多晶硅铸锭炉的工作原理
多晶硅铸锭炉的工作原理
多晶硅铸锭炉的工作原理首先，硅料熔融是多晶硅铸锭炉的第一步。
在炉中加入高纯度的硅料，通常是硅块或硅片，然后通过电阻加热或感应加热的方式将硅料加热到熔融温度。
在炉内，硅料中的硅原子由于热能的作用开始振动，并逐渐失去其原子间的结合力。
当硅料的温度达到熔点时，硅原子之间的键强度完全消失，形成了液态硅。
其次，铸锭凝固是多晶硅铸锭炉的第二步。
当硅料熔融后，开始降低温度使其凝固。
凝固过程中，硅原子重新排列并形成了晶体的结构。
在这个过程中，硅原子重新组合并排列成晶格结构，形成了多晶硅。
凝固速度的控制对于提高多晶硅的晶粒度和降低杂质含量非常重要。
通常情况下，在凝固过程中还会控制硅料的搅拌，以避免结晶过程中的杂质团聚。
首先，多晶硅铸锭炉的炉体结构非常重要。
炉体通常由石墨材料制成，可以耐受高温和化学反应。
石墨材料的热传导性能较好，可以加热和散热硅料，确保温度均匀且稳定。
其次，温度控制是多晶硅铸锭炉的关键。
在炉内加热过程中，需要对温度进行精确的控制，以确保硅料能够均匀熔融。
在铸锭凝固过程中，温度的准确控制对于晶体的形成和生长非常重要。
通常通过在炉体中设置多个温度传感器，并通过反馈控制系统来实现温度控制。
最后，搅拌和保护气氛是多晶硅铸锭炉中的重要步骤。
通过搅拌硅料可以改善熔融过程中的均匀性，避免杂质团聚。
此外，为了保护熔融硅料不受氧化的影响，炉内通常需要保持特定的气氛，如氢气或氩气。
总结起来，多晶硅铸锭炉的工作原理包括硅料熔融和铸锭凝固两个主要步骤。
硅料经过加热熔化后，凝固过程中重新排列并形成晶体结构。
在实际操作中，需要考虑炉体结构、温度控制、搅拌和保护气氛等因素的影响。
多晶硅铸锭炉操作与生产流程
多晶硅铸锭炉操作与生产流程多晶硅铸锭是制备太阳能电池元件的重要材料之一、多晶硅铸锭炉的操作与生产流程包括原料准备、炉料制备、炉料充填、炉体封闭、炉体预热、炉体烧结、炉体冷却、铸锭取出等多个环节。
下面将逐一介绍这些环节的具体过程。
首先是原料准备。
多晶硅铸锭的主要原材料是硅石（SiO2）和木炭（C）。
硅石作为含硅的原料，在反应过程中能与木炭发生反应生成多晶硅。
为了保证炉料中硅石和木炭的质量均匀性和纯度，需要进行粉碎、筛分和干燥等处理。
接着是炉料制备。
将经过处理的硅石和木炭按一定比例混合，形成炉料。
炉料的混合比例对最终多晶硅铸锭的质量有很大影响，需要经过工艺参数的优化。
炉料充填是将炉料填充进铸锭炉中的过程。
首先，在铸锭炉的底部放置一层中性炉底材料，然后将炉料均匀地放置在中性炉底材料上，并用振动装置进行压实，以确保炉料充填的均匀性和致密性。
炉体封闭是指将铸锭炉密封起来，以防止炉内温度损失和杂质的进入。
封闭可以通过炉盖或壳体的安装等方式进行。
炉体预热是在充填好炉料并封闭炉体后，将铸锭炉进行加热。
预热的目的是将炉料中的水分和其他杂质蒸发和氧化，为炉体烧结做准备。
炉体烧结是将铸锭炉内的炉料进行高温加热，使硅石和木炭发生化学反应生成多晶硅。
炉体烧结的过程中需要控制炉内的气氛，以保证反应能够正常进行，并通过周期性的气氛调整来降低氧气、水分和其他杂质的含量。
炉体冷却是将烧结好的多晶硅铸锭炉进行冷却。
冷却过程需要控制冷却速度，以避免产生过多的晶界缺陷。
冷却的同时，还需要进行炉体内部的清理，以去除可能存在的杂质。
最后是铸锭取出。
在冷却完成后，将多晶硅铸锭从炉体中取出。
取出后，需要对铸锭进行切割和抛光等处理，得到适合太阳能电池元件制备的晶体硅片。
以上就是多晶硅铸锭炉的操作与生产流程的具体介绍。
通过上述环节的有序进行，能够得到质量稳定、纯度高的多晶硅铸锭，为后续的太阳能电池元件制备提供可靠的材料基础。
关于多晶硅铸锭热场系统
2.3石墨加热器的应力校核
石墨在低温导热性良好，在高温时导热性下降，造成其表面与心部温度差使断面伸长不一致。产生热应力，从而导致石墨加热器损坏，故应计算其产生的热应力。
对于宽度比厚度大得多的板状电热元件：
式中：t中心为电热元件心部温度:t表面为电热元件表面温度，此处取t表面=1540℃
1.石墨加热板；2.石墨加热板；3.角接器；4.石墨电极；5.支承环；6、7、8.碳、碳螺栓、螺母图2石墨加热器基本结构
2．1石墨加热器的设计计算该炉基本参数：额定功率：165 KVA：最大线电流：3800A：最大输出电压：25V。加热器的接线方式(见图3)。
图33800/ √3=2194A
确定隔热层固化碳毡的厚度:
间歇生产的真空电炉，通常隔热层外壁面温度为200~300℃，水冷炉壳内温度为100-150℃,隔热层外表面的辐射换热系数可由下式计算:
（1）
（2）
（3）
tw1为隔热层内壁画温度，此处取tw1=1600℃; tw2为隔热层外壁面温度，此处取tw2=250℃; Q为隔热层散失的总热量，此处已求得Q=3486.OW/m2。将各值代入(5)式，得：故该铸锭炉隔热层固化碳毡厚度取90mm。隔热层组件利用一个方形的小锈钢笼来支撑和固定。
