CN110952138A - 一种单晶炉的二次加料装置及加料方法 - Google Patents

一种单晶炉的二次加料装置及加料方法 Download PDF

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CN110952138A CN201911283075.4A CN201911283075A CN110952138A CN 110952138 A CN110952138 A CN 110952138A CN 201911283075 A CN201911283075 A CN 201911283075A CN 110952138 A CN110952138 A CN 110952138A
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杨明财
郭梅珍
史正斌
任长春
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王茜
蔡延国
宗冰
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Abstract

本发明公开了一种单晶炉的二次加料装置及加料方法,涉及单晶棒生产技术领域，包括化料炉和至少一个单晶炉，多个所述单晶炉均与化料炉之间连接有进料筒；所述化料炉内安装有具有倾倒功能的支撑架和安装在支撑架上的化料坩埚；所述化料室内还安装有加热器。本发明使单晶炉内在制作单晶硅棒的同时能对硅料进行熔融，使单晶炉内的硅棒在制作完成后，向单晶炉内补充的硅料即为熔融状，使单晶炉完成加料后能马上进行单晶硅棒的制作，使单晶硅棒的生产效率大大提高。

Description

一种单晶炉的二次加料装置及加料方法
技术领域
本发明涉及单晶棒生产技术领域，具体而言，涉及一种单晶炉的二次加料装置及加料方法。
背景技术
单晶炉是生产单晶硅棒的专业设备。传统单晶硅棒的生产是将多晶硅原料一次性装入石英坩埚内熔化，多晶硅原料熔料后，采用直拉法拉制单晶硅棒，在此生产过程中，单晶硅棒的质量受最大投料量限制，而最大投料量是由石英坩埚的尺寸决定的。
现有技术中关于采用二次加料装置进行二次加料的方法也已有相关专利公开，例如申请公布号为CN103397389A的专利申请中，公开了一种单晶硅棒的生产方法，步骤S10：向坩埚内投入第一批硅料，加热坩埚以熔化第一批硅料，然后使熔化后的第一批硅料结晶以得到第一根单晶棒，并且取出第一根单晶棒；步骤S20：向坩埚内投入第二批硅料，并加热坩埚以熔化第二批硅料，然后使熔化后的第二批硅料结晶以得到第二根单晶棒。此方案中，虽能实现对单晶炉二次加料，但该方案中的二次加料为固体料，因此，当二次添加的多晶硅原料进入到单晶炉内后，还需对多晶硅原料进行熔化，使单晶硅生长时间长，使单晶硅棒的生产效率大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶炉的二次加料装置及加料方法，使单晶炉内在制作单晶硅棒的同时能对硅料进行熔融，使单晶炉内的硅棒在制作完成后，向单晶炉内补充的硅料即为熔融状，使单晶炉完成加料后能马上进行单晶硅棒的制作，使单晶硅棒的生产效率大大提高。
为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种单晶炉的二次加料装置，包括化料炉和至少一个单晶炉，多个所述单晶炉均与化料炉之间连接有进料筒；所述化料炉内安装有具有倾倒功能的支撑架和安装在支撑架上的化料坩埚；所述化料室内还安装有加热器。
