CN107513765A - 一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，包括装配于铸锭炉内用于向炉内输送载气的引流装置，还包括用于加热载气的加热装置，所述加热装置的输出端和引流装置的输入端相连通，输入端和载气的输气管连通。冷载气先经加热装置加热后形成温度较高的热载气，该热载气经引流装置吹射坩埚内的硅料；减少吹射区域液态硅的过冷度，降低甚至消除了液态硅中由载气所促进的杂质形核以及杂质核生长。

Description

一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉

本申请为申请号为201610082945.1、申请日为2016-02-03、名称为一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种多晶铸锭炉，尤其涉及一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，属于晶体生长设备领域。

背景技术

多晶铸锭炉包括炉体、隔热笼、加热器、换热平台、引流装置。加热器包括顶加热器和侧加热器，设置在隔热笼内；换热平台通过石墨立柱装配于下炉体并位于隔热笼内。装满硅料的坩埚放置在换热平台上，位于侧加热器内；引流装置贯穿并装配在隔热笼的顶隔热板上，其下端出口对着坩埚的中心部，用于输运载气。铸锭炉采用四侧面、顶面五面加热，则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，杂质熔解度达到过饱和，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。冷载气经引流装置的出口集中垂直地吹射液态硅的中心区域，载气从该区域液态硅中带走大量的热量，造成该中心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，影响太阳能电池的转化效率。因此，亟需开发一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，把冷载气经加热成温度较高的热载气后，再由引流装置吹射坩埚中的液态硅，以减少液态硅中载气导致的杂质形核及杂质核生长。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉。以克服现有技术中所存在的问题：冷载气集中吹射液态硅表面的某一区域，如中部区域，载气从该区域带走大量的热量，造成该区域大幅降温，液态硅过冷，促进液态硅中杂质形核及杂质核生长形成杂质夹杂物。

本发明的技术方案是提供一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，包括装配于铸锭炉内用于向炉内输送载气的引流装置，其设计要点在于：还包括用于加热载气的加热装置，所述加热装置的输出端和引流装置的输入端相连通，输入端和载气的输气管连通。

在应用中，本发明多晶铸锭炉还有如下进一步优选的技术方案。

优选地，所述加热装置为空气加热器，空气加热器的壳体内设置隔热层，空气加热器的输出端和引流装置的输入端通过配接管道连通，输入端和载气的输气管连通；所述配接管道的外部包覆隔热层。

优选地，所述空气加热器为肋管式空气加热器。

优选地，所述加热装置为加热管，所述加热管设置于铸锭炉的隔热笼内，加热管的输出端和引流装置的输入端通过配接管道连通，输入端和载气的输气管连通。

优选地，所述加热管迂回分布，设置于铸锭炉的加热器和隔热笼之间。

优选地，所述加热管为翅片管，设置于加热器的顶加热器和隔热笼的顶隔热板之间。

优选地，所述肋管、加热管的材质为钼、钨或钛。

本发明多晶铸锭炉带有载气加热装置，冷载气先经加热装置加热后形成温度较高的热载气，而后将该热载气经引流装置吹射坩埚内的硅料。当载气的温度低于液态硅的温度时，载气从所吹射区域的液态硅中所带走的热量少，载气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，降低甚至消除了液态硅中由载气所促进的杂质的形成；当载气的温度高于所吹射区域的液态硅的温度时，载气对所吹射区域的液态硅补给热量，使该区域液态硅的温度升高，减少液态硅中径向的温度差，抑制该区域液态硅中的杂质形核，消除了载气所促进的杂质的形成，提高晶体的质量。

有益效果

减少甚至消除液态硅中由载气所导致的局域过冷，通过设置载气的加热装置，冷载气先经加热装置加热形成热载气，再将热载气吹射液态硅；当热载气的温度低于液态硅的温度时，载气从所吹射区域的液态硅中所带走的热量大大减少，该区域液态硅的温降大幅减小，过冷度减小，液态硅中载气导致的杂质的形核机率减少，降低甚至消除了载气所促进的杂质形成；当热载气的温度高于液态硅的温度时，载气对所吹射区域的液态硅补给热量，使液态硅的温度升高，减少液态硅中径向的温度差，抑制该区域液态硅中的杂质形核，消除了载气所促进的杂质的形成，提高晶体的质量。

炉顶的观察窗中具有通向铸锭炉内的视场，通过把导流装置的进气台部(进气管部)设置在导流装置的配接筒部/导流筒部(分流腔部)外部，导流装置中通向铸锭炉内部的视场没有遮挡；通过炉顶的观察窗可察看铸锭炉内的状况，方便司炉操作；测晶棒可穿过导流装置插到铸锭炉内，晶体的生长速度方便测量；红外探测仪通过观察窗可探测铸锭炉内硅料的状态，自动长晶工艺顺利进行。

进一步减少液态硅中载气所导致的局域温降，导流装置的多个导流通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，载气流从该单位面积上所带走的热量进一步减少，载气流所导致的局域温度降幅减小，进一步减少甚至避免了液态硅中由载气所导致的局域温降。

