一種多晶硅定向凝固裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于定向凝固領(lǐng)域，特別涉及一種多晶硅定向凝固裝置，包括爐體，爐體內(nèi)坩堝正上方安裝有上部加熱裝置，其包括安裝在爐壁上的上部水冷銅電極，還有安裝在爐內(nèi)的依靠螺栓連接的上部石墨電極和上部加熱器石墨環(huán)；爐體內(nèi)坩堝壁外側(cè)安裝有中部加熱裝置，其包括石墨匯流器和與其依靠螺栓連接的石墨加熱棒，石墨加熱棒上端與石墨匯流器相連，下端與扇形石墨分流器相連；坩堝和下爐蓋之間安裝有下部加熱裝置，其包括安裝在爐內(nèi)的下部石墨電極和固定于下爐蓋上的下部水冷銅電極，下部石墨電極下端與下部水冷銅電極相連，上端與扇形石墨分流器相連；爐體內(nèi)表面均設(shè)置有保溫層。本實(shí)用新型裝置構(gòu)思獨(dú)特，操作簡單，易于控制和計(jì)算。
【專利說明】—種多晶硅定向凝固裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于定向凝固領(lǐng)域，特別涉及一種多晶硅定向凝固裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]定向凝固是指在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固是研究凝固理論和金屬凝固規(guī)律的重要手段，也是制備單晶材料和微米級(或納米級)連續(xù)纖維晶高性能結(jié)構(gòu)材料和功能材料的重要方法。自20世紀(jì)60年代以來，定向凝固技術(shù)發(fā)展很快。由最初的發(fā)熱劑法、功率降低法發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的高速凝固法、液態(tài)金屬冷卻法和連續(xù)定向凝固技術(shù)。定向凝固技術(shù)廣泛應(yīng)用于高溫合金、磁性材料、單晶生長、自生復(fù)合材料的制備等力面，并且在類單晶金屬間化合物、形狀記憶合金領(lǐng)域具有極廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有多晶硅鑄錠爐是采用電阻或感應(yīng)加熱，將配比好的多晶硅放入方形坩堝內(nèi)進(jìn)行熔化后，通過對組成熱場的零組件之間做相對運(yùn)動(dòng)，以使得多晶硅料從底部開始冷卻，逐漸向上長晶的定向凝固的方式，得到多晶硅錠的。評價(jià)多晶硅鑄錠爐性能的一個(gè)重要指標(biāo)是單位質(zhì)量的能耗，而降低單位質(zhì)量的能耗，進(jìn)而降低成本是企業(yè)贏得市場競爭的重要手段。目前市場上企業(yè)降低能耗的主要方式是提高單爐產(chǎn)能，從2004年的單爐產(chǎn)量120kg，到170kg，250kg，450kg，650kg。
[0004]目前，市面上主流多晶硅鑄錠爐最大的產(chǎn)能是660公斤。伴隨著單爐產(chǎn)能的增加，單個(gè)硅錠尺寸必然相應(yīng)加大，而在鑄錠長晶階段，硅錠底部先冷卻，頂部后冷卻，這樣晶體才能從底部到頂部慢慢生長，頂部的冷卻是靠底部硅晶體將熱量不斷帶到底部而進(jìn)行的。而如果硅錠尺寸過大，那么，由于硅晶體的導(dǎo)熱性并不好，因此底部和頂部的溫差將會過大而產(chǎn)生應(yīng)力，此外，晶體過長會導(dǎo)致晶體生長過程中變形，而且，更重要的是，過大的硅錠給坩堝的制造和硅錠的處理以及硅錠的開方帶來困難，不僅需要新型的配套設(shè)備，而且，給這些配套設(shè)備的坩堝等輔件的成本帶來很大的挑戰(zhàn)。因此，單純提高單爐產(chǎn)能以降低單位質(zhì)量能耗的方法已經(jīng)面臨瓶頸。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型克服上述不足問題，提供一種多晶硅定向凝固裝置，可以最大限度的利用爐體空間，節(jié)約設(shè)備投資成本。同時(shí)，通過控制下部加熱裝置和中部加熱裝置的溫度和水冷的方式來實(shí)現(xiàn)所述坩堝底部溫度的降低，使得冷卻速度更快，因此降低了鑄錠單位質(zhì)量的能耗。
