CN108103568A - 单晶炉的自动加料装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单晶炉的自动加料装置及其操作方法，所述自动加料装置包括称重机构、主控制器、加料机构和储料箱；加料机构包括料箱、电机、转轴和挡板；料箱上具有进料口和出料口；转轴转动连接在料箱上且与电机的输出轴固定连接，转轴的轴向中部的周缘上具有开口，开口径向向内延伸形成舱口；所述挡板固定连接在料箱上且靠紧在转轴的轴向中部的周缘上；所述储料箱固定连接在料箱的进料口处且与该进料口连通。所述电机和称重机构均与主控制器电连接或者无线信号连接。采用本发明的自动加料装置的单晶炉在进行单晶棒的连续拉制过程中，坩埚内的液体硅料在连续加料中液面保持平稳、晶体能稳定生长，不会出现多晶生长现象。

Description

单晶炉的自动加料装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种单晶炉的部件，特别涉及一种单晶炉的自动加料装置及其操作方法。

背景技术

硅材料按照晶体结构可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不间断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现的是各向异性，即在不同的晶体方向上各种性质都存在差异。多晶硅材料则是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。非晶硅材料是指硅原子在短距离内有序排列而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。对于多晶硅来说，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，结晶成多晶硅。若熔融的单质硅在凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。

目前制造单晶硅的方法主要有直拉法、磁场直拉法、区熔法以及双坩埚拉晶法。单晶炉是一种在保护性气体（氮气、氦气为主）环境中，用加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。单晶炉广泛用于太阳能光伏发电的单晶硅棒制造和半导单晶硅棒的制造。太阳能光伏发电是全世界公认的清洁能源，它取之不尽，用之不竭，是人类发展所需的理想的能源，世界各国都在大力发展。但是，其发展受制于两个瓶颈，一是受制于材料的光电转换效率，二是太阳能光伏发电组件制造成本较高，尤其是前期制造所需要消耗的能源比较高，因此整体应用和普及速度不快。在光电转换效率方面，虽然近几年有了一定的提高，单位组件的成本也有下降，推动了光伏产业的发展。但由于转换效率有极限限制，提升空间越来越窄，后续发展空间很少，从而转换效率的因素对后续快速发展光伏发电的动能越来越小。

目前降低制造单晶硅的能耗的改进主要围绕两个方面进行，一是改变投料的方式，也即将停炉投料改变为不停炉投料。二是改变拉制单晶硅棒方法，也即由分步法拉制单晶硅棒改变为连续法拉制单晶硅棒。

对于不停炉投料，中国专利文献CN101403136A（专利申请号为200810175871.1以下简称文献1）公开了一种硅单晶炉连续投料装置及设有该装置的硅单晶炉。文献1多出了一个设置在硅单晶炉主室上部的硅单晶炉副室，所述的硅单晶炉连续投料装置设置在副室中。所述的硅单晶炉装置包括料筒，料筒的底边内翻并卡设一硅片。使用时料筒中装有硅原料，料筒进入副室后，由上向下由其上部外侧坐落在设置在主室的上端开口处的销轴上，通过相应的传动机构使得压杆向下运动，从而压碎硅片，而使得硅片与硅原料一起落入石英坩埚的溶硅液面，而完成投料。文献1的投料装置能够在不开炉的条件下，连续向石英坩埚内投料，使得硅单晶炉产量和成品率增高，降低能耗和成本，但是却存在结构及操作较为复杂的问题。另外，由于这种投料方式是将一炉料一次性投下，在完成一炉原料拉晶生产后，在不停炉的情况下，为准备新一炉的原料，而进行的投料方面的改进，故无法进行单晶硅棒的连续拉制。

中国专利文献CN10231228A（专利申请号为201110186157.4，以下简称文献2）公开了一种用于单晶炉的外部连续投料机构。该投料机构包括一个带密封盖的料仓。料仓底部设放料阀门。放料阀门接于一根放料内管。放料内管的外面套设一根放料外管。放料外管与一个用于实现放料外管沿放料内管延长方向伸缩的传动机构连接。放料内管、放料外管及传动机构均设于气密筒中。气密筒底端设一个球阀或翻板阀。单晶炉的主炉室上部设有一投料口，投料口与球阀或翻板阀气密连接。文献2可在不需要停炉的情况下实现装料，以便连续生长多根晶体。虽然该投料方式节省了停炉冷却、擦炉、装料、抽真空、化料等步骤所需的时间，大幅提高了生产效率。但是，其投放多晶硅料时，物料直接在重力作用下沿内管和外管形成的通道下降，产生较大的速度，会造成熔化硅液的飞溅和液面的不稳定。

在连续法拉制单晶硅棒方面，可参考中国专利文献CN106544726A（申请号为201611076542 .2，以下简称文献3）所公开的“一种拉晶、加料、化料、分离杂质同步进行的连续拉制单晶硅棒的方法”。该方法包括在坩埚内装料；加热化料；拉晶、加料、化料、分离杂质同步进行；通过提拉装置上的一个提拉头拉成规定长度或一定长度的棒；通过转换提拉装置上的另一个提拉头后继续拉晶、加料、化料、分离杂质；重复拉制直至硅棒品质因杂质影响接近标准要求，然后停炉、清炉。该方法通过拉晶、加料、化料、分离杂质同步进行，节省了以前装料、化料、晶棒冷却、停炉、清炉的时间，通过两个可以重复切换的提拉头，冷却、取棒都和拉晶同步进行，大大节约了时间。在拉制过程中逐步添加母合金，消耗量和添加量一致，因此用该文献的方法拉晶大大提高了硅棒的品质，在拉晶时可以控制使得拉出晶体质量和添加硅料质量一致，从而可使得长晶液面位置恒定，长晶液面的温度波动可以很小，长晶时就会很稳定，一般情况原材料品质没有问题，连续拉制可以一个月以上。但是，该方法在投料方面未给出具体的方案，如果采用已有技术的方案，则将会造成熔化硅液的飞溅和液面的不稳定。

