[實用新型]一種無需移動部件的多晶硅分凝鑄錠爐

無效

• 申請號: 200720199128.0
• 申請日: 2007-12-12
• 公開（公告）號: CN201138138Y
• 公開（公告）日: 2008-10-22
• 發明（設計）人: 史珺;蔣君祥
• 申請（專利權）人: 上海普羅新能源有限公司
• 主分類號: F27B14/08
• 分類號: F27B14/08;C30B29/06;C30B28/06
• 代理公司: 北京必浩得專利代理事務所
• 代理人: 李夢福

技術領域

本實用新型屬于多晶硅生產設備技術領域，特別涉及一種制備高純度(純度＞99.99％)的多晶硅的分凝和鑄錠用真空爐。

背景技術

在多晶硅的生產和提純的過程中，尤其是物理或冶金法(也包括化學法)制備提純多晶硅的過程中，需要通過定向凝固去雜和鑄錠。中國專利200620031881.4實用新型專利公開了一種制備多晶硅用鑄錠爐，采用對上述工序中的硅水加熱，在通過自下而上設有分層加熱元件的加熱罩來對坩堝中的硅水進行加熱、保溫和冷卻，由于硅水由上直接倒入坩堝在實際操作中并不可行，容易造成氧化、硅水濺出和容易造成坩堝損壞；爐頂的機構復雜，容易故障；而采用分層加熱元件的方式無法保證坩堝內硅水凝固鑄錠的效果，同時，會導致數學模型的運算十分復雜，使溫度設定值的給定實際無法按照模型完成，無法進行實時控制。因此，該專利實際并不可行。

實用新型內容

本實用新型提供的一種無需移動部件的多晶硅分凝鑄錠爐，爐體內在整個加熱和結晶過程中沒有移動部件，而且也無需通過分層加熱元件，就可以實現固液界面的水平緩慢上移，使坩堝內的液體硅實現結晶和晶向拉伸，達到鑄錠和提純的目的。

為了達到上述目的，本實用新型提供了一種無需移動部件的多晶硅分凝鑄錠爐，包含：

真空爐體，該爐體中充滿保護氣體；

設置在爐體中的坩堝，該坩堝為無上蓋的立方體或圓柱體形狀，即水平截面為方形或圓形；

設置在坩堝外側部的石墨支撐層，防止高溫時石英坩堝強度變低而導致硅液滲漏；

設置在坩堝底部的均熱層；

設置在坩堝及石墨支撐層外圍的加熱組件；

設置在底部加熱元件下面的均熱層；

設置在加熱組件四周和頂部的保溫層，該保溫層與均熱層相連，與均熱層形成基本密閉，減少熱量散失，提高能源效率；

設置在均熱層下面的冷卻系統；

所述的加熱組件包含：

位于坩堝頂部的頂部加熱元件；

位于均熱層底部的底部加熱元件；

位于石墨支撐層四周的周邊加熱元件，該周邊加熱元件根據坩堝的形狀對應圍成一個立方體的四個方形加熱面或圍成一個圓柱體的柱面；

所述三組加熱元件之間留有縫隙；

所述的坩堝四周還設置有測溫元件；

還具有監控系統，對坩堝四周的保護氣體和冷卻液的壓力、流量進行監測，采用專用的熱力學模型根據爐內的溫度、壓力、流量和時間參數進行運算后，控制坩堝頂部、底部和四周的加熱元件的電流，來達到使坩堝及其中的硅液的溫度自下而上逐步緩慢下降，使熔融硅料結晶凝固，同時保持固液界面始終按一個平面上升，達到既能去除硅料中的分凝系數低的雜質元素，又能達到良好的鑄錠效果。

本鑄錠爐的監測系統采用高精度溫度控制與運動控制，自動控制系統能夠接受來自用戶的熱力學數學模型提供的控制參數和設定值，并按數學模型給出的控制參數進行控制。同時也可保證系統能夠按工藝的要求進行升溫、保溫、降溫，卸料，并對爐體生產過程中的生產參數進行監測記錄和報警，同時人員能夠通過操作臺進行手動控制以及手/自動無擾動切換，

本實用新型提供的一種無需移動部件的多晶硅分凝鑄錠爐在工作時，先進行上料、抽真空、通電加熱使坩堝、坩堝支撐層及坩堝內的硅料升溫熔融，當硅液熔融一定的時間后，熱力學模型根據自動控制系統所采集的數據進行溫度分布的設定值給定，而自動控制系統則根據給定的溫度空間分布的設定值對加熱元件進行控制，使坩堝和坩堝內的熔化的硅液從底部開始向上逐步降溫，并從底部向上慢慢凝固，在凝固的過程中，硅液結晶形成多晶硅，而結晶的固液界面始終保持在水平狀態下，以保證最好的結晶效果，同時，在分凝作用下將分凝系數小的雜質向上擠出，達到去雜的目的，在坩堝內的硅完全結晶后，開始降溫和下料。

與現有技術相比，本實用新型在爐內因沒有加熱元件和坩堝的相對運動，減少了振動干擾，可保證最好的結晶效果；同時，采用側面用一組加熱元件而無需采用分層加熱元件的方法，使得按照熱力學模型的實時計算成為可能，使固液界面可以保持水平上升，上升速度也可以達到最優的控制，從而達到最佳的結晶效果和去雜效果；頂部、側面、底部三組加熱元件之間留有縫隙，可以使自上而下的溫度場能夠形成；而整個加熱元件經過相對密閉的保溫層再放置在真空爐內，可以保證較高的能源效率。

本實用新型每爐每次可對多達一噸的多晶硅進行提純和鑄錠，處理量與爐體和坩堝的大小及加熱功率等因素有關，每爐處理時間為40-70小時，處理時間與硅料的重量和結晶狀況有關。

附圖說明