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        晶體硅生長(zhǎng)設(shè)備外圍設(shè)施的研究

        2013-11-07 07:46:34武建剛
        河南科技 2013年18期
        關(guān)鍵詞:爐體鑄錠多晶硅

        武建剛

        (河北晶龍陽(yáng)光設(shè)備有限公司,河北 邢臺(tái) 055550)

        晶體硅生長(zhǎng)設(shè)備主要有單晶爐和多晶硅鑄錠爐兩種,其中單晶爐研發(fā)較早,1961 年, 在中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體物理所林蘭英院士的親自指導(dǎo)下,北京機(jī)械學(xué)院工廠(西安理工大學(xué)工廠的前身)的技術(shù)人員與半導(dǎo)體物理所的技術(shù)人員共同研制出了我國(guó)第一臺(tái)人工晶體生長(zhǎng)設(shè)備—TDK-36 型單晶爐, 隨后國(guó)內(nèi)相繼研發(fā)了可拉直3 英寸—12 英寸的單晶爐,國(guó)內(nèi)設(shè)備技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。 多晶硅鑄錠爐技術(shù)一直由美國(guó)與歐洲壟斷,我們多與引進(jìn)為主,無(wú)法掌握設(shè)備的核心技術(shù),為了擺脫這種依賴(lài)我們?cè)O(shè)計(jì)、研究了晶體生長(zhǎng)設(shè)備外圍試驗(yàn)基地,為研究多晶鑄錠爐做好基礎(chǔ)。

        1 外圍設(shè)施概述

        晶體硅生長(zhǎng)設(shè)備外圍設(shè)施是為多晶硅鑄錠爐進(jìn)行工藝研發(fā)與試驗(yàn)提供必備的條件, 鑄錠爐正常工作是在1430℃--1550℃的高溫下向爐內(nèi)通入惰性氣體氬氣進(jìn)行保護(hù)保證硅料的正常融化、凝固、退火的過(guò)程,此過(guò)程為負(fù)壓狀態(tài),需要我們提供充足的冷卻水與氬氣供應(yīng)才能保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。 我們按單臺(tái)多晶硅鑄錠爐進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包括冷卻水路系統(tǒng),電力系統(tǒng),氬氣供應(yīng)系統(tǒng)。

        1.1 冷卻水路系統(tǒng)

        系統(tǒng)配備純水制備設(shè)備、冷卻塔、板換、管道泵、若干管道組成穩(wěn)定的供水系統(tǒng), 保證水壓0.3-0.45MPa; 入水溫度要求24±1℃, 溫升平均6℃; 水質(zhì)符合GB/T11446.1-1997EW-Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。

        本水冷系統(tǒng)共分為四路循環(huán) (詳見(jiàn)圖1), 第一路冷卻爐體,爐體水箱通過(guò)兩臺(tái)循環(huán)水泵(一臺(tái)備用),進(jìn)入板換1,流量計(jì)進(jìn)入爐體,爐體循環(huán)后重新回到爐體水箱;第二路冷卻爐體循環(huán)水,冷卻水箱通過(guò)循環(huán)水泵進(jìn)入水冷機(jī)組后進(jìn)入板換1,重新回到冷卻水箱;第三路冷卻水冷機(jī)組,冷卻水箱通過(guò)循環(huán)水泵進(jìn)入水冷機(jī)組,通過(guò)板換2 重新回到冷卻水箱;第四路冷卻板換2,直接與冷卻塔相連接。 水冷機(jī)組采用額定76KW 機(jī)組,其中還配備了應(yīng)急發(fā)電設(shè)備與蓄水池,確保出現(xiàn)斷電等意外情況后,保證爐體的正常冷卻,確保了試驗(yàn)的安全性。

        圖1 冷卻水原理圖

        1.2 電力系統(tǒng)

        多晶硅鑄錠爐設(shè)備指標(biāo): 最大加熱功率200KVA, 電壓25V,電流4600A。

        供電方案:電能為工藝用電,需要持續(xù)供電,不得中斷。 設(shè)置單獨(dú)供電電源控制,便于單控(因研發(fā)活動(dòng)不可預(yù)測(cè)),并要求電源持續(xù)供電性強(qiáng),單獨(dú)安裝電表一塊,用于實(shí)際計(jì)量單爐耗電量。

        1.3 氬氣供應(yīng)系統(tǒng)

