[发明专利]一种用于多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业炉真空压力和气体流量的连续控制，进一步是指一种多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统。

背景技术

目前，制备太阳能电池用硅锭的生产工艺主要包括单晶硅拉制和多晶硅铸锭。多晶硅铸锭技术由于能直接熔铸出适于规模化生产的大尺寸方形硅锭、制造过程相对简单、生产成本大为降低，从而成为太阳能电池用硅锭制备的主流方法。

制备太阳能电池用硅锭工艺过程包括：硅料加热、硅料熔化、晶体生长、硅锭退火、硅锭冷却五个过程。全过程时间长约50小时。

1)由于硅料在加热到1175℃以前，炉膛材料会放气及炉内真空油脂、加热器及隔热层吸收的水份等杂质挥发，需快速除气，控制炉压小于0.01mbar(约6小时)；

2)温度从1175℃加热到1200期间，为了保护铸锭使用的模具-石英坩埚脱模层SIN涂层不会在低真空度下挥发、脱落，且加热用的石墨加热器必须在真空负压下及通于高纯惰性气体(Ar)保护，需精确快速控制真空压力达到600mbar(30分钟)；

3)当加热到达1200℃后，真空压力需在600mbar恒定，进入“硅料熔化”阶段(约10小时)，直到晶体生长(约18小时)、硅锭退火完成温度1280℃(约3小时)；

4)进入硅锭冷却阶段1280℃到400℃，仍需控制真空压力在600mbar恒定，防止硅锭降温开裂(约11小时)；

5)出炉调压到950mbar(20分钟)。

如果以上过程真空压力控制不稳定，产生振荡、波动较大，则进气、排气不稳定，会严重影响硅锭质量。由于时间长达50小时，还需节省工艺氩气进气耗量，减少生产运行成本。

当前常规的真空压力控制方法有如下三种：

1)真空区域排气阀ON/OFF方式；

2)蝶阀排气开度PID控制方式；

3)固定输入进气+排气开度PID连续控制方式。

上述第一种方式：简单，但真空压力只能区域控制，波动很大，不能连续调节真空压力。

上述第二种方式：能连续调节真空压力，但由于蝶阀是采用电机驱动，可靠性太差，故障太高，压力波动大，不适于长期运行。

上述第三种方式：应用非常广泛，能连续调节真空压力，但真空压力易产生超调，调节稳定时间长，进气流量难以控制且消耗量大，运行成本高。当压力设定值发生阶跃变化，如果采用常规的“排气调压”模式，如真空压力测量值与设定值比较偏低时，会关闭“排气调节阀”，即关闭真空“废气排气口”，炉内气体停留时间过长及炉内杂质会迅速与多晶硅发生反应，影响多晶硅性能。

同样在“硅料冷却”降温阶段，由于降温时间长达约11小时，采用“排气调节”，固定进气，既难保证废气排出稳定、畅通，还会耗费大量的工艺气体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，根据上述工艺要求提供一种用于多晶硅铸锭工艺的真空压力连续控制方法及其控制系统，能用于多晶硅铸锭生产，稳定控制真空炉压，保证进气、排气同时稳定，节省输入气体耗量。简单实用，且控制效果理想。

本发明的技术解决方案是，一种用于多晶硅铸锭工艺真空压力连续控制方法，在炉温≤1175℃时，对加热炉内抽真空，当炉温＞1175℃后直到冷却结束阶段，对加热炉进行气体调压，其中气体调压时，实时检测加热炉内真空压力，进行压力闭环调节；所述压力闭环调节是根据炉温范围选择进气调节和排气调节两种方式，进气调节时，恒定抽气量，调节进气流量；排气调节时，恒定进气流量，调节排气量。

进一步的，本发明还提供了一种实现上述控制方法的控制系统，包括控制部分、进气系统和排气系统；其中进气系统包括一条由气体质量流量控制器和进气阀组成的支路和一条由手动旁通进气调节阀和旁通进气电磁阀组成的支路，两路支路均接入加热炉的进气口；加热炉的出气口连接有排气系统，其包括一条由真空阀和真空抽气比例阀组成的小抽支路和一条由真空主抽阀组成的大抽管路，同时，所述真空主抽阀通过一罗茨泵与真空抽气比例阀一同接入机械泵，最后机械泵接入排气口；其中控制部分包括与加热炉连接的真空规压力传感器，分别与真空规压力传感器连接的进气调节控制器和排气调节控制器，进气调节控制器和排气调节控制器分别接入进气系统中的气体质量流量控制器和排气系统中的真空抽气比例阀。

以下对本发明做出进一步说明：

铸锭工艺全过程抽真空，设置机械泵与罗茨泵，组成一个前后级真空抽气系统，其罗茨泵为增压泵，在真空压力为10.0∽0.01mbar时，具有很强的抽速，配合机械泵，能快速抽至真空极限。