CN1093181C - 硅进料系统 - Google Patents

Abstract

一种硅丸进料系统，供一个用来生长一种硅蹼的硅熔体炉使用。一个用于装进料颗粒的容器，它被连接到一个进料管的上端。该进料管的下端被定位在一对可旋转的驱动辊附近，这些辊被相对于水平面成一定角度安装，并且该辊进料路线的出口端位于一个通向硅熔体炉的输送管的上方。这些部件被一个外罩包围，该外罩具有一个真空出口和一个气体入口，而该气体入口用于使一种惰性气体能被回充填到外罩中。进料速率由驱动辊的角度、电动机的速度和进料管底端的形状决定。

Description

硅进料系统

本发明涉及一种用于从一种熔体中生长硅枝状蹼的装置。更具体地说，本发明涉及一种改进的进料系统，用于当拉出单晶硅枝状蹼时，将硅原料供给装在一个炉子中的一种熔体以连续地补给该熔体。

n-型或p-型硅枝状蹼的生长一般是在一个系统中完成，该系统包括一个被加热的感受器，该感受器具有一个在惰性气氛炉内装有熔融硅(熔体)的坩埚。加热一般是通过一个感应线圈或一个电阻加热器如一个经过石墨板的相当高的电流进行。硅蹼通过一种液膜的固化形成，该液膜由通称为枝晶的两个硅丝状体之间的表面张力支承。在形成蹼以后，随着它被加工成各个晶胞，从蹼中除去这些枝晶。对降低成本及改善蹼的生长和晶体质量来说，熔体液的补给方法是很重要的。

在一个用于枝状蹼生长的系统中，当蹼晶体生长时，为了补给熔体，可以在坩埚的一端或两端加入硅颗粒或硅丸。在发生补给材料熔融的区域内，所吸收的热量造成从中拉出蹼的区域中显著的热不平衡并扰动生长。这种扰动可通过以一种控制的速率均匀、连续地输入硅颗粒来减少。单晶枝状蹼硅带的较长而连续的生长要求拉晶体时用硅补给熔体。这可以通过一个位于熔体上方但在炉室外面的进料机构从一个硅颗粒容器中进行。但是，市场上买到的硅颗粒、各种丸状物及其它的不规则形状和尺寸使进料机构在操作中不稳定。这些问题的范围可以从没有硅颗粒落入熔体的操作到硅颗粒大量溅入熔体中，而造成熔融硅溢流并破坏贵重的钼炉子部件。

除了复杂并因此在材料利用方面和要求机加工及组装的量上花费大之外，以前的进料机构体积大。如果大量硅被这样放出，以致它溢出坩埚，或者方向指错而不进入合适的开口，则它与昂贵的钼炉子部件起反应并破坏这些部件。在其它的极端情况下，如果进料机构的操作人员没有注意到缺少硅颗粒，则以前的进料机构会空载运转很长一段时间，并造成坩埚中熔体液面下降及蹼变细并拉出熔体。这些颗粒也可能在小孔或管子中变堵塞而不能落下。这导致硅运送到熔体中的速度的严重不确定性。

在某些系统如振动式给料器中，由于大量材料要求在振动杯中进行给料，所以颗粒偏析可能发生。在设置一个倾斜的金属导向装置的地方，在一段时间之后颗粒分离，同时较大的颗粒朝中心移动，而较小的颗粒朝外侧移动。这使这类系统的校准很困难，因为关于什么样的颗粒尺寸将被排放用于任何一个给定的激发水准，有不确定性。

因此希望有一种硅进料装置，它可以用一个系统将半导体级的硅运送到一个控制气氛的炉子中，该系统没有可以玷污硅的金属部件，并且能够保持约20毫乇的真空度，以便进料机构和炉子可以抽真空并用一种惰性而无潮气的气氛回充填。

以前进料系统的上述缺点被一种改进的、可靠而更简单的进料系统克服了。本发明的装置具有一个设置在进料机构上方的丸状物容器。该丸状物容器通过一根上部供给管连接到进料机构上，该供给管使丸状物能借助重力流动。在管子端部处的形状在很大程度上与一对进料辊的外形一致，后者沿进料机构的纵轴安置。这对辊在彼此非常接近的地方被一个框架支承并能在一组轴承上旋转。这些辊还通过一组正齿轮连接在一起。在工作时，在丸状物流动的方向上旋转驱动辊使丸状物自由地滚动和旋转，因此将很少的阻力施加到驱动电动机上。通过使两辊之间形成角度，重力使丸状物运动离开进料管，并产生一连串的丸状物运动到辊的端部。通过控制旋转速度，人们可以控制丸状物排放离开辊的速率。然后将丸状物引入炉子内的进料室中。

为了更充分地了解本发明的性质和优点，必须参照结合附图所作的下面详细说明。

图1是示出室外罩及其内安装的辊式进料机构的剖面图；

图2是漏斗与这对驱动辊相互关系的详细剖面图；

图3是示出管子端部形状的进料管详细前剖视图；

图4是进料管的详细侧剖视图；

图5是示出在驱动辊与水平面成10°角时驱动辊旋转和进料速率之间关系的曲线图。

现在回到附图，图1是一种包括本发明的系统，用于将各种尺寸和形状的硅颗粒进料到炉子内一个坩埚里的硅熔体中。一个外罩8能够密封，它大到足以包括本发明。一个容器3能装各种尺寸和形状的硅颗粒4。这些颗粒一般都过筛以使尺寸在约0.6μm到约2μm的范围内。一根管子2将供给容器3连接到进料辊1上。管子2的端部形状决定辊1旋转时放出的颗粒量。最好如图3和4中所示，在进料管2下端上形成的一个向下延伸的尾部12使大部分材料流对准辊1的表面。尾部部分12具有一对侧面成弓形的壁段13，它们被加工成外形与两个辊1的最接近的表面部分相似。管2最好用不锈钢例如型号为303、304的不锈钢形成。

