專利名稱：一種用于多晶硅鑄錠工藝的真空壓力連續(xù)控制方法及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)爐真空壓力和氣體流量的連續(xù)控制，進(jìn)一步是指一種 多晶硅鑄錠工藝的真空壓力連續(xù)控制方法及其控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，制備太陽能電池用硅錠的生產(chǎn)工藝主要包括單晶硅拉制和多晶硅鑄 錠。多晶硅鑄錠技術(shù)由于能直接熔鑄出適于規(guī)?；a(chǎn)的大尺寸方形硅錠、制 造過程相對簡單、生產(chǎn)成木大為降低，從而成為太陽能電池用硅錠制備的主流方法。
制備太陽能電池用硅錠工藝過程包括硅料加熱、硅料熔化、晶體生長、 硅錠退火、硅錠冷卻五個過程。全過程時間長約50小時。
1) 由于硅料在加熱到1175"C以前，爐膛材料會放氣及爐內(nèi)真空油脂、 加熱器及隔熱層吸收的水份等雜質(zhì)揮發(fā)，需快速除氣，控制爐壓小 于0. 01 mbar (約6小時)；
2) 溫度從1175"C加熱到1200期間，為了保護(hù)鑄錠使用的模具-石英 坩堝脫模層SIN涂層不會在低真空度下?lián)]發(fā)、脫落，且加熱用的石 墨加熱器必須在真空負(fù)壓下及通于高純惰性氣體(Ar)保護(hù)，需精 確快速控制真空壓力達(dá)到600mbar (30分鐘)；
3) 當(dāng)加熱到達(dá)120(TC后，真空壓力需在600mbar恒定，進(jìn)入"硅料 熔化"階段(約10小時)，直到晶體生長(約18小時)、硅錠退火 完成溫度128(TC (約3小時)；
4) 進(jìn)入硅錠冷卻階段1280。C到400°C，仍需控制真空壓力在600mbar 恒定，防止硅錠降溫開裂(約ll小時)；
5) 出爐調(diào)壓到950mbar (20分鐘)。如果以上過程真空壓力控制不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩、波動較大，則進(jìn)氣、排氣 不穩(wěn)定，會嚴(yán)重影響硅錠質(zhì)量。由于時間長達(dá)50小時，還需節(jié)省工藝氬氣進(jìn)氣 耗量，減少生產(chǎn)運行成本。
當(dāng)前常規(guī)的真空壓力控制方法有如下三種
1) 真空區(qū)域排氣閥ON/OFF方式；
2) 蝶閥排氣開度PID控制方式；
3) 固定輸入進(jìn)氣+排氣開度PID連續(xù)控制方式。
上述第一種方式簡單，但真空壓力只能區(qū)域控制，波動很大，不能連 續(xù)調(diào)節(jié)真空壓力。
上述第二種方式能連續(xù)調(diào)節(jié)真空壓力，但由于蝶閥是采用電機驅(qū)動， 可靠性太差，故障太高，壓力波動大，不適于長期運行。
上述第三種方式應(yīng)用非常廣泛，能連續(xù)調(diào)節(jié)真空壓力，但真空壓力易 產(chǎn)生超調(diào)，調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間長，進(jìn)氣流量難以控制且消耗量大，運行成本高。當(dāng) 壓力設(shè)定值發(fā)生階躍變化，如果采用常規(guī)的"排氣調(diào)壓"模式，如真空壓力測 量值與設(shè)定值比較偏低時，會關(guān)閉"排氣調(diào)節(jié)閥"，即關(guān)閉真空"廢氣排氣口"， 爐內(nèi)氣體停留時間過長及爐內(nèi)雜質(zhì)會迅速與多晶硅發(fā)生反應(yīng)，影響多晶硅性能。 同樣在"硅料冷卻"降溫階段，由于降溫時間長達(dá)約11小時，采用"排氣 調(diào)節(jié)"，固定進(jìn)氣，既難保證廢氣排出穩(wěn)定、暢通，還會耗費大量的工藝氣體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，根據(jù)上述工藝要 求提供一種用于多晶硅鑄錠工藝的真空壓力連續(xù)控制方法及其控制系統(tǒng)，能用 于多晶硅鑄錠生產(chǎn)，穩(wěn)定控制真空爐壓，保證進(jìn)氣、排氣同時穩(wěn)定，節(jié)省輸入 氣體耗量。簡單實用，且控制效果理想。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是， 一種用于多晶硅鑄錠工藝真空壓力連續(xù)控制方
