一種氣體冷卻式定向凝固裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于定向凝固領(lǐng)域，特別涉及一種氣體冷卻式定向凝固裝置。爐體內(nèi)放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有石墨發(fā)熱體、保溫套筒和感應線圈；拉錠機構(gòu)位于爐體底部中心位置，且與外部相連通，拉錠機構(gòu)的上部為石墨螺旋板，石墨螺旋板上的螺旋通道與拉錠機構(gòu)的進氣口相連通，石墨螺旋板的兩側(cè)邊緣處開有的出氣口。本實用新型裝置構(gòu)思獨特，能夠?qū)崿F(xiàn)硅熔體的定向生長，起到定向凝固去除多晶硅中金屬性雜質(zhì)的目的，對于相同條件下的硅料數(shù)據(jù)來看，該裝置的升溫時間短，保溫時能耗小，同時冷卻速度可控制，且晶體生長較常規(guī)的冷卻方式好，能更好的實現(xiàn)定向凝固的效果。
【專利說明】一種氣體冷卻式定向凝固裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于定向凝固領(lǐng)域，特別涉及一種氣體冷卻式定向凝固裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]定向凝固是指在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。定向凝固是研究凝固理論和金屬凝固規(guī)律的重要手段，也是制備單晶材料和微米級(或納米級)連續(xù)纖維晶高性能結(jié)構(gòu)材料和功能材料的重要方法。自20世紀60年代以來，定向凝固技術(shù)發(fā)展很快。由最初的發(fā)熱劑法、功率降低法發(fā)展到目前廣泛應用的高速凝固法、液態(tài)金屬冷卻法和連續(xù)定向凝固技術(shù)。定向凝固技術(shù)廣泛應用于高溫合金、磁性材料、單晶生長、自生復合材料的制備等力面，并且在類單晶金屬間化合物、形狀記憶合金領(lǐng)域具有極廣闊的應用前景。
[0003]現(xiàn)有多晶硅鑄錠爐是采用電阻或感應加熱，將配比好的多晶硅放入方形坩堝內(nèi)進行熔化后，通過對組成熱場的零組件之間做相對運動，以使得多晶硅料從底部開始冷卻，逐漸向上長晶的定向凝固的方式，得到多晶硅錠的。評價多晶硅鑄錠爐性能的一個重要指標是單位質(zhì)量的能耗，而降低單位質(zhì)量的能耗，進而降低成本是企業(yè)贏得市場競爭的重要手段。目前市場上企業(yè)降低能耗的主要方式是提高單爐產(chǎn)能，從2004年的單爐產(chǎn)量120kg，到170kg，250kg，450kg，650kg。
[0004]目前定向凝固技術(shù)基本上都采用銅坩堝水冷盤的方式使得硅熔體進行定向凝固，該種方式的冷源在熔煉的整個過程中都存在，這種方式會將大量的熱能帶走，增大了能耗。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型克服上述不足問題，提供一種氣體冷卻式定向凝固裝置，采用以氬氣作為凝固過程中的冷源，可實現(xiàn)僅在凝固過程中加冷源，熔化和保溫階段無冷源，大幅的提高了能量的利用率，降低了能量的消耗。
[0006]本實用新型為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:爐體內(nèi)放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有石墨發(fā)熱體、保溫套筒和感應線圈；拉錠機構(gòu)位于爐體底部中心位置，且與外部相連通，拉錠機構(gòu)的上部為石墨螺旋板，石墨螺旋板上的螺旋通道與拉錠機構(gòu)的進氣口相連通，石墨螺旋板的兩側(cè)邊緣處開有的出氣口。
[0007]石英坩堝和拉錠機構(gòu)之間優(yōu)選設(shè)置有石墨托板，且石墨托板與保溫套筒內(nèi)壁貼合，使其對融化過程中的硅進行保溫。
[0008]螺旋通道內(nèi)所通氣體優(yōu)選為氬氣。因為通入氣體為惰性氣體，在惰性氣體中，氬氣的價格較為便宜，所以選擇氬氣作為優(yōu)選氣體。
[0009]螺旋通道優(yōu)選為雙螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0010]本實用新型中，石墨螺旋板為分為上下兩部分:上部分為帶有螺旋反向螺片的石墨板，下部分為石墨板，上下兩部分共同構(gòu)成一個帶有螺旋通道的通氣裝置。氣體由出氣口排出，經(jīng)過保溫裝置外側(cè)，從上爐蓋開口處排出爐體。石墨螺旋板為雙螺旋通氣形式，通過調(diào)節(jié)氬氣流量來控制裝置的冷卻能力，同時，雙螺旋通氣的形式能使石英坩堝底部冷卻更加均勻。
[0011]工作過程如下:
