一种多晶硅用结晶器

技术领域

本发明涉及多晶硅精炼技术领域，尤其是涉及一种多晶硅用结晶器。

背景技术

高纯多晶硅材料是以工业硅为原料，经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料，它是制造硅抛光片、太阳能电池及半导体的核心原料，是信息产业和新能源产业最基础的原材料。光伏所用的太阳能级多晶硅，纯度一般在6N-9N之间，用于半导体生产的电子级多晶硅，纯度要求则要达到11N，工艺难度远超太阳能级。因此，在多晶硅铸锭生产的过程中，要避免杂质进入到铸锭中。

公告号CN101445957B的中国发明专利公开了一种多晶硅提纯用真空电子束熔炼炉，并公开了以下技术特征：包括熔炼室、电子枪、电子束控制系统、抽真空系统、电控系统、送料机构、出料机构、拉锭机构和自动控制系统，熔炼室为方形或圆柱形，室壁为双层水冷结构或盘管水冷结构，熔炼室内设有铜制或石墨水冷坩埚和结晶坩埚；随着送入的原料增加，提纯后的熔融硅液面将达到溢出口并缓慢流淌到结晶坩埚中；液态硅流走的同时又不断的送入原料，保持送入的原料和流走的液态硅基本相等，直到熔炼完毕；液态硅流入结晶坩埚后，由其它电子枪产生的电子束继续扫描加热，维持其表面处于熔融状态而得到进一步提纯；结晶坩埚底部的旋转底锭在旋转的同时向下方运动，使得液态硅下部在水冷结晶器的冷却下定向凝固而形成圆柱形硅锭；该发明中水冷结晶器直接与熔融状态的多晶硅相接触，由于水冷套采用导热系数高的铜等材料，在多晶硅与水冷套接触的过程中，杂质如铜原子等不可避免的会进入到多晶硅内，导致铸锭中含有杂质，降低铸锭的纯度，不适合高纯度多晶硅的制备。

发明内容

在有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多晶硅用结晶器，在多晶硅熔炼的过程中，铸锭和水冷套不接触，保证铸锭纯度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电子束熔炼高纯多晶硅用结晶器，包括：

熔炼区，设有陶瓷材质的熔炼池，所述熔炼池为上下贯通的环形结构；

急冷区，设有套接在熔炼池底部外周面的水冷套一；

缓冷区，设有位于急冷区下方的水冷套二，所述水冷套一和水冷套二的轴线重合；

拉锭组件，所述拉锭组件包括拉锭装置和设置在拉锭装置上的引锭板，所述拉锭装置用于驱动引锭板上下移动，所述引锭板外周面与熔炼池内周面密封接触，所述引锭板外周面与水冷套二内侧壁之间存在空隙，所述拉锭装置包括底托和设在底托下方的升降机构，所述引锭板可拆卸连接在底托上，所述引锭板底面四周设置多个弧形板，所述弧形板内凹面与底托的外周面相贴合，所述底托外周面上固定有挡板，所述挡板与底托之间设有供弧形板一端沿底托的周向插入的凹槽，所述底托与引锭板之间设置使底托、引锭板同轴布置的校正机构，所述校正机构包括圆周阵列排布在底托内的四组支杆和设置在引锭板上并与支杆一一对应的定位槽，所述底托内设置四个与各组支杆一一对应的空腔，所述支杆转动设置在空腔内，支杆转动轴线的延伸方向同时垂直于底托的轴向和径向，支杆的端部可向上旋转出空腔并进入定位槽内，支杆的端部用于沿底托的径向顶压在定位槽的内壁上以实现底托与引锭板的轴线重合，所述空腔内转动连接有旋转架，所述支杆设置在旋转架中背离旋转轴线的一端上，底托上设有驱动旋转架转动的驱动组件，所述驱动组件包括旋转板、水平导向安装在空腔内的推板、上下导向安装在空腔内的横板、固设在横板上且上下延伸的齿条、固设在旋转架上与齿条咬合的齿轮，所述旋转板中远离旋转轴线的一端用于向下转动并向下顶推横板，从而通过横板、齿条和齿轮驱动支杆向上转动，旋转板的底部设有竖板，推板包括相互垂直的横向板和纵向板，横向板沿底托的径向延伸，纵向板上下延伸并与所述竖板顶压配合，横向板的一端穿出所述底托且延伸至所述凹槽内，所述横向板的一端迎向弧形板进入凹槽的一侧设有斜面，所述弧形板进入凹槽时顶推斜面以驱动推板移动并使纵向板顶推竖板，从而驱动旋转板转动。

