硅单晶炉

硅单晶炉（精选六篇）

硅单晶炉 篇1

硅单晶体的生长要求比较严格, 从原料、热场、保护气体、设备到坩埚等等, 每一个环节都应作到认真、到位。晶体生长工艺在真空室里面进行, 这就对真空室的内环境提出更高的要求。

1 存在问题以及分析

硅单晶炉真空室主要由主炉室、副炉室组成。主炉室的结构特点:宽大、扁短 (高约800mm, 内径ϕ800mm) 。空间比较宽敞, 卫生清理工作比较简单、容易。副炉室的结构特点:狭小、深长 (长约2000mm, 内径ϕ265mm) 。副炉室的结构特点决定了副炉室内壁清理工作复杂性。原副炉室的清理工具比较简便, 一般情况就是在一根长操作杆一端绑着无尘纸等, 再蘸上无水乙醇, 擦拭副炉室的内壁, 如图1所示。加大了工人的劳动强度加大, 也给副炉室清理带来卫生死角, 给下次的工艺带入一个污染源, 对晶体的生长和晶体品质带来不利因素。

1.副炉室2.操作杆3.无尘纸

2 清炉机构的组成与工作原理

2.1 清炉机构的组成

根据副炉室内径的尺寸, 设计刷头外径的大小ϕ265。该机构组成如图2所示, 主要由刷头和操作杆组成。刷头由四把圆弧刷子组成, 刷子在弹簧的作用下自由向外张开, 同时在四把刷子的尾端用尼龙绳两两对联, 用长尼龙绳通过操作杆连到对联的刷子上。

1.刷子2.压缩弹簧3.刷架4.六角螺母5.尼龙绳6.操作杆7.蝶形螺母8.内六角螺钉

2.2 工作原理

通过调整刷子上的螺母去加大刷头的外直径, 如图3所示。拉动尼龙绳, 刷子在拉力作用下, 向中心靠拢, 从而减小刷头的外直径。如图4所示。

3 使用方法

把无尘纸固定在机构的四个刷子上, 蘸上无水乙醇, 通过拉动操作杆中的尼龙绳, 压缩四个刷子弹簧, 使刷子向中心移动, 减小机构外直径, 把机构伸到副室顶端, 松开尼龙绳, 刷子在弹簧的作用下, 向四周张开, 紧压在副室内壁, 此时, 握着操作杆使机构向下运动, 擦拭内壁, 以达到清理的目的, 操作过程如图5所示。

4 结语

该机构具有造价低廉、操作简单, 清炉干净的优点。能够有效地消除副炉室内壁卫生死角, 还晶体生长一个洁净的环境。

摘要：为了解决现有硅单晶炉副炉室清理中存在的问题, 提高清炉的效率, 降低工人的劳动强度, 设计了一种方便的清炉机构。该机构操作简单、方便、实用。

关键词：硅单晶炉,副炉室,副炉室清炉机构

参考文献

单晶炉加热开关电源的研制 篇2

在构建单晶炉加热开关电源的过程当中, 所涉及到的全桥整流电路基本结构示意图如下图所示 (见图1) 。从图中所示结构不难发现:在单晶炉加热开关电源的研制过程当中, 各开关元件的零电压通断处理能够借助于谐振电路的综合应用而实现。同传统意义上基于可控硅调压方式的桥式整流作业模式相比, 本文所研制的此种基于软启动方式的全桥整流作业模式能够实现对整个单晶炉加热开关电源启动状态下电源对整个电网系统、前级空开以及接触器装置合闸动作的冲击影响。更为关键的一点在于:对于整个单晶炉加热开关电源的综合应用而言, 无论是在空载负荷状态、在满载负荷状态或是在轻载负荷状态下, 整流桥的通道角将始终保持在max数值当中, 并不会随负载的变化而产生任何影响。从这一角度上来说, 建立在软启动全桥整流电路基础之上的整个单晶炉加热开关电源有着较高的功率因素以及较小的谐波含量优势。

二、单晶炉加热开关电源移相软开关逆变电路研制措施分析

对于整个高频开关电源而言, 移相软开关逆变电路可以说是这一整体中最为关键的组成部分之一。从实践应用的角度上来说, 移相软开关逆变电路的工作性能在很大程度上关系着整个开关电源运行性能的发挥。对于整个电路而言, 通过应用移相软开关逆变电路的方式, 能够确保全桥变化器装置中所配备的两个桥臂开关管导通角能够形成一个适度的角度关系。在当前技术条件支持下, 赋予全桥变化器装置中的迟后壁部件以自然软开关状态, 赋予超前臂部件以人为性的软开关状态 (通过辅助软开关电路补偿的方式确保软开关运行状态的有效性与稳定性) , 借助于此种方式能够确保开关电源运行过程中的安全性与可靠性。

