專利名稱：一種多晶硅分凝鑄錠爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于多晶硅生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于制備高純 度多晶硅的分凝鑄錠用真空爐。
背景技術(shù)：
在多晶硅的生產(chǎn)和提純的過程中，尤其是在使用物理或冶金法制備提純 多晶硅的過程中，需要通過定向凝固來去雜和鑄錠。中國(guó)實(shí)用新型專利200620031881.4公開了一種制備多晶硅用的鑄錠爐，采用對(duì)上工序的硅水加 熱，在通過自下而上設(shè)有分層加熱元件的加熱罩來對(duì)坩堝中的硅水進(jìn)行加熱、 保溫和冷卻，并在坩堝底部設(shè)有水冷循環(huán)系統(tǒng)，還在坩堝底部和保溫罩頂部 設(shè)有升降機(jī)構(gòu)，以進(jìn)行倒入硅水和出料，由于硅水由上直接倒入坩堝在實(shí)際 操作中并不可行，容易造成氧化、硅水濺出以及導(dǎo)致坩堝損壞；而且該專利 中爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障；而采用分層加熱元件的方式無法保證柑 堝內(nèi)硅水凝固鑄錠的效果。因此，該中國(guó)實(shí)用新型專利200620031881.4實(shí)際 并不可行。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種多晶硅分凝鑄錠爐，其能夠?qū)⒐枇?加熱熔融之后，以任意設(shè)定的速度自下而上均勻降溫，從而達(dá)到通過定向凝 固對(duì)硅料同時(shí)進(jìn)行提純和鑄錠，并使硅料的固液界面得到良好控制，達(dá)到最 優(yōu)的結(jié)晶效果和去雜效果。為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型提供一種多晶硅分凝鑄錠爐，其包含可分離 的爐蓋，爐身和爐底裝置，特點(diǎn)是所述的爐身內(nèi)設(shè)置有硅料容納裝置和若干均勻分布的加熱裝置；所述的硅料容納裝置通過連接機(jī)構(gòu)與爐底連接固定；所述的加熱裝置包含加熱元件和控制該加熱元件升降的運(yùn)動(dòng)控制裝置；所述的爐底裝置包含爐底，與爐底連接的升降裝置，以及和該升降裝置 連接的水平移動(dòng)裝置。所述的硅料容納裝置包含坩堝，及設(shè)置在坩堝底部的均熱層。所述的加熱元件為石墨棒。所述的均熱層為石墨料臺(tái)。進(jìn)一步，所述的多晶硅分凝鑄錠爐中還設(shè)置有爐體保溫層，其包含爐側(cè) 保溫層，以及設(shè)置在石墨平臺(tái)底部的爐底保溫層。 所述的爐體保溫層為石墨氈。所述的爐側(cè)保溫層通過爐蓋上的支架固定，其通過滑動(dòng)導(dǎo)軌，與爐身內(nèi) 的加熱元件同步平穩(wěn)升降。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含一自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制爐內(nèi)溫度變化和加熱 元件升降速度的控制系統(tǒng)。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含設(shè)置在爐身內(nèi)的保護(hù)氣體輸入裝置，其 通過設(shè)置在爐蓋上的氣體導(dǎo)入接口連接固定。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含設(shè)置在爐身內(nèi)的真空裝置，其通過設(shè)置 在爐蓋上的氣體導(dǎo)入接口連接固定。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含設(shè)置在坩堝內(nèi)的反應(yīng)氣體輸入裝置，其 通過設(shè)置在爐蓋上的氣體導(dǎo)入接口連接固定。本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，可通過控制系統(tǒng)接受來自用戶自 行設(shè)定的數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值和實(shí)時(shí)測(cè)量值，并按該數(shù)學(xué)模型給 出的精確控制參數(shù)進(jìn)行溫度和升降移動(dòng)控制，能將硅料加熱熔融之后，以任 意設(shè)定的速度自下而上均勻降溫，從而達(dá)到通過定向凝固對(duì)硅料同時(shí)進(jìn)行提 純和鑄錠，并使硅料的固液界面得到良好控制，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)晶效果和去雜效果。本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，無論是固體，還是液體硅料，上 下料的步驟均在爐底處進(jìn)行，由此大大簡(jiǎn)化了原先爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，同時(shí)，爐蓋 的設(shè)置能大大方便整個(gè)爐體的維修。本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，在加熱和冷卻硅料的過程中，無需移動(dòng)被固定的坩堝，減少了振動(dòng)，保證凝固時(shí)的硅結(jié)晶狀態(tài)完好；另外， 由于坩堝放置在均熱層上，均熱層底部又設(shè)置爐底保溫層，由此可保證坩堝的溫度和降溫時(shí)的變化速率在整個(gè)底部是均勻的。

