一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐的製作方法

2023-06-14 00:34:06

專利名稱：一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐的製作方法
技術領域：
本發明屬於光伏產業技術領域，涉及採用改良西門子法生產多晶矽過程中，還原 爐內生長多晶矽的載體-矽芯的裝置，具體涉及一種一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯 爐。
背景技術：
隨著全球對綠色能源的共識，光伏產業得以迅猛發展，作為光伏產業鏈條中的上 遊產品，多晶矽供不應求，國內外有實力的商業巨頭紛紛投入巨資介入多晶矽行業，發展規 模越來越大，矽芯爐是多晶矽生產鏈條上的一個重要環節，需求也越來越大。目前大量使用的矽芯爐，一次只能拉制一根矽芯，一爐次只能拉制4-6根矽芯，面 對巨量的市場需求，需要投入大量的矽芯爐進行生產，設備佔地面積越來越大，人力、物力 及能源消耗巨大，而能源消耗也已成為多晶矽生產廠家的考量指標之一，因此，從提高設備 效率，節能降耗，節約成本方面考慮，很有必要研發性能更為卓越的矽芯設備。

發明內容
本發明的目的是提供一種一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，解決了現有矽芯 爐單爐次產量低，人力、物力及能源消耗巨大的問題。本發明所採用的技術方案是，一種一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，機架上 安裝有下爐室和槽路滑車，槽路滑車上設置有與高頻電源相連接的高頻槽路，下爐室內部 設置有充氣裝置、高頻電極及感應加熱組件、抽空裝置，其中的充氣裝置與供氬氣裝置連 接，高頻電極及感應加熱組件與高頻槽路連接，高頻電極及感應加熱組件包括高頻感應加 熱器和高頻電極組件，抽空裝置與真空泵連接；下爐室向上與上爐室連通，下爐室與上爐室 中設置有貫通上下的導向鋼絲，導向鋼絲上設置有能夠上下滑動的籽晶卡頭座，上爐室的 上端設置有籽晶抓卸及轉盤分度裝置，上爐室的上表面設置有過渡副室，過渡副室的上方 設置有上傳動裝置，上傳動裝置通過軟軸與籽晶卡頭座連接，籽晶卡頭座與籽晶卡頭掛接， 籽晶卡頭上的籽晶頭與高頻感應加熱器中的矽芯拉制孔垂直對應；在機架中還設置有與下 爐室連接的下傳動裝置和水冷卻裝置。本發明的有益效果是，一次能夠拉制5-6根矽芯，一爐次能夠拉制15-18根矽芯， 大大提高了矽芯的生產效率，降低了單根矽芯的能耗，減少了人力，物力的投入，從而降低 了多晶矽生產過程的成本。


圖1是本發明的矽芯爐主體結構示意圖2是本發明裝置中的導向架、籽晶卡頭、感應加熱器以及導向鋼絲組件局部連接示 意圖3是本發明裝置中的籽晶抓卸及轉盤分度裝置示意圖；圖4是圖2中的導向架與籽晶卡頭結構局部放大示意圖； 圖5是本發明裝置中的分度轉盤結構示意圖； 圖6是本發明裝置中的高頻電極及感應加熱組件俯視示意圖 圖7是本發明裝置中的五根矽芯高頻感應加熱器實施例示意圖； 圖8是本發明裝置中的六根矽芯高頻感應加熱器實施例示意圖。圖中，1.上傳動裝置；2.過渡副室；3.籽晶抓卸及轉盤分度裝置；4.上爐室；5.下 爐室；6.充氣裝置；7.高頻電極及感應加熱組件；8.抽空裝置；9.下傳動裝置；10.機架； 11.水冷卻裝置；12.槽路滑車；13.高頻槽路；14.真空泵；15.上夾塊；16.