促进杂质挥发和杂质均匀分布，提高晶体的质量，导流装置的多个导流通道围绕导流装置的中心线均匀分布，载气经导流通道分成多束载气流，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实施方式1的多晶铸锭炉的一种结构示意图。

图2实施方式1的多晶铸锭炉的另一种结构示意图。

图3图2中隔热笼区域的放大示意图。

图4图3中的A-A方向视图。

图5实施方式2的多晶铸锭炉的一种结构示意图。

图6图5中A区域的放大示意图。

图7导流装置20的结构示意图。

图8配接筒21的结构示意图。

图9图8中的B-B方向视图。

图10图8中配接筒21的左视视图。

图11导流筒22的仰视示意图。

图12导流筒22的另一种结构示意图。

图13图12中的C-C方向视图。

图14实施方式3的多晶铸锭炉的一种结构示意图。

图15图14中B区域的放大示意图。

图16导流装置30的一种结构示意图。

图17图16中的E-E方向视图。

图18图16中导流装置30的左视视图。

图19图16中的导流装置30的仰视示意图。

图20导流装置30的另一种结构示意图。

图21图20中的F-F方向视图。

图22实施方式4的多晶铸锭炉的一种结构示意图。

图23图22中C区域的放大示意图。

图24导流装置40的一种结构示意图。

图25图24中的G-G方向视图。

图中，11-炉体，12-引流装置，13-笼架，131-升降丝杆，14-隔热笼，15-加热器，16-换热平台，17-石墨立柱，18-坩埚，19-硅料，90-红外探测仪，50-输气管，20、30、40-导流装置，60-加热装置，61配接管道，111-上炉体，112-下炉体，113-顶端盖，114-观察窗，121-配接螺母，122-导流管，123-石墨管，141-侧隔热板，142-顶隔热板，143-底隔热板，151-侧加热器，152-顶加热器，181-石墨底板，182-石墨护板，183-盖板，21-配接筒，22-导流筒，222、36-导流气道，217、37、46-内螺纹，224-外螺纹，223-凸缘，211-配接筒部，212、32-进气台部，213-进气孔，214、34-连通气道，216-环形台阶，215-第一分流腔，221-第二分流腔，31-导流筒部，35-分流腔，41-分流腔部，42-进气管部，43-导流气管，44-连通管，45-紧固部。

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

本发明的一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，如图1、图2所示，所述多晶铸锭炉包括铸锭炉本体10及用于加热载气的加热装置60，加热装置60和铸锭炉本体10相连通，用于把加热后的热载气输送到铸锭炉内部，吹射坩埚内的硅料19，载气再把硅料19中挥发出的杂质携带到炉外，以提高晶体的纯净度和质量。

所述铸锭炉本体10包括炉体11、笼架13、升降丝杆131、隔热笼14、加热器15、换热平台16、石墨立柱17、石墨管123、引流装置12、红外探测仪90及铜电极(图中未画出)。炉体11包括上炉体111、下炉体112和顶端盖113，所述上炉体111盖合在下炉体112上，顶端盖113盖合在上炉体111的顶端开口。顶端盖113的中部设有观察窗114。6根铜电极装配于上炉体111的炉顶上，分布在炉体的顶端开口的四周，并和炉顶绝缘密封固定。所述笼架13由4面侧壁架构成，顶面和底面开口。笼架13设置在炉体11内，通过升降丝杆131悬挂于上炉体111的炉顶。所述隔热笼14为由四面侧隔热板141、一面顶隔热板142和一面底隔热板143构成的方形腔体。所述隔热笼14设置在笼架13内，隔热笼14的四面侧隔热板141分别固定在笼架13的四面侧壁架的内侧，顶隔热板142通过铜电极上的限位台阶悬挂在上炉体111的炉顶上，并位于四面侧隔热板141内，底隔热板143通过石墨立柱17中部的环形台阶装配在下炉体112炉底的上方。加热器15包括侧加热器151和顶加热器152，加热器15设置在隔热笼14内。侧加热器151设置在隔热笼的侧隔热板141的内壁侧，其间间隔4-12cm；顶加热器15设置在隔热笼的顶隔热板142的下端面侧，其间间隔5-15cm。加热器15与固定于上炉体111炉顶上的铜电极分别固定连接。换热平台16位于隔热笼14内部，换热平台16通过三根石墨立柱17装配在下炉体112的炉底部上，并位于隔热笼14的底隔热板143的上方。换热平台16上放置方形的石墨底板181，石墨底板181上放置坩埚18，石墨底板181的四边侧分别直立放置4块石墨护板182，石墨护板182和坩埚18的外侧壁相贴合，相临两块石墨护板182间采用螺栓固定。石墨护板182的上端面上盖合方形盖板183，盖板183的中部设有用于输送载气的通孔。因此，所述石墨底板181、石墨护板182、盖板183构成方形盒体，并位于加热器15的内部。所述引流装置12包括轴向依次连接的石墨管123、配接螺母121和引流管122。引流管122的上端部设有和配接螺母121内螺纹相配合的外螺纹。引流管122的上端部穿过隔热笼14的顶隔热板142中部的通孔，和设置在顶隔热板142上方的配接螺母121相紧固。所述石墨管123装配于配接螺母121和顶端盖113的观察窗114之间。红外探测仪90固定在顶端盖113上，下部的探头正对着观察窗114。