热场是多晶硅铸钻炉的心心脏，其内装石墨加热器、隔热层、坩埚和硅料等。多晶硅工艺生产过程必须通过加热室的调整来实现，因此，多晶硅铸锭炉加热室的结构设计显得至关重要。
1加热方式分析
为使硅料熔融，必须采用合适的加热方式。从加热的效果而言，感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。如果采用感应加热的方式，由于磁场是贯穿硅料进行加热，在硅料内部内部很难形成稳定的温度梯度，破坏晶体生产的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度，因此我们优先采用辐射加热的方式。
多晶硅铸锭炉的工作原理
多晶硅铸锭炉的工作原理：将多晶硅料装入有涂层的坩埚内放在定向凝固块上；关闭炉镗后抽真空，加热待硅料完全熔化后，隔热笼缓慢往上提升，通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉腔内壁上，使硅料中形成一个竖直温度梯度。
这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长。
硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉完成整个铸锭过程。
热场是多晶硅铸钻炉的心心脏，其内装石墨加热器、隔热层、坩埚和硅料等。
多晶硅工艺生产过程必须通过加热室的调整来实现，因此，多晶硅铸锭炉加热室的结构设计显得至关重要。
1加热方式分析为使硅料熔融，必须采用合适的加热方式。
从加热的效果而言，感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。
如果采用感应加热的方式，由于磁场是贯穿硅料进行加热，在硅料内部内部很难形成稳定的温度梯度，破坏晶体生产的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度，因此我们优先采用辐射加热的方式。
2 加热器的设计多晶硅铸锭炉加热器的加热能力必须超过1650℃，同时材料不能和硅材料反应,不对硅料造成污染，能在真空及惰性气氛中长期使用。
符合使用条件可供选择的加热器有金属钨、钼和非金属石墨等。
由于钨、钼价格昂贵，加工困难,而石墨来源广泛，可加工成各种形状。
另外，石墨具有热惯性小、可以快速加热，耐高温、耐热冲击性好，辐射面积大、加热效率高、且基本性能稳定等特点，因此我们采用高纯石墨作为加热材料。
根据盛装硅料坩埚的特点，加热器设计为如图2形状。
1.石墨加热板；2.石墨加热板；3.角接器；4.石墨电极；5.支承环；6、7、8.碳、碳螺栓、螺母图 2 石墨加热器基本结构2．1石墨加热器的设计计算该炉基本参数：额定功率：165 KV A：最大线电流：3800A：最大输出电压：25V。
加热器的接线方式(见图3)。
图3 加热器的接线方式由I线=3800A，可得：I相=3800/ √3=2194A则每个电阻的电流：I R =2194/2=1097每个电阻的阻值：R=25/1097=0.0228欧该加热器由4块加热板组成，则每块加热板电阻：R板=R*4/6=0.0228*4/6=0.0342欧功率校核：P总=6V2/103R代入得：P总=165KV A,符合额定功率指标。
多晶硅铸锭炉生产工艺控制技术
多晶硅铸锭炉是太阳能光伏产业中，最为重要的设备之一。
它通过使用化学方法得到的高纯度硅熔融，调整成为适合太阳能电池的化学组成，采用定向长晶凝固技术将溶体制成硅锭。
这样，就可切片供太阳能电池使用。
多晶硅铸锭炉采用的生长方法主要为热交换法与布里曼法结合的方式。
这种类型的结晶炉，在加热过程中保温层和底部的隔热层闭合严密，保证加热时内部热量不会大量外泄，保证了加热的有效性及加热的均温j生。
开始结晶时，充入保护气，装有熔融硅料的坩埚不动，将保温层缓慢向上移动，坩埚底部的热量通过保温层与隔热层之间的空隙发散出去，通过气体与炉壁的热量置换，逐渐降低坩埚底托的温度。
在此过程中，结晶好的晶体逐步离开加热区，而熔融的硅液仍然处在加热区内。
这样在结晶过程中液固界面形成比较稳定的温度梯度，有利于晶体的生长。
其特点是液相温度梯度dT／dX 接近常数，生长速度可调。
通过多晶硅铸锭法所获得的多晶硅可直接获得方形材料，并能制出大型硅锭；电能消耗低，并能用较低纯度的硅作投炉料；全自动铸锭炉生产周期大约50 h可生产200 kg以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；采用该工艺在多晶硅片上做出电池转换效率超过14％。