陶瓷套；17.下 夾塊；18.導向鋼絲；19.轉盤分度控制裝置；20.籽晶卡頭座；21.籽晶卡頭；22.分度轉 盤；23.可調螺母及螺母座；24.高頻電極組件；25.高頻感應加熱器；26.矽芯拉制位； 27.籽晶卡頭放置位；28.分度轉盤位；29.矽芯放置位；30.錐臺；31.矽芯拉制孔；32.分 流槽；33.中心孔；37.軟軸；38.連接軸；39.導向架；41.壓母；43.銷軸；44.連接端頭； 45.固定盤；46.籽晶頭。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。如圖1、圖2，本發明裝置的矽芯爐結構是，在機架10中設置有下傳動裝置9和水 冷卻裝置11，機架10的檯面上及後部安裝有下爐室5和槽路滑車12，槽路滑車12上設置 有與高頻電源相連接的高頻槽路13，下爐室5內部設置有充氣裝置6、高頻電極及感應加熱 組件7、抽空裝置8，其中的充氣裝置6與外界的供氬氣裝置連接，高頻電極及感應加熱組件 7與高頻槽路13連接，抽空裝置8與外界的真空泵14連接；下爐室5向上與上爐室4連通， 下爐室5與上爐室4中設置有貫通上下的導向鋼絲18，導向鋼絲18上設置有可上下滑動的 籽晶卡頭座20，上爐室4的上端設置有籽晶抓卸及轉盤分度裝置3，上爐室4的上表面設置 有過渡副室2，過渡副室2的上方設置有上傳動裝置1。上傳動裝置1包括兩套結構相同的軟軸卷揚機構，在拉制長矽芯(2100-3000mm) 的過程中，有效降低設備高度；每個軟軸卷揚機構採用精密伺服電機驅動，經渦輪蝸杆傳動 後驅動花鍵軸實現軟軸卷揚提升，兩套提升機構按照快、慢速分開，與控制系統分別連接， 接受控制系統的程序控制，從而滿足矽芯在拉制過程對不同速度的精度要求；軟軸卷揚機 構中還設置有配合矽芯生長過程的上、下限位開關，以便控制系統操作軟軸卷揚機構的動 作；整個卷揚機構設置在一個密閉的卷輪箱體內，軟軸17通過過渡副室2伸入上爐室4中， 軟軸卷揚機構通過軟軸17與籽晶卡頭座20連接，保證了矽芯生長工藝要求。過渡副室2是上傳動裝置1和上爐室4之間的過渡，與真空爐室及軟軸卷揚機構 箱體相通，設有第二道機械限位，當上傳動裝置1限位失效後，第二道限位起作用，防止籽 晶卡頭座20意外下掉。上爐室4是上工作腔部分，設有上門，上門可以打開，矽芯可從上門取出，上門開 有圓形觀察窗，便於觀察轉盤情況；上爐室在轉盤高度附近設有攝像頭，便於從控制櫃監視 器上觀察轉盤轉動時矽芯的卸放以及籽晶卡頭的抓取情況；在攝像頭附近偏離45°的方 向設有配合使用的上爐室燈。下爐室5是下工作腔部分，固定在機架10上，向上與上爐室4通過螺栓固定，向下與機架10通過螺釘固定，下爐室5下後部設有高頻接口，高頻電極及感應加熱組件7與高 頻槽路13通過該接口連接，是整個設備的工作區，該接口的等高部左右兩側各設有一個觀 測孔，並設有下充氣咀、壓力表咀、下爐室燈孔；下爐室5的下爐門與下爐室5通過螺栓與鉸 鏈相連，下爐門上開有長方形觀測窗，下爐室5開有左、右視窗，便於觀察熔區各部情況。如圖2，下爐室5中設置有導向鋼絲防損壞組件，包括在與高頻電極及感應加熱組 件7高度相應位置的導向鋼絲18上套裝有陶瓷套16，陶瓷套16的上下端分別套裝有上夾 塊15、下夾塊17，防止高頻感應加熱器25的熱輻射高溫影響，起到保護導向鋼絲18的目 的，另外，上夾塊15可止動籽晶卡頭座20下掉，在意外情況下保護高頻感應加熱器7不受 損壞。