现有的单晶炉主要包括炉盖、炉体、晶体旋转提拉装置、坩埚、坩埚升降旋转机构和加热器，其中的坩埚和加热器属于单晶炉的热场部件。单晶炉的热场部件还包括保温罩和保温盖等。坩埚、加热器、保温罩和保温盖均设置炉体内，加热器围绕坩埚设置，保温罩围绕加热器设置，保温盖坐落在保温罩上，坩埚的下部通过坩埚升降旋转机构驱动坩埚的升降和旋转。晶体旋转提拉装置设置在炉盖的上方。晶体旋转提拉装置的提拉绳（采用单晶炉用钨丝提拉绳）穿过炉盖进入炉体。对文献3的单晶炉在采用现有技术加料时，一般可以通过人工操作的方式进行加料，把籽晶通过一定方式固定在籽晶夹具上，籽晶夹具与晶体旋转提拉装置的提拉绳相连，拉晶前盖上炉盖后再抽真空，再通入氩气。然后启动加热器使已投进坩埚内的固体硅料熔化为液体硅料，液体硅料沿籽晶下端按一定规律周期性排列，不断结晶长大，晶体在生长过程中需不断在旋转中向上提拉生成晶棒并伸长。本发明的发明人发现：从原则上说，要求晶体生长多少，加料数量就是多少，但目前的人工控制加料的方式很难做到加料数量与晶体生长数量相匹配。当加料数量大于晶体生长速度时，会使坩埚内的液体硅料的液面升高，液面与坩埚顶部之间的距离会变小；当加料数量小于晶体生长速度时，会使坩埚内的液体硅料的液面降低，液面与坩埚顶部之间的距离会变大，从而会使晶体不能稳定生长，甚至出现多晶生长现象（也称断棱线现象或断晶线现象）。

发明内容

本发明的第一目的在于提出一种单晶炉的自动加料装置。该装置用于单晶炉后能够使得在拉晶过程中坩埚内的液体硅料在连续加料过程中保持液面平稳、晶体能稳定生长，不会出现多晶生长现象。

实现上述第一目的所采用的技术方案是：本发明的单晶炉的自动加料装置，包括储料箱和第一阀门。其结构特点是：还包括称重机构、加料机构和主控制器。所述的加料机构设有保护性气体接入口和抽真空接口，且加料机构包括料箱、电机、转轴、挡板、导料板和连接板。所述的料箱具有箱体、位于上方的进料管和位于下方的出料管，且进料管和出料管均与箱体的内腔相连通。进料管密闭设置在箱体上或通过其它密封件密闭设置在箱体上。出料管密闭设置在箱体上或通过其它密封件密闭设置在箱体上。所述电机由其机座直接固定连接在料箱上或固定连接在其他固定结构件上。所述转轴转动连接在料箱上，且转轴的主体位于料箱的箱体中，并且位于进料管与出料管之间。转轴的左端与电机的输出轴相连；转轴的轴向中部的周缘上具有开口，且开口沿径向向内延伸从而形成舱口，并且舱口用于在转轴转动时落入和落下固体硅料。所述的挡板、导料板和连接板均位于料箱的箱体中。所述的连接板由其左右端部固定连接在料箱的箱体上。所述的挡板由其顶部固定连接在连接板上，其左右两端靠近箱体，并且靠紧在转轴的轴向中部的周缘上。所述的导料板按照前高后低的方式设置，且其前侧边沿固定连接在连接板上或者是固定连接在箱体上，并且其板体位于进料管的下方。箱体、转轴、挡板、导料板和连接板的设置，使得相互间的空隙小于固体硅料的粒径。所述的加料机构的保护性气体接入口设置在储料箱的箱体的上部。储料箱位于料箱的上方，密闭固定连接在料箱上，且其出料口与进料管连通。第一阀门设置在储料箱的位于下方的出料口处。所述称重机构的称量信号输出端、电机和第一阀门各自的控制端均与主控制器电连接或者是无线信号连接。所述的加料机构的抽真空接口设置在储料箱的底部或者是料箱的底部。

所述的单晶炉的自动加料装置还包括物料缓冲机构、保温盖、引导管和单晶炉的炉盖。所述的炉盖设有进料口。所述物料缓冲机构包括筒体、左挡板和右挡板。所述的筒体的上端设有进料口，下端设有出料口。所述左挡板和右挡板的数量相等，或者两者相差一块，并且两者相间设置。各块左挡板按照左高右低的方式固定连接在筒体的内壁上。各块右挡板按照左低右高的方式固定连接在筒体的内壁上，且位于左挡板的对面。相邻的左挡板与右挡板之间具有一定的距离，该距离大于使用中所投入的固体硅料颗粒的粒径，并且上侧挡板的下边沿位于相邻的下侧挡板的板体的上方。

使用时，物料缓冲机构设置在保温盖上，其底部位于坩埚内，且该底部从上方接近预定的液体硅料的液面的实际到达的最高高度；引导管由其进料口从内测固定连接在炉盖的进料口处，且其出料口位于筒体的进料口的上方，并接近筒体的进料口；加料机构的出料管通过出料口可拆式密闭连接在炉盖的进料口的相应的管路与引导管相连通，并且所述的相应的管路的出料口从外侧密闭固定连接在炉盖的进料口处。

所述的单晶炉的自动加料装置的物料缓冲机构是材质为石英玻璃的一体件。

所述的单晶炉的自动加料装置的料箱包括左箱盖、箱体和右箱盖；所述左箱盖和右箱盖均固定连接在箱体上；所述转轴包括左轴段、中轴段和右轴段；所述左轴段转动连接在左箱盖上；所述右轴段转动连接在右箱盖上；所述舱口位于箱体的内腔中，且位于转轴的中轴段上。

所述的单晶炉的自动加料装置的加料机构的保护性气体接入口设置在储料箱的箱体的顶部。所述的加料机构的抽真空接口设置在储料箱的箱体的底部。

所述的单晶炉的自动加料装置还包括联轴器。所述转轴通过联轴器传动连接在电机的输出轴上。

所述的单晶炉的自动加料装置还包括液面跟踪机构。所述的液面跟踪机构的测距信号输出端与主控制器电连接或者是无线信号连接。

本发明的第二目的在于提出一种单晶炉的自动加料装置的操作方法，采用该操作方法的单晶炉拉晶方法，能够使得在拉晶过程中坩埚内的液体硅料在连续加料过程中保持液面平稳、晶体能稳定生长，不会出现多晶生长现象。

