專利名稱：一種晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶硅鑄錠爐鑄錠技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用中心對稱開合的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置。
背景技術(shù)：
晶硅鑄錠爐是一種硅重熔鑄錠設(shè)備，是制備太陽能電池硅片的一道重要工藝裝備。晶硅鑄錠爐晶體生長系統(tǒng)的優(yōu)劣主要是由爐中的熱場來決定的，而熱場的好壞則集中反應(yīng)在熱場中熱門的結(jié)構(gòu)及控制上。一個理想的鑄錠爐晶體生長系統(tǒng)是在坩堝底部的中心部位能夠首先產(chǎn)生一臨界過冷度使熔體在此處優(yōu)先成核，形成的晶核在徑向及縱向溫度梯度的共同影響下以球冠狀胚團(tuán)的形式向四周擴(kuò)展，此過程中固液界面的曲率逐漸趨于平緩，當(dāng)受到坩堝壁約束后，再在縱向溫度梯度作用下垂直向上生長。一個優(yōu)質(zhì)的熱門結(jié)構(gòu)不但可以對生長系統(tǒng)中的初期成核進(jìn)行控制，同時還能促使生長系統(tǒng)中的溫度變化呈現(xiàn)均勻?qū)ΨQ的分布，且能為后期的晶體生長提供適合的溫度梯度，保證晶體生長的速度和質(zhì)量，節(jié)約能耗，降低成本。目前傳統(tǒng)晶硅鑄錠爐熱場的開合，主要有以下幾種方法
1.絕熱籠上提使熱交換臺和爐體冷壁之間形成輻射通道，簡稱側(cè)板提拉法，見圖1。側(cè)板提拉法主要是將構(gòu)成熱場的保溫隔熱籠體的四側(cè)板設(shè)計(jì)為一個運(yùn)動部件，側(cè)板往下運(yùn)動可以將多晶硅重熔長晶的熱場封閉起來，通電使熱場里的加熱器升溫，以加熱熔化多晶硅原材料；側(cè)板部件往上提升，則打開熱場腔室，暴露出熱交換臺，形成溫降梯場， 通過一定的工藝步驟，實(shí)現(xiàn)定向長晶過程。2.絕熱底板下移使得熱交換臺和爐體冷壁之間形成輻射通道(本申請人的專利 200820121103. 3)，簡稱底板升降法，見圖2。方法1和方法2 —樣，能控制晶體初期成核，但后期輻射量不足導(dǎo)致晶體生長連續(xù)性不好而且生長緩慢，也無法實(shí)現(xiàn)硅錠的快速冷卻，增加了鑄錠時間和能耗。3.絕熱底板側(cè)向移動，使得熱交換臺和底部冷壁之間形成輻射通道，簡稱底板抽拉法，見圖3。底板抽拉法是將構(gòu)成熱場的保溫絕熱籠體的底部設(shè)置一組可側(cè)向移動的絕熱底板。閉合時將熱場底部的通水冷卻塊與熱交換臺隔開，當(dāng)原材料完全熔化后，按一定工藝步驟抽去底部的絕熱底板，形成溫降梯場，實(shí)現(xiàn)定向長晶過程。該方法能夠得到大范圍的輻射通道，但是無法對初期成核進(jìn)行控制，熱沖擊大，而且增加了額外的能耗。4.百葉保溫板轉(zhuǎn)動一定角度打開，使得熱交換臺和底部冷壁之間形成輻射通道(本申請人的專利申請2010106071 . 0)，簡稱百葉開合法，見圖4。該方法是由本申請人針對現(xiàn)有熱門的一些現(xiàn)存問題做出的技術(shù)創(chuàng)新，可以通過控制百葉轉(zhuǎn)開角度大小，有效的對硅錠初期成核和能耗進(jìn)行合理的控制。但是，由于百葉不是四周對稱的結(jié)構(gòu)，形成的是條狀冷卻帶，不利于均勻的控制熱交換臺底部換熱，造成晶體生