实践研究结果表明:此种单晶炉加热开关电源能够在较短的时间内产生稳定性的四路移相控制PWM数据信号, 在确保数据信号稳定可靠的基础之上, 兼具有效的稳压保护以及稳流保护。特别需要注意的一点在于:此种芯片部件能够实现同时实现对两个半桥开关装置相位的移动处理, 能够确保在较短的实践范围之内, 开关管两侧位置的电压指标能够及时下降至零值范围, 从而实现真正意义上的零电压开通运行处理。从这一角度上来说, 为最大限度的确保单晶炉加热开关电源具备质量较轻与体积较小的需求, 必须实现对开关频率的合理增大。按照此种方式所实现的电源逆变工作频率参数表现为20kHz~25kHz单位范围之内, 能够充分发挥IGBT功率管的作业特性, 进而也就实现了对变压器成本的合理控制。

三、单晶炉加热开关电源IGBT逆变驱动电路研制措施分析

在有关单晶炉加热开关电源的研制过程当中, 基于对逆变驱动电路运行有效性与可靠性的综合提升, 需要借助于对门级驱动光耦合器装置的综合应用, 确保对整个驱动电路能够应用充分且综合化的作业功能。基于以上设计思路, 在当前技术条件支持下, 整个单晶炉加热开关电源所涉及到的IGBT逆变驱动电路结构示意图如下图所示 (见图3) 。由图可知:整个IGBT逆变驱动电路主要涉及到输出脉冲整形电路、内置隔离变化器以及光耦隔离输出电路这三个方面。首先, 输出脉冲整形电路主要的工作内容在于实现对IGBT逆变驱动电路所涉及到各类型输入信号的缓冲、整形以及脉冲控制 (以短脉冲控制为主) 处理作业;其次, 内置隔离变化器装置主要负责面向整个逆变驱动电路提供-9V以及+15V电压等级的门机驱动电压, 通过此种方式确保在单晶炉加热开关电源的正常使用过程当中, IGBT逆变驱动电路的安全工作区域有效强化与扩大。

四、结束语

通过本文以上分析需要认识到:在太阳能光伏电池产业化发展的过程当中, 通过单晶炉加热开关电源的研制与应用能够实现对硅单晶太阳能电池有效转换效率的合理提升, 其重要意义是尤为关键的。总而言之, 本文针对有关单晶炉加热开关电源研制过程中所涉及到的包括软启动全桥整流电路、移相软开关逆变电路以及IGBT逆变驱动电路研制工作开展中的关键问题做出了简要分析与说明, 希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。

摘要：本文以单晶炉加热开关电源的研制为研究对象, 首先针对单晶炉加热开关电源研制过程中的软启动全桥整流电路研制措施进行了简要分析, 进而提出了一种基于UC3875#芯片的移相软开关逆变电路研制措施, 在此基础之上分析了IGBT逆变驱动电路研制过程中的相关问题, 旨在于引起各方特别关注与重视。

关键词：单晶炉,加热,开关,电源,研制,措施,分析

参考文献

[1]胡洁微, 房宗良, 吴静等.高精度数字化单晶炉加热电源设计[J].核电子学与探测技术, 2009, 2 (93) :701-704

硅单晶炉 篇3

单晶生长炉是制备硅、锗、砷化镓、YAG等人工晶体的专业设备。近年来随着集成电路和太阳能光伏行业的快速发展,硅单晶炉的需求量不断增大,国内市场以每年近1 000台的数量快速增加[1]。传统的单晶炉监控系统多采用串口通信技术,在车间内安装工作站对数台单晶炉进行现场监控。这种方式仅适合单晶炉数量较少的场合,且串口通讯距离有限,系统升级维护不便,难以满足目前远程大范围的监控需求。

基于此,本研究将PLC通信技术和Web技术相结合,设计一种基于Web的单晶生长炉远程监控系统。

1 系统结构

系统采用B/S架构,由Web服务器、实时数据库、串口服务器、现场单晶炉控制PLC以及远程的PC客户机等组成,整体结构如图1所示。

远程监控系统按照功能系统可划分为现场控制单元(PLC)、车间监控中心(包括串口服务器、交换机、实时数据库和Web服务器)以及客户端(浏览器)3个子系统,分别对应现场层、控制层和监控层。现场控制单元以PLC为核心,一方面负责单晶炉各项数据的采集与处理,控制单晶炉的自动运行;另一方面接收监控中心的控制命令,对命令进行解析判断后及时调整单晶炉的运行参数。车间监控中心是一个中介系统,通过串口服务器与PLC远程互连,进行状态数据和控制命令的双向传输,并通过Web服务器实现运行数据实时发布和接受用户控制命令输入的功能。客户端子系统则是由安装在远程用户计算机上的浏览器来充当,用户通过它和监控中心进行交互,不仅可以实时获取现场单晶炉的运行数据和参数,而且可以在线修改工艺参数和远程控制单晶炉运行。