如圖3，籽晶抓卸及轉盤分度裝置3的結構是，包括設置在上爐室4上蓋上表面的 轉盤分度控制裝置19和位於上爐室4內部的分度轉盤22，轉盤分度控制裝置19和分度轉 盤22同軸固定連接，轉盤分度控制裝置19通過步進電機驅動精密渦輪蝸杆實現精確分度， 步進電機與控制系統連接，實現分度轉盤22的角度轉動，轉盤分度控制裝置19還設有分度 回控機構，能夠精確迴轉到起始位置。參照圖3、圖4，籽晶卡頭組件的結構是，籽晶卡頭座20包括安裝在導向鋼絲18上 的導向架39，導向架39的中軸豎直穿有連接軸38，連接軸38上端通過軟軸37穿入卷輪箱 體後與上傳動裝置1連接，連接軸38下端與籽晶卡頭座20的上底板採用螺紋相連，連接軸 38端頭通過壓母41和籽晶卡頭座20實現保險固定，籽晶卡頭座20的下底板設置有中心圓 錐卡口，該圓錐卡口開有缺口。籽晶卡頭21的結構是，包括同軸設置的倒圓錐形的連接端頭44、倒圓錐形的錐臺 30以及固定盤45，固定盤45向下連接有5-6個籽晶頭46，連接端頭44、錐臺30以及固定 盤45依次從上到下間隔設置，當籽晶卡頭座20的缺口轉到合適位置時，連接端頭44與籽 晶卡頭座20的圓錐卡口通過倒錐面鉤掛定位，實現牢靠連接，連接端頭44上部兩端設置有 兩個過盈配合的銷軸43，兩個銷軸43的方向與下面固定盤45上的5-6個籽晶頭46的方 位相對應。工作過程中，每個籽晶頭46的方位要與高頻感應加熱器25上的矽芯拉制孔31 嚴格對中，整個系統採用工裝對中可調，連接端頭44及銷軸43與籽晶卡頭座20通過錐面 固定掛接，可以實現自動裝卸籽晶卡頭21。籽晶盤連接軸中間的一道錐臺30，一個作用是 拉完一組矽芯後，將一組矽芯卸放在分度轉盤22上時，放置在分度轉盤22上的矽芯卸放位 29上的錐孔上用，另一個作用是將籽晶卡頭21放置在籽晶卡頭放置位27上的形如錐孔上 用，從而實現籽晶卡頭21與矽芯的自動卸放。工作時，連接有籽晶卡頭座20及籽晶卡頭21 等的導向架39沿著導向鋼絲18上下移動，保證矽芯在拉制過程中的直線度。如圖5，分度轉盤22上設有一個矽芯拉制位26、兩個籽晶卡頭放置位27、兩個矽芯 放置位29，共有五個工位，籽晶卡頭放置位27以及矽芯放置位29為錐形孔，與籽晶卡頭21 的錐臺30卡接實現支撐安置，兩個籽晶卡頭放置位27和一個矽芯拉制位26各放置1組籽 晶卡頭21，每個籽晶卡頭21包括5-6個籽晶頭，工作過程中，籽晶卡頭座20每次與一組籽 晶卡頭21配合連接，分度轉盤22受程序控制轉動相應的角度，保證籽晶卡頭21能夠按照 順序依次掛在分度轉盤22上的指定工位。當第1組矽芯完成生長並拉制完畢後，就自動卸 放在轉盤機構籽晶位上，再抓取第2組籽晶卡頭組件，開始新矽芯生長……，直至第3組矽 芯拉制完成後，拉制結束，即可實現一爐次拉制3組矽芯的要求，籽晶抓卸及轉盤分度裝置
63接受控制系統的程序控制，整個籽晶抓取及卸放動作是通過PLC程序控制實現的。籽晶抓 卸及轉盤分度裝置3中的自動轉盤上還設有手動開關，以備緊急情況使用。見圖6，高頻電極及感應加熱組件7的結構是，包括高頻感應加熱器25和高頻電極 組件24，高頻電極組件24為前後及左右可調結構，通過可調螺母及螺母座23實現密封及調 整，保證線圈安裝時與下軸對中。如圖7、圖8，高頻感應加熱器25為一個5-6芯的圓周對稱組合結構，在中心孔33 周圍沿圓周均勻設置有5-6個矽芯拉制孔31，各個矽芯拉制孔31之間設置有分流槽32，所 有分流槽32向心與中心孔33連通，能夠滿足一次拉制5-6根矽芯的要求。