实现上述第二目的所采用的技术方案是：如前述的单晶炉的自动加料装置，其操作方法，包括以下步骤：

①单晶炉进入可以开始连续拉晶的状态后，由人工向主控制器输入相应的操作指令，运行自动拉晶程序。其中，称重机构处于定时进行称重的状态，对每次称量晶棒得出的实时重量信息传给主控制器；

②主控制器将相邻两次晶棒实时重量的差额作为所需的加料量，并根据所需加料量计算出电机所需要的设定速度。

③在电机启动前，若转轴的开口朝向上方，则本方法开始前下落至转轴上的固体硅料有一部分落入舱口中，其余则堆积在转轴的朝向上方的其余部位以及舱口中的固体硅料的上方；若转轴的开口朝向下方，则本方法开始前下落至转轴上的固体硅料全部堆积在转轴的朝向上方的部位上。

④由于电机的转动由主控制器发出的信号进行控制，电机在主控制器的控制下转动，也即电机按照步骤②计算出的设定速度转动，电机带动转轴同步旋转。对于电机首次启动时的转速按照一个设定的转速进行转动，对于电机再次启动时的转速按照上次停机时的转速进行转动。

⑤在电机启动时，对于转轴的开口朝向下方的情况，随着转轴的转动，由于挡板或导料板的阻挡，固体硅料不能离开待料空间，而当转轴的开口由朝向下方转动到朝向上方时，则堆积在转轴上的固体硅料的一部分落入舱口中。转轴继续转动至其开口朝向下方时，则舱口中的固体硅料下落至前导向板或后导向板上，然后沿相应的导向板依次经过出料管以及相应的管路后，到达单晶炉的进料口，再经物料缓冲机构进入坩埚内；这种加料方式循环进行。

⑥在电机启动时，对于转轴的开口朝向上方的情况，电机带动转轴按设定速度旋转至开口的方向朝下时，则舱口中的固体硅料在重力的作用下，下落至前导向板或后导向板上，然后沿相应的导向板依次经过出料管以及相应的管路后，到达单晶炉的进料口，再经物料缓冲机构进入坩埚内；这种加料方式循环进行。

所述的单晶炉的自动加料装置的操作方法，还包括如下步骤：

⑦主控制器定时接收由液面跟踪机构测出坩埚内的液体硅料的液面高度而发来的液面高度信号，并进行判断。若所设定的一段时间所接收的高度信号所表示的液面高度差小于主控制器设定的液面高度的差值时，则由主控制器发出信号使电机按高于设定速度的转速转动；若所接收的高度信号所表示的液面高度差大于主控制器设定的液面高度的差值时，则由主控制器发出信号使电机按低于设定速度的转速转动；若所接收的高度信号所表示的液面高度的差值不超过所设定的范围时，则保持电机原有的转速不变。

所述的单晶炉的自动加料装置的操作方法中，自动加料装置还包括第二阀门。第二阀门设置在料箱的出料管的出料口处，且第二阀门的控制端与主控制器电连接或者是无线信号连接。步骤①中，运行自动拉晶程序时，还包括开启第二阀门。步骤⑤中，固体硅料依次经过出料管以及相应的管路当中，还经过第二阀门；步骤⑥中，固体硅料依次经过出料管以及相应的管路当中，还经过第二阀门。

本发明具有如下积极效果：（1）由于本发明的单晶炉的自动加料装置的电机的机座固定连接在料箱或其它其他固定结构件上，转轴转动连接在料箱上且可通过联轴器与电机的输出轴固定连接，转轴上设有舱口，且料箱中还存在有待料空间，则电机转动时，即可将落入舱口中的固体硅料向下方送出料箱，并且经过连接管路到达单晶炉的进料口，再经过引导管和物料缓冲机构而投入坩埚中，从而可以通过控制电机的转速来控制固体硅料的投料量。（2）本发明在自动确定投料量的多少时，分别将电机的控制端、第一阀门的控制端、第二阀门的控制端以及称重机构的称重信号输出端均与主控制器电连接或者无线信号连接，还将称重机构的拉力测量接头连接在单晶炉的晶体提拉装置的提拉绳上，因而称重机构可以准确地称出提拉中的晶棒的实时重量，并将提拉中的晶棒的实时重量信息传给主控制器，由主控制器根据单位时间内晶棒实时重量的差额计算所需的加料量，并根据所需加料量计算出电机的设定速度。（3）由于优选设置物料缓冲机构，不仅可以避免液体硅料的飞溅，而且可以使得投料时所加料数量与晶体生长数量相匹配，从而使坩埚内的液体硅料在连续加料过程中保持液面平稳，晶体可以稳定生长，也不会出现多晶生长现象。

附图说明

图1是本发明的单晶炉的自动加料装置的结构示意图。

图2是图1中的加料机构和储料箱的示意图，图中的标号4所指的位置处表示第一阀门的安装位置，第二阀门安装在出料管的出料口处，图中未画出。

图3是图2的A-A剖视示意图。

图4是图2中的转轴的示意图。

图5是图4的俯视示意图。

图6是图1中的液面跟踪机构连接在单晶炉的炉盖上的示意图。

图7是称重机构连接在单晶炉的晶体旋转提拉装置的提拉绳上的示意图。

图8是图1中的物料缓冲装置的示意图

上述附图中的附图标记如下：称重机构1，储料箱2，加料机构3，料箱30，左箱盖30-1，箱体30-2，右箱盖30-3，进料管30-4，出料管30-5，顶部封盖30-6，套管30-7，封盖30-8，电机31，转轴32，左轴段32-1，中轴段32-2，右轴段32-3，开口32-4，舱口32-5，挡板33，导料板34，连接板35，导向板36，前导向板36-1，后导向板36-2，联轴器37，第一阀门4，物料缓冲机构5，筒体51，左挡板52，右挡板53，液面跟踪机构6，固体硅料7，主控制器8，炉盖100，进料口101，保温盖102，保温罩103，坩埚104，引导管105，提拉绳106，炉体107。

