CN105671633A - 一种改变载气流向的引流装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于多晶铸锭设备领域，具体公开了一种改变载气流向的引流装置，包括依次固定连接的进气部、分流部和引流部，进气部内置用于载气流入的进气孔，分流部内置分流腔，引流部由至少一条用于改变载气流向的引流气道构成，所述进气孔和分流腔连通，引流气道的进气口和分流腔连通，出气口沿着周向按同方向的角向分布。本发明引流装置具有通向铸锭炉内的视场，引流装置使载气分散地吹射液态硅表面的不同区域，增加载气和液态硅表面的接触面积，减少载气导致的局域过冷及载气促进的杂质形成；载气驱动液态硅中产生旋转流场，在自然对流流场和旋转流场的共同作用下，促进杂质挥发，减少液态硅中的杂质局域富集，使晶体的径向电阻率分布更均匀。

Description

一种改变载气流向的引流装置

技术领域

本发明涉及一种引流装置，尤其涉及一种用于多晶铸锭炉的用以改变载气流向的引流装置，属于晶体生长设备领域。

背景技术

多晶铸锭炉10主要由红外探测仪16、炉体11、引流装置12、隔热笼13、加热器14、石墨平台15构成，如图1所示。引流装置12包括石墨管123、配接螺母121和导流管122。导流管122的上端部设有和配接螺母121内螺纹相配合的外螺纹，导流管122的上端部穿过隔热笼的顶保温板中部的通孔，和顶保温板上方的配接螺母121固定，导流管122下端正对坩埚内的硅料。石墨管123装配在配接螺母121和炉顶的观察孔之间。红外探测仪16设置在引流装置12的正上方，红外探测仪16的探头正对着铸锭炉内的硅料17。引流装置12主要用于将载气输送到炉内，观察炉内的状况，插入测晶棒测量晶体的生长速度，以及红外探测仪探测炉内硅料的状态。引流装置12是察看炉内状况特别硅料状况的唯一的观察途径。红外探测仪16用于探测硅料的状态是固态还是液态，在自动长晶工艺过程中，多晶铸锭炉根据红外探测仪16的信号的变化做出化料完成、中部长晶完成等报警处理，以警报操作人员及时通过引流装置12确认硅料的状态及长晶状况，并做出操作处理，进入下一步工序过程。

多晶铸锭炉多采用四侧壁、顶面五面加热的加热方式，如图1所示。坩埚内液态硅的四边侧的温度高于中部的温度，将形成四边侧的液态硅上浮、中部的液态硅下沉的自然对流流场。四边侧温度较高的液态硅中熔解的某些杂质(如碳、氮)的熔解度若达到或接近饱和，当其流到中部时，由于温度降低，杂质熔解度过饱和，将导致杂质如碳、氮等形核析出；杂质核随着液流下沉温度下降并逐步生长形成杂质夹杂物。如图1所示，载气经引流装置12的出口集中垂直地吹向液态硅料17的中心区域，该区域单位面积上接触的载气量大，载气从该区域液态硅中带走的热量多，将造成该区域液态硅温度进一步下降，过冷度增强，从而促进液态硅中的杂质如碳、氮等杂质过饱和形核析出，并促进杂质核生长形成宏观杂质，如碳化硅杂质、氮化硅杂质。碳化硅杂质具有电活性，会影响太阳能电池的转化效率。申请号201310564191.X及201310564069.2的中国专利申请中均公开了一种改变载气流向的引流装置，目的是使坩埚中液态硅旋转加强杂质的挥发。两件专利申请中公开的引流装置均使载气偏离液态硅的中心部并倾斜地吹射液态硅表面，但存在诸多问题：载气仍集中吹射液态硅表面的某一区域，易造成该区域温度下降液态硅过冷，促进液态硅中杂质形核生长；载气在液态硅表面没有形成周向分布的载气应力，液态硅中难以形成旋转流场；引流装置中通向铸锭炉内的视场均被完全遮挡，通过炉顶的观察窗经引流装置无法察看铸锭炉内的状态，不方便司炉操作；测晶棒无法穿过引流装置插到铸锭炉内，晶体生长速度不便测量；以及红外探测仪无法探测炉内硅料的状态，自动长晶工艺不能正常进行。因此，亟需开发一种用于改变载气流向的用于多晶铸锭炉的引流装置，以使载气分散地吹射液态硅表面的不同区域，增加载气流和液态硅表面的接触面积，并在液态硅表面形成周向分布的载气应力，驱动液态硅作周向流动形成旋转流场；同时引流装置中具有通向铸锭炉内的视场。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于多晶铸锭炉的用以改变载气流向的引流装置。以克服现有引流装置在应用中所存在的问题：载气集中吹射液态硅表面的某一区域，载气从该区域带走大量的热量，造成该区域液态硅局域过冷，促进液态硅中杂质形核生长；载气在液态硅表面没有形成周向分布的载气应力，液态硅中难以形成旋转流场；引流装置中通向铸锭炉内的视场被完全遮挡，通过观察窗经引流装置无法察看铸锭炉内的状态，不方便司炉操作；测晶棒不能穿过引流装置插到铸锭炉内，晶体生长速度不便测量；红外探测仪无法探测炉内硅料的状态，自动长晶工艺不能正常进行。

本发明的技术方案是提供一种用于多晶铸锭炉的用以改变载气流向的引流装置，其设计要点在于：包括依次固定连接的进气部、分流部和引流部，所述进气部内置用于载气流入的进气孔，分流部内置分流腔，引流部由至少一条用于改变载气流向的引流气道构成，所述进气孔和分流腔连通，引流气道的进气口和分流腔连通，出气口沿着周向按同方向的角向分布。