多晶硅铸锭炉融合了当今先进的工艺技术、控制技术、设备设计及制造技术，使它不仅具有完善的性能，而且具有稳定性好、可靠性高，适合长时间、大批量太阳能级多晶硅的生产。
1、多晶硅铸锭炉的主要工艺特点太阳能级多晶硅的生产。
根据以上的多晶硅铸锭炉定向生长凝固技术原理，并结合我国当前实际需要，我们特别制定了以下的工艺流程。
多晶硅主要工艺参数如下。
第一步：预热(1)预热真空度：大约1．05 mPa；(2)预热温度：室温一1 200 oC；(3)预热时间：大约15 h；(4)预热保温要求：完全保温。
第二步：熔化(1)熔化真空度：大约44．1 Pa；(2)熔化温度：1 200℃～1 550℃；(3)熔化时间：大约5 h；(4)熔化保温要求：完全保温；(5)开始充保护气。
硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉
2.2 电器
• 电器由配电盘、控制柜、 变压器三部分组成。 • 配电盘是整个直拉单晶炉 的总电源，通过它把电流 输送给控制机械。控制柜 控制整个直拉单晶炉安全 正常运转，真空测量和加 热功率的变化。加热电源 通过控制柜后进入变压器 把220伏（或380伏）电压 变成0～50伏，送入直拉单 晶炉的紫铜电极。
第二节 硅片制备中的热工设备 --单晶炉和多晶硅铸锭炉
一、 单晶炉
• 目前在所有安装的太阳电池中，超过90%以上的是 晶体硅太阳电池，因此位于产业链前端的硅锭/片 的生产对整个太阳电池产业有着很重要的作用。 • 太阳电池硅锭主要有单晶硅锭和多晶硅锭，这两 种硅锭。
–单晶硅做成的电池效率高，但硅锭生产效率低，能耗 大； –多晶硅电池效率比单晶硅低一些，但硅锭生产效率高， 在规模化生产上较有优势。
• 单晶炉的机械传动部分，包括籽晶轴（上 轴）、坩埚轴和驱动它们上升、下降或旋 转的电机。 • 籽晶轴和坩埚轴的旋转 籽晶轴和坩埚轴的旋转由力矩电机（或直 流电机）分别经过皮带（或齿轮）变速后 带动抱轮使其旋转。 • 籽晶轴和坩埚轴的上升或下降 籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过通过两 个力矩电机（或直流电机）驱动螺纹旋转 完成。 • 这四个运动各自独立，互不干扰，不同的 是坩埚轴比籽晶轴有更缓慢上升或下降速 度。
1.4片状单晶生长法（EFG法）
• 片状单晶生长法是近几年发展的一种单晶生长技术。 将多晶硅放入石英坩埚中，经石墨加热器加热熔化， 将用石墨或者石英制成的有狭缝的模具浸在熔硅中， 熔硅依靠毛细管作用，沿狭缝升到模具表面和籽晶 融合，用很快的速度拉出。生长片状单晶拉速可达 50毫米/分。 • 片状单晶生长法现在多采用横向拉制。将有一平缺 口的石英坩埚装满熔硅，用片状籽晶在坩埚出口处 横向引晶，快速拉出片状单晶。片状单晶横向拉制 时结晶性能好，生产连续，拉速快，可达20厘米/ 分 • 片状单晶表面完整，不须加工或少许加工就可制做 器件；省掉部分切磨抛工艺，大大提高了材料的利 用率。 • 片状单晶拉制工艺技术高，难度大，温度控制非常 精确，片状单晶工艺技术目前处于研究阶段 处于研究阶段。 处于研究阶段
铸锭多晶硅的工艺流程
铸锭多晶硅的工艺流程铸锭多晶硅工艺和直拉单晶工艺都属于定向凝固过程，不过后者不需要籽晶。
当硅料完全融化后，缓慢下降坩埚，通过热交换台进行热量交换，使硅熔液形成垂直的，上高下低的温度梯度，保证垂直方向散热，此温度梯度会使硅在锅底产生很多自发晶核，自下而上的结晶，同时要求固液界面水平，这些自发晶核开始长大，由下而上地生长，直到整锅熔体结晶完毕，定向凝固就完成了，当所有的硅都固化之后，铸块再经过退火，冷却等步骤最终生产出高质量的铸锭。
冷却到规定温度后，开炉出锭。
铸锭多晶硅的优缺点相对于直拉单晶来说，铸锭多晶硅有如下优点1、备制造简单，容易实现全自动控制。
2、料比较广泛，可以利用直拉头尾料、集成电路的废片以及粒状硅料等，当然要将原工艺过程中的污染经过喷砂，腐蚀等手段清洗干净。
3、料量大，产量高，适合大规模生产。
4 、片大小可以随意选取i，例如690MM的方锭可以切成125MM 的方锭25个，也可切成156MM的方锭16个等。
铸锭溶晶生产大尺寸方片，但直拉法就难一些。
点晶体的熔无论融化了已经变成的熔体，或尚未融化的固体都在处在同一个温度值，尽管继续加热，温度却始终保持不变，这个温度就是晶体的熔点。
单晶硅的导热性与方向有关。
多晶硅片上有很多的晶粒，晶粒之间有明显的晶界，由于晶向各不相同，呈现出深浅不同的色差。
直拉单晶炉的热系统及热场1、热系统直拉单晶炉的热系统是指为了融化硅料，并保持在一定温度下进行单晶生长的整个系统，它包括加热器、保温罩、保温盖、托碗（石墨坩埚）、电极等部件，它们是由耐高温的高纯石墨和碳毡材料加工而成的。