所述加热装置60为空气加热器，如图1所示，设置在铸锭炉本体10的外部。空气加热器的结构由外向内依次为壳体、隔热层、加热件及流通载气的迂回状的管道。所述管道为外部设有肋片的肋管，也可以用光管；所述管道截面为椭圆，也可以矩形，用以增加换热面积，增强受热效果，即空气加热器为肋管式空气加热器。所述壳体为钢结构，隔热层的材质为碳纤维毡，加热件的材料为石墨，也可以是钨丝；肋管的材质为钼，也可以是钨或钛，以使载气可以被加热到1500℃的高温，且载气不被污染。管道的一端设为空气加热器的输出端，另一端为空气加热器的输入端。所述空气加热器的输出端和铸锭炉的引流装置12上端部通过配接管道61连通，如图1所示，空气加热器的输入端和载气的输气管50连通。所述配接管道61的材质为钼，外部包覆隔热层，以减少载气的热量流失。

所述加热装置60也可以为加热管，如图2、3、4所示，加热管设置在隔热笼内的，位于加热器的顶加热器和隔热笼的顶隔热板之间，通过吸收热辐射能量被动加热管内的载气。所述加热管迂回分布，优选地，沿平面螺旋线延伸分布，如图4所示。其中，加热管位于螺旋状中心的一端为加热管的输出端，位于螺旋状边侧的一端为加热管的输入端，也可以采用U型迂回分布，U型迂回分布会破坏原温度场的对称性，影响晶体正常生长，不常采用。加热管沿平面螺旋线分布，有利于维持温度场的对称性，减少加热管对原温度场的影响，确保晶体正常生长。为了增加受热效果，加热管的截面为椭圆形，也可以矩形；进一步地在加热管的外部设置翅片，以增加加热管的受热面积，增强加热管对载气的加热效率。引流装置12的引流管122的侧壁上设置配接管道61可穿过的通孔，如图3所示，配接管道61为呈L型的管道，其穿过引流管122侧壁上的上述通孔，并伸入到引流装置12内，出口向下布置。所述加热管和配接管道61的材质为钼，也可以是钨或钛。所述加热管的输出端通过该配接管道61实现和引流装置12相连通，加热管的输入端和载气的输气管50连通。

本实施方式的多晶铸锭炉带有载气加热装置，冷载气经加热装置加热后形成温度较高的热载气，将该热载气经引流装置吹射坩埚内的硅料。热载气对液态硅中的温度场的扰动小，不易使液态硅中发生组分过冷，抑制液态硅中的杂质过饱和形核以及杂质核生长，减少晶体中的杂质生成，提高晶体的质量。当载气的温度低于液态硅的温度时，载气从所吹射区域液态硅中所带走的热量少，载气所吹射区域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，降低甚至消除了载气所促进的杂质的形成；当载气的温度高于所吹射区域液态硅的温度时，载气对所吹射区域的液态硅补给热量，使该区域液态硅的温度升高，减少液态硅中径向的温度差，抑制该区域液态硅中的杂质形核，消除了载气所促进的杂质的形成，提高晶体的质量。

实施方式2

实施方式2和实施方式1的区别仅在于：多晶铸锭炉内设置有导流装置20，如图5、图6所示，导流装置20用于把载气分成多束出射载气流，出射载气流分别倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，形成围绕液态硅中心分布的载气应力，载气应力驱动液态硅流动，并在液态硅中形成作周向流动的旋转流场。导流装置20的外部设有载气流入的进气孔213。加热装置60采用上述空气加热器，则空气加热器的输出端和导流装置20的进气孔213通过配接管道61连通(图中未画出)，输入端和载气的输气管50连通；所述配接管道61的外部包覆隔热层，以减少载气的热量流失。加热装置60还可以采用上述加热管，则加热管的输出端通过配接管道61和导流装置20的进气孔213相连通，输入端和载气的输气管50连通；配接管道61位于顶隔热板142上方部分的外部包覆隔热层。