在具体实施中，本发明还有如下进一步优选的技术方案。

作为优选地，所述分流部和引流部一体成型，为沿其中心线方向设置通孔的柱状体，所述分流部的侧壁内设置沿周向延伸的呈环状的分流腔；所述引流部的侧壁内设置自分流腔的下端面向下延伸的引流气道，引流气道的出气口位于引流部的下端。。

作为优选地，所述分流部和引流部为沿其中心线方向设置通孔的柱状体，所述分流部包括轴向固定连接的第一分流部和第二分流部，第二分流部和引流部一体成型；所述第一分流部下端部的侧壁内设置沿周向延伸的呈环形的下端面开口的第一分流腔，所述进气孔和第一分流腔连通；所述第二分流部上端部的侧壁内设置沿周向延伸的呈环形的上端面开口的第二分流腔，第二分流腔和第一分流腔相对应，所述第一分流腔和第二分流腔构成所述分流腔；所述引流部的侧壁内设置自第二分流腔下端面向下延伸的引流气道，引流气道的出气口位于引流部的下端。

作为优选地，所述进气孔和分流腔之间通过连通气道连通，所述连通气道的一端和进气孔相切连通，另一端和分流腔的侧面相切连通。

作为优选地，所述进气部为内置进气孔的进气管，引流部包括内置有引流气道的引流气管；所述分流部为主要由内侧壁、外侧壁、上端壁和下端壁所构成的呈环状的密闭腔体，所述内侧壁、外侧壁、上端壁和下端壁构成所述分流腔；进气管的一端和分流腔连通并固定；所述引流气管设置在分流部的下方，引流气管上端的进气口和分流腔连通，并和引流部固定，引流气管下端的出气口沿着周向按同方向的角向分布。

作为优选地，所述进气管和分流部的分流腔间通过连通管连通，所述连通管的一端和进气管相切连通并固定，另一端和分流腔的侧壁相切连通并固定。

作为优选地，所述进气部设置在分流部的内部，进气孔的中心线和分流部的中心线平行；或者，

所述进气部设置在分流部的外部，进气孔的中心线和分流部的中心线平行或垂直。

作为优选地，所述引流气道沿圆柱状螺旋线延伸，引流气道出气口段的螺旋线的螺距逐渐减小，引流气道的出气口位于分流部下端面的正下方；或者，

所述引流气道沿圆柱状螺旋线延伸，引流气道出气口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径逐渐增大，引流气道的出气口位于分流部的外侧壁延伸面的下端或位于分流部外侧壁延伸面的外部。

作为优选地，所述引流气道的数量为2个、3个或4个。

作为优选地，所述进气部、分流部、引流部的材质为石墨、钼、钨或钛。

本发明引流装置的进气部可以设置在分流部的内部，也可以设置在分流部的外部。当进气部设置在分流部的内部时，可以避免在多晶铸锭炉的双层水冷的钢制炉体上、以及隔热笼的保温板上开设输气管贯穿的通孔，也方便输气管的布置连通。进气部对引流装置中通向铸锭炉内的视场产生了遮挡，但被遮挡的面积不足视场面积的四分之一，引流装置中具有通向铸锭炉内的视场。通过引流装置从炉顶的观察窗可以察看铸锭炉内硅料的状态，可以插入测晶棒测量晶体的生长速度；红外探测仪通过炉顶部的观察窗可以探测到炉内硅料的状态，自动长晶工艺顺利进行。引流装置把载气分成多束载气流分别倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，有效地增加了载气和液态硅表面的接触面积，单位面积所接触的载气量较少，载气从单位面积带走的热量较少，载气导致该区域液态硅温度的降幅减小，过冷度减弱，减少甚至消除了该区域液态硅中由载气所导致的杂质过饱和形核以及所促进的杂质核生长形成杂质夹杂物。引流装置流出的出射载气流分散倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，所吹射区域围绕液态硅的中心周向分布，出射载气流对液态硅产生载气应力，载气应力围绕液态硅的中心周向分布，载气应力驱动表层液态硅流动，并形成作周向流动的旋转流场。旋转流场有利于液态硅内部的杂质输运到表面，促进杂质的挥发；旋转流场还有利于液态硅中质杂的输运和均匀分布，使晶体的径向电阻率分布更均匀。

有益效果

引流装置中具有通向铸锭炉内的视场，当把进气部设置在分流部的外部时，引流装置中通向铸锭炉内的视场没有遮挡；把进气部设置在分流部的内部时，其虽对视场有遮挡，但被遮挡的面积不足视场面积的四分之一，引流装置中仍具有通向铸锭炉内的视场；因此，通过引流装置可顺利地察看铸锭炉内的状态，方便司炉操作；通过引流装置插入测晶棒，测量晶体的生长速度；红外探测仪通过引流装置可探测铸锭炉内的硅料的状态，自动长晶工艺可顺利进行。

减少液态硅中载气所导致的局域过冷，引流装置的多个引流气道使载气分成多束载气流，多束载气流分散倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，有效地增加了载气和液态硅表面的接触面积，载气流吹射区域的液态硅的单位面积上接触的载气量减少，载气流从该单位面积上所带走的热量减少，该区域由载气流所导致的局域温度降幅减小，从而减少甚至避免了液态硅中由载气所导致的局域过冷，以及所促进的杂质形核生长。