加热系统长期使用在高温下，所以要求石墨材质结构均匀致密、坚固、耐用，变形小，无空洞，气孔率≤24%，无裂纹，弯曲强度40~60Mpa,颗粒度0.02~0.05mm,体积密度1.70~1.80g/310-cm,灰分≤1⨯4（100ppm)，金属杂质含量少，一般检测值在410-%数量级。
10-%~6加热器是热系统中最重要的部件，是直接的发热体，温度最高时达到1600。
多晶硅铸锭炉升降机构设计
括两部分：炉门升降机构和隔热框架升降机构，尤其是 后者，各个零件的设计及选用对设备性能指标有很大的 影响。2.1炉门升降机构炉门升降机构
安装在整个设备中部和炉体外围，主要作用是平稳升降 铸锭炉下炉门，使之打开、关闭，完成进出料工序，并 通过炉门升降机构来实现真空炉体上下密
封，硅料坩埚进入加热区的功能。2.2炉门升降机构的组 成炉门升降机构主要由直流电机、同步带轮组、滚珠丝 杠、挠性软轴、抱闸机构及连轴器等
的碰撞，保证坩埚的平稳。抱闸机构作用：它与直流电 机的动作同步关联。在电机启动的同时，电磁铁将压片 吸合，从而使摩擦片与压片松开，传动轴
可以自由转动；在电机停止的同时，松开电磁铁，压片 将摩擦片压紧，将转动轴抱死，防止在电机停止时由于 惯性引起的移动，从而增加设备操作人员
的使用安全性。该升降机构的技术先进性在于将3根丝杠 间主传动轴的直线传动转变为软轴的环形传动，120的三 点提升结构有效地缩小了设备的外
本设备选用的是进口零件，轴径选型满足最大设计扭矩， 最小曲率半径为450mm，满足提升结构要求，使设备整 体结构紧凑。升降电机选择：型号
为直流电机，最大功率要满足提升负载要求，扭矩恒定， 速度可调。通过一对同步带轮将扭矩传递至传动轴。抱 闸机构选择：电磁制动的安全刹车装置
，控制电压24V（总体结构见）。直流电机安装在中间支 撑上，经同步带轮将速度减缓后传递到中间丝杠主轴上， 两根软轴左右分别连接到另外两个
-b隔热框升降机构俯视一炉体；2―隔热框；3提升基架； 4饲服电机；9提升密封；10波纹管；一直线导轨；12软 轴；3提升行隔热框升降机
构图兰下，滑块上下移动带动波纹管长短伸缩，这样把 动密封变成了静密封，提高了密封的可靠性，容易保证 压升率指标。提升速度是整台设备关键指
硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉2
多晶硅生产过程（LDK)
SS炉
• 系统硬件包括: 不锈钢 板，一对侧板，水冷铸 锭炉，供应电源，一个 真空泵系统和一个控制 柜，操作控制盘。
• 炉腔包括石墨加热区和 隔热层组件。炉腔周围 有架空层（以便操作和 维修同时支撑着变压 器），公用设施和布设 在架空层地板下面的电 线。
操作原理
二、多晶硅铸锭炉
1.多晶硅锭生长方法
• 根据生长方法的不同，多晶硅可分为等轴晶、柱 状晶。通常在热过冷及自由凝固的情况下会形成 等轴晶，其特点是晶粒细，机械物理性能各向同 性。
• 如果在凝固过程中控制液固界面的温度梯度，形 成单方向热流，实行可控的定向凝固，则可形成 物理机械性能各向异性的多晶柱状晶，太阳电池 多晶硅锭就是采用这种定向凝固的方法生产的。
• DSS（定向固化系统）能生产较大尺寸的, 优质的多晶硅锭（用于光 伏工业领域）。DSS的生产量很大, 能在不到50个小时的时间内生产 出270kg的硅锭。在长晶期间, 只有一个部件在运动, 这样的设计极大 地简化了操作, 减小了操作的复杂性。尤其注意降低一些消耗件（例 如加热器, 隔热层元件）的成本, 从而降低了炉子长期运行的成本。
炉子的操作
• 一般情况下，DSS炉能在全自动模式下运行，几乎不需要 操作工的干预。操作工只负责装硅料，出锭，确认长晶阶 段的设置是否正确，输入的操作参数是否正确，定期检查 操作工控制盘上显示的输出值和信号是否正确以便推测炉 子的运行状况。操作工也必须定期记录这些操作参数，为 接班的操作工提供参考及预测工艺流程。该控制系统也需 要操作工确认某个工艺阶段已经正常结束，例如: 确认熔 化阶段已经结束。
1.2 热交换法及布里曼法
• 热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中 （ 避免了二次污染）, 其中热交换法是将硅料在坩埚中 熔化后, 在坩埚底部通冷却水或冷气体, 在底部进行热量 交换, 形成温度梯度, 促使晶体定向生长。
多晶硅铸锭炉热场
多晶硅铸锭炉热场多晶硅铸锭炉是用于生产太阳能电池等光伏产品的关键设备之一。
在多晶硅铸锭炉的生产过程中，热场是一个非常重要的因素，它直接影响到多晶硅铸锭的质量和产量。
一、多晶硅铸锭炉的热场特点多晶硅铸锭炉是通过将硅料加热熔化，然后逐渐冷却结晶形成多晶硅铸锭。
在这个过程中，热场起到了至关重要的作用。
多晶硅铸锭炉的热场特点主要包括以下几个方面：1. 温度分布不均匀：由于加热方式和冷却方式的限制，多晶硅铸锭炉中的温度分布通常是不均匀的。