进一步的，所述支撑架包括转动安装在化料坩埚上的上安装环和下安装环；所述化料炉内还对称安装在化料坩埚两侧的支撑柱，且两个支撑柱的上端均与上安装环铰接；所述化料炉内还铰接安装有倾斜的第一伸缩杆，第一伸缩杆与支撑柱之间的夹角为90°。
进一步的，所述化料炉内安装有可升降的驱动电机，且驱动电机的输出轴上还安装有卡紧化料炉的卡爪。
进一步的，所述卡爪包括固定安装在驱动电机输出轴上的安装盘，且安装盘上固定安装有多个限位柱；所述化料炉的底面还开设有分别与多个限位柱一一对应的限位槽。
进一步的，所述化料炉内还安装有第二伸缩杆，第二伸缩杆的上端还安装有安装台，且驱动电机安装在安装台上。
进一步的，所述单晶炉内还安装有可升降的结晶坩埚。
进一步的，所述单晶炉内还安装有多个第三伸缩杆，且结晶坩埚固定安装在多个第三伸缩杆的上方。
进一步的，所述进料筒的出口端垂直设置。
进一步的，所述进料筒的进口端呈漏斗状。
进一步的，所述进料筒包括由内至外依次设置的内层、外层和保温层。
进一步的，所述进料筒上还安装有隔离阀。
进一步的，所述化料炉上还具有固体加料器。
进一步的，所述化料炉上还具有进气口、出气口和抽真空口。
进一步的，所述加热器为电加热线圈，且电加热线圈套设在化料坩埚外壁上。
一种单晶炉的二次加料方法包括如下步骤：
S1：在单晶炉内拉制单晶硅棒时，向化料坩埚内投入固相多晶硅原料，加热器对化料坩埚内的固相多晶硅原料加热，化料坩埚内的多晶硅原料熔融；
S2：当单晶炉内拉制完成的单晶硅棒取出后，将化料坩埚内熔融状的多晶硅原料倒入到进料筒内，熔融状多晶硅原料沿进料筒进入到单晶炉内完成单晶硅棒二次拉制，且在单晶炉内拉制单晶硅棒同时，重复步骤S1。
进一步的，所述步骤S2中进料筒出口与结晶坩埚内熔融状多晶硅原料液面之间的距离为15～50mm。
本发明的有益效果是,
本发明通过在化料炉与多个单晶炉之间均连接进料筒，使硅料在进入单晶炉之前能通过化料炉进行熔融，当硅料在熔融后，直接通过进料筒送入到单晶炉内，使单晶炉能立刻进行单晶硅棒的生产，避免了原来鼓箱加料时产生的固相间隙，且使单晶硅棒在二次拉制时无需花费化料时间，节省了拉制时间，使单晶硅棒的生产效率大大提高。
同时，使单晶炉内进行单晶硅棒生产时，不需要受到结晶坩埚最大投料量的限制，可使单晶硅棒在拉制过程中，熔融状多晶硅原料可分为两次货多次加入，使结晶坩埚中物料质量更大，从而相对提高了单晶硅棒的质量，提升了石英坩埚的使用率，降低了单晶硅棒的生产成本。
附图说明
图1是本发明提供的单晶炉的二次加料装置的结构图；
图2是图1中A部分的局部放大图；
图3是图1中卡爪的安装结构图；
图4是图1中进料筒的剖面示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：
1、化料炉，2、单晶炉，3、进料筒，4、支撑架，5、化料坩埚，6、加热器，7、限位槽，8、结晶坩埚，9、第三伸缩杆，10、隔离阀，11、固体加料器，12、进气口，13、出气口，14、抽真空口；
31、内层，32、外层，33、保温层；
41、上安装环，42、下安装环，43、支撑柱，44、第一伸缩杆，45、驱动电机，46、卡爪，47、第二伸缩杆，48、安装台；
461、安装盘，462、限位柱。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1至图4所示出了本发明提供的一种单晶炉的二次加料装置，包括化料炉1和至少一个单晶炉2，多个所述单晶炉2均与化料炉1之间连接有进料筒3；所述化料炉1内安装有具有倾倒功能的支撑架4和安装在支撑架4上的化料坩埚5；所述化料室内还安装有加热器6。