基于B/S架构的远程监控系统,相对于两层C/S模型,可以省去客户端程序的编写,所有开发、升级和维护均集中在服务器端进行。需要强调的是包含表格和曲线的系统所有页面均以标准的网页格式发布,用户计算机上只需运行浏览器即可,而和所使用的操作系统无关,由此保证了监控系统的跨平台运行。此外,该系统还具有操作界面简单、易用性和一致性好的优点。

2 PLC通信实现

2.1 组网方式及通讯协议

现场控制单元采用的是OMRON公司的CJ1M型PLC,该系列PLC支持Host Link、FINS、自由通信等多种通讯协议和Device Net、Controller Link、Ethernet等多层组网方式[2]。本研究采用了基于串口服务器的低成本简单组网方式,通信协议采用的是广泛应用于OMRON工厂自动化网络的FINS通信协议。FINS协议是一种指令/响应系统,在上位机连接方式下,PLC接收到FINS命令后,会自动响应并将执行结果返回,故PLC端无需编程,大大减少了编程的工作量,提高了系统的可靠性。

串口服务器是一种协议转换模块,它配备有两类通信端口:一类是标准RS232/422/485格式的串行端口,用于和串口设备相连;另一类是RJ45以太网口,与接入局域网的交换机等相连。串口服务器在工作中可自动地将RS232/422/485格式的串行数据与基于TCP/IP协议的以太网数据包进行透明转换,实现远程计算机通过以太网直接访问串口设备的功能。基于串口服务器组网方式既具有串口通信简单方便的特点又利用了以太网通信高效稳定的优点,且能在不更换原有串口设备的基础上实现以太网方式组网,是一种高性价比的组网方式[3]。

监控中心服务器接入以太网后,根据IP地址即可寻址到网络中对应的串口服务器,从而间接操控串口服务器相连的单晶炉(PLC)。数据传送过程中协议的转换过程如图2所示。监控中心服务器将含有Host Link协议的命令块通过TCP数据包的形式发送给指定的串口服务器,服务器自动将接收到的数据包进行解析,并将其中的Host Link命令块转发给相连的PLC。PLC执行完其中的FINS命令,将结果返回给串口服务器,服务器完成打包后将TCP数据包通过以太网传送到监控中心服务器。通过为每台串口服务器分配独立的IP地址,监控中心服务器可同时和数十台乃至上百台的单晶炉通信,实现1:N的远程大范围监控。

2.2 上位机程序设计

监控中心服务器选用Windows 2003 Server作为操作系统,SQL Server 2005 Express作为实时数据库,并安装.Net3.5框架为上位机程序提供运行平台。上位机程序作为Windows环境下的桌面应用程序,是以Microsoft Visual Studio 2008为开发环境,C++为编程语言开发的,负责和所有单晶炉(PLC)之间的通讯,既实时采集现场数据保存至数据库,又将远程用户输入至数据库中的控制命令写入PLC。系统中的串口服务器均配置为TCP Server工作模式,程序采用Socket方式与其通信,并采用多线程处理技术保证数据传输的独立性和程序的可伸缩性。上位机程序运行流程如下:

(1) 进行初始化操作。首先从数据库读取单晶炉参数列表,包括单晶炉名称、对应串口服务器的IP地址和端口号、数据库名称、数据库连接字符串等参数,接着根据所读取的参数实例化单晶炉类,新建各单晶炉对象。

(2) 进行多线程操作。首先根据建立的单晶炉对象数量,为每个对象建立一个独立的线程,用于负责该单晶炉的所有实时通信和数据库读写操作,接着启动各线程。采用多线程平行处理后,程序具有了很好的可定制性,只要根据实际需求修改线程数量就可以实现对不同单晶炉数量系统的监控,既简单又可靠。

(3) 进行线程内部循环操作。在每个循环周期内,程序首先刷新单晶炉状态信息,读取工艺状态、单晶编号、操作记录等信息参数,写入单晶炉实时数据状态表,同时根据需要使能通信指令表中各指令。接着程序按照优先级顺序读取指令表,依照指令表进行数据传输操作,同步更新实时数据表。指令表包括运动控制命令写入、字符串数据写入、浮点参数写入、操作记录读取、实时数据读取、布尔参数读取、字符串数据读取、浮点参数读取等各种数据操作指令。

3 Web服务器的实现

3.1 系统功能

Web服务器和实时数据库服务器一样运行于监控中心服务器上,Web服务器作为系统的核心组成部分,负责将从现场采集的所有数据进行分类整理和实时发布,同时还接受远程客户端浏览器的访问,提供数据下载、工艺参数修改以及系统管理等各种功能。系统采用B/S架构,支持多用户同时访问,这不仅省去C/S架构下繁琐的多线程控制编程,同时大大降低了编程的复杂度,更保证了系统的可靠性[4]。

