CN219449950U - 一种全自动硅芯生长设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全自动硅芯生长设备，涉及光伏行业中的硅芯生长技术领域，包括炉体，所述炉体上设有提拉组件，所述炉体内自上而下依次设置有籽晶夹头组件、坩埚、热场部件，所述籽晶夹头组件包括籽晶托盘、籽晶夹头，所述提拉组件与籽晶托盘相连，提拉组件可驱动籽晶托盘在炉体内升降，籽晶托盘上安装若干籽晶夹头，所述籽晶夹头组件还包括籽晶旋转部件，所述籽晶旋转部件安装在籽晶托盘上，籽晶旋转部件与若干籽晶夹头相连，籽晶旋转部件可驱动若干籽晶夹头转动。本实用新型提供的一种全自动硅芯生长设备，能同时拉制多根硅芯，提高生产效率，能够增加硅芯的成品率，提高硅芯品质。

Description

一种全自动硅芯生长设备

技术领域

本实用新型涉及光伏行业中的硅芯生长技术领域，尤其涉及一种一炉单次拉制多根硅芯的全自动硅芯生长设备。

背景技术

在还原炉内多晶硅产品生产中，硅芯是原生硅生长的载体，多晶硅在生长过程中需要采用直径8-20毫米的硅芯作为籽晶进行多晶硅原料棒的生长，最终生长出直径150-200毫米的硅棒，因此硅芯的质量直接决定了生产出的多晶硅硅棒的产品质量。

目前，硅芯的生产方法主要有两种：一种是采用单晶炉拉制出直径200-300毫米左右的单晶硅棒，再对大直径的单晶硅棒进行切割，来生产8x8毫米或者10x10毫米等不同截面尺寸、长度为2500-3500毫米的方形硅芯。采用这种方法，一根大直径单晶硅棒可以切割出多根硅芯，但是拉制一根大直径硅棒需要3天左右的时间，而且在切割的过程中材料损耗比较大，切割过程中会不可避免的带入杂质影响硅芯的纯度，切割产生的应力也会残留在硅芯内，从而影响生产出的高纯多晶硅原料的质量。

另一种方法是采用区熔法，通过感应线圈加热致密硅棒使其熔化来制备硅芯，该方法生产出来的硅芯不需要进行处理，可以直接用于多晶硅原料生长，因此可以用来生产高品质多晶硅原料。但是由于该方法的生产工艺所限，一次最大只能拉制四到六根硅芯，效率非常低下。面对巨量的市场需求，需要投入大量的硅芯炉进行生产，设备占地面积越来越大，人力﹑物力及能源消耗巨大。

为了解决以上两种硅芯生长方法存在的问题，本文旨在设计一种全自动硅芯生长设备，能同时拉制多根硅芯，生产的硅芯不需要再进行切割加工，提高生产效率。

实用新型内容

鉴于目前存在的上述不足，本实用新型提供一种全自动硅芯生长设备，不仅可以同时拉制多根硅芯，而且不会引入杂质，生产的硅芯不需要再进行切割加工，直接用于高纯多晶硅原料的生长，成本更低，效率更高。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种全自动硅芯生长设备，包括炉体，所述炉体上设有提拉组件，所述炉体内自上而下依次设置有籽晶夹头组件、坩埚、热场部件，所述籽晶夹头组件包括籽晶托盘、籽晶夹头，所述提拉组件与籽晶托盘相连，提拉组件可驱动籽晶托盘在炉体内升降，籽晶托盘上安装若干籽晶夹头，所述籽晶夹头组件还包括籽晶旋转部件，所述籽晶旋转部件安装在籽晶托盘上，籽晶旋转部件与若干籽晶夹头相连，籽晶旋转部件可驱动若干籽晶夹头转动。

依照本实用新型的一个方面，所述全自动硅芯生长设备还包括CCD影像系统，所述CCD影像系统安装在炉体上。

依照本实用新型的一个方面，所述全自动硅芯生长设备还包括自动控制单元，所述自动控制单元分别与提拉组件、籽晶旋转部件、CCD影像系统相连。

依照本实用新型的一个方面，所述全自动硅芯生长设备还包括电控柜、图像处理装置，所述自动控制单元、图像处理装置都安装在电控柜上，所述图像处理装置分别与CCD影像系统、自动控制单元相连。