[0006]本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:包括爐體，連通有通氣管路的上爐蓋通過爐體外置的電動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)安裝在爐體頂部，下爐蓋通過螺紋連接在爐體底部，爐體內(nèi)安置有坩堝，與下爐蓋相連通的可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)與坩堝底固定連接，爐體內(nèi)坩堝正上方安裝有上部加熱裝置，其包括安裝在爐壁上的上部水冷銅電極，還有安裝在爐內(nèi)的依靠螺栓連接的上部石墨電極和上部加熱器石墨環(huán)；爐體內(nèi)坩堝壁外側(cè)安裝有中部加熱裝置，其包括石墨匯流器和與其依靠螺栓連接的石墨加熱棒，石墨加熱棒上端與石墨匯流器相連，下端與扇形石墨分流器相連；坩堝和下爐蓋之間安裝有下部加熱裝置，其包括安裝在爐內(nèi)的下部石墨電極和固定于下爐蓋上的下部水冷銅電極，下部石墨電極下端與下部水冷銅電極相連，上端與扇形石墨分流器相連；爐體內(nèi)表面均設(shè)置有保溫層，其包括位于坩堝正上方的上保溫蓋、位于坩堝外壁的側(cè)保溫桶、位于坩堝下的下保溫環(huán)和下保溫蓋。
[0007]優(yōu)選方案如下:
[0008]坩堝為石英材質(zhì)坩堝。
[0009]上部加熱器石墨環(huán)的內(nèi)徑大于坩堝內(nèi)徑。
[0010]上部加熱器石墨環(huán)為方形結(jié)構(gòu)。
[0011]上部石墨電極與側(cè)保溫桶之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0012]上部水冷銅電極與爐體之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0013]在上部水冷銅電極與上部石墨電極的連接端面設(shè)置有石墨碳紙，以防發(fā)熱量大而導(dǎo)致電極螺紋損壞。
[0014]下部石墨電極與下部保溫環(huán)之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0015]下部水冷銅電極與下爐蓋之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0016]下部水冷銅電極與下部石墨電極的連接端面設(shè)置有石墨碳紙，以防發(fā)熱量大而導(dǎo)致電極螺紋損壞。
[0017]工作過程如下:
[0018]1、電動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上爐蓋上升，與爐體分離，旋轉(zhuǎn)上爐蓋至完全打開；可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)推動(dòng)石英坩堝上升，使其高出爐體頂面，裝入硅料。
[0019]2、可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)帶動(dòng)石英坩堝下降，閉合上爐蓋，開始抽真空。
[0020]3、當(dāng)爐體內(nèi)部的真空度達(dá)到IPa時(shí)，開始向爐體內(nèi)充氬氣，當(dāng)爐體內(nèi)部的真空度達(dá)到60000Pa時(shí)，啟動(dòng)上加熱裝置、中加熱裝置和下加熱裝置，開始加熱硅料至完全融化。
[0021]4、逐步降低中部加熱裝置和下部加熱裝置的溫度，并同時(shí)提高可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)中水的流速，使坩堝底部溫度逐漸降低，當(dāng)坩堝底部溫度低于1414°C時(shí)，坩堝底部開始結(jié)晶并形成多晶硅，當(dāng)定向凝固至45%時(shí)，然后再降低上部加熱裝置的溫度，使多晶硅繼續(xù)往上生長。
[0022]5、當(dāng)多晶硅完全生長成時(shí)，調(diào)整上部加熱裝置、中部加熱裝置和下部加熱裝置溫度，對多晶硅錠進(jìn)行退火后保溫，最后關(guān)閉加熱裝置的電源，讓硅錠自動(dòng)降溫。
[0023]6、當(dāng)多晶硅形成的多晶硅錠的溫度降低到300°C以下時(shí)，打開上爐蓋，啟動(dòng)可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)，將坩堝升至其底面高出爐體上爐蓋口表面，取出多晶硅鑄錠，操作結(jié)束。
[0024]本實(shí)用新型裝置構(gòu)思獨(dú)特，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，加以創(chuàng)新改進(jìn)，在熱場沒有相對移動(dòng)的情況下，通過控制上部加熱裝置、下部加熱裝置和中部加熱裝置的溫度來產(chǎn)生長晶所需的溫度梯度，形成多晶鑄錠。操作簡單，易于控制和計(jì)算。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為一種多晶硅定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖。[0026]圖中，1.上爐蓋2.硅料3.下爐蓋4.電動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)5.通氣管路6.上保溫蓋
