一种步进式硅棒加热炉的制作方法

本技术涉及热处理设备领域，尤其涉及一种步进式硅棒加热炉。

背景技术：

1、晶体硅是单质硅的一种晶体形态，根据结晶时晶核长成晶面取向的不同，分为单晶硅和多晶硅，主要用作半导体材料和太阳能转换，在信息处理、绿色能源方面具有极其重要的应用价值。通常以石英砂作为原料，经过提纯、精炼、沉积得到多晶硅棒，再将多晶硅棒破碎、熔融后再结晶，得到单晶硅，或者切割加工成太阳能电池。

2、晶体硅破碎时会产生大量的硅粉料，不仅会造成严重的粉尘污染，还会造成晶体硅材料的流失，影响生产效率。为此，通常对晶体硅棒料进行热处理，将晶体硅棒料送入加热炉中加热到600-700℃，再通过冷却水进行快速冷却。这样就能够释放晶体硅的应力，使得晶体硅更易于碎裂，同时减少硅粉料的形成。近来，热处理已经成为晶体硅破碎前必备的处理工序。

3、晶体硅的加热通常在加热炉中进行，为了提高加热效率，通常利用传送机构将晶体硅棒料送入加热炉中进行加热，加热后的高温棒料也通过传送机构从加热炉中输出，送入冷却水中降温。通常传送机构主要由金属材料制成，在对晶体硅棒料进行加热的过程中，位于加热炉内的传送机构会在高温作用下析出金属元素，其中的一些金属元素，如fe、cr、ni、cu、zn、na等进入晶体硅中，会影响晶体硅的半导体性能。为了减少金属元素的析出，现有的晶体硅加热炉通常利用流动水对金属部件进行降温，但该方法难以有效降低炉内金属部件表面的温度，而流动水降温也降低了加热炉的热效率。

技术实现思路

1、为了减小晶体硅加热时的金属元素污染，本技术提供了一种步进式硅棒加热炉。

2、本技术提供的步进式硅棒加热炉采用如下的技术方案：

3、一种步进式硅棒加热炉，包括炉体、定梁机构和动梁机构；所述炉体的炉腔壁部设置有耐火材料层，所述定梁机构包括定梁支座、定梁耐火层和定梁支撑块，所述定梁支座固定在所述炉体的底部，且沿所述炉体的长度方向上设置有动梁槽，所述定梁耐火层设置在所述定梁支座上所述动梁槽的两侧，且与所述耐火材料层相连接，所述定梁支撑块上设置有定梁硅棒槽，所述定梁支撑块位于所述炉腔内，且沿所述炉体的长度方向间隔设置在所述定梁耐火层上，所述动梁机构包括步进驱动单元、动梁、动梁耐火层和动梁支撑块，所述步进驱动单元设置在所述炉体下方，所述动梁设置在所述动梁槽内，且与所述步进驱动单元相连接，所述动梁耐火层设置在所述动梁上，所述动梁支撑块上设置有动梁硅棒槽，所述动梁支撑块位于所述炉腔内且间隔设置在所述动梁耐火层上，使得所述动梁硅棒槽与所述定梁硅棒槽在所述炉体的宽度方向上相对应，所述耐火材料层、定梁耐火层、定梁支撑块、动梁耐火层和动梁支撑块均由低敏感金属含量材料制成。

4、通过采用上述技术方案，利用设置在炉腔壁部的耐火材料层，能够减少炉内的热量向炉体外层的传递，从而降低炉体外层的温度，防止炉体外层的金属材料因高温析出金属元素。利用定梁耐火层和定梁支撑块能够减少炉腔内的热量和高温硅棒的热量向定梁支座的传递，降低定梁支座的温度，防止定梁支座中金属元素的析出。利用动梁设置在动梁槽内的设置，和设置在动梁上的动梁耐火层以及动梁支撑块，能够在利用动梁的移动驱动炉腔内的硅棒步进式移动的同时，减少炉腔内的热量和高温硅棒的热量向动梁的传递，降低动梁的温度，防止动梁中金属元素的析出。利用低敏感金属含量材料制成的耐火材料层、定梁耐火层、定梁支撑块、动梁耐火层和动梁支撑块，能够减少耐火材料层、定梁耐火层、定梁支撑块、动梁耐火层和动梁支撑块在高温状态下析出的敏感金属元素，减小晶体硅加热时的金属元素污染。