高頻感應加熱 器25工作時，中心孔33先將籽晶頭46中間一個籽晶熔化後，熔滴滴在原料棒上，原料棒在 高頻感應加熱器25作用下，通過熔滴對原料棒加溫，當原料棒發紅至各矽芯拉制孔31下各 小熔區形成飽滿後，點動控制上傳動裝置1動作，使籽晶頭46接觸小熔區，熔融後設定速 度及溫度參數後，進行矽芯拉制，圖7顯示的實施例結構設置有五個矽芯拉制孔31，對應五 個籽晶卡頭46，一次可拉制五根矽芯，中心孔33為化料用，分流槽32起電流分布均衡的作 用。五個分流槽32中的一個是貫通的，是將兩級之間切斷的，其餘4個為與之匹配的一定 尺寸的分流槽，實現電流在高頻感應加熱器25上的均衡分布，從而實現五根矽芯生長的一 致性。圖8顯示的實施例結構設置有六個矽芯拉制孔31，對應六個籽晶卡頭46，一次可拉 制六根矽芯，中心孔33為化料用，有六個分流槽32，其中一個是貫通的，其餘五個為與之匹 配的一定尺寸的分流槽，實現電流在高頻感應加熱器25上的均衡分布，從而實現六根矽芯 生長的一致性。充氣裝置6，設備工作在氬氣氣氛下，設備工作時，先抽真空，然後經充氣裝置快速 充氣，充分置換空氣後，爐內達一定壓力，關閉快速充氣功能，打開充氣流量計，打開排氣流 量計及排氣閥，設備進入工作過程。充氣流量計、排氣流量計均與控制系統連接，及時傳遞 數據信息。整個過程進排氣流量手動可調，其它動作均由程序控制電磁閥動作進行。抽空裝置8，設備開始工作時，先抽真空，真空系統由真空泵、真空管道、電動球閥 等組成。下傳動裝置9，設有快、慢速兩套傳動系統，保證設備在不同的工作階段的工藝要 求，每套傳動系統均採用精密伺服電機經渦輪蝸杆減速器驅動，滾動導軌及滾珠絲槓傳動 實現精密的原料棒移動，在控制系統程序操控下完成多晶矽原料棒的供給或退出操作。水冷卻裝置11，包括在設備總進水、總回水及各支路都設有球閥，便於控制各支路 水流大小，總進水、總回水上還分別安裝有溫度傳感器，進水口還安裝有流量計及壓力表， 溫度傳感器、流量計及壓力表均與控制系統連接，及時傳遞數據信息。槽路滑車12，採用導軌及絲槓結構，槽路滑車12上安裝有高頻槽路13，便於在安 裝調試及更換高頻電極組件24時實現高頻槽路13的前後移動；槽路滑車12與高頻槽路13 之間設置有4個上下可調螺栓，便於實現高頻槽路13的上下位置調整。本發明裝置按照功能可以分為主機部分、電氣控制部分以及電源部分三大部分組 成。包括上傳動裝置1、過渡副室2、籽晶抓取卸放及轉盤機構3、上爐室4、下爐室5、充 氣裝置6、高頻電極及感應加熱組件7、抽空裝置8、下傳動裝置9、水冷卻裝置11、真空泵14 組成主機部分。
由速度系統、控溫系統及檢測報警系統構成電氣控制部分，速度系統包括對上傳 動裝置1、下傳動裝置9的控制，控溫系統包括對充氣裝置6、抽空裝置8、水冷卻裝置11、真 空泵14的控制，檢測報警系統包括對上爐室4、下爐室5的監控報警。由高頻電源及高頻槽路13、槽路滑車12組成電源部分，包括對高頻電極組件24及 高頻感應加熱器25的控制，滿足熔化直徑為680-120mm多晶矽原料棒要求，高頻電源頻率 為3士0. 2MHz，輸出功率彡60KW。本發明裝置的工作過程是，在真空爐腔內，充氣裝置6、抽空裝置8及真空泵14工 作，在氬氣氣氛下，上傳動裝置1通過軟軸17帶動籽晶卡頭座20下降，下傳動裝置9上安 裝的5-6個多晶矽原料棒在高頻電極組件24及高頻感應加熱器25作用下被加熱，從而在 多晶矽母料上表面形成小熔區，小熔區的數量根據高頻感應加熱器25的設置，當小熔區形 成後，籽晶卡頭21的5-6個籽晶向下運動接觸到各對應小熔區，各籽晶熔透後，在一定的溫 度和速度條件下，上傳動裝置1以一定的速度向上勻速運動拉制矽芯，相應的下傳動裝置9 以一定的與上傳動裝置1相匹配的速度向上勻速運動供料，當一組矽芯(5-6根)拉制到需 要的長度後，拉斷，一組矽芯拉制完成，根據程序設定，轉盤分度控制裝置19動作，從籽晶 卡頭座20上卸下已拉制好的一組矽芯，再抓取下一組籽晶送到籽晶卡頭座20中，進行下一 組矽芯的生長，直至三組矽芯全部完成後，一個完整的矽芯拉制的全過程結束。