圖1是本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合圖l，詳細(xì)說明本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式-如圖1所示，本實(shí)用新型所提供的多晶硅分凝鑄錠爐，其包含可分離的 爐蓋l，爐身2和爐底裝置，特點(diǎn)是所述的爐身2內(nèi)設(shè)置有硅料容納裝置和若干均勻分布的加熱裝置； 所述的硅料容納裝置通過連接機(jī)構(gòu)12與爐底3連接固定； 所述的加熱裝置包含加熱元件7和控制該加熱元件7升降的運(yùn)動(dòng)控制裝置；所述的爐底裝置包含與爐底3本身連接的升降裝置5，以及和該升降裝 置5連接的水平移動(dòng)裝置4。所述的硅料容納裝置包含坩堝8，及設(shè)置在坩堝8底部的均熱層10。所述的均熱層IO為石墨料臺(tái)，或采用其它耐高溫材料。所述的加熱元件7為石墨棒，本實(shí)施例中，設(shè)置有12-36根石墨棒。進(jìn)一步，所述的多晶硅分凝鑄錠爐中還設(shè)置有爐體保溫層，該爐體保溫 層為低污染、無揮發(fā)的耐熱材料， 一般為石墨氈，或采用其它高溫絕熱材料； 其包含爐側(cè)保溫層6，以及設(shè)置在均熱層10底部的爐底保溫層11 。所述的爐側(cè)保溫層6通過爐蓋1上的支架固定，其通過滑動(dòng)導(dǎo)軌，與爐 身2內(nèi)的加熱元件7同步平穩(wěn)升降。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含一自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制爐內(nèi)溫度變化和加熱 元件升降速度的控制系統(tǒng)。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含設(shè)置在爐身2內(nèi)的保護(hù)氣體輸入裝置 13，其通過設(shè)置在爐蓋l上的氣體導(dǎo)入接口連接固定。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含設(shè)置在爐身2內(nèi)的真空裝置14，其通過 設(shè)置在爐蓋1上的氣體導(dǎo)入接口連接固定。所述的多晶硅分凝鑄錠爐還包含設(shè)置在坩堝8內(nèi)的反應(yīng)氣體輸入裝置15，其通過設(shè)置在爐蓋l上的氣體導(dǎo)入接口連接固定。本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，其工作過程如下 先通過升降裝置5將爐底3下降，與爐身2分離打開，再通過水平移動(dòng) 裝置4將其并移到爐底3移到爐外進(jìn)行上料，在爐體外部將硅料9放在固定 在爐底上的坩堝8內(nèi)；該硅料9可以是固體，也可以是液體；裝料完畢后， 通過水平移動(dòng)裝置4將爐底3再移回到爐身2下部，再通過升降裝置5使?fàn)t 底3與爐身2結(jié)合密閉；通過運(yùn)動(dòng)控制裝置控制全部加熱元件石墨棒7下降到最低位置，然后通 過真空系統(tǒng)14對(duì)爐內(nèi)抽真空，達(dá)到預(yù)定的真空度后，通電加熱使坩堝8及坩 堝8內(nèi)的硅料9升溫熔融，同時(shí)通過保護(hù)氣體輸入系統(tǒng)13向爐內(nèi)通入保護(hù)氣 體；在硅料熔融時(shí)，可通過反應(yīng)氣體輸入系統(tǒng)15向坩堝8內(nèi)通入反應(yīng)氣體， 使反應(yīng)氣體與硅料9中的雜質(zhì)反應(yīng)，以便通過蒸發(fā)、造渣和降低分凝系數(shù)， 便于硅料的分凝提純；在一定的時(shí)間后，通過運(yùn)動(dòng)控制裝置的控制，緩慢向上移動(dòng)石墨棒7, 石墨棒7的上移速度由液體熱力學(xué)模型給定，該使坩堝8和坩堝內(nèi)的熔化的 硅料9從底部開始向上逐步均勻降溫，并從底部向上慢慢凝固，保持固液界 面始終按一個(gè)平面上升，在凝固的過程中，硅料9結(jié)晶形成多晶硅，并在分 凝作用下將分凝系數(shù)小的雜質(zhì)向上擠出，達(dá)到去雜的目的，同時(shí)又能達(dá)到良 好的鑄錠效果；在坩堝8內(nèi)的硅料9完全結(jié)晶后，開始緩慢降低石墨棒7的功率以降低 溫度，在功率降到零后，加大保護(hù)氣體的流量以進(jìn)一步冷卻降溫，當(dāng)溫度降 到預(yù)定溫度后，再打開下降爐底3，再通過水平移動(dòng)裝置4將連接坩堝8的 爐底3移到爐外，取出凝固的硅料9，切除硅塊表面部分雜質(zhì)較高的部分， 即可得到高純度的多晶硅錠。