具体实施方式

在以下描述中，按照图1所示的上下左右的方位表示相应的方向，并且将朝向纸面的一方作为前方，将背离纸面的一方作为后方。

（实施例1）

见图1，本实施例的单晶炉的自动加料装置包括称重机构1、储料箱2、加料机构3、阀门、物料缓冲装置5、液面跟踪机构6和主控制器8。阀门包括第一阀门4和第二阀门。称重机构1的称重信号输出端、电机的控制端、第一阀门4和第二阀门各自的控制端、液面跟踪机构6激光测距信号输出端均与主控制器电连接或者无线信号连接。

见图1至图3，所述的加料机构3包括料箱30、电机31、转轴32、挡板33、导料板34、连接板35、导向板36和联轴器37。所述料箱30、转轴32、挡板33、导料板34、连接板35和导向板36的材质均为不锈钢。所述料箱30的箱体30-2为长方体形的箱体，料箱30设有位于上方的进料管30-4和位于下方的出料管30-5。进料管30-4密闭设置在箱体30-2上或通过其它密封件密闭设置在箱体30-2上。出料管30-5密闭设置在箱体30-2上或通过其它密封件密闭设置在箱体30-2上。所述的电机31由其机座固定连接在料箱30上。

所述转轴32转动连接在料箱30上，转轴32的主体位于料箱30的内腔中，且位于进料口30-4与出料口30-5之间。转轴32的左端通过联轴器37与电机31的输出轴固定连接。转轴32的轴向中部的周缘上具有开口32-4，开口32-4沿径向向内延伸，从而形成舱口32-5，并且舱口32-5的前后向、左右向以及径向的长度均大于固体硅料颗粒的粒径。所述转轴32包括左轴段32-1、中轴段32-2和右轴段32-3。转轴32的舱口32-5位于中轴段32-2上。

所述料箱30还包括左箱盖30-1、右箱盖30-3、顶部封盖30-6、套管30-7和封盖30-8。所述左箱盖30-1和右箱盖30-3均固定连接在箱体30-2上。转轴32由其右端头通过设置在右箱盖30-3上的滚动轴承而与料箱30转动连接。转轴32由其左轴段32-1穿过兼起滑动轴承作用的左箱盖30-1而与料箱30转动连接。进料管30-4与顶部封盖30-6密闭连接，顶部封盖30-6、套管30-7、封盖30-8以及箱体30-2依次密闭连接。所述连接板35设有中央孔，料箱30的进料管30-4由其下端口穿过该中央孔，并且焊接固定在连接板35上。连接板35水平设置，且由其左右端部固定连接在料箱30的箱体30-2上。所述的挡板33铅垂设置，且由其顶部固定连接在连接板35上，其左右两端靠近箱体30-2，并且挡板33从后方靠紧在转轴32的轴向中部的周缘上，并从后侧挡住转轴32的中轴段32-2。并且挡板33的与转轴32的接触部位设有与转轴32相配合的弧形凹坑33-1。所述的导料板34按照前高后低的方式设置，且其前侧边沿固定连接在连接板35上。导料板34的板体位于进料管30-4的下方，且导料板34的后侧边沿位于进料管30-4的中央部位处的下方，并且导料板34的后侧边沿与转轴32的周缘的距离小于固体硅料7的颗粒的粒径，以及导料板34的左右两端靠近箱体30-2。也即箱体30-2、转轴32、挡板33、导料板34和连接板35的设置，使得相互间的空隙小于固体硅料7的粒径。第二阀门优选可以电控的球阀，第二阀门设置在料箱30的出料管30-5的出料口处。

导向板36有2块，分前后设置，从而称为前导向板36-1和后导向板36-2。前导向板36-1按照前高后低的方式设置，且位于料箱30的前下角部；后导向板36-2按照前低后高的方式设置，且位于料箱30的后下角部，且相对于前导向板36-1对称设置；并且前导向板36-1和后导向板36-2的左右两端均靠近箱体30-2。

见图1和图2，所述储料箱2位于料箱30的上方，且储料箱2固定连接在料箱30上，储料箱2的出料口与料箱30的进料口30-4密闭连接，并且储料箱2的内腔与料箱30的内腔连通。储料箱2在其箱体的顶部设有保护性气体接入口，以及在其箱体的底部设有抽真空接口。储料箱2还在其出料口处设置用于隔离的第一阀门4。所述第一阀门4优选可以电控的球阀。

见图1，主控制器8为PLC可编程逻辑控制器，其信号输入端的一个端口与称重机构1的称重信号输出端电连接，其控制信号输出端的一个端口与电机31的控制端电连接。

仍见图1，本实施例的单晶炉的自动加料装置在使用时，将料箱30的出料口30-5通过相应的管道与炉体的进料口连通，储料箱2中的固体硅料经过料箱30的进料口30-4下落至料箱30的内腔中，并经过导料板34的导向而落至转轴32上，且位于料箱30的内腔中的后部。

见图1及图7，将称重机构1从上方连接在单晶炉的晶体旋转提拉装置的提拉绳106上，称重机构1是型号为THS的拉式称重传感器，由梅特勒-托利多集团生产。称重机构1可以准确地称出提拉中的晶棒的实时重量，并将提拉中的晶棒的实时重量信息由其称重信号输出端传给主控制器8。