經過充氣裝 置6、水冷卻裝置11的後續操作，拉好的三組矽芯從上爐室4上門取出。本發明的優點是1)可以熔化直徑680-120讓的多晶矽原料棒，就可直接從還 原爐內獲得多晶矽原料棒，從還原爐內獲得粗的多晶矽原料棒比細直徑的原料棒要經濟很 多，解決了原料棒問題；2)生產能力極大提高，5-6根/次，15-18根/爐次，從而大幅提高 了生產效率，降低了單根矽芯的成本，具有很好的經濟效益；3)採用精密的傳動元件及精密 的驅動元件，運行精度高；4)採用PLC控制，人機界面友好，便於自動化控制及人工相結合 進行操作。
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權利要求
一種一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於機架(10)上安裝有下爐室(5)和槽路滑車(12)，槽路滑車(12)上設置有與高頻電源相連接的高頻槽路(13)，下爐室(5)內部設置有充氣裝置(6)、高頻電極及感應加熱組件(7)、抽空裝置(8)，其中的充氣裝置(6)與供氬氣裝置連接，高頻電極及感應加熱組件(7)與高頻槽路(13)連接，高頻電極及感應加熱組件(7)包括高頻感應加熱器(25)和高頻電極組件(24)，抽空裝置(8)與真空泵(14)連接；下爐室(5)向上與上爐室(4)連通，下爐室(5)與上爐室(4)中設置有貫通上下的導向鋼絲(18)，導向鋼絲(18)上設置有能夠上下滑動的籽晶卡頭座(20)，上爐室(4)的上端設置有籽晶抓卸及轉盤分度裝置(3)，上爐室(4)的上表面設置有過渡副室(2)，過渡副室(2)的上方設置有上傳動裝置(1)，上傳動裝置(1)通過軟軸(17)與籽晶卡頭座(20)連接，籽晶卡頭座(20)與籽晶卡頭(21)掛接，籽晶卡頭(21)上的籽晶頭與高頻感應加熱器(25)中的矽芯拉制孔(31)垂直對應；在機架(10)中還設置有與下爐室(5)連接的下傳動裝置(9)和水冷卻裝置(11)。
2.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述籽 晶抓卸及轉盤分度裝置(3)的結構是，包括設置在上爐室(4)上蓋上表面的轉盤分度控制 裝置(19)，以及位於上爐室(4)內部的分度轉盤(22)，轉盤分度控制裝置(19)和分度轉盤 (22)同軸固定連接，轉盤分度控制裝置(19)中的步進電機與控制系統連接；分度轉盤(22) 上沿圓周設有一個矽芯拉制位(26)、兩個籽晶卡頭放置位(27)、兩個矽芯放置位(29)，共 有五個工位。
3.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述上 傳動裝置(1)包括兩套結構相同的軟軸卷揚機構，每個軟軸卷揚機構包括一伺服電機，伺服 電機通過渦輪蝸杆及花鍵軸與軟軸(17)連接，兩套提升機構按照快、慢速分開，與控制系統 分別連接；軟軸卷揚機構中還設置有軟軸(17)的上、下限位開關。