其中，所述导流装置20包括配接筒21和导流筒22，如图6、图7所示，所述配接筒21的下端部设置内螺纹217，导流筒22的上端部设有外螺纹224；配接筒21的内螺纹217和导流筒22的外螺纹224相配合。导流筒22的中部设有沿其外表面做周向延伸的凸缘223，如图7、图12所示，凸缘223环绕导流筒22外表面一周，在导流筒22的表面上形成呈环状的凸起结构，起限位、固定作用。在装配中，导流筒22的上端部穿过隔热笼14的顶隔热板142中部的通孔，和设置在顶隔热板142上方的配接筒21轴向装配，配接筒21和导流筒22通过上述的内、外螺纹217、224紧固连接。配接筒21和凸缘223共同作用把导流筒22固定在顶隔热板142上，如图6所示。所述石墨管123装配于配接筒21和顶端盖113的观察窗114之间。所述配接筒21和导流筒22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，所述配接筒21，如图8、图9所示，包括配接筒部211和进气台部212，配接筒部211为中部设有与其共中心线的通孔的圆柱体，即为圆筒，配接筒部211的顶部设置内径大于该通孔的沉孔，所述沉孔和通孔共中心线，该沉孔和通孔共同作用使配接筒部211的顶部形成环形台阶216。所述环形台阶216用于装配现有技术中用于输运载气的石墨管123，如图6所示。配接筒部211的筒壁内设置下端开口的第一分流腔215，第一分流腔215为环绕配接筒部211中心线一周的呈环状的腔室，第一分流腔215和配接筒部211共中心线，如图8、图9所示，第一分流腔215位于环形台阶216的下方。所述配接筒部211的下端部设置上述的内螺纹217，位于第一分流腔215的下方。所述内螺纹217沿配接筒部211的中心线方向延伸，并和配接筒部211共中心线，如图8所示。所述进气台部212设置在配接筒部211的外部，如图9、图10所示，进气台部212和配接筒部211一体成型，避免石墨材质部件不易固定连接的难题。所述进气台部212内设置用于载气流入的进气孔213，进气孔213的轴心线和配接筒部211的轴线相垂直，如图9、图10所述，所述进气孔213和第一分流腔215间相切连通，并设置在第一分流腔215的左侧，图10所示，以使进气孔213中的载气气流以顺时针方向(从上向下看)流入第一分流腔215内。所述进气孔213的轴心线也可以和配接筒部211的轴线相平行(图中未画出)，根据装配需要，进气孔213的开口向上设置，也可以向下设置，进气孔213和第一分流腔215间需要通过连通气道连通；所述连通气道沿顺时针方向布置(从上向下看，图中未画出)，连通气道的一端部和进气孔213相切连通，另一端部和第一分流腔215的侧壁相切连通，所述连通气道中的载气气流以顺时针方向流入第一分流腔215内，第一分流腔215内的载气在以顺时针方向流动。

其中，所述导流筒22为中部设有与其共中心线的通孔的圆柱体，即为圆筒。导流筒22上端部设置上述的外螺纹224，如图7、12所示，该外螺纹224和上述内螺纹217相配合。导流筒22上端部的筒壁内设置上端面开口的第二分流腔221，第二分流腔221为环绕导流筒22中心线一周的呈环状的腔室，如图7、图12所示。所述外螺纹224嵌套在第二分流腔221的外侧壁的外侧。所述第二分流腔221、外螺纹224和导流筒22共中心线。所述第二分流腔221和第一分流腔215相对应，即第二分流腔221的上端开口和第一分流腔215下端开口正相对。所述导流筒22的筒壁内设置4条导流气道222，如图9、图11所示，4条导流气道222围绕着导流筒22的中心线均匀分布，如图9所示。导流气道222也可以是2条或3条或5条以上。该导流气道222自第二分流腔221的下端面起沿着圆柱状的螺旋线向下延伸，即导流气道222的中心线沿着螺旋线方向向下延伸，并和该螺旋线重合。所述螺旋线非等螺距，上端部的螺距长下端部的螺距短，导流气道出口段的螺距最短；螺旋线位于导流筒22的筒壁内，沿顺时针方向旋转(从上向下看时)，与进气孔213中载气气流流入第一分流腔215内的方向相同，螺旋线和导流筒22共中心线。导流气道222的上端部的进口和第二分流腔221的下端面连通，导流气道222的下端部的出口位于导流筒22的下端，如图7、图12所示。

所述进气孔213和第一分流腔215相切连通，在连通处平滑过渡。如此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215、221，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导流气道222内。载气通过所述进气孔213、第一二分流腔215、221和导流气道222沿相同的旋转方向流动，载气流通所遇到的流通阻力较小，动能损耗较少，载气流到导流气道222的出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，有助于促进表面层的液态硅流动，在液态硅中产生较强的旋转流场。

通过改变导流气道222出口段的螺旋线的螺距和半径，设计导流气道222的出口位于导流筒22的下端部的位置，以及该导流气道222的出口处的载气流的出射方向，也即导流气道222的出口处的中心线的切线方向。所述导流气道222的出口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径不变时，导流气道222的出口位于导流筒22的下端面上，如图11所示，导流气道222的出口处的中心线的切线(即载气的出射方向)和导流筒22的下端面(平行于液态硅表面)间的夹角(切线和面法线间的夹角)逐渐增大，出射载气流对液态硅的载气应力逐淅减少；当导流气道222出口处的螺距接近于导流气道222的孔的内径时，导流气道222的出口处的中心线的切线和导流筒22下端面(平行于液态硅表面)间的夹角接近90度，即导流气道222出口处中心线的切线和导流筒22下端面接近平行，此时出射载气流和液态硅表面接近平行，出射载气流对液态硅的载气应力最小。另外，还可以根据地需要，改变导流气道222出口段的螺旋线的螺距和半径，使导流气道222的出口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径逐渐增大，则导流气道222的出口位于导流筒22外侧面的下端，也可以位于导流筒22的外侧面和下端面的交处，如图12、13所示，以方便设计导流气道222的出口方向，优化出射载气流在液态硅表面上的吹射区域，在载气压力确定的情况下，使液态硅中产生较强的旋转流场。