在炉内，温度通常从底部到顶部逐渐升高，且在炉体周围边缘温度较低。
2. 温度梯度大：多晶硅铸锭炉中存在较大的温度梯度。
在硅料熔化过程中，炉内上部的温度较高，而下部的温度较低。
这种温度梯度对于形成多晶硅铸锭的晶体结构具有重要影响。
3. 热流动不稳定：多晶硅铸锭炉内的热流动通常是不稳定的。
由于炉内温度分布的不均匀性和炉体结构的复杂性，热流动会受到多种因素的影响，如辐射传热、对流传热等。
二、多晶硅铸锭炉热场的调控方法为了改善多晶硅铸锭炉的热场特性，提高生产效率和产品质量，需要采取一系列的调控方法。
以下是几种常见的多晶硅铸锭炉热场调控方法：1. 加热方式优化：多晶硅铸锭炉的加热方式通常有电阻加热、感应加热等。
合理选择和优化加热方式可以改善炉内温度分布的均匀性，减小温度梯度。
2. 冷却方式控制：多晶硅铸锭炉的冷却方式通常有水冷和气冷两种。
通过调整冷却方式和冷却速度，可以控制炉内的温度梯度和冷却速率，影响多晶硅铸锭的晶体结构和质量。
3. 炉体结构优化：多晶硅铸锭炉的炉体结构对热场的分布和稳定性有着重要影响。
通过改变炉体结构和加强热场的隔离，可以减小炉内温度分布的不均匀性，提高热场的稳定性。
4. 热流动调控：通过优化炉内的热流动方式，可以改善热场的稳定性和温度分布的均匀性。
可以采用流体力学模拟和实验方法来研究和优化炉内的热流动，如调整气体流速、引入局部加热等。
5. 温度监测和控制：在多晶硅铸锭炉中，温度监测和控制是非常重要的环节。
多晶铸锭工艺简介20130922
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研发部
12
壁上，被冷却的DS-Block再返回来冷却坩埚底部，从而使得
坩埚内的熔融硅周围形成一个竖直的温度梯度，这个温度梯
度使得坩埚内的硅料从底部开始凝固，从熔体底部向底部开
始长晶，通过控制隔热层提升高度和加热温度，直至全部液 态硅凝固为止。
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3. DSS工作原理图
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炉型： 按照功能来分，除了常规铸锭炉外，目前还有双电源控制铸锭炉，底部气冷 铸锭炉等； 按照大锭开方后晶砖数来分，目前市场上主要有G5炉型和G6炉型，还有少 量概念性的G7炉型。
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目录
一、DSS铸锭炉基本工作原理
二、GT DSS 450铸锭炉结构图
三、多晶铸锭炉的厂家和型号 四、多晶硅片生产的基本流程
研发部 2
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目录
一、DSS铸锭炉基本工作原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、GT DSS 450铸锭炉结构图
三、多晶铸锭炉的厂家和型号 四、多晶硅片生产的基本流程
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GT DSS 450铸锭炉结构图
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6 研发部
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研发部 2
7 研发部
目录
一、DSS铸锭炉基本工作原理
2018/6/8 研发部 2 10 研发部
多晶硅片生产包括以下步骤： 坩埚喷涂——坩埚烧结——装料——投炉铸锭——出锭——冷 锭——卸锭——电阻检测——开方——开方检测——截断——碾 磨——倒角——粘棒——切片——下棒——清洗——甩干——分 选——包装——入库——出货
多晶硅铸锭炉加热室的结构设计技术分析
多晶硅铸锭炉加热室的结构设计技术分析多晶硅铸锭炉的加热室的结构设计对多晶硅锭的熔铸，有着重要的作用和意义。
加热室是多晶硅铸锭炉的重要组成部分，对多晶硅锭的生产过程有着调整作用，需要优化结构设计，提高加热室的结构设计技术。
文章简述多晶硅铸锭炉，分析多晶硅铸锭炉加热室的结构设计，研究提高多晶硅铸锭炉加热室结构设计的影响。
标签：多晶硅铸锭炉；加热室；结构设计；技术分析1 简述多晶硅铸锭炉1.1 多晶硅铸锭炉的作用多晶硅铸锭炉是进行太阳能工业设计的专用设备，是硅体铸锭的主要设备，具有高效节能的特点，可以实现硅锭的稳定生产。
多晶硅铸锭炉是太阳能多晶硅锭进行大规模生产的应用设备，利用定向凝固技术，进行硅料高温熔铸，实现冷凝结晶，完成太阳能电池生产的要求，属于长久持续工作，具有高精度和可靠性，是可以实现自动化的生产设备。
