冷层，水冷层上有石墨温度缓冲层和绝热层；
所述的升降机构上升则将炉底与炉体闭合，下降则炉底打开，水平移动机构可以将炉底移到炉体以外供上下料用；升降机构设有导向装置，实现炉底平稳同步升降；炉底降到地面移动小车后可与升降机构脱开，可随平移机构在轨道上水平移动，并进行自动装卸料；
所述的炉体加热机构包含炉身、可移动加热元件、保温层；所述的炉体内部带有测温装置，可检测炉内温度分布；所述的可移动加热元件设置若干组，各组加热元件的功率采用高精度温度控制，实现独立的加热升降温控制；保温层由炉盖上的支架固定，在炉内安装在滑动导轨上，保证保温层在炉内平稳移动，保温层升降时与加热元件同步升降；
所述的炉顶机构包含炉盖、设置在炉盖上的在线加料装置、抽真空装置、气体导入装置、观察窗和热电偶测温装置；所述的气体导入装置包含保护气体导入装置和反应气体导入装置；
所述的抽真空装置和保护气体导入装置的气体流量均可以控制；
所述的炉盖、炉身、炉底均为双层水冷双层结构，内表面作洁净防尘处理，炉壳内带炉衬，确保保温性能和炉温的均热分布；
本实用新型还包含一控制装置，对炉内温度和加热元件的运动进行控制；
工作时，先将炉底下降并移到炉外上料，在炉体外部将硅料放在炉底上的坩埚内；装料完毕后炉底与炉身闭合；开始通过抽真空装置抽真空，达到预定的真空度后，通电加热使坩埚及坩埚内的硅料升温熔融，同时通过保护气体导入装置通入保护气体；在硅液熔融时，原固体料面会下降，此时可以通过在线加料装置进行中途在线加料，使坩埚内每次处理的料量尽可能大；在加足料并熔融一定时间后，可通过反应气体导入装置通入反应气体进行精炼。在融化到预定的时间后，开始通过控制加热件的电流，并且通过向上移动加热元件达到使坩埚内开始进行梯度降温，使坩埚和坩埚内的熔化的硅液从底部开始向上逐步连续地按时间与空间梯度进行降温，同时，冷却系统开始工作，在底部温度降到硅的熔点以下时，硅液从底部开始凝固，并开始向上结晶，认真控制坩埚内的温度，使固液界面水平地缓慢上移，硅液逐渐结晶形成多晶硅，并将分凝系数小的杂质向上挤出，达到去杂的目的。在坩埚内的硅完全结晶后，开始缓慢降低加热元件的功率以降低温度，在功率降到零后，加大保护气体的流量进一步冷却降温，当温度降到预定温度后，通过自动上下料机构取出凝固的硅料，得到可直接用于切片的多晶硅锭；
本铸锭炉的控制系统采用高精度温度控制与运动控制，由人机界面、PLC(可编程控制器Programmable logic Controller)、仪表和传感器以及传动机构和执行机构组成，安装于控制柜内和炉体各处。自动控制系统自动控制与电气系统应保证系统能够按工艺的要求进行工艺流程控制和参数控制，并对炉体生产过程中的生产参数进行监测、记录和报警，同时人员能够通过操作台进行手动控制以及手/自动无扰动切换。PLC能够接受来自用户的数学模型提供的控制参数和设定值，并按数学模型给出的控制参数进行控制，各系统设有过热、过压、过流等报警功能，能实时监控记录各系统功率；
本实用新型采用连续梯度温度精确下降和按数学模型计算温度升降速率的方法，可以使坩埚内的温度分布平稳，可以使硅的固液界面达到良好的控制，达到最优的晶向拉伸效果和去杂效果。每炉每次可对多达一吨的多晶硅进行提纯和铸锭，处理量与炉体和坩埚的大小及加热功率等因素有关，每炉处理时间为36-100小时，处理时间与硅料的重量和结晶状况有关。
附图说明
图1是本实用新型提供的一种采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉的结构示意图。
具体实施方式
以下根据图1，具体说明本实用新型的较佳实施方式：
如图1所示，本实用新型提供了一种采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，包含炉底自动进料机构，炉体加热机构，以及炉顶机构；
所述的炉底自动进料机构包含炉底3、坩埚8、连接炉底的升降机构5、连接升降机构5的水平移动机构4；所述的坩埚8底部放置在具有一定厚度的均热层10上，均热层10底部设置有底部加热元件11，底部加热元件11的下部设置炉底保温层12，再下面通过一炉底支架16与炉底3相连；所述的炉底3内侧设有支承坩埚的水冷层18，水冷层18上有石墨温度缓冲层和绝热层；
所述的升降机构5上升则将炉底3与炉体2闭合，下降则炉底3打开，水平移动机构4可以将炉底3移到炉体以外供上下料用；升降机构5设有导向装置，实现炉底3平稳同步升降；炉底3降到地面移动小车后可与升降机构5脱开，可随平移机构在轨道上水平移动，并进行自动装卸料；
所述的炉体加热机构包含炉身2、可移动加热元件7、保温层6；所述的炉体内部带有测温装置，可检测炉内温度分布；所述的可移动加热元件7均采用高密度多组石墨棒，数量可由12根到36根，能确保电阻值的稳定，采用稳固结构可保证在长期升温时发热分布均匀的要求，各组加热元件7的功率采用高精度温度控制，实现独立的加热升降温控制；保温层6采用低污染或无挥发的耐热材料，由炉盖1上的支架固定，在炉内安装在滑动导轨上，保证保温层6在炉内平稳移动，保温层6升降时与加热元件7同步升降；
所述的炉顶机构包含炉盖1、设置在炉盖1上的在线加料装置17、抽真空装置14、气体导入装置、观察窗和热电偶测温装置；所述的气体导入装置包含保护气体导入装置13和反应气体导入装置15；
所述的抽真空装置14和保护气体导入装置13的气体流量均可以控制；
所述的炉盖1、炉身2、炉底3均为双层水冷双层结构，内表面作洁净防尘处理，炉壳内带炉衬，确保保温性能和炉温的均热分布；
本实用新型还包含一控制装置，对炉内温度和加热元件的运动进行控制；
工作时，先将炉底3下降并移到炉外上料，在炉体外部将硅料9放在炉底上的坩埚8内；装料完毕后炉底3与炉身2闭合；开始通过抽真空装置14抽真空，达到预定的真空度后，通电加热使坩埚8及坩埚内的硅料9升温熔融，同时通过保护气体导入装置13通入保护气体；在硅液熔融时，原固体料面会下降，此时可以通过在线加料装置17进行中途在线加料，使坩埚内每次处理的料量尽可能大；在加足料并熔融一定时间后，可通过反应气体导入装置15通入反应气体进行精炼。在融化到预定的时间后，开始通过控制加热件的电流，并且通过向上移动加热元件7达到使坩埚内开始进行梯度降温，使坩埚8和坩埚内的熔化的硅液9从底部开始向上逐步连续地按时间与空间梯度进行降温，同时，冷却系统开始工作，在底部温度降到硅的熔点以下时，硅液从底部开始凝固，并开始向上结晶，认真控制坩埚内的温度，使固液界面水平地缓慢上移，硅液9逐渐结晶形成多晶硅，并将分凝系数小的杂质向上挤出，达到去杂的目的。在坩埚8内的硅完全结晶后，开始缓慢降低加热元件7的功率以降低温度，在功率降到零后，加大保护气体13的流量进一步冷却降温，当温度降到预定温度后，通过自动上下料机构取出凝固的硅料9，得到可直接用于切片的多晶硅锭；
本铸锭炉的控制系统采用高精度温度控制与运动控制，由人机界面、PLC(可编程控制器Programmable logic Controller)、仪表和传感器以及传动机构和执行机构组成，安装于控制柜内和炉体各处。自动控制系统自动控制与电气系统应保证系统能够按工艺的要求进行工艺流程控制和参数控制，并对炉体生产过程中的生产参数进行监测、记录和报警，同时人员能够通过操作台进行手动控制以及手/自动无扰动切换。PLC能够接受来自用户的数学模型提供的控制参数和设定值，并按数学模型给出的控制参数进行控制，各系统设有过热、过压、过流等报警功能，能实时监控记录各系统功率；
本实用新型采用连续梯度温度精确下降和按数学模型计算温度升降速率的方法，可以使坩埚内的温度分布平稳，可以使硅的固液界面达到良好的控制，达到最优的晶向拉伸效果和去杂效果。每炉每次可对多达一吨的多晶硅进行提纯和铸锭，处理量与炉体和坩埚的大小及加热功率等因素有关，每炉处理时间为36-100小时，处理时间与硅料的重量和结晶状况有关。