5、在一个具体的可实施方案中，所述耐火材料层包括由外至内设置的纳米保温板层、石棉层和熔融石英砖层，所述炉腔的壁部被所述熔融石英砖层所覆盖。

6、通过采用上述技术方案，利用覆盖炉腔壁部的熔融石英砖层，能够形成炉腔与石棉层之间的隔离，减少热量由炉腔向石棉层之间的传递，和析出的金属元素向炉腔内的移动，并且熔融石英砖自身的金属元素含量极低，不易析出金属元素。利用石棉层能够阻挡热量向纳米保温板层的传递和金属元素的流动，进一步降低纳米保温板层的温度；利用纳米保温板层能够阻止热量向炉体外侧的传递，并且能够反射炉腔内高温产生的热辐射，保证炉体外层具有更低的温度，防止炉体外层的金属材料在高温状态下析出金属元素。

7、在一个具体的可实施方案中，所述定梁耐火层包括定梁石棉、定梁纳米保温板和定梁石英砖，所述定梁石棉设置在所述定梁支座上，所述定梁纳米保温板设置在所述定梁石棉上，所述定梁石英砖设置在所述定梁纳米保温板上，且与所述熔融石英砖层一体连接，所述定梁支撑块嵌设在所述定梁石英砖上。

8、通过采用上述技术方案，利用设置在炉腔内层与熔融石英砖层一体连接的定梁石英砖，能够形成炉腔壁部的熔融石英砖隔离层，有效阻挡炉腔内热量向外侧的传递，和金属元素向炉腔内的迁移。利用设置在定梁石英砖外层的定梁石棉和定梁纳米保温板，能够形成定梁石英砖与定梁支座之间的温度隔离层，防止定梁支座因高温逸出金属元素。利用定梁支撑块嵌设在定梁石英砖上的设置，使得热处理过程中的硅棒仅与定梁支撑块相接触，这样就能够通过使用低金属含量的定梁支撑块进一步减小硅棒与金属元素接触的可能性。

9、在一个具体的可实施方案中，所述动梁槽设置在所述定梁支座的中部，所述动梁槽两侧所述定梁石英砖的边缘形成为向上突起的石英支撑条，所述定梁支撑块分别嵌设在所述动梁槽两侧的所述石英支撑条上的相对位置，且邻近的所述动梁槽设置。

10、通过采用上述技术方案，利用设置在动梁槽两侧的石英支撑条，能够提高定梁支撑块的安装位置，使得位于定梁支撑块上的硅棒远离炉腔的底壁而位于炉腔的中部，防止因硅棒与炉壁接触而增加金属元素污染的机会。利用定梁支撑块嵌设在动梁槽两侧相对位置的设置，有利于硅棒在炉腔内的定位，保证硅棒传输过程中的稳定性。

11、在一个具体的可实施方案中，所述动梁耐火层包括由外至内排列的石棉纤维板、动梁石棉、动梁纳米保温板和动梁石英砖，所述石棉纤维板与所述动梁相连接，所述动梁支撑块分别嵌设在所述动梁石英砖的两侧。

12、通过采用上述技术方案，利用设置在动梁上方的石棉纤维板、动梁石棉、动梁纳米保温板和动梁石英砖，能够形成炉腔内的高温环境与动梁之间的多层次温度隔离结构，减小炉腔内的高温导致动梁温度的升高，在保证动梁机械强度的同时，防止动梁在高温下逸出金属元素。利用嵌设在动梁石英砖两侧的动梁支撑块，能够利用较小的接触面积对硅棒形成稳定支撑，减小因硅棒与其他结构相接触而导致金属元素污染的机会。

13、在一个具体的可实施方案中，本技术的步进式硅棒加热炉还包括炉体支撑架，所述炉体支撑架设置在安装基础上，所述炉体和定梁支座安装在所述炉体支撑架上，所述步进驱动单元设置在所述炉体支撑架的内部。

14、通过采用上述技术方案，利用炉体支撑架能够将炉体支撑在安装基础的上方，在炉体与安装基础之间形成容纳步进驱动机构的空间，从而能够在炉体外驱动硅棒的传输，减小步进驱动机构的热负荷，并减小金属元素的逸出。

15、在一个具体的可实施方案中，所述动梁包括动梁耐火座和水冷梁体，所述动梁耐火座与所述水冷梁体的上侧面固定连接，所述动梁耐火层设置在所述动梁耐火座上，所述水冷梁体内设置有水冷腔，所述水冷梁体上设置有与所述水冷腔相连通的进水管和出水管，所述进水管开口于所述水冷腔的底部，所述出水管开口于所述水冷腔的顶部。