本实施方式把进气台部212设置在配接筒部211的外部，导流装置中通向铸锭炉内的视场没有遮挡。炉顶的观察窗114经导流装置20具有通向铸锭炉内的视场，操作人员通过观察窗114、导流装置20可以看到炉内硅料的状态，方便司炉操作；固定在观察窗114上方的红外探测仪90经过观察窗、导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；通过导流装置可以将测晶棒插到铸锭炉内，晶体生长速度方便测量。

本实施方式多晶铸锭炉的导流装置20内置了4条用以改变载气流向的导流气道，导流气道围绕着导流装置的中心线分布，导流气道的出口绕着导流装置的中心线沿着相同的角向均匀分布，如图13所示。载气经导流装置的4条导流气道分成4条载气流，该4条载气流分别分散地吹射液态硅表面的4个区域，该4个区域围绕着液态硅的中心分布，适当地减小出射载气流和液态硅表面间的夹角，优选地30-40度，使出射载气流倾斜地吹射液态硅的表面，出射载气流对液态硅产生较大的驱动层流的载气应力，载气应力围绕着液态硅的中心分布，载气应力驱动表面层液态硅流动，并在液态硅中形成作周向流动的旋转流场。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。导流装置使载气分散地吹射液态硅表面的不同区域，有效地增加载气流和液态硅表面的接触面积，单位面积上所接触的载气量减少，则载气从所吹射区域液态硅中带走的热量少，该区域温度降幅小，液态硅组分过冷度减小，能有效地减少载气吹射区域液态硅中的杂质形核及杂质核生长。

实施方式3

实施方式3和实施方式1的区别仅在于：多晶铸锭炉内置有导流装置30，如图14、图15所示，导流装置30和引流装置12的引流管122下端部轴向固定。所述导流装置30用于把载气分成多束出射载气流，出射载气流分别倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，形成围绕液态硅中心沿周向分布的载气应力，载气应力驱动液态硅流动，在液态硅中形成作周向流动的旋转流场。导流装置30外部设置载气流入的进气孔33。加热装置60采用设置于隔热笼内的上述加热管，则加热管的输出端通过配接管道61和导流装置30的进气孔33相连通，输入端和载气的输气管50连通。加热装置60还可以采用上述空气加热器，则空气加热器的输出端和导流装置30的进气孔33通过配接管道61连通，输入端和载气的输气管50连通；所述配接管道61位于炉体外的部分的外部包覆隔热层，以减少载气的热量流失。

其中，所述导流装置30，如图16、图17所示，包括导流筒部31和进气台部32，导流筒部31和进气台部32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。所述导流筒部31为中部设有沿中心线方向通孔的柱体，该通孔和导流筒部31共中心线，导流筒部31的上端设置用于固定连接的内螺纹37，内螺纹37沿导流筒部31的中心线方向延伸，根据需要也可以设置外螺纹。所述导流筒部31上端部的筒壁内设置沿周向延伸的分流腔35，分流腔35为环绕导流筒部31中心线一周的呈环状的密闭腔室，分流腔35位于所述内螺纹37的下方，并与导流筒部31共中心线。所述进气台部32设置在导流筒部31的外部，如图17所示，导流筒部31和进气台部32一体成型，避免石墨材质部件不易固定连接的难题。所述进气台部32内设置用于载气流入的进气孔33，进气孔33的轴心线和导流筒部31的轴心线相垂直，进气孔33和分流腔35的侧壁相切连通，如图17所示，并在连通处作平滑处理，以减少载气流通的阻力。进气孔33的开口位于左侧，如图17、图18所示，以使进气孔33中载气气流沿顺时针方向(从上向下看)流入分流腔35内，载气在分流腔35内沿顺时针方向流动。所述进气孔33的轴心线也可以和导流筒部31的轴心线相平行(图中未画出)，根据装配需要，进气孔33的开口向上设置，也可以向下设置，进气孔33和分流腔35间通过连通气道连通；所述连通气道沿顺时针方向布置(从上向下看，图中未画出)，连通气道的一端部和进气孔33相切连通，另一端部和分流腔35的侧面相切连通，所述连通气道中的载气气流以顺时针方向流入分流腔35内。

所述导流筒部31的筒壁内设置4条导流气道36，导流气道36围绕着导流筒部31的中心线均匀分布，如图17、19、21所示。该导流气道36自分流腔35的下端面起沿着圆柱状螺旋线向下延伸，即导流气道36的中心线沿着螺旋线方向向下延伸，并和该螺旋线重合。所述螺旋线非等螺距，导流气道36出口处的螺旋线的螺距最短，螺旋线位于导流筒部31的筒壁内，螺旋线沿顺时针方向旋转(从上向下看时)，与分流腔35中载气气流的流动方向相同，螺旋线和导流筒部31共轴心线。所述导流气道36的上端部的进口和分流腔35的下端面连通，下端部的出口位于导流筒部31的下端。