促进杂质挥发和杂质均匀分布，提高晶体的质量，引流装置的多个引流气道围绕引流装置的中心线均匀分布，载气经引流气道分成多束载气流，载气流分别倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，载气流所吹射区域围绕液态硅表面的中心分布，载气流对液态硅产生驱动层流的载气应力，载气应力驱动着液态硅流动，形成绕其中心流动的旋转流场。旋转流场有利于把液态硅表面漂浮的杂质输运到液态硅边缘，减少漂浮的杂质对晶体良率的影响，提高晶体的成品率；还有利于将液态硅内部的杂质输运到液态硅的表面，加速液态硅中杂质的挥发；液态硅在自然对流流场和旋转流场的共同作用下，有利于液态硅中质杂的输运和均匀分布，避免杂质局域富集，使晶体径向电阻率分布更均匀，晶体的质量得到进一步提高。

附图说明

图1现有技术中多晶铸锭炉的结构示意图。

图2实施方式1的引流装置100的使用状态的示意图。

图3图2中引流装置100的剖视示意图。

图4图3中第一分流部21的剖视示意图。

图5图4的A-A方向剖视示意图。

图6图3中B-B方向剖视示意图。

图7图3的仰视示意图。

图8图3中的分流部3沿图6中OR切面展开后引流气道6分布的示意图。

图9分流部3的另一种结构的剖视示意图。

图10图9中的C-C方向剖视示意图。

图11实施方式2的引流装置100的使用状态的装配关系示意图。

图12图11中引流装置100的剖视示意图。

图13图12中的D-D方向剖视示意图。

图14图12中引流装置100的仰视示意图。

图15图12中的分流部3沿图13中OR切面展开后导流气道6分布的示意图。

图16图11中引流装置100的另一种结构的剖视示意图。

图17图16中的E-E方向剖视示意图。

图18实施方式3的引流装置100的应用状态的装配关系示意图。

图19图18中的引流装置100的剖视示意图。

图20图19中的F-F方向剖视示意图。

图21导流气道设计示意图。

图中，1-进气部，2-分流部，3-引流部，4-进气孔，5-分流腔，6-引流气道，7-引流气管，8-连通气道，9-连通管，10-紧固部，11-内螺纹，12-现有技术的引流装置，31-凸缘，51-第一分流腔，52-第二分流腔，50-输气管，60-顶保温板，100-引流装置，121-配接螺母，122-导流管，123-石墨管，211-内螺纹，221-外螺纹。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

实施方式1

本发明的一种改变载气流向的引流装置，如图2、图3所示，所述引流装置100包括进气部1、分流部2和引流部3。所述进气部1和分流部2固定，分流部2和引流部3固定。所述分流部2和引流部3均为沿其中心线方向设置通孔的柱状体，优先地为圆筒。如图3所示，所述分流部2包括第一分流部21和第二分流部22，第二分流部22和引流部3一体成型，构成引流筒。所述第一分流部21的下端部设置内螺纹211，第二分流部22的上端部设有外螺纹221；所述内螺纹211和外螺纹221相配合，如图3所示。所述引流部3的中部设置沿其外表面做周向延伸的凸缘31，如图3所示，凸缘31环绕引流部3外表面一周，在引流部3的表面上形成呈环状的凸起结构，起限位、固定作用。在应用中，所述引流筒的上端部穿过隔热笼的顶保温板60中部的通孔，如图2所示，和设置在顶保温板60上方的第一分流部21轴向装配，第一分流部21和引流筒的第二分流部22通过上述的内、外螺纹211、221紧固连接。所述第一分流部21和凸缘31共同作用把引流筒固定在顶保温板60上。所述进气部1、分流部2和引流部3的材质为石墨，优先地为等静压石墨，也可以为成本较高的金属钼或钛。

其中，如图4所示，所述第一分流部21的顶部设置内径大于上述通孔的沉孔，所述沉孔和通孔共中心线，该沉孔和通孔共同作用使第一分流部21的顶部形成环形台阶212。所述环形台阶212用于装配现有技术中用于输运载气的石墨管123，如图2所示。第一分流部21的侧壁内设置沿周向延伸的呈环状的下端面开口的第一分流腔51，第一分流腔51和第一分流部21共中心线，如图4、图5所示，第一分流腔51位于环形台阶212的下方。所述第一分流部21的下端部的内侧壁上设置上述的内螺纹211，内螺纹211位于第一分流腔51的下方。所述内螺纹211沿第一分流部21的中心线方向延伸，并和第一分流部21共中心线，如图4所示。

所述进气部1设置在筒状的第一分流部21的内部，如图4、5所示，并和第一分流部21的内侧壁固定。进一步地，进气部1和第一分流部21一体成型，以避免石墨材质部件不易固定连接的问题。进气部1内设置用于载气流入的进气孔4，进气孔4的中心线和第一分流部21的中心线平行，如图4、图5所示，进气孔4的进气口向上设置。进气孔4和第一分流腔51间通过连通气道8连通。所述连通气道8沿顺时针(从上向下看)方向布置，如图5所示，连通气道8的一端部和进气孔4相切连通，另一端部和第一分流腔51的侧壁面相切连通，所述连通气道8中的载气气流以顺时针方向(从上向下看)流入第一分流腔51内。

所述进气部1还可以设置在第一分流部21的外部(图中未画出)，进气部1和第一分流部21一体成型，以避免石墨材质部件不易固定连接的问题。所述进气部1内设置用于载气流入的进气孔4，进气孔4的中心线和第一分流部21的中心线平行，根据需要，进气孔4开口向上设置，也可以向下设置。进气孔4和第一分流腔51间通过连通气道8连通，连通气道8的一端部和进气孔4相切连通，另一端部和第一分流腔51的侧面相切连通，并使所述连通气道8中的载气气流以顺时针方向(从上向下看)流入第一分流腔51内。此外，进气孔4的中心线和第一分流部21的中心线也可以垂直设置，进气孔4和第一分流腔51相切连通，根据需要，进气孔4的开口设置于第一分流部21的左侧，根据装配需要，也可以设置在其右侧。