辊1通过一组正齿轮10联接在一起，正齿轮10具有与驱动辊相同的节径。参看图2，两个辊1具有基本相等的直径并且最好是用聚氨酯橡胶(例如肖氏硬度计A示出为56)制成，这种聚氨酯橡胶使任何在进料管2的下端与驱动辊1无论哪一侧之间捕捉到的丸状物能让驱动辊1变形并连续通过，同时喷射到进料管的另一侧上，而不会造成堵塞及使电动机7停机。通过一个常规的连接器6将电动机7接到其中一个驱动辊1上。在有护圈的轴承5上安装辊1用于旋转，轴承5通过一个框架9固定在合适位置。电动机7能以不同的速度工作，以将进料速率改变到所希望的量。丸状物以一定速度离开进料管2的下端，该速度取决于辊1的倾斜角及旋转速度。丸状物转到辊1的端部并以串行方式顺着颗粒路线11滑入炉子中(图中未示出)。若用聚氨酯辊1，当旋转停止时，由于辊表面的摩擦，丸状物也将停止。

外罩8装备一个真空出口孔14及一个气体入口孔16，真空出口孔14连接到一个真空源上，以便在进给材料已装入容器3之后可以将外罩8的内部抽真空到一个工作水平(最好约为20毫乇)。为了在外罩8内部提供一个惰性气氛，将气体入口孔16连接到一个惰性气源上。该真空源和惰性气源可以与对有关的硅熔体炉抽真空并提供一个惰性气氛时所用的那些相同。

为了确定上述装置保持恒定的进料速率的能力，进行了一些实验检测。下面表1示出在辊相对水平面倾斜10°下，进料速率随辊速度变化的情况，辊速以每分钟转数(rpm)表示，辊对水平面倾斜15度。由于所供给的进料材料具有大的不连续的量，所以进料速率是不平稳的；但是，该机构使一个进料速率保持在围绕所希望的进料速率的一个包络线之内。

表1

每分钟转数                      克/分

0.18                            0.038

0.281                           0.0553

0.382                           0.072

0.485                           0.0925

0.582                           0.1208

0.6                             0.13

1                               0.24

1.4                             0.32

2                               0.39

2.3                             0.46

图5示出进料速率对相对于水平面倾斜10°的辊每分钟转数的曲线。

正如现在将明显看到的，按照本发明的技术制造的硅进料系统能够以一可靠的进料速率提供硅进料材料。尤其是，通过调节进料材料颗粒尺寸及用另外的反馈控制，能得到在保持一恒定的进料速率方面大得多的精度。此外，本发明提供一种硅进料装置，它能将硅进料材料输送到一个控制气氛的炉子中，而不需要可能会沾污硅的金属元件。此外，本发明能保持用于硅蹼生长所要求的真空，因此可以将进料机构和有关的炉子二者抽真空，并用一种惰性的和无潮气的气氛回充填。

尽管上面提供了本发明的优选实施例的充分而完全的公开内容，但对该技术的专业人员来说，将会发生各种修改、另外的结构及等效物。因此，不应把上述内容看作是限制本发明，它由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.一种装置，用于以一种可控制的速率将进料颗粒供给到一个硅熔体炉中，该装置包括：

一个容器，用于装大量进料颗粒；

一个输送管，它具有一个连接到所述容器的第一端和一个敞开的出口端；

一对可旋转的驱动辊，用于提供一个颗粒进料路线，所述输送管的敞开端被定位在这对驱动辊的附近；

用于使所述驱动辊旋转的装置；和

一个外罩，它包围所述容器、输送管、一对可旋转的驱动辊和旋转装置，所述外罩能被抽真空到一个工作的真空水平并含有惰性气体，该外罩包括一个进料颗粒出口，

因而所述旋转装置工作使起初位于容器中的进料颗粒借助重力通过输送管、出口端的外面并沿着所述辊的表面进给到所述进料颗粒出口。

2.按照权利要求1的装置，其特征在于，所述外罩还包括一个真空出口孔和一个气体入口孔，以方便将该外罩内部抽真空到所述工作真空水平并用一种惰性气体充填所述外罩的内部。

3.按照权利要求1的装置，其特征在于，所述驱动辊被相对于一个水平基准线成一定角度安装，以方便进料颗粒沿着其表面流动。

4.按照权利要求1的装置，其特征在于，所述驱动辊，用一种弹性材料制造。

5.按照权利要求1的装置，其特征在于，所述旋转装置包括一个驱动电动机，并且相互啮互合的齿轮安装到所述这对驱动辊上。

6.按照权利要求5的装置，还包括所述电动机和所述这对驱动辊其中一个之间的一个驱动连接器。

7.按照权利要求6的装置，其特征在于，所述齿轮安装在远离电动机的这对驱动辊的端部上。

8.按照权利要求1的装置，其特征在于，所述进料管出口端具有一个尾部分，它在所述这对辊的表面之间延伸。

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