一种定向凝固设备的制作方法

本实用新型涉及定向凝固领域。

背景技术：

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全；

如授权公告号为CN203486915U的专利文件提到的一种定向凝固设备，为了给坩埚侧面吹起降温、坩埚旋转冷却、坩埚下拉离开热场，坩埚底部吹气等技术手段。在目前的定向凝固技术中，还不能有效地控制固液界面的凹凸及其曲率变化；在坩埚旋转的情况下给坩埚侧面吹气；因为是侧面吹气，即使坩埚在旋转的情况下；吹出的气体会随着坩埚的形状而运动；这样会使坩埚表面温度不相同；不能更好的达到控制效果，可能会出现固液面凹凸不平的情况；达不到预计的凝固效果。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供一种定向凝固设备；应用于布里兹曼法多晶硅定向凝固技术上。通过石英坩埚的外侧密封滑动连接的凝固套及调节氩气的循环速度，可以精确控制石英坩埚内部的温度场，更加准确的控制固液界面达到最小的切除率，通过气冷加速铸锭冷却。

本实用新型采用的技术方案是：提供一种定向凝固设备，包括炉体；炉体左侧安装有真空计；炉体底部滑动连接有竖直方向上的空心滑动轴；空心滑动轴内部滑动连接有进气管；炉体下方设置有拉锭机构；空心滑动轴底端安装在拉锭机构上；拉锭机构下方设置有氩气罐；氩气罐的出气口安装有流量质量控制器；流量质量控制器左侧安装有充气阀；氩气罐的出气口与进气管连通；进气管两端穿过拉锭机构分别与冷却盘、流量质量控制器连通；冷却盘上端固定连接有石英坩埚；炉体中部固定连接有保温套筒；保温套筒与石英坩埚相互配合；保温套筒外侧固定连接有感应线圈；保温套筒内部固定连接有发热体；保温套筒上端连通有排气管；排气管的出气端连接有换热器；换热器出气端安装有阀门一；换热器的出气端分为两个支路；左侧的支路连通有比例阀；右侧的支路中连接有压差流量计；比例阀的出气端连通有真空泵组；真空泵组与炉体连通；真空泵组底侧连通有罗茨泵；罗茨泵下侧连通有滑阀泵；压差流量计下端连接有涡旋式真空泵；涡旋式真空泵出气端分为两个分支；一个分支为向炉体延伸的侧吹管，且侧吹管上安装有阀门二；另一个分支与进气管连通，之间安装有阀门三；石英坩埚外侧密封滑动连接有凝固套；凝固套内部沿圆周方向开有均匀排列若干个出气孔；侧吹管与凝固套连通；炉体内侧底部固定连接有电动推杆；电动推杆输出端与凝固套底部固定连接。

进一步优化本技术方案，一种定向凝固设备的侧吹管与凝固套的底部连通，且凝固套上侧开有排气孔。

进一步优化本技术方案，一种定向凝固设备的凝固套上侧的排气孔连接有排气导管；排气导管与排气管连通。

本实用新型与传统定向凝固设备相比，其有益效果在于：

1、装置可以分为三个系统；第一个为空气循环系统，流量质量控制器；来控制氩气罐内部的氩气流出量；氩气流入炉体内部；使用完毕后流入排气管中；通过换热器、通过压差流量计、通过涡旋式真空泵循环进入进气管中，通过补充的氩气来保持炉体真空度在40～60KPa，减少了资源的使用量；第二个系统是在换热器出口处的氩气经过压差流量计来测定氩气流量，通过PLC控制罗茨泵来控制循环系统的开合度，从而调控气体流量的大小，气体流量的大小可以非常细微的调节固液界面的曲率，同时气体经由涡旋式真空泵升压，经通气管道重新通入到石英坩埚底部；第三个系统是当开启阀门二，同时关闭阀门三时，氩气经由侧吹管吹入凝固套内，通过凝固套来使石英坩埚外侧温度均匀承受；来调节石英坩埚中硅料的固液界面，达到所需效果。

2、本装置添加了凝固套内侧开有沿圆周方向的出气孔；可以更好的使石英坩埚均匀受冷达到更好的凝固效果；

3、多晶硅铸锭完全凝固时，整体的坩埚温度会在1200～1400℃，设备开炉时温度为200～400℃，这个冷却时间通常为20～24h。涡旋式真空泵带动氩气的流动，使氩气在设备快速循环冷却，冷却时间为15～19h，极大缩减了降温的时间，提高设备的使用效率。

4、为了不影响凝固套的使用在上侧开有出气孔；可以更加准确的使坩埚内的原料达到预计的固液界面；

5、为了保持炉体内部氩气更好的循环利用凝固套上端开的出气孔与排气管连接更好的控制了炉内的温度以及使氩气达到更好的循环效果；减少氩气的消磨量。

附图说明

图1为授权公告号为CN203486915U的专利文件的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型炉体内部的结构平面图；