进一步的，所述旋转板两侧设置圆轴，所述圆轴转动连接在所述底托内，所述圆轴与底托之间设有扭簧，以驱动旋转板中远离旋转轴线的一端向上转动。

进一步的，所述横板上垂直设有多个竖杆，所述底托上开设供所述竖杆垂直上下滑动的滑孔，所述横板与空腔底面之间设有压缩弹簧。

进一步的，所述挡板上通过连接板固接安装板，所述安装板、挡板、弧形板上开设相对应的供销轴插入的通孔一，所述销轴上开设两个销孔，其中一个销孔内插接销钉，所述连接板上设有供销钉下端插入的通孔二。

进一步的，所述水冷套一为铜材质，所述水冷套二为不锈钢材质，所述引锭板为陶瓷材质。

本发明的有益效果是：

1、急冷区在熔炼池外，缓冷区与铸锭之间存在一定的空隙，铸锭在冷却的过程中无需与水冷套接触，保证多晶硅纯度；

2、本发明采用两级冷却的方式，大幅节约能耗，较现有工艺路线，每熔炼1千克炉料，用电减少10度以上；

3、现有技术中多晶硅用陶瓷熔炼池底部封闭，铸锭冷却完成后需要破碎陶瓷熔炼池取出铸锭，陶瓷熔炼池不能重复使用，本发明中熔炼池为无底壳状结构，引锭板位于熔炼池内可将熔炼池底部封闭，位于熔炼区下方的急冷区对熔融状态的多晶硅进行冷却，将熔融多晶硅的外周迅速冷却成固态；之后引锭板继续下移，将初步冷却的铸锭移到缓冷区内进行冷却，冷却完成后继续下移引锭板即可将铸锭取出，无需破碎熔炼池，铸锭取出方便，降低成本；

4、将引锭板放置在底托上，弧形板位于相邻两个挡板之间即可，弧形板进入挡板与底托之间形成的凹槽之后无法再继续旋转，完成引锭板的定位，定位简单；

5、空腔顶部由旋转板封闭，只有引锭板位于底托上且弧形板进入到挡板内才能将旋转板打开，防止空腔内进入灰尘，便于维护保养；

6、为了安装方便，弧形板与底托之间必然存在一定的空隙，引锭板的轴线和底托的轴线有可能不重合，会出现升降机构和底托定位准确但是引锭板无法进入到熔炼池内的情况，因此需要对引锭板进行校准；本发明采用了支杆和定位槽相配合的方式，支杆从下往上旋转进入定位槽，对引锭板进行定位，保证引锭板的轴线和底托的轴线重合；

7、旋转引锭板，将弧形板一端旋转到挡板内，将销钉插入远离挡板的销孔和通孔二内，引锭板无法再上下移动；拔出销钉，将销钉插入靠近挡板的销孔和通孔二内时，销轴尾端不再位于弧形板内，此时引锭板可上下移动；只需移动销钉和销轴的位置即可完成对引锭板的固定，操作简单方便。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的结构示意图；

图2为底托和引锭板的连接结构示意图；

图3为本发明第三种实施例的结构示意图；

图4为图3空腔内部的结构示意图；

图5为定位槽的设置示意图；

图6为弧形板一端进入凹槽内时的示意图；

图7为图6空腔内部的结构示意图；

图8为驱动组件的拆分示意图；

图9为挡板、连接板、安装板和销钉的结构示意图；

其中，1-熔炼池，2-水冷套一，3-水冷套二，4-引锭板，5-底托，6-弧形板，7-螺栓，8-旋转架，9-支杆，10-定位槽，11-旋转板，12-推板，13-横板，14-齿条，15-齿轮，16-竖板，17-扭簧，18-挡板，19-竖杆，20-压缩弹簧，21-限位壳，22-连接板，23-安装板，24-销轴，25-销钉，26-凹槽，27-横向板，28-纵向板，29-滑槽，30-圆轴，31-斜面，32-升降机构，33-拉锭装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-图2为本发明的第一种实施例，一种多晶硅用结晶器，如图1所示，包括：