法，在爐溫《1175'C時，對加熱爐內(nèi)抽真空，當(dāng)爐溫〉1175'C后直到冷卻結(jié)束 階段，對加熱爐進(jìn)行氣體調(diào)壓，其中氣體調(diào)壓時，實時檢測加熱爐內(nèi)真空壓力，進(jìn)行壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)；所述壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)是根據(jù)爐溫范圍選擇進(jìn)氣調(diào)節(jié)和排氣調(diào) 節(jié)兩種方式，進(jìn)氣調(diào)節(jié)時，恒定抽氣量，調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量；排氣調(diào)節(jié)時，恒定進(jìn) 氣流量，調(diào)節(jié)排氣量。
進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述控制方法的控制系統(tǒng)，包括控制 部分、進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)；其中進(jìn)氣系統(tǒng)包括一條由氣體質(zhì)量流量控制器和 進(jìn)氣閥組成的支路和一條由手動旁通進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和旁通進(jìn)氣電磁閥組成的支 路，兩路支路均接入加熱爐的進(jìn)氣口；加熱爐的出氣口連接有排氣系統(tǒng)，其包 括一條由真空閥和真空抽氣比例閥組成的小抽支路和一條由真空主抽閥組成的 大抽管路，同時，所述真空主抽閥通過一羅茨泵與真空抽氣比例閥一同接入機 械泵，最后機械泵接入排氣口；其中控制部分包括與加熱爐連接的真空規(guī)壓力 傳感器，分別與真空規(guī)壓力傳感器連接的進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器和排氣調(diào)節(jié)控制器， 進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器和排氣調(diào)節(jié)控制器分別接入進(jìn)氣系統(tǒng)中的氣體質(zhì)量流量控制器 和排氣系統(tǒng)中的真空抽氣比例閥。
以下對本發(fā)明做出進(jìn)一步說明
鑄錠工藝全過程抽真空，設(shè)置機械泵與羅茨泵，組成一個前后級真空抽氣 系統(tǒng)，其羅茨泵為增壓泵，在真空壓力為10 . 0^0. Olmbar時，具有很強的抽 速，配合機械泵，能快速抽至真空極限。
同時，上述排氣系統(tǒng)還可包括一真空放氣閥，通過羅茨泵接入機械泵。設(shè) 置的真空放氣閥為常通電磁閥，且與機械泵聯(lián)動。當(dāng)機械泵啟動時，真空放氣 閥上電，與大氣進(jìn)氣斷開，當(dāng)機械泵停止時，真空放氣閥失電，大氣進(jìn)入機械 泵中，使機械泵快速充氣，防止真空泵油由于壓差返流到真空主系統(tǒng)，污染真 空管路。
首先開啟機械泵，分別根據(jù)爐溫選擇真空或者氣體調(diào)節(jié)兩種不同模式。硅料 加熱階段，在爐溫《1175。C時，啟用真空模式，對加熱爐內(nèi)抽真空關(guān)閉進(jìn)氣 質(zhì)量流量控制器、真空抽氣比例閥和旁通進(jìn)氣電磁閥，首先啟動機械泵，將真空抽至10mbar，當(dāng)電容式真空規(guī)壓力傳感器Bl《10mbar時，再啟動羅茨泵，繼 續(xù)抽至極限真空《0. 01 mbar。
爐溫升到1175'C后直到冷卻結(jié)束階段，進(jìn)行氣體調(diào)壓，關(guān)閉羅茨泵和真空 主抽閥，打開進(jìn)氣閥，設(shè)定真空壓力，控制氣體質(zhì)量流量控制器流量和真空抽 氣比例閥開度，達(dá)到控制真空壓力之目的。
在氣體調(diào)壓模式階段，真空壓力由電容式壓力傳感器輸出0-10V對應(yīng) 0-1333mbar，送入進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器和排氣調(diào)節(jié)控制器兩路PID控制器。檢測真空 壓力后，反饋調(diào)節(jié)爐壓，設(shè)置壓力控制模式為進(jìn)氣調(diào)節(jié)還是排氣調(diào)節(jié)，在進(jìn)氣 調(diào)節(jié)時，恒定抽氣開度，調(diào)進(jìn)氣流量；在排氣調(diào)節(jié)時，恒定進(jìn)氣流量，調(diào)排氣 閥開度，從而有效控制真空壓力。
綜上所述，本發(fā)明所述用于多晶硅鑄錠工藝的真空壓力連續(xù)控制方法及其 控制系統(tǒng)能用于多晶硅鑄錠生產(chǎn)，穩(wěn)定地控制真空爐壓，保證進(jìn)氣、排氣同時 穩(wěn)定，節(jié)省輸入氣體耗量，簡單實用、且控制效果理想。


圖1是實現(xiàn)本發(fā)明的工藝氣體控制系統(tǒng)示意圖; 圖2是實現(xiàn)本發(fā)明中真空抽氣系統(tǒng)示意圖3是本發(fā)明的控制原理框圖
在圖中:
Bl-電容式壓力傳感器
Fl-加熱爐