1.2 多晶硅铸锭炉的特点多晶硅铸锭炉具有较高的生产效率和产品质量；加热速度快，工作效率高的优点。
应用定向凝固技术和优秀的加热设备，提供良好的熔铸条件；提升技术，保证竖直温度梯度，实现硅体的熔铸效果，降低了生产成本，减少了热量损耗，节约了能源。
1.3 多晶硅铸锭炉的技术多晶硅铸锭炉是大型多晶硅铸造的设备，是通过高温对硅料进行熔融后利用定向凝固技术，冷凝结晶后形成的晶向一致的硅锭，实现了太阳能电池对硅片生产的品质要求。
多晶硅铸锭炉技术是可以直接制备并适合大规模生产大尺寸硅锭的新型晶体熔铸技术，投炉料可以是纯度较低的硅，对材质没有非常高的限制，但是却可以通过一些方法降低晶界和杂质的影响，所以生产成本较低，成为制造太阳能电池硅锭的主要方法。
2 多晶硅铸锭炉加热室结构设计多晶硅的铸造是在加热室内，利用浇铸或者定向凝固的技术，在铸锭炉中制备晶体硅材料。
晶体硅材料生长简便，进行同时铸造的时候，相对能耗较小，可以降低材料的生产成本，方便控制，可以直接切成硅片。
多晶硅的铸造技术比硅材料的原容忍度高，受到广泛的应用，挤占了单晶硅的市场，成为太阳电池中最具竞争力的材料。
太阳能电池片科普系列-多晶硅铸锭篇
太阳能电池片科普系列——多晶硅铸锭篇中国光伏产业经历了风风雨雨几十年，无论是技术，还是成本都经历了翻天覆地的变化，随着市场对于高效率太阳能电池的需求，多晶硅铸锭工艺也在一丁一点的发生着变化，作为电池片原材料的源头，多晶硅铸锭所扮演的角色也就不言而喻了。
铸锭是将各种来源的硅料高温熔融后通过定向冷却结晶，使其形成硅锭的，硅料被加热完全融化后，通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉腔内壁上，使硅料中形成一个竖直温度梯度。
这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长。
硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉。
一、多晶硅铸锭的主要流程二、喷涂工序1、石英坩埚检查石英坩埚表面——干净无污染、无裂纹，同时内部划痕、凹坑、突起不能超过一定的范围，核对石英坩埚的尺寸（内外部尺寸、上边厚度、底部厚度等），坩埚底部厚度的异常会引起铸锭热场工艺的变化。
2、坩埚涂层坩埚底边和侧边需要预先进行人工刷涂，待涂层凝结过后进行喷枪喷涂，涂层的量是一定的（刷涂次数不限），刷涂的涂层包括氮化硅粉（底部和边部分别为120g、380g）、硅溶胶（60g、150g）、PVA（50g、120g）和纯水（180g、340g），喷涂的涂层中则不需要PVA。
3、检查涂层在喷涂坩埚侧壁的过程中需用挡板遮住坩埚底部，约为侧壁3／4的地方。
喷涂和刷涂过程中要均匀使液体凝聚，涂层必须满足均匀、无气泡、无脱落、无裂缝等条件方为合格。
4、坩埚焙烧将喷好的坩埚放入烘箱内，开始坩埚焙烧,整个过程大概需要30~40小时，先快速升温至设定温度，保持几小时后，自然冷却至合适温度，再开盖冷却。
值得注意的是，坩埚喷涂车间需要保持一定的温度，温度较低环境需在配比涂层时对纯水加热。
原料的杂质浓度会影响铸锭炉的化料时间，铸锭炉在长晶等阶段出现异常，此时铸锭时间可能较一般工艺时间长2-4个小时，底部氮化硅的量太少会导致无法顺利脱模，硅锭底部开裂。
而过量的氮化硅会覆盖住石英砂，从而导致引晶效果不明显，因此要在铸锭中做出适当的调整。
5[1].铸锭多晶硅的生产
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5.停炉冷却：把加热功率降低并关闭，让
铸锭硅在炉内自然冷却8～13个小时。方可打 开炉室，取出铸锭硅块，交检验部门进行原 始硅块的初检。 每开一炉的时间（含停炉冷却时间），随 装料量的不等而不同。对装料450公斤的铸锭
硅的生产而言，正常情况下，约需65个小时左
右。
5.3 铸锭硅的外形尺寸
从铸锭炉生产出来的铸锭硅是方形的。装料
Байду номын сангаас
成晶体，并从下往上非常缓慢地长晶，长晶的速度大约为0.2mm/分左右。最后生成一个大晶粒的多晶
铸锭硅来，这个过程大概需要22～27个小时左右。 4.退火处理：坩埚内的液态硅全部结晶成固态后，把炉温控制在稍比熔点低一些，并让硅锭整体 温度保持一致，退火处理3～4个小时，以消除硅锭内部的应力和裂纹，减少位错。
第5节复习题
1、了解铸锭硅生产的简单过程。 2、生产铸锭硅的主要原辅材料有哪些？
3
液体硅
加热器 上炉室 隔热材料
坩埚护板 陶瓷坩埚
热交换台
铸锭硅 下炉室
晶粒的多单晶体的铸锭硅来。见图16。
5.2 铸锭硅的生产过程简介
1.装炉：把铸锭炉室及石墨件清理干净，把 经过氮化硅喷涂及烘烤的方形陶瓷坩埚放置到