Web应用程序以页面形式编写及发布,运行于Web服务器的IIS 6.0环境下,采用ASP.Net技术编写,使用ADO.Net操作实时数据库。系统Web网站的主要功能包括用户登入、单晶炉的实时监控、历史记录的查询以及系统管理,系统页面结构如图3所示。

(1) 首页登入。

远程用户在本地浏览器中输入监控中心服务器的IP地址后,系统将自动跳转至登入页面,用户在输入合法的用户名和密码后方能进入功能页面。为保证系统安全、规范管理,禁止其他无关人员对系统的访问,用户名和密码必须在注册登记IP地址的计算机上使用方可有效,否则将不能登入系统。此外,每一个用户对应一组权限,只有拥有该页面访问权限的用户才可进入进行操作。

(2) 实时监控。

在实时监控相关页面中,用户可查看任意单晶炉当前的运行状态、实时数据、任意参数的实时曲线以及当前记录周期内的所有操作记录,并在授权的情况下下载实时数据和操作记录。此外,用户还能在线对SOP工艺参数执行编辑、上传、下载、打开和保存等多种操作。

(3) 历史记录。

在“历史记录”相关页面下,用户可以根据需要查看单晶炉的相关历史数据、曲线以及操作记录,系统同样提供历史数据的Excel文件本地下载功能,方便用户进一步查看分析。

(4) 系统设置。

系统管理员可以通过访问系统相应功能模块对数据显示和曲线显示的参数进行设置,并能对用户账户进行添加、编辑和删除等操作。系统日志记录访问系统用户进行的所有操作,包括用户的登入登出、页面查看、SOP参数操作、数据文件下载等,管理员可以根据条件进行筛选,以便查看和系统管理。

3.2 系统运行

整个监控系统构建完成后,任意具有访问权限的用户均可以登入系统,对公司内单晶炉进行远程监控,查看单晶炉运行状态、操作SOP参数、下载数据文件等。系统的车间监控页面如图4所示,在该页面下,用户可以直观地查看所有车间内单晶炉运行状态,并通过左侧功能按钮进入相关页面进行下一步操作[5,6,7,8]。

系统实时曲线页面是用于显示单晶炉各重要参数曲线图,根据当前单晶炉所处的工艺状态,系统会自动读取曲线显示设置的参数值,并设定曲线项目和上下限值,用户也可以根据需要手动选择显示项目和设定坐标值。实时显示页面运行效果如图5所示。

由于篇幅所限,其他各个功能页面不一一赘述。通过在公司不同车间的计算机上对系统各种性能指标进行测试和监控实验,研究结果表明,在网络畅通的情况下,系统运行稳定正常,数据传输实时性好、系统操作简单、维护方便,能满足用户对单晶炉的远程监控要求。

4 结束语

本研究提出了一种基于Web的单晶生长炉远程监控系统,详细介绍了系统的结构、PLC通信的实现以及Web服务器的设计。该系统已经在北京某单位投入使用,不仅为单晶炉生产管理提供了有效手段,还为单晶炉远程故障诊断、企业信息化管理等的实施提供了良好的技术基础。

摘要：为实现对单晶生长炉的远程大范围的监控,改进了原有单机串口通信的监控方式,采用了新型串口服务器组网方式,结合PLC通信技术和Web技术,设计了一种基于Web的远程监控系统,具体介绍了系统的组网方式、程序设计和主要功能。试验结果表明,该系统运行稳定可靠,能同时为多用户提供单晶炉远程监控服务。

关键词：远程监控,单晶炉,Web,串口服务器

参考文献

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[2]OMRON SYSMAC CS/CJ Series Commun ications Comm andsReference M anual[Z].

[3]许建凤,田建创,方蕾.基于串口服务器的PLC网络控制系统[J].浙江工业大学学报,2008,36(2):195-197.

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[6]薛迎成.研华工控机在污水处理控制系统的应用[J].现代制造技术与装备,2009(1):66-68.

[7]方捷,杜伯奇,王德山,等.高效煤粉锅炉的推广与应用[J].现代制造技术与装备,2008(6):55-56.