長質(zhì)量差。上述的幾種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)熱交換法的基本原理，輻射量的大小決定了單位時間內(nèi)通過熱交換臺和冷壁之間的能量。通過調(diào)整散熱區(qū)域的結(jié)構(gòu)，可以起到完善熱場的作用。不同的底部散熱區(qū)域及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會有不同的效果。初期輻射量過大會極大影響成核質(zhì)量，并且增加額外的能耗，如方法3 ；后期輻射量不足導(dǎo)致晶體生長連續(xù)性不好并且生長速度緩慢，如方法1和方法2 ；散熱通道的不均勻?qū)ΨQ性也會對晶體成核及生長造成不利的影響，如方法4。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種隔熱板組件可以采用中心對稱開合法的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，其利用中心對稱開合法對隔熱板進(jìn)行開合，使鑄錠過程更加容易控制并盡可能減少工藝周期時間和能耗。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，包括絕熱籠、置于絕熱籠內(nèi)的加熱器和熱交換臺，絕熱籠的下方設(shè)有內(nèi)部通冷卻水的冷板，其特征在于所述的冷板與絕熱籠底部之間設(shè)有其中心形成的開口能以中心對稱的方式逐漸向四周打開或向中心閉合的隔熱板組件。作為對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，本發(fā)明采取以下技術(shù)措施
所述的隔熱板組件由二塊以上的隔熱板組成，相鄰隔熱板采用搭接的連接結(jié)構(gòu)，相鄰隔熱板采用搭接的連接結(jié)構(gòu)。對隔熱板的形狀不做具體要求，可以是扇形圓邊形、直邊形、 圓邊形或其他形狀；隔熱板的數(shù)量可以是兩塊、四塊或多塊。所述隔熱板組件的優(yōu)選結(jié)構(gòu)為其由四塊呈周向均布的扇形圓邊形隔熱板組成， 所述隔熱板的一側(cè)底部開有一弧形容納口，另一側(cè)表面開有一弧形搭接臺。一隔熱板的弧形容納口用于容納相鄰隔熱板的弧形搭接臺，從而將其搭在相鄰的隔熱板上。通過弧形搭接臺來實(shí)現(xiàn)兩者的搭接，保證了隔熱空間封閉，在熔化及退火階段減少能量損耗。相鄰的隔熱板之間設(shè)有起連接和傳動作用的連桿機(jī)構(gòu)，確保各塊隔熱板之間的相對運(yùn)動準(zhǔn)確。隔熱板組件的底部設(shè)有起支撐和滑動作用的支撐滑動機(jī)構(gòu)，確保隔熱板沿確定軌跡滑動開合。隔熱板組件的底部設(shè)有一起支撐和定位作用的托架，確保所有隔熱板在同一個平面上滑動開合。所述的隔熱板通過水平拉桿與驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接。驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動水平拉桿時，隔熱板中心的開口呈中心對稱的方式逐漸向四周打開或向中心閉合，用以完成隔熱板組件的開
I=I O所述隔熱板的連桿機(jī)構(gòu)或支撐滑動機(jī)構(gòu)可以由耐高溫的金屬或非金屬制成。本發(fā)明的熱場熱門控制裝置既可以配合上下加熱器使用，也可以配合側(cè)面加熱器使用，還可以配合多組加熱器及移動坩堝的熱場使用。上述晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置的控制方法如下
當(dāng)硅晶體處于加熱熔化階段，隔熱板組件處于閉合狀態(tài)，維持封閉的加熱空間，保證內(nèi)部熱量不散失，促使晶體的熔化過程高效率、低耗能的快速完成。在晶體生長過程前期，緩慢抽拉隔熱板形成中央較小開口，此時，在開口對應(yīng)位置將會產(chǎn)生一過冷區(qū)域，此處臨界形核功降低，優(yōu)先形成晶核；當(dāng)進(jìn)入晶體生長中期，按照工藝要求，進(jìn)一步抽拉隔熱板，打開更大的開口，開口以中心對稱的方式逐漸向四周緩慢打開，隔熱板打開的過程使熔體內(nèi)獲得一定的溫度梯度，為晶體生長提供動力，且整個的輻射區(qū)域一直處于中心對稱分布，促使熔體內(nèi)溫度也是呈現(xiàn)中心對稱分布，利于晶體垂直生長， 保證晶體質(zhì)量；最后，當(dāng)處于長晶后期，隔熱板可以滿行程打開，完全露出熱場底部開口，充分保證了底部散熱通道，提高晶體的生長速度，降低能耗，節(jié)約成本。