[发明专利]多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于多晶硅铸锭生产技术领域，特别涉及一种多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法。 

背景技术

硅是自然界常见的一种化学元素，纯净的硅熔点为1414℃，用于太阳能级多晶硅纯度一般在99.99％以上。多晶硅铸锭炉是一种专业的硅重熔设备，用于生产大量合格的太阳能用多晶硅铸锭。生产中，将达到一定纯度要求的多晶硅装入炉中，按工艺要求加热熔化、定向长晶、热处理、冷却出炉。现有技术中对多晶硅铸锭炉的生产工艺流程无法实现自动化的准确监控，从而不能生产出高质量符合要求的多晶硅铸锭。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法，其控制功能强大，使用操作方便，能够有效提高多晶硅铸锭的加工质量。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种多晶硅铸锭炉自动控制系统，包括：中央处理单元，与中央处理单元连接的PLC可编程控制器，所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分，所述的PLC可编程控制器连接人机界面装置、开关量真空泵组和电磁阀。所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉加热部分的温控仪。所述的中央处理单元通过计算设定相应的速度，通过PLC可编程控制器实现隔热层的位置控制。 

所述的中央处理单元连接多晶硅铸锭炉气路部分的水流量计、高温计、质量流量计和压力传感器。 

一种多晶硅铸锭炉自动控制方法，包括如下步骤： 

第一步，自动抽真空和检漏，中央处理器通过与压力传感器通讯来检测多晶硅铸锭炉的腔室压力大小，并结合工艺要求，通过PLC可编程器控制各路开关量真空泵组和各路电磁阀的启停动作，当腔室压力达到工艺要求时开始检漏； 

第二步，当检漏通过以后，进入配方运行阶段，中央处理器通过与多晶硅铸锭炉的加热部分和气路部分的数据通讯，处理当前运行状况，并与工艺要求进行对比，以输出控制信号来达到完成工艺要求的目的。 

所述第一步的自动抽真空包括：打开机械泵、小口径抽气阀，进行抽气，对炉内进行降压；当压力降到200mbar以下，打开插板阀，关闭小口径抽气阀，进行大口径抽气，继续降压；炉内压力降至25mbar后，打开罗茨泵，继续降压，使其压力降至0.005mbar。 

所述第一步的检漏包括：关闭插板阀，保持5分钟，以确认检漏通过；关闭检漏阀，打开充大气阀，保持5分钟，以确认检漏通过。 

所述第二步的配方运行分为以下阶段： 

加热控制阶段，中央处理单元通过PLC可编程控制器控制实现隔热层的位置归零，进气阀门处于关闭状态，以在真空模式下根据工艺要求控制温控仪输出设定的功率对炉体进行加热，达到设定的温度值1175℃时，进入熔化阶段； 

熔化控制阶段，首先保持设定的温度值，使硅料充分排出油脂和气体，其后，中央处理单元控制PLC可编程控制器的开关量信号打开小口径氩气进气阀门，以进入气体模式，并且通过调节进气或者出气的大小来保持达到腔室内的压力大小为600mbar，控制温控仪提高加热功率达到熔化温度值1540℃，在熔化结束后，降低加热功率以至温度值1440℃； 

长晶控制阶段，中央处理单元根据工艺要求，用温控仪对温度进行精确控制，用质量控制仪对晶体生长的流量进行精确控制，同时通过PLC可编程控制器对隔热层进行位置控制，使硅体上下形成一个稳定的温度梯度，从而使晶体垂直生长，在此阶段炉内压通过压力传感器来保持压力恒定，保证长晶处于一个稳定的压力环境来达到工艺要求； 

退火控制阶段，中央处理单元通过PLC可编程控制器控制关闭隔热层，使 硅锭上下温度保持均匀并根据工艺要求通过温控仪降低加热功率使硅体处于一个临界温度，并且保持该温度一段时间，以消除硅体内部应力； 

冷却控制阶段，中央处理单元根据工艺要求，使功率慢慢降至为零，以最大限度的消除硅锭应力，当温度降至1000℃以下，通过PLC可编程控制器控制隔热层打开，同时增加炉内压力加速冷却，缩短整个工艺过程时间。 

本发明的多晶硅铸锭炉自动控制系统及方法具有以下有益效果： 

1.控制功能强大，能够实现多晶硅铸锭炉的腔室升降运动及速度控制，隔热层的升降运动及位置与速度控制，真空泵组启、停及气路系统的各路电磁阀的开关控制，炉内温度控制，加热功率控制，炉内保压控制，控制比例阀打开角度的模拟输出信号，以及各种故障报警和工艺参数偏差报警的功能。