石墨底板中间，把多晶硅料和掺杂剂放入到坩
埚中，再用叉车把石墨护板、陶瓷坩埚连同多
图16：铸锭炉室和热场的剖面示意图
1
晶硅料一并装入到铸锭炉中。关闭炉室，给炉室抽真空并通氩气。 2.加热熔化硅料：给炉室内的石墨加热器通电加热。硅的熔点为1416℃，只有在高于此温度的情况 下，硅料才能熔化成液态。从开始加热到硅料全部熔化成液态的时间，一般需要16～21个小时左右。 3.铸锭硅生长：通过缓慢提升隔热系统或缓慢降低坩埚的方法，使下部的液态硅温度降低首先凝固
多晶硅的铸锭原理及工艺流程
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多晶硅铸锭炉操作与生产流程
4 冷却系统
炉体上部进气冷却循环水分八路，F1，F2，F3三组对 应六个电极，F4进气法兰，F5上炉体，F6下炉体上部，F7 下炉体下部，F8真空泵。
炉内的温度通过循环水散出，升温后的水通过外冷却 塔进行冷热交换，并用水泵送回内循环。
指示当前正在自动运行状态。
工艺窗口
工艺文件在整个系统中具体很重要的意义， 任何一次自动循环都是按照工世文件的设定 进行的，工艺文件的更改可以直接影响生产 出来的硅锭质量。工艺文件总共分四页，操 作者可以按翻页按扭在各页面之间切换。在 一般情况下不建议不懂工艺的人员随便修改 工艺。
手动控制窗口
在手动界面上，允许操作者对各个阀门以及电源接 触器进行操作，更改加热控制方式、功率设定、温
在下炉体内，用三支石墨柱支撑着一个用双层隔热材 料组成的平台，在隔热笼下降时形成一个密闭腔。在此平 台上，悬空支撑着一散热交换台，用于放置坩埚。
3 真空与供气系统
真空系统是由机械泵、罗茨泵、安全阀等其他附件组成， 当炉内压力抽到0.005毫帕时才可以运行。当真空抽到40毫 帕以下时， 罗茨泵自动开始细抽。炉内工作压力需维持600 毫帕时， 是靠机械泵抽气作用。
5 电源供应与控制系统
电源供应与控制系统主要由电源柜和控制柜组成。
电源柜包括电源开关，功率控制器等。
控制柜系统包括工控机，SNAP智能处理器，加热器的电源 系统，真空系统控制单元，检测单元，运动控制单元，系统 供电单元。
1)工控机 整个控制系统以工控机操作为上位机，上位机完成控制
工艺的设置，控制过程中的监控，各种反馈信息（如：温度、
多晶铸锭炉炉双电源加热控制
多晶铸锭炉炉双电源加热控制【文献标识码】 A 多晶硅铸锭炉是用于生产多晶硅锭的主要设备，该设备用于生产多晶硅锭，是多晶电池光伏产业链的源头设备，目前主要的设备厂家有，美国GT公司、浙江晶盛机电、精工科技、以及京运通等，多晶设备国产化步伐的加快，也加速了行业成本的下降，同时新技术的引进、设备升级改造，双电源等控制方式的推出使得1 多晶铸锭炉简介1.1 工作原理多晶硅铸锭炉控制原理简述如下：通过工控机设置合理的工艺条件和预设定参数后，将信息送达SNAP智能控制器。
把通过SiN涂布处理的坩埚里装入多晶硅料，并将其放置在具有作用的DS块上；闭合炉体及各阀门并抽真空。
然后通过触发板调整可控硅来控制变压器输出3800A左右的电流加到加热器，并通过SNAP智能控制器，自动温度控制，加热若干小时后使的多晶硅料熔化。
当多晶硅料完全熔化后，根据工艺设定要求，缓慢提升隔热笼高度，暴露出DS块，使能量可以藉辐射方式散发至炉体，再通过炉体中的冷却水将热量带走，DS块的温度下降会使硅溶液形成垂直的温度梯度，此温度梯度控制硅由底部开始凝固结晶。
当所有硅料凝固结晶后，硅锭再经过热退火，供入惰性气体（氩气），控制冷却方式等步骤消除热应力，以避免铸块出现裂缝及减少差排的发生。
冷却到规定温度后，开炉出料。
1.2 多晶硅铸锭炉的重要构成炉体：多晶硅铸锭炉炉体主要由中空的不锈钢炉体，采用上下炉体两部分构成，冷却水在中空管路中，对于炉体内进行冷却，有些厂家铸锭炉采用底部气冷、或者利用百叶加水冷铜盘的方式增加了底部冷却，利于类单晶的实验项目。
热场：多晶硅铸锭炉由变压器、顶侧加热器、隔热笼保温层、ds 块等部分构成，一些厂家加热系统，进行优化，顶测加热器分开控制。
真空系统：由真空泵组、真空管路、比例阀、闸板阀等构成监测系统：测温热电偶、红外仪、压力计、流量计、泄露检测等氩气：铸锭炉用氩气对于硅锭进行除杂、以及惰性环境的生成。
质量流量控制器是有效控制氩气流量的通用器件。
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多晶硅铸锭炉的工作原理：将多晶硅料装入有涂层的坩埚内放在定向凝固块上；关闭炉镗后抽真空，加热待硅料完全熔化后，隔热笼缓慢往上提升，通过定向凝固块将硅料结晶时释放的热量辐射到下炉腔内壁上，使硅料中形成一个竖直温度梯度。
这个温度梯度使坩埚内的硅液从底部开始凝固，从熔体底部向顶部生长。