依照本实用新型的一个方面，所述全自动硅芯生长设备还包括坩埚升降部件，所述坩埚升降部件连接在坩埚一端，所述热场部件设于坩埚外围。

依照本实用新型的一个方面，所述炉体内设有水冷保护套，所述水冷保护套配合安装在籽晶旋转部件上。

依照本实用新型的一个方面，所述炉体上设有绕线结构，所述绕线结构与籽晶旋转部件配合连接。

依照本实用新型的一个方面，所述炉体上设有观察窗口。

依照本实用新型的一个方面，所述炉体上还设有观察转动机构，所述观察转动机构与观察窗口相连，观察转动机构可驱动观察窗口转动。

依照本实用新型的一个方面，所述全自动硅芯生长设备还包括籽晶保护装置，所述籽晶保护装置设于炉体内，籽晶保护装置安装在籽晶夹头外围。

本实用新型实施的优点：通过籽晶旋转部件驱动若干籽晶夹头转动，即驱动若干根硅芯籽晶转动，从而满足硅芯生长的梯度要求，如此本设备能够实现一次多根硅芯的生长，本设备不仅可以同时拉制多根硅芯，而且不会引入杂质，生产的硅芯不需要再进行切割加工，直接用于高纯多晶硅原料的生长，成本更低，效率更高；同时通过设置CCD影像系统以及自动控制单元，本设备能够实现自动引晶，能够克服现有工艺中基本通过人工引晶、晶体的品质完全依靠引晶工艺人员的经验的问题，能够增加硅芯的成品率，提高硅芯品质。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图中序号所对应的名称如下：

1、坩埚升降部件；2、热场部件；3、炉体；4、坩埚；5、硅芯籽晶；6、水冷保护套；7、上炉体；8、绕线结构；9、提拉组件；10、CCD影像系统；11、图像处理装置；12、自动控制单元；13、电控柜；14、籽晶夹头组件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种全自动硅芯生长设备，包括炉体3，所述炉体3上设有提拉组件9用于提拉硅芯籽晶5，所述炉体3内自上而下依次设置有籽晶夹头组件14、坩埚4、热场部件2，所述籽晶夹头组件14包括籽晶托盘、籽晶夹头，所述提拉组件9与籽晶托盘相连，提拉组件9可驱动籽晶托盘在炉体3内升降，提拉组件9可采用或者设计成任意一种可驱动籽晶托盘升降的结构，如类似牵引绳升降结构等等；籽晶托盘上转动安装若干籽晶夹头，二者可发生相对转动；所述坩埚4用于盛装溶体即多晶硅料，所述热场部件2用于加热坩埚4内的原料形成熔体或者说溶液以及防止炉体3内外热量互相影响等等，所述籽晶夹头用于夹持硅芯籽晶5。所述籽晶夹头组件14还包括籽晶旋转部件，所述籽晶旋转部件安装在籽晶托盘上，籽晶旋转部件与若干籽晶夹头相连，籽晶旋转部件可驱动若干籽晶夹头转动，即驱动若干根硅芯籽晶5转动，从而满足硅芯生长的梯度要求，如此本设备能够实现一次多根硅芯的生长，本设备不仅可以同时拉制多根硅芯，而且不会引入杂质，生产的硅芯不需要再进行切割加工，直接用于高纯多晶硅原料的生长，成本更低，效率更高。