熔炼区，设有陶瓷材质的熔炼池1，熔炼池1为上下贯通的环形结构，

急冷区，设有套接在熔炼池1底部外周面的水冷套一2，水冷套一2为铜材质，设有进水口一和出水口一；水冷套一2和熔炼池1的接触面进行研磨加工，保证贴合度和热传导效率；

缓冷区，设有位于急冷区下方的水冷套二3，水冷套二3采用不锈钢材质，设有进水口二和出水口二，水冷套一2和水冷套二3的轴线重合；

拉锭组件，拉锭组件包括拉锭装置33和设置在拉锭装置33上的引锭板4，引锭板4采用陶瓷材质，拉锭装置33包括底托5和设置在底托5下方的升降机构32，引锭板4可拆卸连接在底托5上；拉锭装置33用于驱动引锭板4上下移动，升降机构32可采用剪叉式升降机等机械设备，升降机构32伸长缩短，带动底托5和引锭板4上下移动；引锭板4外周面与熔炼池1内周面进行研磨加工，引锭板4位于熔炼池1内时，引锭板4外周面与熔炼池1内周面密封接触，防止漏液；引锭板4外周面与水冷套二3内侧壁之间存在空隙。

升降机构32将引锭板4升高，引锭板4位于熔炼池1内，将原料加入到熔炼池1中熔炼到熔融状态，向水冷套一2内通入冷却水，迅速将急冷区内的熔融状态的多晶硅进行冷却，多晶硅外周迅速冷却成固态，之后升降机构32驱动引锭板4下移，此时熔炼池1顶部产生空间，可继续向熔炼池1内加料熔炼；由于外周的多晶硅为固态，因此位于内部的熔融状态的多晶硅不会漏出，将此状态下的多晶硅下移到缓冷区进行冷却，直至形成内外均为固态的铸锭。继续下移引锭板4，铸锭从缓冷区中移出。本发明采用两级冷却的方式，大幅度降低能耗，铸锭取出时无需破碎熔炼池1，且整个过程中，铸锭冷却的过程中无需与水冷套接触，防止杂质渗入铸锭，保证铸锭纯度。

由于多晶硅的易碎性，铸锭从水冷套二3中移出之后，需要将引锭板4连同铸锭同时从底托5上移出，因此底托5和引锭板4之间的连接方式为可拆卸连接。底托5和引锭板4的连接方式如图2所示，引锭板4底面四周呈圆周状均匀设置四个弧形板6，弧形板6的内凹面与底托5的外周面相贴合，弧形板6上连接螺栓7，底托5上开设供螺栓7拧入的螺孔，将螺栓7拧入螺孔内，即可完成底托5和引锭板4的连接。

实施例二

如图3-图9所示为本发明的第二种实施方式，本实施例与实施例一的区别在于，如图3和图6所述，底托5外周面上固定有截面为L形的挡板18，挡板18与底托5之间设有供弧形板6一端沿底托5的周向插入的凹槽26。弧形板6旋转进入凹槽26，由于挡板18的阻挡作用，引锭板4位置确定。

底托5与引锭板4之间设使底托5和引锭板4同轴布置的校正机构，如图4和图5所示，校正机构包括圆周阵列排布在底托5内的四组支杆9和设置在引锭板4上与支杆9一一对应的定位槽10。底托5内设置四个与各组支杆9一一对应的空腔，支杆9转动设置在空腔内，设置方式为：空腔内转动连接旋转架8，旋转架8包括平行设置的两个T型杆和连接在两个T型杆之间的连接杆，T型杆横杆一端转动连接在空腔内，支杆9设置在旋转架8中背离旋转轴线的一端上，此时支杆9转动轴线的延伸方向同时垂直于底托5的轴向和径向，旋转架8向上旋转，带动支杆9向上转动，支杆9的端部可向上旋转出空腔并进入到定位槽10内，所有支杆9端部均沿底托5的径向顶压在定位槽10的内壁上，可实现底托5和引锭板4的轴线重合。为了使支杆9能够进入并顶压在定位槽10内壁上，定位槽10为沿底托5径向延伸的长条状槽，定位槽10的长度大于支杆9的直径。

底托5上设有驱动旋转架8旋转的驱动组件，如图7和图8所示，驱动组件包括旋转板11、水平导向安装在空腔内的推板12、上下导向安装在空腔内的横板13、固设在横板13上且上下延伸的齿条14、固设在旋转架8上与齿条14咬合的齿轮15。