7.側(cè)保溫桶8.下部保溫環(huán)9.下保溫蓋10.下部石墨電極11.下部水冷銅電極12.扇形石墨分流器13.石墨加熱棒14.石墨匯流器15.上部加熱器石墨環(huán)16.上部石墨電極17.上部水冷銅電極18.可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)19.坩堝
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型，但本實(shí)用新型并不局限于具體實(shí)施例。
[0028]實(shí)施例1:
[0029]一種多晶硅定向凝固裝置，包括爐體，連通有通氣管路5的上爐蓋I通過爐體外置的電動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)4安裝在爐體頂部，下爐蓋3通過螺紋連接在爐體底部，爐體內(nèi)安置有坩堝19，與下爐蓋3相連通的可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18與坩堝19底固定連接，爐體內(nèi)坩堝19正上方安裝有上部加熱裝置，其包括安裝在爐壁上的上部水冷銅電極17，還有安裝在爐內(nèi)的依靠螺栓連接的上部石墨電極16和上部加熱器石墨環(huán)15 ;爐體內(nèi)坩堝19壁外側(cè)安裝有中部加熱裝置，其包括石墨匯流器14和與其依靠螺栓連接的石墨加熱棒13，石墨加熱棒13上端與石墨匯流器14相連，下端與扇形石墨分流器12相連；坩堝19和下爐蓋3之間安裝有下部加熱裝置，其包括安裝在爐內(nèi)的下部石墨電極10和固定于下爐蓋3上的下部水冷銅電極11，下部石墨電極10下端與下部水冷銅電極11相連，上端與扇形石墨分流器12相連；爐體內(nèi)表面均設(shè)置有保溫層，其包括位于坩堝19正上方的上保溫蓋6、位于坩堝19外壁的側(cè)保溫桶7、位于坩堝19下的下保溫環(huán)8和下保溫蓋9。
[0030]上部加熱裝置為lOOkw，中部加熱裝置和下部加熱裝置為60kw。
[0031]上部加熱器石墨環(huán)15為方形結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)徑大于石英坩堝19內(nèi)徑。
[0032]上部石墨電極16與側(cè)保溫桶7之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0033]上部水冷銅電極17與爐體之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0034]在上部水冷銅電極17與上部石墨電極16的連接端面設(shè)置有石墨碳紙，以防發(fā)熱量大而導(dǎo)致電極螺紋損壞。
[0035]下部石墨電極10與下部保溫環(huán)8之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0036]下部水冷銅電極11與下爐蓋3之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。
[0037]下部水冷銅電極11與下部石墨電極10的連接端面設(shè)置有石墨碳紙，以防發(fā)熱量大而導(dǎo)致電極螺紋損壞。
[0038]工作過程如下:
[0039]1、電動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)4帶動(dòng)上爐蓋I上升，與爐體分離，旋轉(zhuǎn)上爐蓋I至完全打開；可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18推動(dòng)石英坩堝19上升，使其高出爐體頂面，裝入670kg硅料。
[0040]2、可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18帶動(dòng)石英坩堝19下降，閉合上爐蓋1，開始抽真空。
[0041]3、當(dāng)爐體內(nèi)部的真空度達(dá)到IPa時(shí)，開始向爐體內(nèi)充氬氣，當(dāng)爐體內(nèi)部的真空度達(dá)到60000Pa時(shí)，啟動(dòng)上加熱裝置、中加熱裝置和下加熱裝置，開始加熱硅料2，經(jīng)過6小時(shí)，娃料2開始融化，再繼續(xù)加熱4小時(shí)后,娃料完全融化，此時(shí)，在1490 C的溫度下保溫0.5小時(shí)。[0042]4、逐步降低中部加熱裝置和下部加熱裝置的溫度，并同時(shí)提高可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18中水的流速，使坩堝19底部溫度逐漸降低，當(dāng)坩堝19底部溫度低于1414°C時(shí)，坩堝19底部開始結(jié)晶并形成多晶硅，當(dāng)定向凝固至45%時(shí)，然后再降低上部加熱裝置的溫度，使多晶硅繼續(xù)往上生長。