所述炉体3、提拉组件9、籽晶夹头组件14(即籽晶托盘、籽晶夹头)、坩埚4、热场部件2、硅芯籽晶5都为现有技术，不再赘述。

所述籽晶旋转部件驱动若干籽晶夹头转动，具体而言，籽晶旋转部件可包括一伺服电机，伺服电机安装在籽晶托盘上，再设一主动齿轮和若干从动齿轮彼此啮合，主动齿轮连接在伺服电机输出端，从动齿轮与籽晶夹头一端固定，如此当伺服电机转动时，驱动主动齿轮转动，由于齿轮配合传动，故主动齿轮再驱动若干从动齿轮转动，再带动若干籽晶夹头在籽晶托盘上进行转动，即实现若干硅芯籽晶5的自转，从而满足硅芯生长的梯度要求。由于该伺服电机在炉体3内部，可采用特殊的耐高温真空电机，而电机最高的温度在200℃左右，所以为了保护电机，可增加特殊的水冷套装置，可在炉体3内设水冷保护套6，所述水冷保护套6配合安装在伺服电机外围用于降温和保护电机。由于伺服电机装在籽晶托盘上，随硅芯的上升而上升，因此伺服电机的动力线(导线)也会上升，为了使电机的动力线不与连接籽晶托盘的提拉组件9内的牵引绳或线类的结构发生干涉，可配置一伺服电机东西的绕线结构8，可在炉体3上设绕线结构8，所述绕线结构8便于伺服电机的动力线进行布置安装。

目前区熔法硅芯生长过程中，基本上都是通过人工引晶，完全依靠引晶工艺人员的经验，完成引晶过程，引晶工艺人员的水平决定了晶体的品质，为了克服这一问题，为了实现自动引晶，本设备引入CCD影像系统10以及自动控制单元12，即全自动硅芯生长设备还包括CCD影像系统10、自动控制单元12，所述CCD影像系统10安装在炉体3上，所述自动控制单元12分别与提拉组件9、籽晶旋转部件、CCD影像系统10相连。通过CCD影像系统10，不仅可用于测取坩埚4内溶液中心的表面温度，再根据通过引晶时工艺需求的温度来调整功率大小，从而改变炉内溶液的温度，在最短时间内，把溶液温度控制在最佳的引晶温度；同时还可以用于采集硅芯籽晶5接触溶液液面时，晶结生长的状态图像，可以更加直观的观看液流的流动状态，降低引晶对人的需求，既节约引晶时间，减少能耗，又降低对工艺人员的需求；还可以实现自动对多根硅芯晶棒直径进行实时在线校准，从而精确控制多根硅芯直径，有效降低成本，增加硅芯的成品率。

在实际应用中，全自动硅芯生长设备还包括电控柜13、图像处理装置11，所述自动控制单元12、图像处理装置11都安装在电控柜13上，所述图像处理装置11分别与CCD影像系统10、自动控制单元12相连，所述电控柜13可安装在地面上、设于炉体3一侧。通过自动控制单元12对相应的部件进行控制操作，通过图像处理装置11对CCD影像系统10传输过来的晶结生长的状态图像进行识别处理。所述电控柜13内还可安装其余相应的电气部件等等。

在实际应用中，全自动硅芯生长设备还包括坩埚升降部件1，所述坩埚升降部件1连接在坩埚4底部一端用于驱动坩埚4升降，所述热场部件2设于坩埚4外围。坩埚升降部件1可选用或设计成任意一种可驱动升降类的结构，此为现有常规技术，不再赘述。

在实际应用中，炉体3上可设有观察窗口，便于观察炉体3内部情况；炉体3上还可设有观察转动机构，所述观察转动机构与观察窗口相连，观察转动机构可驱动观察窗口转动，便于提供不同的观察角度，便于进行观察。观察窗口、观察转动机构都不限定具体结构，可依据实际情况而定。

在实际应用中，全自动硅芯生长设备还可包括籽晶保护装置，所述籽晶保护装置设于炉体3内，籽晶保护装置安装在籽晶夹头外围，可用于保护硅芯籽晶5。

在实际应用中，提拉组件9可通过软轴如牵引绳提拉籽晶托盘，也采用硬轴进行提拉，可将硬轴设成空心，包含中心孔，在硬轴中心孔内可通入氩气等惰性气体，对籽晶托盘起到冷却作用。

在实际应用中，炉体3可分为上炉体7和下炉体，二者可拆卸连接，上述的提拉组件9、绕线结构8都可安装在上炉体7上，上述的其余相应部件位于下炉体处。炉体3可直接安装在地面上，也可安装在一底座或者说机架上，底座不限定具体结构，可为钢结构。