Vl-氣體質(zhì)量流
量控制器
V2-真空抽氣比例閥
V3-進(jìn)氣閥
V4-真空排氣閥
V5-旁通進(jìn)氣電磁閥
V6-真空主抽閥
V7-手動旁通進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥
V8-真空放氣閥
Pl-機械泵
P2-羅茨泵
SP-壓力設(shè)定值
PV-壓力測量值PID1:進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器 PID2:排氣調(diào)節(jié)控制器
具體實施例方式
參見圖1至圖3，本實施例具體描述如下
進(jìn)氣流量控制采用氣體質(zhì)量流量控制器VI ，輸入標(biāo)準(zhǔn)的控制電壓0. 0-5. 0V， 對應(yīng)氣體控制流量0-滿量程，連續(xù)線性控制方式。同時設(shè)置一路手動旁通進(jìn)氣 調(diào)節(jié)閥V7和旁通進(jìn)氣電磁閥V5組成的氣體輸入旁通支路，用于加熱爐Fl內(nèi) 大流量手動進(jìn)氣的場合，不參與爐壓連續(xù)控制。
真空排氣控制采用真空抽氣比例閥V2，輸入標(biāo)準(zhǔn)的控制電流4. 0-20. OmA, 對應(yīng)輸出開度0. 0-100. 0%，連續(xù)線性控制方式。
真空壓力檢測采用電容式壓力傳感器B1，即真空規(guī)，其反饋電壓0-10V， 對應(yīng)真空壓力0-1333 mbar，線性輸入到進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器和排氣調(diào)節(jié)控制器兩路 PID控制器，作為控制器的壓力測量值PV，而壓力設(shè)定值SV由溫度范圍確定。
再根據(jù)PID控制算法，得出兩路PID控制器的輸出值0utl和0ut2分別控 制氣體質(zhì)量流量控制器VI進(jìn)氣流量、真空抽氣比例閥V2的排氣開度。
其中PID控制算法為根據(jù)壓力設(shè)定值SV與壓力測量值PV的偏差e,，利
用p.i.d (比例、積分、微分)增量控制算法0ut[i]=0ut[i-i]+KP*(ei-e卜D +Ki*ei+KD*( e廠26i—廠一l—2)計算。
其中K「比例系數(shù) K廠積分系數(shù) KD-微分系數(shù)
ei=SV-PVie廣i =SV-PVi—, ei—2 =SV-PV^
硅料"加熱"階段，溫度升到1175。C和該溫度之前，均采用真空模式，強
抽真空到達(dá)極限。開啟機械泵Pl，打開真空主抽閥V6和真空放氣閥V8，關(guān)閉氣
體質(zhì)量流量控制器V1、真空抽氣比例閥V2、進(jìn)氣閥V3、真空排氣閥V4、旁通
進(jìn)氣電磁閥V5，由電容式壓力傳感器B1檢測爐壓，當(dāng)加熱爐Fl內(nèi)真空壓力PV
《10mbar時，則啟動羅茨泵P2。
硅料"加熱"階段，溫度到達(dá)1175"C之后，直到"冷卻"結(jié)束溫度400 。C，進(jìn)入氣體調(diào)壓模式，開啟進(jìn)氣閥V3，真空排氣閥V4，機械泵Pl，關(guān)閉羅茨閥P2，旁通進(jìn)氣電磁閥V5和真空主抽閥V6。在氣體調(diào)壓模式下，可選擇進(jìn)氣調(diào)節(jié)
或排氣調(diào)節(jié)
a) "熔化"階段溫度在1175。C-120(TC期間和硅錠"冷卻"期間(溫度1280 °C-400°C)時，采用進(jìn)氣調(diào)節(jié)即固定排氣開度，調(diào)節(jié)進(jìn)氣開度的調(diào)壓 方式。具體操作為根據(jù)設(shè)定的排氣輸出開度OUTLE (0.0-100.0%)，固 定排氣調(diào)節(jié)控制器PID2的輸出值0UT2^UTLE，直接控制真空抽氣比例 閥V2的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器PID1控制真空壓力，由進(jìn)氣調(diào)節(jié)控 制器PID1輸出標(biāo)準(zhǔn)信號0—5.0V到氣體質(zhì)量流量控制器VI,對應(yīng) 0-100.0%FS(FS為量程滿刻度)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。其中"熔化"階段溫度 在1175°C-120(TC期間使壓力設(shè)定緩慢上升到600mbar;硅錠"冷卻" 期間(溫度1280°C-400°C)使壓力設(shè)定穩(wěn)定在600mbar。