[0043]其中，中部加熱裝置和下部加熱裝置的降溫按照以下程序進(jìn)行:溫度從1450°C開始下降，最初的3小時(shí)以每小時(shí)15°C的速度下降，隨后以每小時(shí)5°C的速度下降，直至下降至 950 0C ο
[0044]上部加熱裝置的降溫按照以下程序進(jìn)行:從1460°C開始下降，以每小時(shí)2°C的速度下降，最終穩(wěn)定在1350°C。
[0045]可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18中水的流速為200L/min。
[0046]5、當(dāng)多晶硅完全生長成時(shí)，調(diào)整上部加熱裝置、中部加熱裝置和下部加熱裝置溫度，對多晶硅錠進(jìn)行退火后保溫，最后關(guān)閉加熱裝置的電源，讓硅錠自動(dòng)降溫。
[0047]其中，當(dāng)多晶硅錠完全生長成后，提高中部加熱裝置和下部加熱裝置至1350°C，保溫1.5小時(shí)，再用2.5小時(shí)降低上部加熱裝置、中部加熱裝置和下部加熱裝置溫度至1100°C，保溫1.5小時(shí)；之后再用2.5小時(shí)降低上部加熱裝置、中部加熱裝置和下部加熱裝置的溫度至800°C，保溫0.5小時(shí)，最后關(guān)閉加熱裝置的電源，讓硅錠自動(dòng)降溫。
[0048]6、當(dāng)多晶硅形成的多晶硅錠的溫度降低到300°C以下時(shí)，打開上爐蓋1，啟動(dòng)可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18，將坩堝升至其底面高出爐體上法蘭表面，取出多晶硅鑄錠，操作結(jié)束。
[0049]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn) 行對比如下:
現(xiàn)有650kg鑄

實(shí)施例1

錠爐
裝料量 kg670kg600kg
運(yùn)行時(shí)間h7570
[0050]平均單位質(zhì)量
6.57.1
能耗kwh/kg
電阻率Ω.cm22
少子壽命μs55
得料率％7272.58
[0051]實(shí)施例2:
[0052]應(yīng)用實(shí)施例1的裝置工作過程如下:
[0053]1、電動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)4帶動(dòng)上爐蓋I上升，與爐體分離，旋轉(zhuǎn)上爐蓋I至完全打開；可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18推動(dòng)石英坩堝19上升，使其高出爐體頂面，裝入640kg硅料。
[0054]2、可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18帶動(dòng)石英坩堝19下降，閉合上爐蓋1，開始抽真空。
[0055]3、當(dāng)爐體內(nèi)部的真空度達(dá)到IPa時(shí)，開始向爐體內(nèi)充氬氣，當(dāng)爐體內(nèi)部的真空度達(dá)到60000Pa時(shí)，啟動(dòng)上加熱裝置、中加熱裝置和下加熱裝置，開始加熱硅料2，經(jīng)過6小時(shí)，娃料2開始融化，再繼續(xù)加熱4小時(shí)后,娃料完全融化，此時(shí)，在1490 C的溫度下保溫0.5小時(shí)，最后關(guān)閉加熱裝置的電源，讓硅錠自動(dòng)降溫。
[0056]4、逐步降低中部加熱裝置和下部加熱裝置的溫度，并同時(shí)提高可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18中水的流速，使坩堝19底部溫度逐漸降低，當(dāng)坩堝19底部溫度低于1414°C時(shí)，坩堝19底部開始結(jié)晶并形成多晶硅，當(dāng)定向凝固至45%時(shí)，然后再降低上部加熱裝置的溫度，使多晶硅繼續(xù)往上生長。
[0057]其中，中部加熱裝置和下部加熱裝置的降溫按照以下程序進(jìn)行:溫度從1500°C開始下降，最初的3小時(shí)以每小時(shí)25°C的速度下降，隨后以每小時(shí)15°C的速度下降，直至下降至 IOOO0Co
[0058]上部加熱裝置的降溫按照以下程序進(jìn)行:從1500°C開始下降，以每小時(shí)5°C的速度下降，最終穩(wěn)定在1370°C。
[0059]可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18中水的流速為300L/min。