旋转板11的设置方式为：旋转板11一端两侧固设圆轴30，空腔两侧开设与圆轴30相匹配的盲孔，圆轴30上套接扭簧17，扭簧17一端固设在圆轴30上，另一端固设在盲孔内，旋转板11向下旋转，扭簧17使旋转板11远离轴线的一端产生反向旋转的弹性势能。

横板13上下导向安装在空腔内，具体安装方式为：横板13底面上垂直安装多个竖杆19，底托5上开设供竖杆19垂直上下滑动的滑孔，横板13与空腔底面之间垂直安装多个压缩弹簧20；旋转板11中远离旋转轴线的一端向下旋转到一定角度时与横板13相接触，旋转板11继续向下旋转，旋转板11的侧棱推动横板13垂直下移，压缩弹簧20被压缩；旋转板11向上旋转，横板13在压缩弹簧20的作用下上移。齿条14垂直固设在横板13上，齿轮15固设在旋转架8中T型杆横杆的另一端，齿条14咬合齿轮15。横板13被旋转板11推动下移，齿条14下移，驱动齿轮15旋转，带动旋转架8向上旋转，从而驱动支杆9向上转动。

为了保证齿条14始终垂直于横板13，防止齿条14与横板13的连接处频繁振动而发生断裂，齿条14下方不咬合齿轮15的部分不设置齿，空腔侧壁上固接限位壳21，限位壳21和空腔侧壁之间组成通孔，齿条14不设置齿部分的周面与通孔内壁紧密贴合。

旋转板11底面上垂直固接竖板16，推板12水平导向安装在空腔内，具体设置方式为：推板12为L型结构，包括相互垂直的横向板27和纵向板28，横向板27沿底托5的径向延伸，空腔底面上开设与横向板27相匹配的滑槽29，推板12可沿滑槽29滑动；纵向板28上下延伸且与竖板16顶压配合。空腔侧面开设有孔，横向板27一段端部穿出该孔并延伸进入到凹槽26内，横向板27的该端迎向弧形板6进入凹槽26的一侧设有斜面31，弧形板6进入凹槽26时先与斜面31相接触，弧形板6继续向凹槽26内移动，顶推斜面31以推动推板12向空腔内移动，纵向板28推动竖板16移动，竖板16带动旋转板11向下旋转；弧形板6从凹槽26内移出，由于扭簧17弹性势能的作用，旋转板11向上旋转，竖板16推动横向板27端部移出空腔；弧形板6进出凹槽26，可驱动推板12往复滑动，旋转板11随着推板12的往复滑动同步上下旋转。

将引锭板4放置在底托5上方，弧形板6内凹面与底托5外周面相贴合，弧形板6位于挡板18之间，此时旋转板11将空腔封闭，如图3和图4所示；旋转引锭板4，使弧形板6进入凹槽26内，如图6和图7所示，弧形板6驱动推板12向空腔内滑动，纵向板28带动竖板16旋转进而带动旋转板11向下旋转，旋转板11驱动横板13下移，带动齿条14下移，齿条14带动齿轮15旋转，齿轮15带动旋转架8向上旋转，支杆9上移逐渐进入到定位槽10内，最后所有的支杆9均沿底托5的径向顶压在定位槽10的内壁，完成对引锭板4的校准，此时引锭板4无法在水平方向移动，引锭板4和底托5的轴线重合。

如图9所示，挡板18上通过连接板22固接安装板23，安装板23和连接板22垂直，安装板23和挡板18平行，安装板23、挡板18、弧形板6上分别开设相对应的供销轴24插入的通孔一，销轴24上开设两个销孔，其中一个销孔内插接销钉25，连接板22上开设供销钉25下端插入的通孔二。弧形板6进入凹槽26内，由于挡板18的阻挡，弧形板6完成定位，此时三个通孔一相互对应；销钉25位于远离挡板18的销孔和通孔二内时，销轴24尾端位于弧形板6内，在销钉25的阻挡下，引锭板4无法上下移动；销钉25位于靠近挡板18的销孔和通孔二内时，销轴24尾端不再位于弧形板6内，此时引锭板4可上下移动。

空腔内顶面设有凸沿，旋转板11中部高度高于四周，旋转板11四周顶面和凸沿底面相接触，旋转板11中部顶面与底托5顶面平齐，旋转板11与底托5之间的L型接缝能够有效防止灰尘进入到空腔内。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。