见图1至图5，随着由主控制器8根据单位时间内晶棒实时重量的差额计算所需的加料量，并根据所需加料量计算出电机31的设定速度，再由主控制器8发出信号使电机31按主控制器8计算出的设定速度转动，电机31则带动转轴32同步旋转。在转动中，处于转轴32上的固体硅料跟随转轴32一起转动。若转轴32以其上部朝向后方转动，则固体硅料中的与转轴32的周缘相接触的一部分或全部在挡板33的阻挡下，被推到转轴32的舱口32-5中；电机31带动转轴32按设定速度继续旋转至开口32-4的方向朝下时，舱口32-5中的固体硅料在重力的作用下向下脱离舱口32-5落至后导向板36-2上后再经过出料口30-5而落下，并继续经过有关的管路到达炉体进料口。若转轴32以其上部朝向前方转动，则固体硅料中的与转轴32的周缘相接触的一部分或全部在导料板34的阻挡下，被推到转轴32的舱口32-5中；电机31带动转轴32按设定速度继续旋转至开口32-4的方向朝下时，舱口32-5中的固体硅料在重力的作用下向下脱离舱口32-5落至前导向板36-1上后再经过出料口30-5而落下，并继续经过有关的连接管路到达炉体进料口101。这样可以做到加料数量与晶体生长数量相匹配，从而使坩埚内的液体硅料在连续加料过程中保持液面平稳，晶体可以稳定生长，也不会出现多晶生长的现象。

见图8，所述物料缓冲装置5是材质为石英玻璃的一体件，包括筒体51和多块挡板。各块挡板在上下方向上依次设置，且按照所处的左右位置的不同而分为左挡板52和右挡板53。

所述的筒体51的上端设有进料口，下端设有出料口。所述左挡板52和右挡板53的数量相等，或者两者相差一块，并且左挡板52和右挡板53相间设置。各块左挡板52按照左高右低的方式固定连接在筒体51的内壁上，且左挡板52的除右边沿以外的其余边沿部位均与筒体51的内壁相连。各块右挡板53按照左低右高的方式固定连接在筒体51的内壁上，且位于左挡板52的对面，并且右挡板53的除左边沿以外的其余边沿部位也均与筒体51的内壁相连。相邻的左挡板52与右挡板53之间具有一定的距离，该距离大于使用中所投入的固体硅料颗粒的粒径，并且上侧挡板的下边沿（对于左挡板52来说是指右边沿，对于右挡板53来说是指左边沿）位于相邻的下侧挡板的板体的上方。

所述筒体51优选为上端设有进料口，下端设有出料口的长方体形的壳体，筒体51的上端外侧为凸出部位，作为筒体51的周向凸出部51-1。筒体51的其余部分则为筒主体。筒主体的长宽高的尺寸为100×80×400，也即左右向长度为100mm、前后向长度为80mm、高度为400mm。在其他实施例中，筒主体也可以是圆柱形筒体或椭圆柱形筒体，此时的筒体51的上端外侧也设置作为周向凸出部51-1的凸出部位。

仍见图8，筒体51包括左侧壁、右侧壁、前壁和后壁，且筒体51各侧的壁厚为5mm。所述左侧壁、前壁、右侧壁和后壁依次相连，且后壁再与左侧壁相连，从而围成筒体51。所述左挡板52和右挡板53均为大小相同矩形板体，且左右向长度均为80mm，前后向长度也均为80mm，板厚为3mm。所述左挡板52有2块，且按照的从上至下的次序依次称为第一左挡板和第二左挡板。每块左挡板52均按照左高右低的方式由其前边沿、左边沿和后边沿依次连接在前壁、左侧壁和后壁上，且各块左挡板52相互平行，并且每块左挡板52的左右边沿均沿相应的水平线设置，左挡板52的右边沿所在水平面与左挡板52所在平面的交角为40至50度的角度。所述右挡板53有3块，且按照的从上至下的次序依次称为第一右挡板、第二右挡板和第三右挡板。每块右挡板53均按照左低右高的方式由其前边沿、右边沿和后边沿依次连接在前壁、右侧壁和后壁上，且各块右挡板53相互平行，并且每块右挡板53的左右边沿均沿相应的水平线设置，右挡板53的左边沿所在水平面与右挡板53所在平面的交角为40至50度的角度。所述左挡板52和右挡板53相间布置，相邻的左挡板52与右挡板53之间的最小距离大于50mm。在上下方向上，第一右挡板位于筒体51的最上方，且其左边沿位于第一左挡板的上下向的中间位置，第二右挡板的左边沿位于第一左挡板的右边沿与第二左挡板的右边沿之间，第三右挡板位于筒体51的最下方，并且第一左挡板的右边沿位于第一右挡板的左边沿与第二右挡板的左边沿之间，第二左挡板的右边沿位于第二右挡板的左边沿与第三右挡板的左边沿之间。

见图1，本实施例的单晶炉的自动加料装置在使用时，在炉盖100上设置进料口101（该进料口也是单晶炉的进料口），该进料口101可以设置在炉盖100的侧部（也可以设置在图6所示的炉盖100的顶部）。再将物料缓冲装置5设置单晶炉的热场部件的保温盖102上。具体结构是在保温盖102上开设方形的安装孔，该安装孔的大小与筒体51的筒主体的外周大小相对应，筒体51由上向下穿过该安装孔，且由其周向凸出部51-1坐落在保温盖102的设置该安装孔的部位处。或者是筒体51不设置周向凸出部51-1，而采用尺寸相对应的棱台壳形，当筒体51由上至下穿过安装孔时，则被卡在安装孔上。当然，筒体51还可采用圆台壳形的形状，且安装孔选择相应尺寸的圆形孔；或者筒体51还可采用椭圆台壳形的形状，且安装孔选择相应尺寸的椭圆形孔。

物料缓冲装置5的底部位于坩埚104中的液体硅料的液面的实际到达最高高度上方的4至5厘米处。使用时，还在进料口101与物料缓冲装置5之间设置材质为石英玻璃的引导管105。当加料机构103将固体硅料7投进单晶炉的进料口101时，固体硅料7通过导引管105的引导经过筒体51的进料口后，不会直接落到坩埚内的液体硅料的液面上，而是经过交错设置左挡板52和右挡板53后再落到坩埚104内的液体硅料的液面上。这样可以减少固体硅料7的下降势能，保证液体硅料不会飞溅，从而使拉出的晶体更稳定，不会出现多晶生长现象。

使用时，加料机构3的出料管30-5通过出料口可拆式密闭连接在炉盖100的进料口101的相应的连接管路与引导管105相连通，并且所述的相应的连接管路的出料口从外侧密闭固定连接在炉盖100的进料口101处。