[0060]5、當(dāng)多晶硅完全生長成時(shí)，調(diào)整上部加熱裝置、中部加熱裝置和下部加熱裝置溫度，對多晶硅錠進(jìn)行退火后保溫，最后關(guān)閉加熱裝置的電源，讓硅錠自動(dòng)降溫。
[0061]其中，當(dāng)多晶硅錠完全生長成后，提高中部加熱裝置和下部加熱裝置至1370°C，保溫2.5小時(shí)，再用3.5小時(shí)降低上部加熱裝置、中部加熱裝置和下部加熱裝置溫度至1200°C，保溫2.5小時(shí)；之后再用3.5小時(shí)降低上部加熱裝置、中部加熱裝置和下部加熱裝置的溫度至950°C，保溫1.5小時(shí)。
[0062]6、當(dāng)多晶硅形成的多晶硅錠的溫度降低到300°C以下時(shí)，打開上爐蓋1，啟動(dòng)可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)18，將坩堝升至其底面高出爐體上法蘭表面，取出多晶硅鑄錠，操作結(jié)束。
[0063]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比如下:
【權(quán)利要求】
1.一種多晶硅定向凝固裝置，包括爐體，連通有通氣管路(5)的上爐蓋(I)通過爐體外置的電動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)(4)安裝在爐體頂部，下爐蓋(3)通過螺紋連接在爐體底部，爐體內(nèi)安置有坩堝(19)，與下爐蓋(3)相連通的可旋轉(zhuǎn)升降水冷平臺機(jī)構(gòu)(18)與坩堝(19)底固定連接，其特征在于爐體內(nèi)坩堝(19)正上方安裝有上部加熱裝置，其包括安裝在爐壁上的上部水冷銅電極(17)，還有安裝在爐內(nèi)的依靠螺栓連接的上部石墨電極(16)和上部加熱器石墨環(huán)(15);爐體內(nèi)坩堝(19)壁外側(cè)安裝有中部加熱裝置，其包括石墨匯流器(14)和與其依靠螺栓連接的石墨加熱棒(13)，石墨加熱棒(13)上端與石墨匯流器(14)相連，下端與扇形石墨分流器(12)相連；坩堝(19)和下爐蓋(3)之間安裝有下部加熱裝置，其包括安裝在爐內(nèi)的下部石墨電極(10 )和固定于下爐蓋(3 )上的下部水冷銅電極(11 )，下部石墨電極(10)下端與下部水冷銅電極(11)相連，上端與扇形石墨分流器(12)相連；爐體內(nèi)表面均設(shè)置有保溫層，其包括位于坩堝(19)正上方的上保溫蓋(6)、位于坩堝(19)外壁的側(cè)保溫桶(J)、位于坩堝(19)下的下保溫環(huán)(8)和下保溫蓋(9)。
2.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的坩堝(19)為石英坩堝。
3.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的上部加熱器石墨環(huán)(15)的內(nèi)徑大于坩堝(19)內(nèi)徑。
4.權(quán)利要求1或3所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的上部加熱器石墨環(huán)(15)為方形結(jié)構(gòu)。
5.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的上部石墨電極(16)與側(cè)保溫桶(7)之間安裝有陶瓷套。
6.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的上部水冷銅電極(17)與爐體之間安裝有陶瓷套。
7.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的上部水冷銅電極(17)與上部石墨電極(16)的連接端面設(shè)置有石墨碳紙。
8.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的下部石墨電極(10)與下部保溫環(huán)(8)之間安裝有陶瓷套。
9.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的下部水冷銅電極(11)與下爐蓋(3)之間安裝有陶瓷套。
10.權(quán)利要求1所述的一種多晶硅定向凝固裝置，其特征在于所述的下部水冷銅電極(11)與下部石墨電極(10)的連接端面設(shè)置有石墨碳紙。
【文檔編號】C30B28/06GK203382842SQ201320350670
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月19日
【發(fā)明者】譚毅, 張淑貴, 任世強(qiáng), 張曉峰, 姜大川 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司