所述进气孔33和分流腔35相切连通，在连通处平滑过渡。如此方式布局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35，在分流腔35内旋转，有较长的流程，有利于载气较均匀地流入导流气道36内。所述载气通过进气孔33、分流腔35和导流气道36沿着相同的方向旋转流动，载气流通所遇到的流通阻力较小，动能损耗较少，载气流到导流气道36的出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，有助于促进液态硅流动，在液态硅中产生较强的旋转流场。

通过改变导流气道36出口段的螺旋线的螺距和半径，设计导流气道36的出口位于导流筒部31的下端部的位置，以及该导流气道36出口处的载气流的出射方向，也即导流气道36的中心线在出口处的切线方向。所述导流气道36出口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径不变时，导流气道36的出口位于导流筒部31的下端面上，如图19所示，导流气道36的中心线在出口处的切线(即载气流的出射方向)和导流筒部31的下端面(平行于液态硅表面)间的夹角(切线和面法线间的夹角)逐渐增大，出射载气流对液态硅的载气应力减少；当导流气道36出口处的螺旋线的螺距接近于导流气道36的孔径时，导流气道36的中心线在出口处的切线和导流筒部31下端面(平行于液态硅表面)间的夹角接近90度，即导流气道36的中心线在出口处的切线和导流筒部31下端面接近平行，此时出射载气流和液态硅表面接近平行，出射载气流对液态硅的载气应力最小。另外，还可以根据需要，改变导流气道36出口段的螺旋线的螺距和半径，使该出口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径逐渐增大，则导流气道36的出口位于导流筒部31外侧面的下端，也可以位于导流筒部31的外侧面和下端面的交处，如图20、图21所示，以方便设计导流气道36的出口方向，优化出射载气流在液态硅表面上的吹射区域，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。

本实施方式把进气台部32设置在导流筒部31的外部，导流装置30中通向铸锭炉内的视场没有遮挡。观察窗114经导流装置30具有通向铸锭炉内的视场，操作人员从观察窗114可以看到炉内硅料的状态，方便司炉操作；固定在观察窗114上方的红外探测仪90经过观察窗、导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；通过导流装置可以将测晶棒插到铸锭炉内，晶体生长速度方便测量。

本实施方式铸锭炉的导流装置30内置了4条用以改变载气流向的导流气道，导流气道围绕着导流装置的中心线分布，导流气道的出口绕着导流装置的中心线沿着相同的角向均匀分布，如图19、21所示。载气经导流装置的4条导流气道分成4束载气流，该4束载气流分别分散地吹射液态硅表面，在液态硅表面上形成4个吹射区域，所述4个吹射区域围绕着液态硅的中心分布，适当地减小出射载气流和液态硅表面的夹角，优选地30-40度，使出射载气流倾斜地吹射液态硅的表面，出射载气流对液态硅产生较大的驱动层流的载气应力，载气应力围绕着液态硅中心沿周向分布，载气应力驱动表面层液态硅流动，则在液态硅中形成作周向流动的旋转流场。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，晶体的径向电阻率分布更均匀，晶体的质量得到进一步提高。导流装置使载气分散地吹射液态硅表面的不同区域，有效地增加载气流和液态硅表面的接触面积，单位面积上所接触的载气量减少，则载气从所吹射区域液态硅中带走的热量少，该区域温度降幅减小，液态硅组分过冷度减小，能有效地减少载气吹射区域液态硅中的杂质形核及杂质核生长。

实施方式4

实施方式4和实施方式1的区别仅在于：多晶铸锭炉内置有导流装置40，如图22、图23所示，导流装置40和引流装置12的引流管122下端部轴向固定。所述导流装置40用于把载气分成多束出射载气流，出射载气流分别倾斜地吹射液态硅表面的不同区域，形成围绕液态硅中心沿周向分布的载气应力，载气应力驱动液态硅流动，在液态硅中形成作周向流动的旋转流场。导流装置40外部设置载气流入的进气管部42。加热装置60采用内置于隔热笼14内的上述加热管，则加热管的输出端通过配接管道61和导流装置40的进气管部42相连通，输入端和载气的输气管50连通。载气的加热装置60还可以采用上述的空气加热器，则空气加热器的输出端和导流装置40的进气管部42通过配接管道61连通，输入端和载气的输气管50连通，所述配接管道61位于炉体外的部分的外部包覆隔热层，以减少载气的热量流失。