所述转轴32包括左轴段32-1、中轴段32-2和右轴段32-3。所述左轴段32-1转动连接在左箱盖30-1上。所述右轴段32-3转动连接在于右箱盖30-3上。所述舱口32-5位于箱体30-2的内腔中且位于转轴32的中轴段32-2处。所述挡板33从后向前压紧在转轴32的中轴段32-2的周缘上。

见图6和图1，液面跟踪机构6的型号为CMOS LKG5000基恩士，采用激光测距原理进行测距而实现跟踪液体硅料液面的功能。使用时，液面跟踪机构6固定在单晶炉的炉盖100上。虽然加料数量可根据晶体生长的数量来确定，但由于固体硅料7的尺寸大小不一致，因此会存在一定误差，使坩埚104内的液体硅料的液面高度仍会在一定的高度范围内变动。采用液面跟踪机构6后，液面跟踪机构6将测到的液体硅料的液面高度反馈给主控制器8。当液面跟踪机构6测出的液体硅料的液面高度低于主控制器8设定的液面高度时，由主控制器8发出信号使电机31按高于设定速度的转速转动，使加料速度加快；当液面跟踪机构6测出的液体硅料的液面高度高于主控制器8设定的液面高度时，由主控制器8发出信号使电机31按低于设定速度的转速转动，使加料速度放慢。本实施例的自动加料装置在单晶炉上使用时，坩埚104内的液体硅料的液面高度与主控制器8设定的液面高之差在正负1mm之内，这样可使拉出的晶体更稳定。

本实施例的单晶炉的自动加料装置在使用前，已经将液面跟踪机构6固定在单晶炉的炉盖100上，在炉盖100的进料口101处的内侧安装石英玻璃材质的引导管105，以及在保温盖102上设置了物料缓冲机构5。在炉盖100处于打开状态、保温盖102处于上升位置上时，由人工或者通过专门的加料装置将固体硅料7加入到坩埚104中，并且在固体硅料7中留下容纳物料缓冲机构5的凹坑。再由人工向主控制器8输入相应的操作指令，主控制器8则控制相应的操作机构使得已经设置了物料缓冲机构5的保温盖102下降至坐落在保温罩103上。由于上述固体硅料7的凹坑的存在，从而保证物料缓冲机构5的底部不与固体硅料7相接触。此时，保持称重机构1与晶体提拉装置的提拉绳106的上端的连接不变，在提拉绳106的下端已经连接的籽晶夹具上连接籽晶。所述籽晶则被提拉至位于炉盖100上方的附属筒中，附属筒的高度通常为6米，且在其顶部设有作为保护性气体接入口，所述的保护性气体优选氩气或氮气。再由人工向主控制器8输入相应的操作指令，主控制器8则控制相应的操作机构使得有关的转动机构将炉盖100移动至炉体107的上方，再使得有关的升降机构将炉盖100下降至坐落在炉体107的外壳上，然后使得附属筒下降至坐落在炉盖100上。炉盖100此时所处的位置能够确保引导管105的出料口位于物料缓冲机构5的上方3至10厘米（优选4至5厘米）处。然后，从炉体107的底部设置的抽真空接口抽真空，同时向附属筒的保护性气体接入口通入保护性气体（进一步优选氩气），一段时间后则使得单晶炉的内部处于保护性气体的保护气氛中。另外，在储料箱2也进行抽真空和通入同一种的保护性气体（氩气）的操作（储料箱2的顶部设有保护性气体接入口，底部设有抽真空接口），使得装有固体硅料7的储料箱2的内部处于保护性气体的保护气氛中，此时即可停止对储料箱2的抽真空操作，以及停止向储料箱2通入保护性气体的操作。此时，再由人工向主控制器8输入相应的操作指令，使得单晶炉的热场部件中的加热器（该加热器示意性地画在图1中的坩埚104的周向外侧和保温罩103的周向内侧之间，属于常规设置，未标号）得电而发热，从而对坩埚104中的固体硅料7进行加热而使之熔化。在所述的熔化的过程中，继续保持附属筒的保护性气体的充入以及炉体107底部的真空泵的开启。当坩埚104中的固体硅料7熔化为液体后（可通过窥视孔观察得知），物料缓冲机构5的底部位于坩埚104内，且该底部与预定的液体硅料的液面的实际到达最高高度相差4至5厘米。再由人工向主控制器8输入相应的操作指令，使得籽晶下落至与液体硅料的液面相接触。再将料箱30的出料口30-5从外部与炉盖100上的进料口101相连通，再根据设定打开设置在储料箱2的出料口处的球阀一段时间，然后关闭，使得储料箱2内的固体硅料7经过进料管30-4，下落至箱体30-2中，且堆积在转轴32上，并位于进料管30-4下方、挡板33前方、导料板34后方、转轴32上方以及箱体30-2的相应部位所形成的空间中，该空间可称为待料空间。

此时，虽然料箱30以及下方的连接管道中还有部分空气残留，但是由于炉体107底部的真空泵的持续开启，以及继续保持向附属筒中冲入氩气，从而使得整个这部分残留的空气被氩气替代，也即使得系统都处于保护性气体的保护气氛中。在这种状态下，单晶炉则可实现在连续自动加料下的连续拉晶，也即进入了可以开始连续拉晶的状态，这种状态下的后续的连续拉晶过程中，也包括了所述的单晶炉的自动加料装置的操作方法。本实施例的单晶炉的自动加料装置的操作方法，包括以下步骤：

①单晶炉进入可以开始连续拉晶的状态后，由人工向主控制器8输入相应的操作指令，运行自动拉晶程序，其中，称重机构1处于每秒进行一次称重的状态，对每次称量晶棒得出的实时重量信息传给主控制器8，并且开启第二阀门。

