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。

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，