其中，所述第二分流部22的上端部的外侧壁面上设置上述的外螺纹221，该外螺纹221和上述内螺纹211相配合。所述第二分流部22的侧壁内设置上端面开口的第二分流腔52，第二分流腔52为环绕第二分流部22中心线一周的呈环状的腔室，如图3所示，所述外螺纹221嵌套在第二分流部22外侧壁的外侧。所述第二分流腔52、外螺纹221和第二分流部22共中心线。所述第二分流腔52和第一分流腔51相对应，即第二分流腔52的上端面开口和第一分流腔51下端面开口正相对。所述第二分流腔52和第一分流腔51构成所述分流部2的分流腔5。所述引流筒的引流部3的侧壁内设置4条引流气道6，如图6-图8所示，4条引流气道6围绕着引流部3的中心线均匀分布，如图6所示，引流气道6也可以是2条或3条或5条以上。该引流气道6自第二分流腔52的下端面起沿着圆柱状的螺旋线向下延伸，即引流气道6的中心线沿着螺旋线方向向下延伸，并和该螺旋线重合。所述螺旋线为非等螺距，该螺旋线上端的螺距长下端的螺距短，引流气道出口处的螺距最短；螺旋线位于引流部3的侧壁内，沿顺时针方向旋转(从上向下看时)，与连通气道7中载气气流的方向相同，螺旋线和引流部3共中心线。引流气道6上端部的进气口和第二分流腔52的下端面连通，引流气道6下端部的出气口位于引流部3的下端部，如图3、图9所示。

所述引流气道6和连通气道8沿相同的螺旋方向布置，连通气道8和进气孔4、第一分流腔51分别相切连通，在连通处分别平滑过渡。如此方式布局的气道，使载气在分流腔中的流动方向和载气在引流气道6中的流动方向相同，这样可以减少载气流通的阻力，使载气保持较高的动能，进入第一、二分流腔51、52，载气在第一、二分流腔内旋转，有较长的流程，有利于载气较均匀地流入引流气道6内。所述载气通过进气孔4、连通气道8、第一二分流腔51、52和引流气道6流通所遇到的流通阻力较小，动能损耗较少，载气流到引流气道6的出气口处仍具有较高的能量，使得载气具有较高的出射速度，出射载气流对液态硅产生较大的载气应力，有助于促进液态硅旋转，在液态硅中产生较强的旋转流场。

实施方式2

本发明的一种改变载气流向的引流装置，如图11、图12所示，所述引流装置100包括固定部10、进气部1、分流部2和引流部3。所述进气部1和分流部2固定，所述固定部10和分流部2轴向固定，分流部2和引流部3轴向固定。进一步地，所述固定部10、分流部2和引流部3一体成型，为沿其中心线方向设置通孔的柱状体，即为筒，优先地为圆筒。引流装置100的材质为价格较低的石墨，优选地为等静压石墨，也可以是成本较高的钼或钛。所述固定部10的内侧壁上设置用于固定连接的内螺纹11，内螺纹11沿固定部10的中心线方向延伸；根据需要也可以在固定部10外侧壁上设置外螺纹。所述分流部2的侧壁内设置沿周向延伸的分流腔5，分流腔5为沿分流部2中心线环绕一周的呈环状的腔室，分流腔5位于所述内螺纹11的下方，并与分流部2共中心线。所述进气部1设置在分流部2的内部，如图12、图13所示，进气部1和分流部2一体成型，以避免石墨部件不易固定连接的问题。进气部1内设置用于载气流入的进气孔4，进气孔4的中心线和分流部2的中心线平行，根据需要，进气孔4开口向上设置。进气孔4和分流腔5间通过连通气道8连通。所述连通气道8沿顺时针(从上向下看)方向布置，如图13所示，连通气道8的一端部和进气孔4相切连通，另一端部和分流腔5的侧壁相切连通，如图13所示，以使连通气道8中载气气流沿顺时针方向流入分流腔5内。

所述进气部1还可以设置在分流部2的外部(图中未画出)，进气部1和分流部2一体成型，以避免石墨材质部件不易固定连接的问题。所述进气部1内设置用于载气流入的进气孔4，进气孔4的中心线和分流部2的中心线平行，根据需要，进气孔4开口向上设置，也可以向下设置。进气孔4的一端部和分流腔5间通过连通气道8连通，连通气道8的一端部和进气孔4相切连通，另一端部和分流腔5的侧面相切连通，并使所述连通气道8中的载气气流以顺时针方向(从上向下看)流入分流腔5内。此外，进气孔4的中心线和分流部2的中心线也可以垂直设置，进气孔4的一端和分流腔5相切连通，根据需要，进气孔4的另一端开口设置在分流部2的左侧，也可以右侧。

所述引流部3的侧壁内设置4条引流气道6，如图13所示，4条引流气道6围绕着引流部3的中心线均匀分布，如图13-15所示，该引流气道6自分流腔5的下端面起沿着圆柱状螺旋线向下延伸，即引流气道6的中心线沿着螺旋线方向向下延伸，并和该螺旋线重合。所述螺旋线位于引流部3的侧壁内，螺旋线沿顺时针方向旋转(从上向下看时)，与连通气道8中载气气流的流动方向相同，螺旋线和引流部3共轴心线。所述引流气道6的上端部的进气口和分流腔5的下端面连通，下端部的出气口位于引流部3的下端。