        氬氣要求:純度:≥99.999%,壓力:0.2MPa±0.03;氬氣用量:55-60m3/爐;氬氣流量:≤50LPM。

        氬氣的儲(chǔ)存主要是液體形式,通過(guò)增壓器增壓,進(jìn)入汽化器將液氬轉(zhuǎn)換為氣態(tài)氬氣保證爐內(nèi)環(huán)境正常供應(yīng)。 其中氬氣液態(tài):氣態(tài)=1:600 計(jì)算,3m3的氬氣罐配套增壓器、汽化器,可持續(xù)使用30-32 爐/罐。 詳細(xì)見(jiàn)圖2。

        圖2 氬氣系統(tǒng)流程

        2 冷卻水路系統(tǒng)的計(jì)算

        多晶鑄錠爐的整個(gè)過(guò)程與功率時(shí)間我們參考圖3GT 多晶爐散熱功率為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,其中水冷卻方式主要有自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流兩種方式。

        冷卻水箱換熱能力計(jì)算:

        設(shè)計(jì)冷卻水箱尺寸為(長(zhǎng)×寬×高):2×1.5×1m,故散熱面積A=1.5×1×2+2×1×2+1.5×2=10m3。 根據(jù)我們車(chē)間具體情況,冬天與夏天的室溫相差比較大,我們分別取為12℃和32℃。 根據(jù)牛頓冷卻公式:φ=hA·ΔT 來(lái)計(jì)算換熱量,其中φ 表示換熱量,h 表示傳熱系數(shù),A 表示換熱面積,ΔT 表示溫差。

        圖3 鑄錠爐散熱功率

        2.1 冬天(按室溫12℃計(jì)算)換熱能力計(jì)算

        (1)空氣自然對(duì)流

        φ=h·A·Δt =(5~12)·10·(47-12)

        =(5~12)·10·35=1750~4200W

        (2)空氣強(qiáng)制對(duì)流

        φ=h·A·Δt=(12~100)·10·(47-12)

        =(12~100)·10·35=4200~35000W

        2.2 夏天(按室溫32℃計(jì)算)換熱能力計(jì)算

        (1)空氣自然對(duì)流

        φ=h·A·Δt=(5~12)·10·(47-32)

        =(5~12)·10·15=750~1800W

        (2)空氣強(qiáng)制對(duì)流

        φ=h·A·Δt=(12~100)·10·(47-32)

        =(12~100)·10·15=1800~15000W

        2.3 外置冷卻塔容量計(jì)算

        φ=c·m·ΔT/t

        m=M·t

        其中φ 為換熱量,m 為水的質(zhì)量,M 為冷卻塔水流量,ΔT為冷卻塔換熱溫降,按保守值2℃計(jì)算。

        所以M=φ/(c·ΔT)=60/(4.2·2)=7.14m3/h

        以上計(jì)算過(guò)程中, 溫度是由冷卻機(jī)組有進(jìn)出水溫來(lái)設(shè)定的,從水冷機(jī)組來(lái)看,其水溫有一個(gè)運(yùn)行界限,冷卻水進(jìn)水溫度最高為41℃,則冷卻水最高出水溫度為47℃。 按夏天的環(huán)境溫度為32℃來(lái)看, 其無(wú)論是空氣自然對(duì)流還是空氣強(qiáng)制對(duì)流,其最大散熱能力為15000W=15KW, 遠(yuǎn)小于我們一臺(tái)鑄錠爐實(shí)驗(yàn)所需要的平均散熱功率40KW(根據(jù)鑄錠數(shù)據(jù)計(jì)算,而后估計(jì)得到),在結(jié)晶時(shí)接近60KW 的要求,即便是冬季在強(qiáng)制對(duì)流的情況下,其散熱能力也小于40KW,故需安裝外置冷卻塔,由前面計(jì)算知冷卻塔理論流量應(yīng)在7.14m3/h 以上,考慮到散熱效率與實(shí)際工況,選擇流量為20m3/h 或以上規(guī)格的,可以滿足多晶硅鑄錠爐正常生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        由以上設(shè)計(jì)與計(jì)算可知,冷卻水路系統(tǒng)、氬氣供應(yīng)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)都需要嚴(yán)格按要求記錄并控制,該晶體硅生長(zhǎng)設(shè)備外圍設(shè)施已經(jīng)在我所研發(fā)的多晶鑄錠爐工藝試驗(yàn)中成功使用。

        [1] 劉秋娣. 太陽(yáng)電池用多晶硅錠材質(zhì)的研究及熱場(chǎng)模擬[D].北京:有色金屬研究總院,2002

        [2]許國(guó)良.工程傳熱學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005

        [3]苗培,張杰,石鶴.冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法總結(jié)與探討[J].暖通空調(diào),2008,38(5):74-78

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