b) "熔化"階段溫度大于120(TC和整個"長晶"及"退火"階段，控制真 空壓力600 mbar ，采用排氣調(diào)節(jié)即固定進(jìn)氣開度，調(diào)節(jié)排氣開度。 根據(jù)設(shè)定的進(jìn)氣輸入開度INTLE (0.0-100.0%)，固定進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器 PID1的輸出值0UT1二INTLE ，固定氣體質(zhì)量流量控制器VI的開度，選擇 排氣調(diào)節(jié)控制器PID2，調(diào)節(jié)真空壓力，排氣調(diào)節(jié)控制器PID2輸出標(biāo)準(zhǔn) 信號4. 0—20. OmA到真空抽氣比例閥V2，對應(yīng)0-100. 0%FS(FS為量程滿
刻度)，調(diào)節(jié)排氣開度。
c) 在"冷卻"階段，當(dāng)溫度降到40(TC以后，設(shè)定壓力950mbar，進(jìn)氣調(diào)節(jié) 模式，設(shè)定氣體質(zhì)量流量控制器VI開度為100.0%，抽氣比例閥開度為 0. 0%，使壓力在20分鐘內(nèi)快速到達(dá)950mbar。
d) 當(dāng)壓力到達(dá)950mbar以后，關(guān)閉氣體質(zhì)量流量控制器VI和真空抽氣比 例閥V2，整個工藝過程結(jié)束。
權(quán)利要求
1、 一種用于多晶硅鑄錠工藝真空壓力連續(xù)控制方法，其特征在于，爐溫《1175。C時，對加熱爐內(nèi)抽真空，當(dāng)爐溫升到〉1175'C后直到冷卻結(jié)束階段，對 加熱爐進(jìn)行氣體調(diào)壓，實時檢測加熱爐內(nèi)真空壓力，進(jìn)行壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)；所述 壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)是根據(jù)爐溫范圍選擇進(jìn)氣調(diào)節(jié)和排氣調(diào)節(jié)兩種方式，進(jìn)氣調(diào)節(jié)時， 恒定抽氣量，調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量；排氣調(diào)節(jié)時，恒定進(jìn)氣流量，調(diào)節(jié)排氣量。
2、 一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述控制方法的控制系統(tǒng)，包括控制部分、進(jìn)氣系 統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括一條由氣體質(zhì)量流量控制器和 進(jìn)氣閥組成的支路和一條由手動旁通進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和旁通進(jìn)氣電磁閥組成的支 路，兩路支路均接入加熱爐的進(jìn)氣口；加熱爐的出氣口連接有排氣系統(tǒng)，其包 括一條由真空閥和真空抽氣比例閥組成的小抽支路和一條由真空主抽閥組成的 大抽管路，同時，所述真空主抽閥通過一羅茨泵與真空抽氣比例閥一同接入機 械泵，最后機械泵接入排氣口；其中控制部分包括與加熱爐連接的真空規(guī)壓力 傳感器，分別與真空規(guī)壓力傳感器連接的進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器和排氣調(diào)節(jié)控制器， 進(jìn)氣調(diào)節(jié)控制器和排氣調(diào)節(jié)控制器分別接入進(jìn)氣系統(tǒng)中的氣體質(zhì)量流量控制器 和排氣系統(tǒng)中的真空抽氣比例閥。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述控制系統(tǒng)，其特征在于，所述排氣系統(tǒng)還包括一真 空放氣閥，通過羅茨泵接入機械泵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于多晶硅鑄錠工藝真空壓力連續(xù)控制方法，在爐溫加熱到階段采用真空模式，進(jìn)入熔化、生長、退火、冷卻階段，采用氣體調(diào)壓模式，在氣體調(diào)壓模式下，采用進(jìn)氣調(diào)節(jié)和排氣調(diào)節(jié)兩種模式來調(diào)節(jié)爐壓。同時，還公開了一種實現(xiàn)上述控制方法的控制系統(tǒng)。本發(fā)明能用于多晶硅鑄錠生產(chǎn)，穩(wěn)定地控制真空爐壓，保證進(jìn)氣、排氣同時穩(wěn)定，節(jié)省輸入氣體耗量，簡單實用、且控制效果理想。
文檔編號C30B28/00GK101311341SQ200810030829
公開日2008年11月26日 申請日期2008年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者王滋淵, 暉 童, 肖益波, 陳國紅 申請人:中國電子科技集團公司第四十八研究所