[0012]1、將工業(yè)硅放置于石英坩堝內(nèi)，開啟機械泵、羅茨泵對爐體抽真空。
[0013]2、開啟感應線圈，對石墨發(fā)熱體作用，使石英坩堝內(nèi)硅料升溫熔化形成硅熔體。
[0014]3、保溫后，依次關(guān)閉羅茨泵和機械泵。啟動拉錠機構(gòu)，同時打開進氣口，通入氬氣;
[0015]4、控溫偶位于石英坩堝外部懸空放置，實時監(jiān)測硅的熔體與固體界面溫度，當顯示的溫度高于1414°C時，持續(xù)增加氣體通氣量，當溫度低于1414°C時，減小氣體通氣量，使硅熔體的冷卻速度和拉錠機構(gòu)的下降速度一致。
[0016]5、直至硅熔體完全被冷卻凝固后，停止對感應線圈通電，停止拉錠機構(gòu)電機運轉(zhuǎn)，操作結(jié)束。
[0017]本實用新型裝置構(gòu)思獨特，能夠?qū)崿F(xiàn)硅熔體的定向生長，起到定向凝固去除多晶硅中金屬性雜質(zhì)的目的，對于相同條件下的硅料數(shù)據(jù)來看，該裝置的升溫時間短，保溫時能耗小，同時冷卻速度可控制，且晶體生長較常規(guī)的冷卻方式好，能更好的實現(xiàn)定向凝固的效果O
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為一種氣體冷卻式定向凝固裝置示意圖。
[0019]圖2為圖1中10的A-A視圖。
[0020]圖中，1.進氣口 2.出氣口 3.石墨托板4.石英坩堝5.硅熔體6.石墨發(fā)熱體7。感應線圈8.保溫套筒9.爐體10.石墨螺旋板11.拉錠機構(gòu)
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實施例及附圖詳細說明本實用新型，但本實用新型并不局限于具體實施例。
[0022]實施例1:
[0023]操作步驟如下:
[0024]1、將工業(yè)硅500kg放置于石英坩堝4內(nèi)，開啟機械泵對爐體9抽真空至800Pa，再開啟羅茨泵繼續(xù)抽真空至0.1Pa0
[0025]2、開啟感應線圈7，對石墨發(fā)熱體6作用，使石英坩堝4內(nèi)硅料升溫至1500°C，經(jīng)10小時后，使硅料升溫熔化形成硅熔體5，此時出氣口 2均處于關(guān)閉狀態(tài)。
[0026]3、保溫8小時后，依次關(guān)閉羅茨泵和機械泵。啟動拉錠機構(gòu)11，同時打開進氣口1，通入10°C的氬氣；
[0027]4、熱電偶位于石英坩堝4外部懸空放置，與電腦連接，能夠?qū)崟r監(jiān)測硅的熔體與固體界面溫度，當顯示的溫度高于1414°C時，持續(xù)增加氣體通氣量，當溫度低于1414°C時，減小氣體通氣量，使硅熔體5的冷卻速度和拉錠機構(gòu)11的下降速度一致。
[0028]5、直至硅熔體完全被冷卻凝固后，停止對感應線圈7通電，停止拉錠機構(gòu)11電機運轉(zhuǎn)，操作結(jié)束。
[0029]能夠?qū)崿F(xiàn)硅熔體的定向生長，起到定向凝固去除多晶硅中金屬性雜質(zhì)的目的，對于相同條件下的硅料數(shù)據(jù)來看，該裝置的升溫時間短，保溫時能耗小，同時冷卻速度可控制，且晶體生長較常規(guī)的冷卻方式好，能更好的實現(xiàn)定向凝固的效果。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體冷卻式定向凝固裝置，爐體(9)內(nèi)放置有石英坩堝(4)，石英坩堝(4)外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有石墨發(fā)熱體(6)、保溫套筒(8)和感應線圈(7);拉錠機構(gòu)(11)位于爐體(9)底部中心位置，且與外部相連通，其特征在于拉錠機構(gòu)(11)的上部為石墨螺旋板(10)，石墨螺旋板(10)上的螺旋通道與拉錠機構(gòu)(11)的進氣口( I)相連通，石墨螺旋板(10)的兩側(cè)邊緣處開有的出氣口(2)。
2.權(quán)利要求1所述的一種氣體冷卻式定向凝固裝置，其特征在于所述的石英坩堝(4)和拉錠機構(gòu)(11)之間設(shè)置有石墨托板(3)，且石墨托板(3)與保溫套筒(8)內(nèi)壁貼合。
3.權(quán)利要求1所述的一種氣體冷卻式定向凝固裝置，其特征在于所述的螺旋通道內(nèi)所通氣體為氬氣。
4.權(quán)利要求1所述的一種氣體冷卻式定向凝固裝置，其特征在于所述的螺旋通道為雙螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【文檔編號】C30B11/00GK203382843SQ201320425923
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】譚毅, 陳磊, 袁濤, 溫書濤 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司