在晶體生長過程中的各階段中，其開口的大小由該階段的工藝要求決定。當(dāng)晶體處于退火階段，底部的隔熱板可以快速抽拉至閉合狀態(tài)，保證上下溫度場均勻。當(dāng)晶體處于冷卻階段，底部隔熱板也可以快速抽拉至全開狀態(tài)，使得晶體快速降溫，減少工藝周期。中心對稱開合法可以有效地保證熱場底部散熱均勻?qū)ΨQ，也方便底部中心的紅外測溫。本發(fā)明的熱場熱門控制裝置結(jié)合中心對稱開合法，既能保持低能耗的晶體生長， 同時又能充分利用散熱面積，還能夠有效控制晶體初期成核和穩(wěn)步定向生長；使底部散熱結(jié)構(gòu)既具有良好的控制能力，也具備了大換熱量的潛力，對硅錠初期成核控制和晶體定向快速生長以及后期快速冷卻，都能很好的滿足工藝要求。


圖1-4為目前晶硅鑄錠爐熱場的四種開合方法示意圖。圖5為本發(fā)明熱場熱門控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6-7為本發(fā)明四塊扇形圓邊形式隔熱板搭接構(gòu)成的隔熱板組件；圖中，5-隔熱板，6-連桿機(jī)構(gòu)，7-支撐滑動機(jī)構(gòu)，8-托架，9-水平拉桿。其中，圖7為隱藏兩塊隔熱板5 和托架8的示意圖。圖8為圖7中連桿機(jī)構(gòu)6的銜接部分A-A向的剖面示意圖。圖9為本發(fā)明四塊直邊形式隔熱板搭接構(gòu)成的部分隔熱板組件。圖10為本發(fā)明兩塊圓邊形式隔熱板搭接構(gòu)成的部分隔熱板組件。圖11為本發(fā)明兩塊直邊形式隔熱板搭接構(gòu)成的部分隔熱板組件。
具體實(shí)施方式
如圖5-11所示的熱場熱門控制裝置，絕熱籠1內(nèi)設(shè)有盛放晶硅原料的坩堝2和熱交換
臺3，絕熱籠1的下方設(shè)有內(nèi)部通冷卻水的冷板4，該冷板與絕熱籠底部之間設(shè)有隔熱板組件，該隔熱板組件的中心形成的開口能以中心對稱的方式逐漸向四周打開或向中心閉合。所述的隔熱板組件由四塊呈周向均布的扇形圓邊形隔熱板5組成，所述隔熱板的一側(cè)底部開有一弧形容納口，另一側(cè)表面開有一弧形搭接臺；一隔熱板的弧形容納口用于容納相鄰隔熱板的弧形搭接臺，從而將其搭在相鄰的隔熱板上。相鄰的隔熱板之間設(shè)有起連接和傳動作用的連桿機(jī)構(gòu)6。隔熱板組件的底部設(shè)有托架8，位置固定且起支撐和定位作用。隔熱板組件的底部還設(shè)有起支撐和滑動作用的支撐滑動機(jī)構(gòu)7。隔熱板5通過水平拉桿9與驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接。如圖7所示，支撐滑動機(jī)構(gòu)7固定不動，主驅(qū)動控制水平拉桿9往復(fù)運(yùn)動，通過連桿機(jī)構(gòu)6帶動另外兩側(cè)隔熱板做往復(fù)運(yùn)動，其中連接隔熱板的結(jié)構(gòu)在支撐滑動機(jī)構(gòu)7上往復(fù)滑動。由圖8可見連桿機(jī)構(gòu)6的銜接部分剖視圖，兩桿以套筒方式連接來滑動傳動。當(dāng)硅晶體處于熔化階段時，底部熱門結(jié)構(gòu)呈封閉的初始狀態(tài)，保證內(nèi)部熱量不散失，促使晶體的熔化過程高效率，低耗能的快速完成。當(dāng)熔化完成，準(zhǔn)備進(jìn)入晶體生長階段，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)，拉動水平拉桿，帶動各塊隔熱板沿設(shè)定行程滑動打開一定開口，完成對晶體生長初期成核的控制。其中各塊隔熱板通過各自的連桿機(jī)構(gòu)和支撐滑動機(jī)構(gòu)保證相對位置準(zhǔn)確。驅(qū)動機(jī)構(gòu)根據(jù)工藝要求來確定實(shí)際開口的大小，保證在晶體生長的各階段均能獲得適合的溫度梯度，及均勻?qū)ΨQ的溫場分布，得到高質(zhì)量晶體。當(dāng)晶體生長結(jié)束后，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動隔熱板回到初始閉合狀態(tài)，確保上下均一的溫場分布，完成退火工藝。退火結(jié)束后，由驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動隔熱板快速打開至開口的最大處，完成冷卻工藝。