②主控制器8将相邻两次晶棒实时重量的差额作为所需的加料量，并根据所需加料量计算出电机31所需要的设定速度。

③在电机31启动前，若转轴32的开口32-4朝向上方，则本方法开始前下落至转轴32上的固体硅料7有一部分落入舱口32-5中，其余则堆积在转轴32的朝向上方的其余部位以及舱口32-5中的固体硅料7的上方；若转轴32的开口32-4朝向下方，则本方法开始前下落至转轴32上的固体硅料7全部堆积在转轴32的朝向上方的部位上。

④由于电机31的转动由主控制器8发出的信号进行控制，电机31在主控制器8的控制下转动，也即电机31按照步骤②计算出的设定速度转动，电机31带动转轴32同步旋转。对于电机31首次启动时的转速按照每秒1转进行转动，对于电机31再次启动时的转速按照上次停机时的转速进行转动。

⑤在电机31启动时，对于转轴32的开口32-4朝向下方的情况，随着转轴32的转动，由于挡板33或导料板34的阻挡，固体硅料7不能离开待料空间，而当转轴32的开口32-4由朝向下方转动到朝向上方时，则堆积在转轴32上的固体硅料7的一部分落入舱口32-5中；转轴32继续转动至其开口32-4朝向下方时，则舱口32-5中的固体硅料7下落至前导向板36-1或后导向板36-2上，然后沿相应的导向板36依次经过出料管30-5、第二阀门以及相应的管路后，到达单晶炉的进料口101，再经物料缓冲机构5进入坩埚104内。这种加料方式循环进行。

⑥在电机31启动时，对于转轴32的开口32-4朝向上方的情况，电机31带动转轴32按设定速度旋转至开口32-4的方向朝下时，则舱口32-5中的固体硅料7在重力的作用下，下落至前导向板36-1或后导向板36-2上，然后沿相应的导向板36依次经过出料管30-5、第二阀门以及相应的管路后，到达单晶炉的进料口101，再经物料缓冲机构5进入坩埚104内。这种加料方式循环进行。

⑦主控制器8每一秒接收一次由液面跟踪机构6测出坩埚104内的液体硅料的液面高度而发来的液面高度信号，并进行判断，若一段时间（例如每分钟、每5分钟和每10分钟）所接收的高度信号所表示的液面高度差小于主控制器8设定的液面高度的差值时，则由主控制器8发出信号使电机31按高于设定速度的转速转动；若所接收的高度信号所表示的液面高度差大于主控制器8设定的液面高度的差值时，则由主控制器8发出信号使电机31按低于设定速度的转速转动；若所接收的高度信号所表示的液面高度的差值不超过所设定的范围时，则保持电机31原有的转速不变。

以上实施例以及相应的应用是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种单晶炉的自动加料装置，包括储料箱（2）和第一阀门（4）；其特征在于：还包括称重机构（1）、加料机构（3）和主控制器（8）；所述的加料机构设有保护性气体接入口和抽真空接口，且加料机构（3）包括料箱（30）、电机（31）、转轴（32）、挡板（33）、导料板（34）和连接板（35）；所述的料箱（30）具有箱体（30-2）、位于上方的进料管（30-4）和位于下方的出料管（30-5），且进料管（30-4）和出料管（30-5）均与箱体（30-2）的内腔相连通；进料管（30-4）密闭设置在箱体（30-2）上或通过其它密封件密闭设置在箱体（30-2）上；出料管（30-5）密闭设置在箱体（30-2）上或通过其它密封件密闭设置在箱体（30-2）上；所述电机（31）由其机座直接固定连接在料箱（30）上或固定连接在其他固定结构件上；所述转轴（32）转动连接在料箱（30）上，且转轴（32）的主体位于料箱（30）的箱体（30-2）中，并且位于进料管（30-4）与出料管（30-5）之间；转轴（32）的左端与电机（31）的输出轴相连；转轴（32）的轴向中部的周缘上具有开口（32-4），且开口（32-4）沿径向向内延伸从而形成舱口（32-5），并且舱口（32-5）用于在转轴（32）转动时落入和落下固体硅料（7）；所述的挡板（33）、导料板（34）和连接板（35）均位于料箱（30）的箱体（30-2）中；所述的连接板（35）由其左右端部固定连接在料箱（30）的箱体（30-2）上；所述的挡板（33）由其顶部固定连接在连接板（35）上，其左右两端靠近箱体（30-2），并且靠紧在转轴（32）的轴向中部的周缘上；所述的导料板（34）按照前高后低的方式设置，且其前侧边沿固定连接在连接板（35）上或者是固定连接在箱体（30-2）上，并且其板体位于进料管（30-4）的下方；箱体（30-2）、转轴（32）、挡板（33）、导料板（34）和连接板（35）的设置，使得相互间的空隙小于固体硅料（7）的粒径；所述的加料机构的保护性气体接入口设置在储料箱（2）的箱体的上部；储料箱（2）位于料箱（30）的上方，密闭固定连接在料箱（30）上，且其出料口与进料管（30-4）连通；第一阀门（4）设置在储料箱（2）的位于下方的出料口处；所述称重机构（1）的称量信号输出端、电机（31）和第一阀门（4）各自的控制端均与主控制器（8）电连接或者是无线信号连接；所述的加料机构的抽真空接口设置在储料箱（2）的箱体的底部或者是料箱（30）的箱体（30-2）的底部。

2.根据权利要求1所述的单晶炉的自动加料装置，其特征在于：还包括物料缓冲机构（5）、保温盖（102）、引导管（105）和单晶炉的炉盖（100）；所述的炉盖（100）设有进料口（101）；所述物料缓冲机构（5）包括筒体（51）、左挡板（52）和右挡板（53）；所述的筒体（1）的上端设有进料口，下端设有出料口；所述左挡板（2）和右挡板（3）的数量相等，或者两者相差一块，并且两者相间设置；各块左挡板（2）按照左高右低的方式固定连接在筒体（1）的内壁上；各块右挡板（3）按照左低右高的方式固定连接在筒体（1）的内壁上，且位于左挡板（2）的对面；相邻的左挡板（2）与右挡板（3）之间具有一定的距离，该距离大于使用中所投入的固体硅料颗粒的粒径，并且上侧挡板的下边沿位于相邻的下侧挡板的板体的上方；