单晶炉二次增料装置结构的改进 篇4

在晶硅组件中, 单晶硅组件与多晶硅组件相比, 因其具有较高的光电转换率、发电性稳定等优点而在市场上占据重要的地位。单晶炉是单晶硅组件生产过程中的主要生产设备, 各单晶生产厂商主要采用二次增料技术来提高单晶炉的生产效率。目前, 国内单晶生产厂商在单晶炉二次增料装置方面取得了一定的成果[5,6,7]。但是, 在长期的生产应用过程中这些装置都有不同程度的缺陷, 为了提高二次增料装置的性能, 本文对原装置进行了结构改进[8,9]。

1 工程背景

1.1 原单晶炉二次增料装置

单晶炉[10,11]二次增料时的原料形状一般分为块状硅料、粉末状硅料和棒状硅料。粉末状硅料可以利用专用设备压制成块状, 棒状硅料经过水爆机后形成块状硅料。因此, 块状硅料的二次增料装置可以实现三种不同形状硅料往单晶炉内的添加, 大多数企业采用块状硅料二次增料装置来实现单晶炉生产效率的提高, 图1为某块状硅料的单晶炉二次增料装置结构示意图。

1.拉杆;2.固定圈;3.支撑圈;4.定位圈;5.外筒

该二次增料装置的工作原理是:拉杆1可以在固定圈2和定位圈4内左右移动, 当沿着竖直方向提起拉杆1时, 拉杆1底部的锥形面与外筒5相接触, 此时, 将块状硅料从固定圈2与外筒5之间的空隙中添加至外筒5内, 直至添满, 从而实现二次增料装置的装料;接着, 提拉盛满块状硅料的二次增料装置至单晶炉内, 使支撑圈3与单晶炉内部的匹配部位相吻合, 松开提拉杆1, 在硅料重力的作用下, 拉杆1底部的锥面与外筒5相分离, 此时拉杆1底部的锥面位置如虚线所示, 块状硅料从外筒5与拉杆1底部锥面之间的空隙流入盛有熔融硅料的石英坩埚中[12], 二次增料装置内的硅料自由下到单晶炉内的石英坩埚中, 实现单晶炉的二次增料。

1.2 存在问题

该单晶炉二次增料装置存在主要问题如下:

(1) 卡料:由于硅料之间、硅料与装置内部的部件之间存在摩擦力, 落料时, 硅料容易卡壳, 甚至硅料卡住拉杆1, 致使其底部锥面与外筒5之间不能形成间隙, 块状硅料不能实现下落;

(2) 污染:硅料在实现落料的过程中, 拉杆1底部锥面会被下面熔融硅料 (单晶炉内) 的高温所氧化而污染硅料, 从而影响拉晶工艺或硅棒质量等缺点。

2 二次增料装置结构的改进

2.1 设计思路

针对上述二次增料装置容易出现硅料卡壳和底部金属锥面污染硅料等现象, 提出“零污染”设计思路, 如图2所示, 即在设计二次增料装置时, 利用硅饼替代原有的金属底盖, 外筒内部没有拉杆、无定位圈和固定圈等部件结构, 装料时, 如图2 (a) , 料筒1底部的硅饼3代替原装置的金属底盖, 减小硅料污染;落料时, 如图2 (b) , 料筒1打开, 块状硅料2和硅饼3一起落入石英干锅中, 从而实现二次增料装置内的硅料快速下落。

2.2 优化改进后的二次增料装置

基于“零污染”设计思路的二次增料装置机械结构如图2所示, 该装置的具体结构是:支撑圈4和下环9与外筒5相连接, 内筒13连接在下环9上, 固定圈8分别与外筒5和内筒13相连接, 提拉头11和提拉杆12都连接在上环10上, 拉杆6与上环10相连接, 连杆3与拉杆6用销钉连接, 短拉杆2的两端采用球副机构分别与连杆3和花瓣1连接, 花瓣1利用活页7连接在内筒13上。

1.料筒;2.块状硅料;3.硅饼

1.花瓣;2.短拉杆;3.连杆;4.支撑圈;5.外筒;6.拉杆;7.活页;8.固定圈;9.下环;10.上环;11.提拉头;12.提拉杆;13.内筒

改进后的二次增料装置工作过程是:装料时, 沿竖直方向提起提拉头11, 三个相同的花瓣1闭合时成筒状, 同时将与花瓣半径相同的圆形硅饼置于花瓣1的底部, 硅饼受到花瓣1底部弧度的支持而静止, 硅饼、闭合花瓣筒和内筒组成一个底部封闭上面开口的容器, 接着将块状硅料由相邻两个提拉杆12之间加入内筒, 实现二次增料装置的装料;落料时, 提起提拉头11至单晶炉内, 使支撑环4与单晶炉内相匹配的位置接触, 松开提拉头11, 花瓣1打开并呈现出喇叭状, 硅饼和块状硅料一起落入单晶炉的石英坩埚内, 实现单晶炉的二次增料。

2.3 改进后优点

采用三个花瓣替代原有的圆筒、拉杆外置等结构技术特点后, 消除了硅料与拉杆之间的摩擦力, 而且, 花瓣打开时可形成上面口径小、下面口径大的喇叭状, 此种结构有利于块状硅料的快速下降, 从而解决硅料卡壳现象;利用硅饼代替金属底盖后, 硅饼受到底下高温的熔融硅料后不会污染石英坩埚内的硅料, 可以降低对硅料的污染而提高单晶硅棒的品质。