本實(shí)用新型每爐每次可對(duì)多達(dá)一噸的多晶硅進(jìn)行提純和鑄錠，處理量與 爐體和坩堝的大小及加熱功率等因素有關(guān)，每爐的處理時(shí)間為40-90小時(shí)不 等，處理時(shí)間與硅料的重量和結(jié)晶狀況有關(guān)。本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)高精度實(shí)時(shí)的 進(jìn)行溫度和升降移動(dòng)控制，該自動(dòng)控制系統(tǒng)由人機(jī)界面、PLC (可編程控制 器Programmable logic Controller)、儀表和傳感器以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，能夠按工藝要求實(shí)時(shí)控制打開爐底、裝料、卸料的操作，按指定的溫度 設(shè)定值和曲線對(duì)加熱元件進(jìn)行升溫、保溫、降溫控制，按設(shè)定的數(shù)學(xué)模型控 制加熱元件的升降速率，控制保護(hù)氣體和反應(yīng)氣體的通斷，控制保護(hù)氣體的 流量和壓力，控制電路和閥門的開關(guān)，并對(duì)爐體生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行 監(jiān)測(cè)和記錄，在故障發(fā)生時(shí)報(bào)警，同時(shí)人員能夠通過操作臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)控制以 及手/自動(dòng)無擾動(dòng)切換。
本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，可通過控制系統(tǒng)接受來自用戶自 行設(shè)定的數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值和實(shí)時(shí)測(cè)量值，并按該數(shù)學(xué)模型給 出的精確控制參數(shù)進(jìn)行溫度和升降移動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，能將硅料加熱熔融之后， 以任意設(shè)定的速度自下而上均勻降溫，從而達(dá)到通過定向凝固對(duì)硅料同時(shí)進(jìn) 行提純和鑄錠，并使硅料的固液界面得到良好控制，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)晶效果和 去雜效果。
本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，無論是固體，還是液體硅料，上 下料的步驟均在爐底處進(jìn)行，由此大大簡(jiǎn)化了原先爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，同時(shí)，爐蓋 的設(shè)置能大大方便整個(gè)爐體的維修。
本實(shí)用新型提供的多晶硅分凝鑄錠爐，在加熱和冷卻硅料的過程中，無
需移動(dòng)被固定的坩堝，減少了振動(dòng)，保證凝固時(shí)的硅結(jié)晶狀態(tài)完好；另外， 由于坩堝放置在均熱層石墨料臺(tái)上，石墨料臺(tái)底部又設(shè)置爐底保溫層，由此 可保證柑堝的溫度和降溫時(shí)的變化速率在整個(gè)底部是均勻的。
權(quán)利要求1.一種多晶硅分凝鑄錠爐，包含可分離的爐蓋(1)，爐身(2)和爐底裝置，其特征在于；所述的爐身(2)內(nèi)設(shè)置有硅料容納裝置和若干均勻分布的加熱裝置；所述的硅料容納裝置通過連接機(jī)構(gòu)(12)與爐底(3)連接固定；所述的加熱裝置包含加熱元件(7)和控制該加熱元件(7)升降的運(yùn)動(dòng)控制裝置；所述的爐底裝置包含爐底(3)，與該爐底(3)連接的升降裝置(5)，以及和該升降裝置(5)連接的水平移動(dòng)裝置(4)。
專利摘要一種多晶硅分凝鑄錠爐，包含可分離的爐蓋，爐身和爐底裝置；該爐身內(nèi)設(shè)置有硅料容納裝置和若干均勻分布的加熱裝置；該硅料容納裝置通過連接機(jī)構(gòu)與爐底連接固定；該加熱裝置包含加熱元件和控制該加熱元件升降的運(yùn)動(dòng)控制裝置；該爐底裝置包含爐底，與爐底連接的升降裝置，以及和該升降裝置連接的水平移動(dòng)裝置；本實(shí)用新型還包含一自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制爐內(nèi)溫度變化和加熱元件升降速度的控制系統(tǒng)。本實(shí)用新型可自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制加熱元件的升降和爐內(nèi)溫度變化，使硅料的固液界面達(dá)到良好的控制，獲得最優(yōu)的結(jié)晶效果和去雜效果。
文檔編號(hào)F27B14/08GK201133765SQ20072019865
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者晨 佟, 珺 史, 川 水, 蔣君祥 申請(qǐng)人:上海普羅新能源有限公司