所述引流气道6和连通气道8沿相同的螺旋方向布置，连通气道8和进气孔4、分流腔5分别相切连通，在连通处分别平滑过渡。如此方式布局的气道，使载气在分流腔内流动的方向和载气在引流气道内流动的方向相同，可以减少载气流通的阻力，减少载气的能量损耗，使载气保持较高的动能，进入分流腔5，载气在分流腔5内旋转，有较长的流程，有利于载气较均匀地流入引流气道6内。所述载气通过进气孔4、连通气道8、分流腔5和引流气道6流通所遇到的流通阻力较小，动能损耗较少，载气流到引流气道6的出气口处仍具有较高的能量，使得载气具有较高的出射速度，出射的载气流对液态硅产生较大的载气应力，有助于促进液态硅旋转，在液态硅中产生较强的旋转流场。

在应用中，如图1、图11所示，现有技术的引流装置12包括轴向依次连接的石墨管123、配接螺母121和导流管122。导流管122的上端部设有和配接螺母121内螺纹相配合的外螺纹。导流管122的上端部穿过隔热笼的顶保温板60中部的通孔，和设置在顶保温板60上方的配接螺母121轴向装配并紧固，导流管122下端设置和本发明引流装置100的内螺纹11相配合的外螺纹。本发明引流装置100和导流管122通过所述内、外螺纹轴向紧固连接，引流装置100的下端的出气口和坩埚内的硅料相对。输气管50设置在现有技术的引流装置12内，如图11所示，输气管50的上端和铸锭炉上已有的载气的进气管连通(图中未画出)，下端和本发明引流装置的进气孔4连通。本发明引流装置直接装配在现有技术引流装置12的导流管122的下端，仅需要在该导流管下端部上设置外螺纹，无需改造其它部件，改造更方便、成本更低。

实施方式3

本发明的一种改变载气流向的引流装置，如图18、图19所示：所述引流装置100包括紧固部10，进气部1、分流部2、和引流部3。引流装置100的材质为钼，也可以使用成本高的钛等耐高温材料。紧固部10和分流部2均为沿其中心线方向设置通孔的柱状体，即为筒，优选地为圆筒。紧固部10和分流部2的顶部轴向固定。紧固部10的内侧壁上设置沿紧固部10中心线方向的内螺纹11，根据需要也可以在其外侧壁上设置外螺纹。所述分流部2为呈环形筒状的密闭腔体，主要由内侧壁、外侧壁、上端壁和下端壁构成；内侧壁和外侧壁为圆筒状，内侧壁嵌套在外侧壁内，并共中心线。所述内侧壁、外侧壁、上端壁和下端壁构成所述分流部2的分流腔5。所述进气部1为内置有进气孔4的进气管，设置在分流部2的内部，如图19、图20所示，进气管和分流部2的内侧壁固定，进气管的进气孔4的中心线和分流部2的中心线平行，根据需要，进气孔的进气口向上设置。进气管的进气孔4和分流部2的分流腔5间通过连通管9连通，连通管9内置有连通气道8，连通管9(也即连通气道8)沿顺时针(从上向下看)方向设置，如图20所示。所述连通管9的一端部和进气管的进气孔4相切连通，并和进气管固定，另一端部和分流部2的分流腔5的侧壁相切连通并固定，如图20所示，以使连通管9中载气气流沿顺时针方向(从上向下看)流入分流部2的分流腔5内。

所述进气部1还可以设置在分流部2的外部(图中未画出)。所述进气管的进气孔4的中心线和分流部2的中心线平行，根据装配需要，进气孔4开口向上设置，也可以向下设置。进气管的进气孔4的一端和分流部2的分流腔5间通过连通管9连通；连通管9的一端部和进气管的进气孔4相切连通并和进气管固定，另一端部和分流部2的分流腔5的侧壁相切连通并和分流部2固定。此外，进气管的进气孔4的中心线和分流部2的中心线也可以垂直设置，进气管的进气孔4和分流部2的分流腔5相切连通，根据需要，进气孔4的进气口位于分流部2的左侧，也可以右侧。

所述引流部3包括4条引流气管7，所述引流气管7内置引流气道6，引流气管7用以改变载气流的流向。如图19所示，4条引流气管7(即引流气道6)围绕着引流部3的轴心线均匀分布，引流气管7也可以是2条或3条或5条以上。所述引流气管7(即引流气道6)沿圆柱状螺旋线分布在分流部2的正下方，即引流气管7的中心线沿着螺旋线方向向下延伸，并和该螺旋线重合。所述螺旋线位于分流部2下端壁的正下方，螺旋线沿顺时针方向旋转(从上向下看时)，与连通管9中载气气流的方向相同，螺旋线和分流部2共轴心线。引流气管7上端部的进气口和分流腔5的下端壁连通并固定，导流气管7下端部的出气口端位于分流部2下端壁的下方。所述引流气管7的出气口围绕分流部2的中心线沿着圆周方向按同方向的角向均匀分布，如图19所示。

所述引流气管7(即引流气道6)和连通管9(连通气道8)沿相同的螺旋方向布置，连通管9和进气管的进气孔4、分流部2的分流腔5的分别相切连通，在连通处分别做平滑过渡。如此方式布局的气道，使载气在分流腔5内的流动方向和载气在引流气管7内流动的方向相同，可以减少载气流通的阻力，使载气保持较高的动能，进入分流腔5，在分流腔5内旋转，有较长的流程，有利于载气较均匀地流入引流气管7的引流气道6内。所述载气通过进气管的进气孔4、连通管9的连通气道8、分流腔5和引流气管7的引流气道6所遇到的流通阻力较小，动能损耗较小，载气流到引流气管的引流气道6的出气口处仍具有较高的能量，使得载气具有较高的出射速度，出射的载气流对液态硅产生较大的载气应力，有助于促进液态硅流动，在液态硅中产生较强的旋转流场。