使用时，物料缓冲机构（5）设置在保温盖（102）上，其底部位于坩埚（104）内，且该底部从上方接近预定的液体硅料的液面的实际到达的最高高度；引导管（105）由其进料口从内测固定连接在炉盖（100）的进料口（101）处，且其出料口位于筒体（1）的进料口的上方，并接近筒体（1）的进料口；加料机构（3）的出料管（30-5）通过出料口可拆式密闭连接在炉盖（100）的进料口（101）的相应的连接管路与引导管（105）相连通，并且所述的相应的连接管路的出料口从外侧密闭固定连接在炉盖（100）的进料口（101）处。

3.根据权利要求2所述的单晶炉的自动加料装置，其特征在于：所述的物料缓冲机构（5）是材质为石英玻璃的一体件。

4.根据权利要求1所述的单晶炉的自动加料装置，其特征在于：所述料箱（30）还具有左箱盖（30-1）和右箱盖（30-3）；所述左箱盖（30-1）和右箱盖（30-3）均固定连接在箱体（30-2）上；所述转轴（32）包括左轴段（32-1）、中轴段（32-2）和右轴段（32-3）；所述左轴段（32-1）转动连接在左箱盖（30-1）上；所述右轴段（32-3）转动连接在右箱盖（30-3）上；所述舱口（32-5）位于箱体（30-2）的内腔中，且位于转轴（32）的中轴段（32-2）上。

5.根据权利要求1所述的单晶炉的自动加料装置，其特征在于：所述的加料机构的保护性气体接入口设置在储料箱（2）的箱体的顶部；所述的加料机构的抽真空接口设置在储料箱（2）的箱体的底部。

6.根据权利要求1所述的单晶炉的自动加料装置，其特征在于：还包括联轴器（7）；所述转轴（32）通过联轴器（7）传动连接在电机（31）的输出轴上。

7.根据权利要求1所述的单晶炉的自动加料装置，其特征在于：还包括液面跟踪机构（6）；所述的液面跟踪机构（6）的测距信号输出端与主控制器（8）电连接或者是无线信号连接。

8.如权利要求1至7之一的单晶炉的自动加料装置的操作方法，包括以下步骤：

①单晶炉进入可以开始连续拉晶的状态后，由人工向主控制器（8）输入相应的操作指令，运行自动拉晶程序；其中，称重机构（1）处于定时进行称重的状态，对每次称量晶棒得出的实时重量信息传给主控制器（8）；

②主控制器（8）将相邻两次晶棒实时重量的差额作为所需的加料量，并根据所需加料量计算出电机（31）所需要的设定速度；

③在电机（31）启动前，若转轴（32）的开口（32-4）朝向上方，则本方法开始前下落至转轴（32）上的固体硅料（7）有一部分落入舱口（32-5）中，其余则堆积在转轴（32）的朝向上方的其余部位以及舱口（32-5）中的固体硅料（7）的上方；若转轴（32）的开口（32-4）朝向下方，则本方法开始前下落至转轴（32）上的固体硅料（7）全部堆积在转轴（32）的朝向上方的部位上；

④由于电机（31）的转动由主控制器（8）发出的信号进行控制，电机（31）在主控制器（8）的控制下转动，也即电机（31）按照步骤②计算出的设定速度转动，电机（31）带动转轴（32）同步旋转；对于电机（31）首次启动时的转速按照一个设定的转速进行转动，对于电机（31）再次启动时的转速按照上次停机时的转速进行转动；

⑤在电机（31）启动时，对于转轴（32）的开口（32-4）朝向下方的情况，随着转轴（32）的转动，由于挡板（33）或导料板（34）的阻挡，固体硅料（7）不能离开待料空间，而当转轴（32）的开口（32-4）由朝向下方转动到朝向上方时，则堆积在转轴（32）上的固体硅料（7）的一部分落入舱口（32-5）中；转轴（32）继续转动至其开口（32-4）朝向下方时，则舱口（32-5）中的固体硅料（7）下落至前导向板（36-1）或后导向板（36-2）上，然后沿相应的导向板（36）依次经过出料管（30-5）以及相应的管路后，到达单晶炉的进料口（101），再经物料缓冲机构（5）进入坩埚（104）内；这种加料方式循环进行；

⑥在电机（31）启动时，对于转轴（32）的开口（32-4）朝向上方的情况，电机（31）带动转轴（32）按设定速度旋转至开口（32-4）的方向朝下时，则舱口（32-5）中的固体硅料（7）在重力的作用下，下落至前导向板（36-1）或后导向板（36-2）上，然后沿相应的导向板（36）依次经过出料管（30-5）以及相应的管路后，到达单晶炉的进料口（101），再经物料缓冲机构（5）进入坩埚（104）内；这种加料方式循环进行。

9.根据权利要求8所述的单晶炉的自动加料装置的操作方法，其特征在于：还包括如下步骤：

⑦主控制器（8）定时接收由液面跟踪机构（6）测出坩埚（104）内的液体硅料的液面高度而发来的液面高度信号，并进行判断，若所设定的一段时间所接收的高度信号所表示的液面高度差小于主控制器（8）设定的液面高度的差值时，则由主控制器（8）发出信号使电机（31）按高于设定速度的转速转动；若所接收的高度信号所表示的液面高度差大于主控制器（8）设定的液面高度的差值时，则由主控制器（8）发出信号使电机（31）按低于设定速度的转速转动；若所接收的高度信号所表示的液面高度的差值不超过所设定的范围时，则保持电机（31）原有的转速不变。

10.根据权利要求8或9所述的单晶炉的自动加料装置的操作方法，其特征在于：自动加料装置还包括第二阀门；第二阀门设置在料箱（30）的出料管（30-5）的出料口处，且第二阀门的控制端与主控制器（8）电连接或者是无线信号连接；步骤①中，运行自动拉晶程序时，还包括开启第二阀门；步骤⑤中，固体硅料（7）依次经过出料管（30-5）以及相应的管路当中，还经过第二阀门；步骤⑥中，固体硅料（7）依次经过出料管（30-5）以及相应的管路当中，还经过第二阀门。