自动引晶具体实施方式如下：

首先将多晶硅料装入坩埚4，并将经过硅芯籽晶5装到籽晶夹头上；

合上上炉体7，进行抽真空检漏；

加热原料，下降硅芯籽晶5，

通过CCD影像系统10等部件，采集并分析相关数据，判断是否达到最佳引晶温度；

测取的温度与最近引晶温度有差异时，自动控制单元12通过功率的升降来调整温度，保证温度在最佳引晶温度范围；

将干净的多根籽晶同时埋入熔体10-30mm，开始自动引晶。

控制提拉组件9的提拉速度或者说硅芯籽晶5的提拉速度，通过观察窗口观察籽晶晶结的生长状态；

控制多根籽晶同时进行旋转，进行引晶操作；

逐步降低功率，实现多根硅芯的放肩，等直径生长，收尾，冷却过程；

通过CCD影像系统10，从2个方向上自动测取2组硅芯直径，然后取其平均值，自动在线判断硅芯直径是否在控制范围之内，然后改变籽晶拉速，长出合格的硅芯；

自然冷却后，开炉取出硅芯。

本实用新型实施的优点：

1、本设备适用于采用提拉法制备硅芯的硅芯炉，可以同时拉制30-60根直径8-20毫米的硅芯，提高了生产效率；

2、拉制的硅芯直径可以直接满足多晶硅原料生产，不需要再进行切割，不会引入杂质和应力，提高了高纯多晶硅产品的质量；

3、通过引入CCD影像系统10，同时监测多根硅芯，实现自动化多根硅芯生长，可以有效减少对工艺人员的依赖，降低人为失误对晶体质量的影响，提高效率，降低用人成本。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种全自动硅芯生长设备，包括炉体(3)，所述炉体(3)上设有提拉组件(9)，所述炉体(3)内自上而下依次设置有籽晶夹头组件(14)、坩埚(4)、热场部件(2)，所述籽晶夹头组件(14)包括籽晶托盘、籽晶夹头，所述提拉组件(9)与籽晶托盘相连，提拉组件(9)可驱动籽晶托盘在炉体(3)内升降，籽晶托盘上安装若干籽晶夹头，其特征在于，所述籽晶夹头组件(14)还包括籽晶旋转部件，所述籽晶旋转部件安装在籽晶托盘上，籽晶旋转部件与若干籽晶夹头相连，籽晶旋转部件可驱动若干籽晶夹头转动。

2.根据权利要求1所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述全自动硅芯生长设备还包括CCD影像系统(10)，所述CCD影像系统(10)安装在炉体(3)上。

3.根据权利要求2所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述全自动硅芯生长设备还包括自动控制单元(12)，所述自动控制单元(12)分别与提拉组件(9)、籽晶旋转部件、CCD影像系统(10)相连。

4.根据权利要求3所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述全自动硅芯生长设备还包括电控柜(13)、图像处理装置(11)，所述自动控制单元(12)、图像处理装置(11)都安装在电控柜(13)上，所述图像处理装置(11)分别与CCD影像系统(10)、自动控制单元(12)相连。

5.根据权利要求1所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述全自动硅芯生长设备还包括坩埚升降部件(1)，所述坩埚升降部件(1)连接在坩埚(4)一端，所述热场部件(2)设于坩埚(4)外围。

6.根据权利要求1所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述炉体(3)内设有水冷保护套(6)，所述水冷保护套(6)配合安装在籽晶旋转部件上。

7.根据权利要求6所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述炉体(3)上设有绕线结构(8)，所述绕线结构(8)与籽晶旋转部件配合连接。

8.根据权利要求1所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述炉体(3)上设有观察窗口。

9.根据权利要求8所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述炉体(3)上还设有观察转动机构，所述观察转动机构与观察窗口相连，观察转动机构可驱动观察窗口转动。

10.根据权利要求1所述的一种全自动硅芯生长设备，其特征在于，所述全自动硅芯生长设备还包括籽晶保护装置，所述籽晶保护装置设于炉体(3)内，籽晶保护装置安装在籽晶夹头外围。