權(quán)利要求
1.一種晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，包括絕熱籠、置于絕熱籠內(nèi)的加熱器和熱交換臺，絕熱籠的下方設(shè)有內(nèi)部通冷卻水的冷板，其特征在于所述的冷板與絕熱籠底部之間設(shè)有中心形成的開口能以中心對稱的方式逐漸向四周打開或向中心閉合的隔熱板組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，其特征在于所述的隔熱板組件由二塊及以上的隔熱板組成，相鄰隔熱板采用搭接的連接結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，其特征在于所述的隔熱板組件由四塊呈周向均布的扇形圓邊形隔熱板組成，所述隔熱板的一側(cè)底部開有一弧形容納口，另一側(cè)表面開有一弧形搭接臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，其特征在于，相鄰的隔熱板之間設(shè)有起連接和傳動作用的連桿機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，其特征在于，所述隔熱板組件的底部設(shè)有一起支撐和定位作用的托架。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，其特征在于，所述隔熱板組件的底部設(shè)有起支撐和滑動作用的支撐滑動機(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置，其特征在于，所述的隔熱板通過水平拉桿與驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接。
8.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置的控制方法，其方法如下當(dāng)硅晶體處于加熱熔化階段時，隔熱板組件處于閉合狀態(tài)；在晶體生長過程前期，緩慢抽拉隔熱板在隔熱板組件的中心處形成較小開口，以完成對晶體生長初期成核的控制；當(dāng)進(jìn)入晶體生長中期，進(jìn)一步抽拉隔熱板，開口呈中心對稱的方式逐漸向四周緩慢打開；當(dāng)處于長晶后期，滿行程打開隔熱板，開口處于最大，完全露出熱場底部；當(dāng)晶體處于退火階段，快速抽拉隔熱板至閉合狀態(tài)；當(dāng)晶體處于冷卻階段，快速抽拉隔熱板至全開狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用中心對稱開合的晶硅鑄錠爐熱場熱門控制裝置。現(xiàn)有的熱場熱門控制方法中，有的初期輻射量過大會極大影響成核質(zhì)量，并且增加額外的能耗；有的后期輻射量不足導(dǎo)致晶體生長連續(xù)性不好并且生長速度緩慢；有的散熱通道的不均勻?qū)ΨQ性也會對晶體成核及生長造成不利的影響。本發(fā)明包括絕熱籠、置于絕熱籠內(nèi)的加熱器和熱交換臺，絕熱籠的下方設(shè)有內(nèi)部通冷卻水的冷板，其特征在于所述的冷板與絕熱籠底部之間設(shè)有其中心形成的開口能以中心對稱的方式逐漸向四周打開或向中心閉合的隔熱板組件。本發(fā)明結(jié)合中心對稱開合法，既能保持低能耗的晶體生長，同時又能充分利用散熱面積，還能夠有效控制晶體初期成核和穩(wěn)步定向生長。
文檔編號C30B29/06GK102392293SQ201110336968
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉芝, 盧雪梅, 徐芳華, 趙波 申請人:杭州精功機(jī)電研究所有限公司