其中，所述导流装置40，如图24、图25所示，包括紧固部45，分流腔部41、进气管部42和导流气管43，其材质为钼，也可以使用成本高的钛等耐高温材料。紧固部45为中空的圆筒，设置在分流腔部41的顶部，并和其轴向固定。紧固部45的内壁上设置沿其中心线方向的内螺纹46，根据地需要也可以设置外螺纹。所述分流腔部41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，内侧壁和外侧壁为筒状，内侧壁嵌套在外侧壁内，并共中心线。所述进气管部42设置在分流腔部41的外部，进气管部42的轴心线和导流装置40的轴线相垂直，如图25所示，进气管部42和分流腔部41的外侧壁固定，进气管部42和分流腔部41的侧壁相切连通，进气管部42的进口设置在分流腔部41的左侧，以使进气管部42中载气气流沿顺时针方向(从上向下看)流入分流腔部41内。所述进气管部42的轴心线也可以和导流装置40的轴心线相平行(图中未画出)，根据装配需要，进气管部42的开口向上设置，也可以向下设置，进气管部42和分流腔部41间通过连通气管连通；所述连通气管沿顺时针方向布置(从上向下看，图中未画出)，连通气管的一端部和进气管部42相切连通，另一端部和分流腔部41的侧壁相切连通，所述连通气管中的载气气流以顺时针方向(从上向下看)流入分流腔部41内，则分流腔部41内的载气以顺时针方向流动。所述分流腔部41的下方设置4条用以改变载气流向的导流气管43，如图23、24所示，4条导流气管43围绕分流腔部41的轴心线均匀分布，导流气管43也可以是2条或3条或5条以上。所述导流气管43沿圆柱状螺旋线分布在分流腔部41的正下方，即导流气管43的中心线沿着螺旋线方向向下延伸，并和该螺旋线重合，如图24所示。所述螺旋线位于分流腔部41下端壁的正下方，为非等螺距螺旋线，导流气管43出口处的螺距最短，螺旋线和分流腔部41共轴心线。螺旋线沿顺时针方向旋转(从上向下看时)，与分流腔部41中载气气流的方向相同。导流气管43的上端部的进口端和分流腔部41的下端壁连通并固定，导流气管43的下端部的出口位于分流腔部41下端壁的下方，并绕着导流装置的中心线沿着相同的角向均匀分布，如图24所示，对着液态硅表面的不同区域。

所述进气管部42和分流腔部41相切连通，在连通处做平滑过渡。如此方式布局可以降低载气流通的阻力，减少载气的能量损耗，使载气保持较高的动能，进入分流腔部41，在分流腔部41内旋转，有较长的流程，有利于载气较均匀地流入导流气管43内。所述载气通过进气管部42、分流腔部41和导流气管43沿着相同的方向旋转，载气流通所遇到的流通阻力较小，动能损耗较小，载气流到导流气管43的出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。

通过改变导流气管43出口段的螺旋线的螺距和半径，设计导流气管43的出口位于分流腔部41下端壁下方的位置，以及该导流气管43的出口处的载气流的出射方向，也即导流气管43的中心线在出口处的切线方向。所述导流气管43出口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径不变时，导流气管43的出口位于分流腔部41的下端壁的正下方；导流气管43的中心线在出口处的切线(即载气流的出射方向)和分流腔部41下端壁面(平行于液态硅表面)间的夹角(切线和下端壁面法线间的夹角)逐渐增大，出射载气流对液态硅的载气应力逐渐减小；当导流气管43出口段的螺旋线的螺距接近于导流气管的外径时，导流气管43的中心线在出口处的切线和分流腔部41下端壁面(平行于液态硅表面)间的夹角接近90度，即导流气管43的中心线在出口处的切线和分流腔部41下端壁面接近于平行，出射载气流和液态硅表面接近平行，此时出射载气流对液态硅的载气应力最小。另外，根据需要，还可以改变导流气管43出口段的螺旋线的螺距和半径，使该出口段的螺旋线的螺距逐渐减小、半径逐渐增大，则导流气管43的出口位于分流腔部41外侧壁的延伸面的下端，也可以位于分流腔部41外侧壁的延伸面的外部；以方便设计导流气管43的出口方向，优化出射载气流在液态硅表面上的吹射区域，如使其处于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。

本实施方式把进气管部42设置在分流腔部41的外部，导流装置40中通向铸锭炉内的视场没有遮挡。炉顶上的观察窗114经导流装置40具有通向铸锭炉内的视场，操作人员从观察窗114可以看到炉内硅料的状态，方便司炉操作；固定在观察窗114上方的红外探测仪经观察窗114、导流装置40可以探测到炉内硅料的状态，自动长晶工艺顺利地进行；测晶棒通过导流装置可以插到铸锭炉内，晶体生长速度方便测量。。

本实施方式铸锭炉的导流装置40中设有4条用以改变载气流向的导流气管，导流气管围绕着导流装置的中心线分布，导流气管的出口绕着导流装置的中心线沿着相同的角向均匀分布，如图24所示。载气经导流装置的4条导流气管分成4束载气流，该4束载气流分散地吹射液态硅表面，在液态硅表面上形成4个吹射区域，4个吹射区域围绕液态硅的中心分布。适当地减小出射载气流和液态硅表面间的夹角，优选地30-40度，使出射载气流倾斜地吹射液态硅的表面，出射载气流对吹射区域的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；载气应力围绕着液态硅中心沿周向分布，则在液态硅中形成作周向流动的旋转流场。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，避免杂质局域富集，晶体的径向电阻率分布更均匀，晶体的质量得到进一步提高。导流装置使载气分散地吹射液态硅表面的不同区域，有效地增加载气流和液态硅表面的接触面积，单位面积上所接触的载气量减少，则载气从所吹射区域液态硅中带走的热量少，该区域温度降幅减小，液态硅组分过冷度减小，能有效地减少载气吹射区域液态硅中的杂质形核及杂质核生长。