16、通过采用上述技术方案，利用动梁耐火座能够对动梁耐火层形成限位和支撑，提高动梁耐火层结构的稳定性。利用设置在动梁内部的水冷腔，能够利用进水管和出水管输送循环水对动梁进行冷却，防止动梁温度的过多升高，防止动梁中金属元素的逸出。

17、在一个具体的可实施方案中，所述动梁机构还包括水封槽和水封板，所述水封槽与所述步进驱动单元固定连接，所述水封板设置在所述动梁槽的周边，且延伸至所述水封槽内，所述定梁通过定梁支撑柱与所述水封槽固定连接。

18、通过采用上述技术方案，利用水封槽和水封板的设置，能够在水封槽内注入一定量的水，封闭动梁槽的下端，从而保证炉腔与外部结构的隔离，防止外部的空气在炉腔内高温作用下进入炉腔内，并通过炉体顶部的排气口排出，形成循环气流降低加热炉的热效能，并增加外部粉尘中的金属元素污染硅棒的风险。

19、在一个具体的可实施方案中，所述步进驱动单元包括步进底板、楔形块、步进中间板、中间板支撑轮、中间板液压缸、步进安装板和安装板液压缸，所述步进底板设置在安装基础上所述动梁槽的下方，所述楔形块间隔设置在所述步进底板上，所述步进中间板设置在所述步进底板上，所述中间板支撑轮设置在所述步进中间板上，且分别位于所述楔形块的楔形面上，所述中间板液压缸设置在所述步进中间板与所述步进底板之间，所述步进安装板设置在所述步进中间板上，且能够在所述步进中间板上沿所述炉体的长度方向移动，安装板液压缸设置在所述步进安装板与所述步进底板之间，所述动梁安装在所述步进安装板上。

20、通过采用上述技术方案，利用设置在步进中间板上的中间板支撑轮在楔形块的楔形面上的移动，能够产生中间板以及设置在中间板上的步进安装板的斜向运动，并利用步进安装板在中间板上的移动形成步进安装板的上下方向的运动，使得硅棒能够在动梁支撑块与定梁支撑块之间切换。利用中间板液压缸能够驱动中间板的斜向运动，从而驱动步进安装板的上下方向运动。利用安装板液压缸能够驱动步进安装板在中间板上沿炉体的长度方向前后运动，从而形成步进安装板的前后运动，使得硅棒能够传送到相邻的定梁支撑块上，形成硅棒能够在加热炉的长度方向向前传递，形成硅棒的步进传送。

21、在一个具体的可实施方案中，所述定梁支撑块和所述动梁支撑块均由氮化硅材料制成。

22、通过采用上述技术方案，利用氮化硅材料能够制成纯度很高，金属元素含量极低的支撑块，减少硅棒与金属元素的接触。

23、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

24、1.利用覆盖加热炉炉腔侧壁有低敏感金属材料制成的耐火材料层，能够减少耐火材料层内金属元素在高温作用下的逸出，防止在炉腔内进行热处理的硅棒被金属元素污染，同时耐火材料层能够减小炉腔内热量向外层的传递，在有利于炉腔内高温环境的形成的同时，降低外层结构的温度，防止外层结构中的金属元素在高温作用下逸出，进入炉腔对硅棒形成污染；

25、2.利用设置在定梁耐火层上的定梁支撑块，和设置在动梁耐火层和动梁支撑块，能够将硅棒支撑在定梁支撑块和/或动梁支撑块上，使得硅棒仅与定梁支撑块和动梁支撑块相接触，减少硅棒与外部结构的接触，并利用低金属含量的定梁支撑块和动梁支撑块，减少硅棒与金属元素的接触，防止金属元素对硅棒的污染；

26、3.利用设置在定梁支座和定梁耐火层上的动梁槽，能够将动梁设置在动梁槽内距离炉腔较远的位置，利用设置在动梁上层的动梁耐火层上的动梁支撑块驱动硅棒作步进运动，并利用动梁耐火层隔离炉腔内较高的温度环境，从而保证动梁能够处在较低的环境温度下，防止动梁在高温的作用下逸出金属元素，对硅棒形成污染；

27、4.利用设置在动梁与步进驱动单元之间的水封槽，和设置在动梁槽下方的水封板，能够形成对动梁槽下端的水封，避免炉腔通过动梁槽与外界相同，减少炉腔内热能的损耗，并防止外界金属元素进入炉腔，对硅棒形成污染。