硅料凝固后，硅锭经过退火、冷却后出炉完成整个铸锭过程。
热场是多晶硅铸钻炉的心心脏，其内装石墨加热器、隔热层、坩埚和硅料等。
多晶硅工艺生产过程必须通过加热室的调整来实现，因此，多晶硅铸锭炉加热室的结构设计显得至关重要。
1加热方式分析
为使硅料熔融，必须采用合适的加热方式。
从加热的效果而言，感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。
如果采用感应加热的方式，由于磁场是贯穿硅料进行加热，在硅料内部内部很难形成稳定的温度梯度，破坏晶体生产的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度，因此我们优先采用辐射加热的方式。
2 加热器的设计
多晶硅铸锭炉加热器的加热能力必须超过1650℃，同时材料不能和硅材料反应,不对硅料造成污染，能在真空及惰性气氛中长期使用。
符合使用条件可供选择的加热器有金属钨、钼和非金属石墨等。
由于钨、钼价格昂贵，加工困难,而石墨来源广泛，可加工成各种形状。
另外，石墨具有热惯性小、可以快速加热，耐高温、耐热冲击性好，辐射面积大、加热效率高、且基本性能稳定等特点，因此我们采用高纯石墨作为加热材料。
根据盛装硅料坩埚的特点，加热器设计为如图2形状。
1.石墨加热板；
2.石墨加热板；
3.角接器；
4.石墨电极；
5.支承环；6、7、8.碳、碳螺栓、螺母图 2 石墨
加热器基本结构
2．1石墨加热器的设计计算该炉基本参数：额定功率：165 KV A：最大线电流：3800A：最大输出电压：25V。
加热器的接线方式(见图3)。
图3 加热器的接线方式
由I线=3800A，可得：I相=3800/ √3=2194A
则每个电阻的电流：I R =2194/2=1097
每个电阻的阻值：R=25/1097=0.0228欧
该加热器由4块加热板组成，则每块加热板电阻：
R板=R*4/6=0.0228*4/6=0.0342欧
功率校核：P总=6V2/103R
代入得：P总=165KV A,符合额定功率指标。
2．2加热器表面负荷校核由总功率可求出每块石墨加热板之功率为：P每块=165/4=41.25 KW 每块石墨加热板表面积：S=(21.2X47.0+5.8X4.8X2-9.6X36.4-0.5X3.14X4.8X4.8)X 3X2=3998.8cm2石墨加热板实际表面负荷：W＝41.25X1000/3998.8＝10.32W/cm21600℃时，石墨加热器允许表面功率W=25W/cm
加热器设计符合要求。
2.3石墨加热器的应力校核
石墨在低温导热性良好，在高温时导热性下降，造成其表面与心部温度差使断面伸长不一致。
产生热应力，从而导致石墨加热器损坏，故应计算其产生的热应力。
对于宽度比厚度大得多的板状电热元件：
式中：t中心为电热元件心部温度:t表面为电热元件表面温度，此处取t表面=1540℃
W为电热元件表面负荷,此处W=10.32W/cm2;
b为板状电热元件厚度，此处b=0.02m;
为石墨导热系数，查石墨物理特性表，得376.8 KJ／(m·h·℃)
将各值代入，得：
t中心=1540．285℃
3 隔热材料的设计
对于铸锭工艺而言,为了提高生产效率,要求设备的升温速度尽可能快;由于采用真空工艺,要求炉内温度的放气量尽可能少，缩短真空排气的时间;同时硅料中温度梯度的形成还需要隔热层的精确提升实现,隔热层的质量要尽可能轻,以减少升降时的惯性而影响控制精度。
综上所述对于隔热材料的选择要求是：耐高温、密度低、导热小、蓄热量少、隔热效果好、放气量少、质量轻、膨胀系数小，在众多的耐火保温材料中，以高纯碳毡最为理想，因此我们采用高纯固化碳毡作为隔热材料。
确定隔热层固化碳毡的厚度:
间歇生产的真空电炉，通常隔热层外壁面温度为200~300℃，水冷炉壳内温度为100-150℃,隔热层外表面的辐射换热系数可由下式计算:
（1）
（2）
（3）
tw1为隔热层内壁画温度，此处取tw1=1600℃; tw2为隔热层外壁面温度，此处取tw2=250℃; Q 为隔热层散失的总热量，此处已求得Q=3486.OW/m2。
将各值代入(5)式，得：故该铸锭炉隔热层固化碳毡厚度取90mm。
隔热层组件利用一个方形的小锈钢笼来支撑和固定。
多晶硅坩埚烧结炉主要用于光伏太阳能产业，用于多晶硅铸锭工艺中的坩埚氮化硅喷涂后的烘烤固化，也可用于其它行业各类制品的加热处理和烧结。
它去除了国内传统烧结炉的台车轨道，改用聚氨酯活动轮，即节省了空间，更方便了台车的装卸料，用户也不必预作设备基础，放在平地上就能使用。
传统烧结炉的台车是在固定的轨道上往返运动，不能离开轨道，只能一辆台车工作，而本烧结炉不但活动范围大（不需要轨道），而且可以两辆台车轮流使用，完全省去了因台车在装卸料过程中的等待时间，大大提高了生产效率。
烧结炉采用复合型隔热层，。