为了方便描述，下面对后三个实施方式的导流装置中相对应的技术名称进行统一化处理。所述进气孔213、33、进气管部42将通称为进气口；第一二分流腔、分流腔35、分流腔部41将通称为分流腔；导流气道36、222、导流气管43将通称为导流通道。

本发明多晶铸锭炉的工作原理是：首先把石英坩埚18放在石墨底板181上，向石英坩埚18内装满硅料，再把4块石墨护板182分别直立地放置在石墨底板181的边侧，并使石墨护板182和坩埚18的侧壁相贴合，再用螺栓把两相临石墨护板182依次固定，最后再把盖板183盖合在石墨护板182的顶端面上。打开多晶铸锭的下炉体，用叉车的叉臂拖起石墨底板181，将其移入炉内并放在换热平台16上，合上下炉体，启动自动长晶工艺进行铸锭。输气管50把冷载气输送到加热装置进行加热，形成温度较高的热载气，该热载气经配接管道流入导流装置的分流腔，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导流通道内，再从导流通道的出口处出射，出射的载气流分别分散地吹射液态硅的表面的不同区域。导流装置的多条导流通道围绕导流装置的中心线分布，导流通道的出口绕着导流装置的中心线沿着相同的角向均匀分布，导流通道的出射载气流分别分散地吹射液态硅表面的不同区域，该吹射区域围绕着液态硅的中心均匀分布，出射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分布，载气应力驱动着表层液态硅流动，在液态硅中形成作周向流动的旋转流场。适当地减小出射载气流和液态硅表面间的夹角，优选地30-40度，出射载气流倾斜地吹射液态硅的表面，出射载气流对液态硅产生更大的驱动层流的载气应力，液态硅中产生更强的旋转流场。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。

和现有技术相比，本发明具有如下技术进步性。

1)减少甚至消除液态硅中由载气所导致的局域过冷，通过设置载气的加热装置，冷载气先经加热装置加热形成热载气，再将热载气吹射液态硅。当热载气的温度低于液态硅的温度时，载气从所吹射区域的液态硅中所带走的热量大大减少，该区域液态硅的温降大幅减小，过冷度减小，液态硅中载气所导致的杂质的形核机率减少，降低甚至消除了液态硅中由载气所促进的杂质的形成；当热载气的温度高于液态硅的温度时，载气对所吹射区域的液态硅补给热量，使该区域液态硅的温度升高，减少液态硅中径向的温度差，抑制该区域液态硅中的杂质形核，消除了载气所促进的杂质的形成，提高晶体的质量。

2)炉顶的观察窗中具有通向铸锭炉内的视场，通过把导流装置的进气台部(进气管部)设置在导流装置的配接筒部/导流筒部(分流腔部)外部，导流装置中通向铸锭炉内部的视场没有遮挡；通过炉顶的观察窗可察看铸锭炉内的状况，方便司炉操作；测晶棒可穿过导流装置插到铸锭炉内，晶体的生长速度方便测量；红外探测仪通过观察窗可探测铸锭炉内硅料的状态，自动长晶工艺顺利进行。

3)进一步减少液态硅中载气所导致的局域温降，导流装置的多个导流通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，载气流从该单位面积上所带走的热量减少，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温降。

4)促进杂质挥发和杂质均匀分布，提高晶体的质量，导流装置的多个导流通道围绕导流装置的中心线均匀分布，载气经导流通道分成多束载气流，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 (7)

1.一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，包括装配于铸锭炉内用于向炉内输送载气的引流装置，其特征在于：还包括用于加热载气的加热装置，所述加热装置的输出端和引流装置的输入端相连通，输入端用于和载气的输气管连通。

2.根据权利要求1所述的一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，其特征在于：所述加热装置为空气加热器，空气加热器的壳体内设置隔热层，空气加热器的输出端和引流装置的输入端通过配接管道连通，输入端和载气的输气管连通；所述配接管道的外部包覆隔热层。

3.根据权利要求2所述的一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，其特征在于：所述空气加热器为肋管式空气加热器。

4.根据权利要求1所述的一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，其特征在于：所述加热装置为加热管，所述加热管设置于铸锭炉的隔热笼内，加热管的输出端和引流装置的输入端通过配接管道连通，输入端和载气的输气管连通。

5.根据权利要求4所述的一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，其特征在于：所述加热管迂回分布，设置于铸锭炉的加热器和隔热笼之间。

6.根据权利要求5所述的一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，其特征在于：所述加热管为翅片管，设置于加热器的顶加热器和隔热笼的顶隔热板之间。

7.根据权利要求3或4所述的一种带有载气加热装置的多晶铸锭炉，其特征在于：所述肋管、加热管的材质为钼、钨或钛。