在应用中，如图1、图18所示，现有技术的引流装置12包括轴向装配的石墨管123、配接螺母121和导流管122。导流管122的上端部设有和配接螺母121内螺纹相配合的外螺纹。导流管122的上端部穿过隔热笼的顶保温板60的中部的通孔，和设置在顶保温板60上方的配接螺母121相紧固，导流管122下端设置和本发明引流装置100的内螺纹11相配合的外螺纹。本发明引流装置100和导流管122通过所述内、外螺纹轴向紧固连接，引流装置100的下端和坩埚内的硅料相对。本发明引流装置直接装配在现有技术引流装置12的导流管122的下端，仅需要在该导流管122下端部上设置外螺纹，无需改造其它部件，改造成本更低。

通过改变引流气道6出口段的螺旋线的螺距和半径，来设计引流气道6的出气口位于分流腔5下方的位置，以及该引流气道6的出口处的载气流的出射方向，也即引流气道6的中心线在出口处的切线方向。所述引流气道6出口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径不变时，引流气道6的出气口位于分流部2下端面的正下方，围绕着分流部2的中心线沿圆周方向按同方向的角向均匀分布，如图7所示，即引流气道6的中心线在出口处的切线和此处半径间的方向角的符号相同，同为正或同为负。引流气道6的中心线在出口处的切线(即载气的出射方向)和分流部2的下端面(和液态硅表面平行，也即液态硅表面)间的夹角(切线和面法线间的夹角)逐渐增大，出射载气流和液态硅表面的接触面积逐渐增大；当引流气道6出气口处的螺旋线的螺距接近于引流气道6的孔径时，引流气道6的出口处的中心线的切线和分流部2下端面(即液态硅表面)间的夹角接近90度，即引流气道6出口处中心线的切线和分流部2下端面接近平行，此时出射载气流的和液态硅表面接近平行，出射载气流和液态硅表面的接触面积最大，液态硅的被载气流吹射区域的单位面积上接触的载气的量最少，载气流从该区域单位面积上所带走的热量最少，载气流吹射区域的液态硅的温度降幅最小，过冷度减弱，大大减少甚至消除了液态硅中由载气所促进的熔体过冷及杂质形成。另外，还可以根据需要，改变引流气道6出口段的螺旋线的螺距和半径，使螺旋线下端部的螺距逐渐减小、半径逐渐增大，则引流气道6的出气口位于分流部2外侧面延伸面的下端，也可以位于分流部2外侧面延伸面的外部，如图9、图16所示，以方便设计引流气道6的出口方向，优化载气流在液态硅表面上吹射的区域，如使其在液态硅中心和液态硅边沿之间的中间位置，在载气压力一定的情况下，使液态硅中产生较强的旋转流场，使液态硅内部的杂质输运到表面，促进杂质挥发，提高晶体的质量。

本发明引流装置设有4条用以改变载气流向的引流气道(引流气管)，4条引流气道围绕着引流装置的中心线均匀分布，4条引流气道的出气口分别对着液态硅表面的不同区域，液态硅表面上将形成4个载气流的吹射区域。载气经引流装置的4条引流气道分成4束载气流，该4束载气流分别分散地吹射液态硅表面的4个区域，出射载气流所吹射的4个区域围绕着液态硅的中心均匀分布，每个吹射区域所接触的载气量只有输气量的1/4，且出射载气流倾斜地吹射液态硅的表面，出射载气流和液态硅表面的接触面要大于载气流束的截面，则每束载气流从吹射区域的液态硅中所带走的热量小于现有技术的集中垂直吹气的1/4，载气流所吹射区域的液态硅的局域温度降幅大大减少，过冷度减小，液态硅中载气导致的杂质的形核机率减少，降低了载气所促进的杂质的形成。通过调整引流气道的出气口方向，改变出射载气流和液态硅表面间的夹角(出射载气流和液态硅表面法线的夹角)，增大该夹角，可以增加载气流和液态硅表面的接触面积，该接触面积将增加到载气流束截面积的上述夹角余弦值的倒数倍。此倾斜吹射方式和多条引流气道分散吹射方式相结合，可以有效地增加载气和液态硅表面的接触面积，使载气流从吹射区域的液态硅的单位面积上带走更少的热量。适当地减小出射载气流和液态硅表面间的夹角，如30-40度，出射载气流倾斜地吹射液态硅的表面，载气流吹射区域的液态硅的单位面积上接触的载气量略有增加，但出射载气流对液态硅产生较大的驱动层流的载气应力，载气应力驱动表面层液态硅流动；载气流所吹射的区域围绕着液态硅的中心分布，载气应力围绕着液态硅的中心分布，则在液态硅中形成作周向流动的较强的旋转流场。旋转流场有利于把液态硅表面漂浮的杂质输运到液态硅的边缘，减少漂浮的杂质对晶体良率的影响，提高晶体的成品率；同时还有利于将液态硅内部的杂质输送到表面，促进杂质的挥发；液态硅在自然对流流场和旋转流场的共同作用下，有利于液态硅中质杂的输运和均匀分布，晶体的径向电阻率更均匀，晶体的质量得到进一步提高。