3 结束语

改进后的单晶炉二次增料装置有效地解决了原有二次增料装置存在硅料卡壳和硅料污染等问题, 具有结构新颖、紧凑等特点, 可以满足不同类型硅料的使用。该装置经过生产实践表明:单晶炉的生产效率和硅棒的品质得到了有效地提高了, 产生了一定的经济效益, 具有很强的实用性。

摘要：单晶硅组件与多晶硅组件相比, 因其具有较高的光电转换率、发电性稳定等优点而在市场上占据重要的地位。本文以单晶硅组件中单晶硅棒的生产为研究出发点, 针对企业在单晶硅棒二次增料过程中存在硅料卡壳、污染等问题, 提出了“零污染”的设计思路, 基于“零污染”对二次增料装置进行了改进, 设计了外开式、无内拉杆的单晶炉二次增料结构。经过生产实践表明:改进后的装置在使用过程中降低了单晶硅棒的生产成本, 提高了单晶硅棒的生产品质。

关键词：单晶炉,结构改进,机械设计

参考文献

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直拉式单晶硅生长炉的关键技术探讨 篇5

一、直拉式单晶硅全自动控制系统技术研究

单晶硅在生长炉的拉晶过程中必须依靠单晶晶向、氧碳含量、型号和电阻率、位错和缺陷、漩涡滑移、寿命、金属含量、直径偏差、径向电阻率等技术指标来控制晶体的生长和品质,品质的好坏应有全自动操作操控,减少人为的干扰,保证生长炉的稳定性和准确性。单晶硅品质与各个参数之间的关系.(表1所示)

想要实现晶体生长的全自动控制首先应该确保单晶硅生长过程中应该保证期全自动化。全自动生长工艺包括抽真空、检漏、压力化、熔料、稳定、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾、停炉[1]。单晶硅的生长需要一定的氧、碳含量,因为单晶硅生长炉需要有100小时的低压温,为了使得在这段时间漏气不至于发生,就采取了真空、检漏和压力化处理。如果其他参数都已经满足,那么就可以把全自动控制系统调节到单晶生长的压力。

晶体生长准备工艺完之后,熔态硅控制的工艺研究也是十分必要的,在这一阶段,熔体的状态要保持一个合适的温度以及条件以便使得晶体结晶并生长。这一阶段不可忽视的就是熔料、稳定化、熔接这一至关重要的因素。熔料融化后成为液态硅,运用液温度偏差来把握熔料是否已经熔化完成。

熔料熔化完毕后,单晶体就开始了全自动生长这一过程。硅熔体经过为了减小籽晶直径这一引晶过程逐渐提高了籽晶的提拉速度,从而产生无错位的晶体。当晶体直径逐渐缩小后,就开始了放肩过程,这一过程市委了能够保证晶体在引晶中肩部形状平整,实现肩部生长。放肩后就进入了转肩过程,转肩是为了保证晶体过分长大而提高了提拉速度,从而合理的进行转肩参数设置,实现晶体的平稳,以至于实现晶体的平稳生长。晶体在转肩过后生长都是等径声场,当参数控制都十分到位时,就可以产生出高品质的单晶硅。最后晶体生长的收尾过程则是把晶棒的直径变小,最后与液面分离。

全自动控制技术其中最主要的两部分是单晶硅生长的自动控制环设计和控制环链接技术。自动控制环采用PID控制酸和和PID控制算法。全自动控制坏根据工艺的不同也呈现不同的状态在引晶工艺控制环控制不多,放肩、转肩、等径这些影响单晶体形成的步骤更多的都是闭环一起执行某一项指令。不仅时间上的不同,控制环根据每一个工艺技术要求上也是不同的,比如引晶采用相对于长度(150-30mm)的籽晶来拉制。控制拉链接技术室各个闭环直接的相互连接,通过拉速V的方法来控制晶体直径,并实现晶体生长速度的下降,从而来控制晶体生长额温度,之后通过控制坏来控制生长速度,保证直径的均等,从而影响生长速度。

二、单晶硅生长炉的热场

直拉式单晶硅生长炉收到了工业界的广泛关注,尤其是对热场和温度场的研究更是影响单晶硅品质额重点。通过运用计算机模拟这一技术,设计出的热场元件,更是使得温度得以控制,晶体也就能够避免缺陷。

直拉式单晶硅生长炉内使用的热场包括了加热器、坩埚、支座等等。每一个部分在热场起到作用的不同,构成它们的材质、厚度、高度都不尽相同。直拉单晶硅生长炉的温度随着单晶硅的生产产生变化,所以在生长过程中,需要静态热场和动态热场双结合,形成稳定的温度分布,保证热场温度的改变,为晶体生长所需要的实际温度进行调节,从而形成高品质的单晶硅。