图4为本实用新型凝固套的结构图；

图5为本实用新型的电路图；

图中，1、炉体；2、真空计；3、空心滑动轴；4、进气管；5、拉锭机构；6、氩气罐；7、流量质量控制器；8、充气阀；9、冷却盘；10、石英坩埚；11、保温套筒；12、感应线圈；13、发热体；14、排气管；15、换热器；16、阀门一；17、比例阀；18、真空泵组；19、罗茨泵；20、滑阀泵；21、压差流量计；22、涡旋式真空泵；23、侧吹管；24、阀门二；25、凝固套；26、出气孔；27、电动推杆；28、阀门三；29、排气孔；30、排气导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-4所示，一种定向凝固设备，包括炉体1；炉体1左侧安装有真空计2；炉体1底部滑动连接有竖直方向上的空心滑动轴3；空心滑动轴3内部滑动连接有进气管4；炉体1下方设置有拉锭机构5；空心滑动轴3底端安装在拉锭机构5上；拉锭机构5下方设置有氩气罐6；氩气罐6的出气口安装有流量质量控制器7；流量质量控制器7左侧安装有充气阀8；氩气罐6的出气口与进气管4连通；进气管4两端穿过拉锭机构5分别与冷却盘9、流量质量控制器7连通；冷却盘9上端固定连接有石英坩埚10；炉体1中部固定连接有保温套筒11；保温套筒11与石英坩埚10相互配合；保温套筒11外侧固定连接有感应线圈12；保温套筒11内部固定连接有发热体13；保温套筒11上端连通有排气管14；排气管14的出气端连接有换热器15；换热器15出气端安装有阀门一16；换热器15的出气端分为两个支路；左侧的支路连通有比例阀17；右侧的支路中连接有压差流量计21；比例阀17的出气端连通有真空泵组18；真空泵组18与炉体1连通；真空泵组18底侧连通有罗茨泵19；罗茨泵19下侧连通有滑阀泵20；压差流量计21下端连接有涡旋式真空泵22；涡旋式真空泵22出气端分为两个分支；一个分支为向炉体1延伸的侧吹管23，且侧吹管23上安装有阀门二24；另一个分支与进气管4连通，之间安装有阀门三28；石英坩埚10外侧密封滑动连接有凝固套25；凝固套25内部沿圆周方向开有均匀排列若干个出气孔26；侧吹管23与凝固套25连通；炉体1内侧底部固定连接有电动推杆27；电动推杆27输出端与凝固套25底部固定连接。侧吹管23与凝固套25的底部连通，且凝固套25上侧开有排气孔29。凝固套25上侧的排气孔29连接有排气导管30；排气导管30与排气管14连通。

在本实用新型中，所述的拉锭机构5采用的是专利号：201320233456.3，专利名称为一种定向凝固设备的拉锭机构5，炉体1固定安装于机体架之上，炉门安装于炉体1之上，炉体1上固定安装有丝杠和真空泵；升降台通过丝母活动安装于丝杠下端；慢速电机和快速电机固定安装于升降台外壁之上，并通过电磁离合器和传动机构与丝母连接；旋转接头固定安装于升降台内部，水冷轴下端活动安装于旋转接头内部，其上端置于炉体1内部，水冷盘安装于水冷轴顶部；旋转电机固定安装于升降台外壁，且通过旋转齿轮与水冷轴相互啮合连接。该装置构思独特，既可以使水冷轴上下移动，也可以水冷轴旋转。在旋转的过程中，可以保持设备的真空度在1～5Pa的范围内。快速电机可以使升降机构以60mm/min的速度上升下降，慢速电机可以使升降机构以0.1mm/min的速度上升下降。操作简单，易于控制和计算。

将多晶硅放入石英坩埚10内部，启动升降平台将石英坩埚10升到熔炼位置，开启滑阀泵20使设备降低设备内部的真空度，开启罗兹泵，是设备内部的真空度降低。

对感应线圈12通电，使设备内部升温，到指定温度时关闭真空泵组18，打开充气阀8和流量质量控制器7，然后继续升温；到指定的温度后打开比例阀17，使炉体1内真空度稳定后，打开充气阀8，设定流量质量控制器7的流量，使用流动的氩气将融化过程中挥发出的杂质带走。

待多晶硅完全融化后，调整热场，将拉锭机构5的拉锭速率调整到适宜速度，开启拉锭机构5，使石英坩埚10随水冷轴同时旋转。

设置流量质量控制器7的流量，依次打开阀门三28和涡旋式真空泵22。经过40小时，定向凝固过程进行到三分之二，在不吹气的情况下，固液界面是凸型界面。操作时；若为了使液面变的更凸，使杂质向铸锭的四周富集，继续打开阀门三28，使冷的氩气吹到石英坩埚10的底部。当拉锭60个小时后，铸锭完全凝固；若为了使液面变平，杂质向顶端平面富集，则打开阀门二24，关闭阀门三28，使冷的氩气经过侧吹管23吹到凝固套25内部；冷的氩气会进入凝固套25内部；通过出气孔26吹向石英坩埚10的四周，更好的包裹了石英坩埚10外侧；为了使石英坩埚10的外侧受冷均匀；距离凝固套25与侧吹管23的使硅液界面变平。当拉锭58个小时后，铸锭完全凝固。

切断感应线圈12的电源，将石英坩埚10完全脱离开热场。关闭充气阀8和流量质量控制器7，关闭真空泵组18。维持阀门一16、涡旋式真空泵22、阀门三28处于开启状态，使设备内部的氩气一直处于循环状态。加速设备内部的对流，加快散热，使铸锭的降温时间为19h。

待铸锭温度降到指定温度时，打开设备将铸锭取出。拆开换热器15，将沉积在换热管上的杂质进行清除。清理干净后重新安装，准备下一次定向提纯生产。

本装置中凝固套25内侧开的出气孔26有特定的排列方式，根据气体的流动方式，距离凝固套25与侧吹管23连接处近的小孔应该为最小的出气孔26；出气孔26大小随着距离凝固套25与侧吹管23连接处的远近来设置；越远出气孔26越大，越近出气孔26越小；这个设置是为了让石英坩埚10四周受冷均匀，同时出气孔26的直径可以经过计算求出。