Claims (10)

1.一种采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，包含炉底自动进料机构，炉体加热机构，以及炉顶机构；
所述的炉底自动进料机构包含炉底(3)、坩埚(8)、连接炉底的升降机构(5)、连接升降机构(5)的水平移动机构(4)；
所述的炉体加热机构包含炉身(2)、可移动加热元件(7)、保温层(6)；
所述的炉顶机构包含炉盖(1)、设置在炉盖(1)上的在线加料装置(17)、抽真空装置(14)、气体导入装置、观察窗和热电偶测温装置；
2.如权利要求1所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的坩埚(8)底部放置在具有一定厚度的均热层(10)上，均热层(10)底部设置有底部加热元件(11)，底部加热元件(11)的下部设置炉底保温层(12)，再下面通过一炉底支架(16)与炉底(3)相连。
3.如权利要求1所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉还包含一控制装置，对炉内温度和加热元件(7)的运动进行控制。
4.如权利要求1所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的炉底(3)内侧设有支承坩埚的水冷层(18)，水冷层(18)上有石墨温度缓冲层和绝热层。
5.如权利要求1所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的升降机构(5)设有导向装置；所述的炉体内部带有测温装置。
6.如权利要求1所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的可移动加热元件(7)设置若干组，保温层(6)由炉盖(1)上的支架固定，在炉内安装在滑动导轨上，保温层(6)升降时与加热元件7)同步升降。
7.如权利要求6所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的可移动加热元件(7)采用高密度多组石墨棒，数量由12根到36根。
8.如权利要求6所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，保温层(6)采用低污染或无挥发的耐热材料。
9.如权利要求1所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的气体导入装置包含保护气体导入装置(13)和反应气体导入装置(15)，抽真空装置(14)和保护气体导入装置(13)的气体流量均可以控制。
10.如权利要求1所述的采用梯度降温的多晶硅精铸锭炉，其特征在于，所述的炉盖(1)、炉身(2)、炉底(3)均为双层水冷双层结构，内表面作洁净防尘处理，炉壳内带炉衬。
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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Jiangsu strong Photovoltaic Technology Co., Ltd.

Assignor: Shanghai Pro Entergy Technology Co., Ltd.

Contract record no.: 2012320000363

Denomination of utility model: Polycrystalline silicon fine ingot furnace adopting gradient temperature reduction

Granted publication date: 20081015

License type: Exclusive License

Record date: 20120330

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20081015

Termination date: 20131130