根据热场的梯度不同,晶体形成的轴向温度梯度和径向温度梯度都是不同的,最关键影响到单晶硅结晶的是生长界面处的轴向和径向温度梯度。其中轴向温度梯度包括晶体、熔体、环境变化,径向温度梯度则包括了晶体、熔体和固液交界面。熔体的径向温度梯度都是》0,固液交界面则随着晶体的生产而产生不同的变化。

晶体生长对热场的基本要求我们可以概括为三个方面,其中对于温度的控制必须以生长界面为限制,生长界面附近的熔体温度低,而在外的温度必须高于熔点。其次,晶体生长过程中,熔体的径向和轴向温度梯度随着变化而变化,径向逐渐减小,轴向逐渐变大。最后则是要增加轴向温度梯度,有利于单晶硅生长的速度。

直拉式单晶硅生长技术最主要的是全自动控制系统和热场系统,本文从各个工艺出发,对如何形成良好品质的单晶硅进行关键技术研究,对六大控制和闭环控制进行分析,之后对热场对于单晶品质进行了温度梯度的说明。笔者认为,在以后的工作中,应该要着重研究既能提高单晶硅生长速度,又能保证晶体品质的新方法。

摘要：我国在直拉式单晶硅生长炉的设计和生产上还是缺乏一定的经验,从当前所使用的生长情况来看,基本都是向国外一些先进国家采购。本文通过对直拉式单晶硅进行简单介绍后,对直拉式单晶硅的两大关键技术——全自动控制系统和热场进行分析,从而希望能够为我国开发全自动的直拉式单晶硅做出一点理论参考。

关键词：直拉式单晶硅生长炉,关键技术,全自动控制

参考文献

[1]曹建伟.直拉式单晶硅生长炉的关键技术研究.浙江大学,2010.4

硅单晶炉 篇6

关键词：热型连铸,机电一体化,单晶铜

0 引言

在电线电缆企业单晶铜线坯的生产流程中,热型连铸作为一种新的金属成型工艺,可铸出长度不受限制的单晶和柱状晶铸件。其关键结构的设计是否与工艺技术相结合准确到位,对单晶铜线坯的结晶质量影响尤为重要,因此,对热型连铸炉的熔炼、铸型保温、定向凝固三个关键工序的结构提出了设计。

1 热型连铸工艺简介

1.1 热型连铸原理

热型连铸技术是日本千叶工业大学大野笃美教授发明的[1]。其原理见图1。

1.2 热型连铸工艺流程及关键结构设计点

热型连铸工艺的主要特点是用加热的铸型代替普通连铸中的结晶器,且不对铸型进行特别冷却。将铸型加热至金属熔点以上,使铸型内的金属与铸型保持液态接触。这样,铸型内就不会发生凝固。在铸型外喷水冷却铸件,使热量沿铸件导出,凝固则沿铸件轴向进行。这种从铸件的一端向另一端凝固的方式称为定向凝固。

1.金属液2.加热器3.铸型4.热电偶5.凝固界面6.冷却器7.铸件8.牵引辊

从原理和工艺流程分析,热型连铸炉的关键是熔炼埚、铸型温度控制、冷却凝固控制三大部分的结构设计及工艺控制,其工艺流程和关键结构设计点及机电控制系统的关联示意图如图2所示。

2 热型连铸炉关键工序的结构设计

热型连铸工艺经过几十年的发展得到了逐渐成熟和完善,但由于铸件材料各异,其设备及工艺也有所差别。笔者所在公司是进行铜深加工生产的规模企业,对热型连铸工艺生产单晶铜线坯进行了反复的探索和试验,取得了一定的成果。单晶铜线坯热型连铸设备的结构示意图见图3。

2.1 熔炼工序的结构设计

(1) 熔炼坩埚

为保证铜液纯度,防止熔炼过程中产生各种金属夹杂物,熔炼坩埚采用高纯度、高强度、高导电性石墨制作,避免了普通耐火材料与铜液接触而产生非金属夹杂物。坩埚容量20kg铜,坩埚与水平导流管连接,将铜液导向石墨铸型。

(2) 液面探测器

液面探测器是保证坩埚内的液面高度在一定的范围内,在这一范围内既可以使金属液面充满铸型,保证铸件成型,又不会因铸型出口处的压力过大,造成“漏液”事故。液面探测器是一根石墨电极,电极与铜液接触后,将电路接通,指示灯亮,连铸拉出铜线坯后,液面降低,脱离与石墨电极接触,电路断开,指示灯灭。

