[实用新型]一种无需移动部件的多晶硅分凝铸锭炉

说明书

技术领域

本实用新型属于多晶硅生产设备技术领域，特别涉及一种制备高纯度(纯度＞99.99％)的多晶硅的分凝和铸锭用真空炉。

背景技术

在多晶硅的生产和提纯的过程中，尤其是物理或冶金法(也包括化学法)制备提纯多晶硅的过程中，需要通过定向凝固去杂和铸锭。中国专利200620031881.4实用新型专利公开了一种制备多晶硅用铸锭炉，采用对上述工序中的硅水加热，在通过自下而上设有分层加热元件的加热罩来对坩埚中的硅水进行加热、保温和冷却，由于硅水由上直接倒入坩埚在实际操作中并不可行，容易造成氧化、硅水溅出和容易造成坩埚损坏；炉顶的机构复杂，容易故障；而采用分层加热元件的方式无法保证坩埚内硅水凝固铸锭的效果，同时，会导致数学模型的运算十分复杂，使温度设定值的给定实际无法按照模型完成，无法进行实时控制。因此，该专利实际并不可行。

实用新型内容

本实用新型提供的一种无需移动部件的多晶硅分凝铸锭炉，炉体内在整个加热和结晶过程中没有移动部件，而且也无需通过分层加热元件，就可以实现固液界面的水平缓慢上移，使坩埚内的液体硅实现结晶和晶向拉伸，达到铸锭和提纯的目的。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种无需移动部件的多晶硅分凝铸锭炉，包含：

真空炉体，该炉体中充满保护气体；

设置在炉体中的坩埚，该坩埚为无上盖的立方体或圆柱体形状，即水平截面为方形或圆形；

设置在坩埚外侧部的石墨支撑层，防止高温时石英坩埚强度变低而导致硅液渗漏；

设置在坩埚底部的均热层；

设置在坩埚及石墨支撑层外围的加热组件；

设置在底部加热元件下面的均热层；

设置在加热组件四周和顶部的保温层，该保温层与均热层相连，与均热层形成基本密闭，减少热量散失，提高能源效率；

设置在均热层下面的冷却系统；

所述的加热组件包含：

位于坩埚顶部的顶部加热元件；

位于均热层底部的底部加热元件；

位于石墨支撑层四周的周边加热元件，该周边加热元件根据坩埚的形状对应围成一个立方体的四个方形加热面或围成一个圆柱体的柱面；

所述三组加热元件之间留有缝隙；

所述的坩埚四周还设置有测温元件；

还具有监控系统，对坩埚四周的保护气体和冷却液的压力、流量进行监测，采用专用的热力学模型根据炉内的温度、压力、流量和时间参数进行运算后，控制坩埚顶部、底部和四周的加热元件的电流，来达到使坩埚及其中的硅液的温度自下而上逐步缓慢下降，使熔融硅料结晶凝固，同时保持固液界面始终按一个平面上升，达到既能去除硅料中的分凝系数低的杂质元素，又能达到良好的铸锭效果。

本铸锭炉的监测系统采用高精度温度控制与运动控制，自动控制系统能够接受来自用户的热力学数学模型提供的控制参数和设定值，并按数学模型给出的控制参数进行控制。同时也可保证系统能够按工艺的要求进行升温、保温、降温，卸料，并对炉体生产过程中的生产参数进行监测记录和报警，同时人员能够通过操作台进行手动控制以及手/自动无扰动切换，

本实用新型提供的一种无需移动部件的多晶硅分凝铸锭炉在工作时，先进行上料、抽真空、通电加热使坩埚、坩埚支撑层及坩埚内的硅料升温熔融，当硅液熔融一定的时间后，热力学模型根据自动控制系统所采集的数据进行温度分布的设定值给定，而自动控制系统则根据给定的温度空间分布的设定值对加热元件进行控制，使坩埚和坩埚内的熔化的硅液从底部开始向上逐步降温，并从底部向上慢慢凝固，在凝固的过程中，硅液结晶形成多晶硅，而结晶的固液界面始终保持在水平状态下，以保证最好的结晶效果，同时，在分凝作用下将分凝系数小的杂质向上挤出，达到去杂的目的，在坩埚内的硅完全结晶后，开始降温和下料。

与现有技术相比，本实用新型在炉内因没有加热元件和坩埚的相对运动，减少了振动干扰，可保证最好的结晶效果；同时，采用侧面用一组加热元件而无需采用分层加热元件的方法，使得按照热力学模型的实时计算成为可能，使固液界面可以保持水平上升，上升速度也可以达到最优的控制，从而达到最佳的结晶效果和去杂效果；顶部、侧面、底部三组加热元件之间留有缝隙，可以使自上而下的温度场能够形成；而整个加热元件经过相对密闭的保温层再放置在真空炉内，可以保证较高的能源效率。

本实用新型每炉每次可对多达一吨的多晶硅进行提纯和铸锭，处理量与炉体和坩埚的大小及加热功率等因素有关，每炉处理时间为40-70小时，处理时间与硅料的重量和结晶状况有关。

附图说明