4.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述下 傳動裝置(9)的結構是，設有快、慢速兩套傳動系統，每套傳動系統均包括一伺服電機，伺服 電機與渦輪蝸杆減速器、滾動導軌、滾珠絲槓、原料棒依次連接，兩個伺服電機與控制系統 分別連接。
5.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述上 爐室(4)設有上門，上門開有觀察窗，上爐室在轉盤高度設有攝像頭及配套的上爐室燈。
6.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述 下爐室(5)設有高頻接口以及下充氣咀、壓力表咀、下爐室燈孔，高頻電極及感應加熱組件 (7)與高頻槽路(13)通過該高頻接口連接；下爐室(5)設置有下爐門，下爐門上開有觀察 窗，下爐室(5)高頻接口高度處左右設有觀察窗。
7.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述的 導向鋼絲(18)上，與高頻電極及感應加熱組件(7)高度相應的位置上套裝有陶瓷套(16)， 陶瓷套(16)的上下端分別套裝有上夾塊(15)、下夾塊(17)。
8.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述高 頻感應加熱器(25)的結構是，包括一中心孔(33)，在中心孔(33)周圍沿圓周均勻設置有 5-6個矽芯拉制孔(31)，各個矽芯拉制孔(31)之間設置有分流槽(32)，所有分流槽(32)向 心與中心孔(33)連通。
9.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述充 氣裝置(6)設置有充氣流量計、排氣流量計，充氣流量計、排氣流量計均與控制系統連接； 所述水冷卻裝置(11)的總進水、總回水上分別安裝有溫度傳感器，進水口還安裝有流量計 及壓力表，所有溫度傳感器、流量計及壓力表均與控制系統連接。
10.根據權利要求1所述的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，其特徵在於所述 籽晶卡頭(21)的結構是，包括同軸設置的倒圓錐形的連接端頭(44)、倒圓錐形的錐臺(30) 以及固定盤(45)，固定盤(45)向下連接有5-6個籽晶頭(46)，連接端頭(44)、錐臺(30)以 及固定盤(45)依次從上到下間隔設置。
全文摘要
本發明公開的一爐次中多次拉制多根矽芯的矽芯爐，在機架中設有下傳動裝置和水冷卻裝置，機架上安裝有下爐室和槽路滑車，槽路滑車上設有高頻槽路，下爐室內設有充氣裝置、高頻電極及感應加熱組件、抽空裝置，高頻電極及感應加熱組件與高頻槽路連接；下爐室與上爐室連通，下爐室與上爐室中設有貫通上下的導向鋼絲，導向鋼絲上設有導向架，導向架上裝有籽晶卡頭座及籽晶卡頭，上爐室的上端設置有籽晶抓卸及轉盤分度裝置，上爐室的上方設置上傳動裝置，上爐室與上傳動之間設有過渡副室，上傳動裝置與籽晶卡頭座通過軟軸連接。本發明的矽芯爐，實現了一爐次拉制15-18根矽芯，提高了矽芯的生產效率，降低了多晶矽生產的成本。
文檔編號C30B29/06GK101892519SQ20101023052
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月20日 優先權日2010年7月20日
發明者劉凱, 原洛渭, 吳斌, 宋豔玲, 李春蕊, 王一強, 王俊輝, 王建春, 董淑梅, 薛武鵬, 賈志華 申請人:西安理工晶體科技有限公司