(3) 堵漏装置

堵漏装置是防止发生故障时铜液漏出,其结构见图3。连续生产中更换铸型时,必须将铜液堵住,否则铜液将会漏走而影响连续操作,甚至造成停产。因此,设计制作了堵塞机构,能可靠堵塞铜液,操作灵活、方便。

(4) 铜液过滤净化装置

铜液在熔化过程中不可避免地会裹入各种夹杂物,导致微细丝断线。因此,设计制作了刚玉球过滤器,用石墨做外壳,内填充3mm刚玉球,放置在导流管入口前过滤铜液,过滤后清除了夹杂物和气泡,减少断线,提高拉丝性能,效果良好。

(5) 石墨铸型

石墨铸型是铜线坯凝固成形的装置。型腔为Φ8mm的孔,为保证铜线坯能顺利拉出并获得光洁表面,孔的内壁用Φ8mm的1∶50锥度铰刀铰光。在石墨铸型的端面钻孔,将热电偶丝插入孔中,用以检测铸型温度。

石墨铸型在1100℃下工作,很容易氧化烧损,使连铸中断,频繁更换铸型将使连铸不稳定,并严重影响生产效率。因此采用专利技术[2]固定铸型,在铸型前形成气室,向气室充氮气保护铸型免受氧化,对铸型进行有效保护,使其连续工作不低于24小时。

2.2 铸型保温工序的结构设计

铸型保温工序的结构设计—铸型控温装置。

铸型温度直接影响液固界面位置,从而影响凝固组织,甚至导致拉漏。凝固潜热的释放、冷却强度的变化、保护气体的流量变化、连铸速度的变化等因素都会影响铸型温度。因此,热型连铸首要控制的目标就是铸型温度,要求能控制在±2°C,同时因坩埚容量小,要求铸型温度、铸件冷却强度、连铸速度等工艺参数非常稳定,其中铸型温度控制最为困难,感应加热的温度控制尤为困难。

铸型的加热方式主要有电阻加热和高频感应加热。电阻加热的特点是加热速度慢,温度变化慢,热效率低。高频感应加热的优点是:加热速度快,热量集中,加热效率高,适用于小功率的感应加热。因此采用小功率的高频感应加热装置,设计有高、低功率两套高频感应加热装置,实现高、低功率交替加热。

2.3 定向凝固工序的结构设计

定向凝固工序的结构设计—冷却装置。

冷却装置对铜线坯进行冷却,使其实现定向凝固,利于单晶的生长。铜线坯从水池中匀速通过而冷却,冷却水的流量可根据拉拔速度用流量计和阀门进行调节,同时冷却器通过螺杆结构驱动而前后移动,改变冷却距离。拉拔速度、冷却水流量、冷却距离三个工艺参数必须联动控制,彼此相关,并在一个可控的范围内方可使铸件达到最佳结晶状态。

3 设计效果

热型连铸炉关键结构设计效果如何,工艺控制参数的选择也是影响的关键因素,本课题重点从铜液温度、铸型温度、产品结晶等工艺参数进行研究选择,以实现设计与工艺参数结合最优化。

3.1 工艺参数控制效果

(1) 铜液温度

阴极铜加料后铜液温度主要保证铜液有足够的流动性,因此超出铜的熔点50°C就足够了。本试验采用连续加料的方法控制液面高度,除考虑冷料加入炉中的降温作用外。本课题设计的熔炼坩埚、液面探测器、石磨铸型等能保证加料后不会造成温度的大幅波动。经试验铜液温度均能稳定在1150°C时,连续加料可保证铜液温度不低于1120°C,从而保证有足够的流动性。

(2) 铸型温度

本课题采用高频感应加热。生产过程铸型温度控制要求为±1°C,经测试,使用高、低功率高频感应交替加热控制可达到要求,达到精准控温的目的。

3.2 产品结晶效果

产品结晶为金相组织。图4为单晶铜铜线坯的金相组织照片,由图可见其柱状晶沿铜线坯的轴向排列。

4 结论

基于单晶铜的热型连铸炉关键结构设计已通过课题验收,本课题通过以熔炼埚、铸型温度控制、冷却凝固控制为重点的结构设计,所研究的设备结构及相关工艺更能满足实际生产,单晶铜线坯结晶良好,实现了单晶铜线坯结晶组织的连续性和稳定性,为开发单晶铜新产品打下基础。

以机电一体化与工艺技术相结合开展的关键结构设计思路,通过实践,再进一步拓展应用了以工艺原理—设备结构设计—工艺参数控制—生产合格产品为四位一体的结构设计新方法,更好地服务于新设备结构的设计及新产品开发,可避免走弯路,缩短开发设计时间,对项目的其他技术研发有积极的借鉴作用。

参考文献

[1]黎沃光.热型连续铸造的原理及应用[J].铸造,1996(2):39-44.