本发明引流装置包括进气部1、分流部2和引流部3，分流部2和引流部3为中空的圆筒，引流气道6设置在引流部3的侧壁(或引流气管)内。进气部1可以设置在分流部2的内部，也可以设置在分流部2的外部。当把进气部1设置在分流部2的内部时，进气部1虽然对引流装置中通向铸锭炉内的视场产生了遮挡，但被遮挡的面积非常小，不足视场面积的四分之一，如图5、13、20所示，对炉内状态的察看、测晶棒的插入、红外探测仪对硅料状态的探测均没有影响。其次不需要对现有铸锭炉的炉体进行改造，如不必在多晶铸锭炉的双层水冷的钢制炉体上、以及隔热笼的保温板上开设输气管50贯穿的通孔，还简化了输气管50和本发明引流装置的连通布局。把输气管50的设置在现有技术的引流装置12内，输气管50的下端和引流装置100的进气孔4连通，上端和炉顶观察窗下方的载气进气口连通。输气管50的材质为钼，也可以是钛。当把进气部1设置在分流部2的外部时，进气部1将对引流装置100中通向铸锭炉内的视场没有任何遮挡，但是需要对现有铸锭炉的炉体进行改造，如对铸锭炉的钢制炉体及隔热笼的保温板进行改造，其难度大，成本高。所以，本发明引流装置100中具有通向铸锭炉内的视场，从炉顶的观察窗经本发明引流装置100可以看到炉内硅料的状态，方便司炉操作；设置在引流装置100正上方的红外探测仪通过观察窗、引流装置可以探测到炉内硅料的状态，自动长晶工艺顺利地进行；通过引流装置100可以将测晶棒插入到铸锭炉内，晶体生长速度方便测量。

引流气道的出气口处的载气的出射方向，也即引流气道的中心线在出口处的切线方向，如图21所示，引流气道的中心线在出口处的切线和引流装置下端面间的夹角(切线和面法线间的夹角)标记为β，则载气流的出射方向和液态硅表面法线间的夹角也为β；出射载气流和液态硅表面的相接触面的中心处标识为A，引流气道的出口处到液态硅表面的距离标记为h，液态硅表面的中心位置标记为O，液态硅表面的中心O到载气和液态硅表面的相接触面中心A之间的距离标记为a，引流气道的出口处的螺旋线的半径标记为r，则a、r、h、β之间的关系可以近似地表达为：tgβ＝(a-r)/h；该公式可以用于引流气道的中心线在出口处的切线方向的设计依据，即载气流的出射方向的设计依据。若需要液态硅在载气流的驱动下产生较强的旋转流场，在设计引流气道的出口位置时，使出射载气流和液态硅表面相接触的位置尽量远离液态硅的中心，如处于液态硅中心O到液态硅边缘之间的中间位置或该中间位置偏外的位置，即让β较大，使图21中A点的位置尽量远离液态硅的中心O，并向坩埚靠拢。同时，减小引流装置的引流气道的出口距离液态硅表面的距离，减少引流气道的出口处的截面积、增加载气的供气压力，均有利提高出射载气在液态硅表面处的流速，出射载气对液态硅产生更大的载气应力，增强液态硅的流动，产生较强的旋转流场。

本发明引流装置的工作原理是：输气管把载气输送到本发明引流装置的进气孔，载气经进气孔流入引流装置的分流腔，并在分流腔内旋转，而后从分流腔的下端分别流入多条均匀分布的引流气道内，再从引流气道的出气口处出射，出射的载气流倾斜地吹射液态硅的表面。多条引流气道使载气分散地吹射液态硅表面的不同区域，有效地增加了载气和液态硅表面的接触面积，单位面积上接触的载气量减少。现有技术中将载气集中吹射液态硅表面的中部区域，载气从该区域带走大量的热量，导致该区域液态硅的温度产生较大的降幅，过冷度增强，促进该区域的杂质过饱和形核并生成杂质夹杂物。本发明引流装置通过引流气道使载气分成多束载气流，多束载气流分别分散地吹射液态硅表面的不同区域，相比于现有技术中载气集中垂直吹射的方式，则被载气流吹射区域的液态硅的单位面积上接触的载气量较少，载气从该区域液态硅表面的单位面积上所带走的热量较少，载气流所吹射区域的液态硅的温度的降幅大大减小，过冷度减弱，从而减少甚至消除了液态硅中由载气所促进的杂质过饱和形核析出，以及所促进的杂质核生长形成杂质夹杂物，有利提高晶体特别载气吹射处的晶体的成品率和质量。引流装置的多条引流气道围绕着引流装置的中心线均匀分布；引流气道出气口处的出射载气流绕着引流装置的中心线，也即液态硅的中心，均匀分布；出射载气流倾斜地吹射液态硅的表面，出射载气流和液态硅表面的相接触的区域围绕液态硅的中心均匀分布，载气流对所吹射区域的液态硅产生驱动层流的载气应力，载气应力围绕液态硅的中心均匀分布；载气应力驱动表层液态硅流动，并绕着液态硅的中心部沿周向流动，在液态硅中形成作周向流动的较强的旋转流场。旋转流场有利于把液态硅表面漂浮的杂质输运到液态硅的边缘，减少漂浮的杂质对晶体良率的影响，提高晶体的成品率；同时，有利于将液态硅内部的杂质输运到液态硅的表面，加速液态硅中杂质的挥发；液态硅在自然热对流流场和旋转流场的共同作用下，有利于液态硅中质杂的输运和均匀分布，避免杂质局域富集，使晶体的径向电阻率分布更均匀，晶体的电性能得到优化，晶体的质量得到进一步提高。此外，通过设计引流气道的中心线在出口处的切线方向，调整出射载气流和液态硅表面间的夹角(出射载气流和液态硅表面法线间的夹角)β，增加夹角β可以增加载气流和液态硅表面的接触面积，接触面积将增加到载气流截面积的(1/cosβ)倍。适当地减小夹角β可以使出射载气流对液态硅产生更大的驱动层流的载气应力，使得液态硅中由载气产生的流场增强。因此，增加载气流和液态硅表面的接触面积，有效的方式是采用多条引流气道分散输送载气的方式和增加出射载气流和液态硅表面间的夹角的方式相结合。

和现有技术相比，本发明具有如下技术进步性。

1)引流装置中具有通向铸锭炉内的视场，当把进气部设置在分流部的外部时，引流装置中通向铸锭炉内的视场没有遮挡；把进气部设置在分流部的内部时，其虽对视场有遮挡，但被遮挡的面积不足视场面积的四分之一，引流装置中仍具有通向铸锭炉内的视场；因此，通过引流装置可顺利地察看铸锭炉内的状态，方便司炉操作；通过引流装置插入测晶棒，测量晶体的生长速度；红外探测仪通过引流装置可探测铸锭炉内的硅料的状态，自动长晶工艺可顺利进行。

2)减少液态硅中载气所导致的局域过冷，引流装置的多个引流气道使载气分成多束载气流，多束载气流分散倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，有效地增加了载气和液态硅表面的接触面积，载气流吹射区域的液态硅的单位面积上接触的载气量减少，载气流从该单位面积上所带走的热量减少，该区域由载气流所导致的局域温度降幅减小，从而减少甚至避免了液态硅中由载气所导致的局域过冷，以及所促进的杂质形核生长。

3)促进杂质挥发和杂质均匀分布，提高晶体的质量，引流装置的多个引流气道围绕引流装置的中心线均匀分布，载气经引流气道分成多束载气流，载气流分别倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，载气流所吹射区域围绕液态硅表面的中心分布，载气流对液态硅产生驱动层流的载气应力，载气应力驱动着液态硅流动，形成绕其中心流动的旋转流场。旋转流场有利于把液态硅表面漂浮的杂质输运到液态硅边缘，减少漂浮的杂质对晶体良率的影响，提高晶体的成品率；还有利于将液态硅内部的杂质输运到液态硅的表面，加速液态硅中杂质的挥发；液态硅在自然对流流场和旋转流场的共同作用下，有利于液态硅中质杂的输运和均匀分布，避免杂质局域富集，使晶体径向电阻率分布更均匀，晶体的质量得到进一步提高。。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：包括依次固定连接的进气部、分流部和引流部，所述进气部内置用于载气流入的进气孔，分流部内置分流腔，引流部由至少一条用于改变载气流向的引流气道构成，所述进气孔和分流腔连通，引流气道的进气口和分流腔连通，出气口沿着周向按同方向的角向分布。

2.根据权利要求1所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：所述分流部和引流部一体成型，为沿其中心线方向设置通孔的柱状体，所述分流部的侧壁内设置沿周向延伸的呈环状的分流腔；所述引流部的侧壁内设置自分流腔的下端面向下延伸的引流气道，引流气道的出气口位于引流部的下端。

3.根据权利要求1所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：所述分流部和引流部为沿其中心线方向设置通孔的柱状体，所述分流部包括轴向固定连接的第一分流部和第二分流部，第二分流部和引流部一体成型；所述第一分流部下端部的侧壁内设置沿周向延伸的呈环形的下端面开口的第一分流腔，所述进气孔和第一分流腔连通；所述第二分流部上端部的侧壁内设置沿周向延伸的呈环形的上端面开口的第二分流腔，第二分流腔和第一分流腔相对应，所述第一分流腔和第二分流腔构成所述分流腔；所述引流部的侧壁内设置自第二分流腔下端面向下延伸的引流气道，引流气道的出气口位于引流部的下端。

4.根据权利要求2或3所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：所述进气孔和分流腔之间通过连通气道连通，所述连通气道的一端和进气孔相切连通，另一端和分流腔的侧面相切连通。

5.根据权利要求1所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：所述进气部为内置进气孔的进气管，引流部包括内置引流气道的引流气管；所述分流部为主要由内侧壁、外侧壁、上端壁和下端壁所构成的呈环状的密闭腔体，所述内侧壁、外侧壁、上端壁和下端壁构成所述分流腔；进气管的一端和分流腔连通并固定；所述引流气管设置在分流部的下方，引流气管上端的进气口和分流腔连通，并和引流部固定，引流气管下端的出气口沿着周向按同方向的角向分布。

6.根据权利要求5所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：所述进气管和分流部的分流腔间通过连通管连通，所述连通管的一端和进气管相切连通并固定，另一端和分流腔的侧壁相切连通并固定。

7.根据权利要求2-6所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：

所述进气部设置在分流部的内部，进气孔的中心线和分流部的中心线平行；或者，

所述进气部设置在分流部的外部，进气孔的中心线和分流部的中心线平行或垂直。

8.根据权利要求7所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：

所述引流气道沿圆柱状螺旋线延伸，引流气道出气口段的螺旋线的螺距逐渐减小，引流气道的出气口位于分流部下端面的正下方；或者，

所述引流气道沿圆柱状螺旋线延伸，引流气道出气口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径逐渐增大，引流气道的出气口位于分流部的外侧壁延伸面的下端或位于分流部外侧壁延伸面的外部。

9.根据权利要求8所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：所述引流气道的数量为2个、3个或4个。

10.根据权利要求9所述的一种改变载气流向的引流装置，其特征在于：所述进气部、分流部、引流部的材质为石墨、钼、钨或钛。