所述化料炉1用对多晶硅原料进行熔融；所述单晶炉2用于对单晶硅棒进行拉制；所述进料筒3用于将化料炉1内熔融状多晶硅原料送入到单晶炉2内；通过将多个单晶炉2共同与化料炉1连接，使化料炉1内的多晶硅原料在熔融后，化料炉1内熔融状多晶硅原料可直接送入到对应的单晶炉2内，从而实现对多个单晶炉2供料；为了方便多个单晶炉2与化料炉1的安装，多个单晶炉2可沿化料炉1圆周周向均匀间隔排布，不仅使进料筒3的安装更加方便，有效减少进料筒3的成本。
所述加热器6用于固相的多晶硅原料进行加热，使固相的多晶硅原料能熔融呈液相状态；所述支撑架4安装在化料炉1内，化料坩埚5固定安装在支撑架4上，支撑架4能驱动化料坩埚5进行翻转，使化料坩埚5内熔融状多晶硅原料能倾倒至进料筒3内，从而使熔融状多晶硅原料通过进料筒3顺利的进入到单晶炉2内。
所述支撑架4包括转动安装在化料坩埚5上的上安装环41和下安装环42；所述化料炉1内还对称安装在化料坩埚5两侧的支撑柱43，且两个支撑柱43的上端均与上安装环41铰接；所述化料炉1内还铰接安装有倾斜的第一伸缩杆44，第一伸缩杆44与支撑柱43之间的夹角为90°。
所述上安装环41位于化料坩埚5的上端，下安装环42位于化料坩埚5的下端，且上安装环41与下安装环42均在化料坩埚5上可进行转动，上安装环41与下安装环42在化料坩埚5上不可进行轴向移动，且上安装环41与下安装环42均为轴承结构，使化料坩埚5能在上安装环41、下安装环42上顺利的转动；所述支撑柱43为两个，两个支撑柱43沿化料坩埚5的中心对称排布，使化料坩埚5受到的支撑力更加均衡，且两个支撑柱43的上端均通过铰接耳与上安装环41上铰接，不仅使化料坩埚5能受到支撑柱43的支撑，且使化料坩埚5能在两个支撑柱43之间进行摆动。
所述第一伸缩杆44的下端铰接安装在化料炉1的底面上，且第一伸缩杆44呈倾斜安装，第一伸缩杆44位于支撑柱43的一侧，第一伸缩杆44的上端通过铰接耳铰接安装在下安装环42上，支撑柱43与上安装环41的铰接点与第一伸缩杆44与下安装的铰接点在化料坩埚5上呈90°夹角，通过第一伸缩杆44的伸缩，使化料炉1在两个支撑柱43之间摆动，从而给使化料坩埚5倾斜，使化料坩埚5内的熔融状多晶硅原料被倾倒至进料筒3内。
所述上安装环41与下安装环42还可直接为圆环状，此时化料坩埚5外壁上还开设有与上安装环41、下安装环42匹配的环槽，且上安装环41、下安装环42均与环槽间隙配合，使化料坩埚5与上安装环41、下安装环42相对转动，且上安装环41与下安装环42并不会沿化料坩埚5的轴线方向移动，此种结构虽能使上安装环41、下安装环42与化料坩埚5相对转动，但上安装板、下安装环42与化料坩埚5之间的摩擦较大。
所述化料炉1内安装有可升降的驱动电机45，且驱动电机45的输出轴上还安装有卡紧化料炉1的卡爪46。所述驱动电机45为变频电机，且卡爪46用于与化料坩埚5夹紧；当化料坩埚5内固相多晶硅原料在化料坩埚5内融化时，化料坩埚5呈竖直排布，此时驱动电机45向上移动，使卡爪46与化料坩埚5卡紧，然后在通过驱动电机45驱动，从而使化料坩埚5进行转动，化料坩埚5在转动时，化料坩埚5内的固相多晶硅原料可进行旋转，使化料坩埚5内的固相多晶硅原料的受热更加均匀，使固相多晶硅原料的荣荣祥效率大大提高；当需要将化料坩埚5内的熔融多晶硅原料倾倒至进料筒3内时，驱动电机45向下移动，使卡爪46远离化料坩埚5，此时第一伸缩装置的伸长能顺利的驱动化料坩埚5在两个支撑柱43之间摆动，使化料坩埚5内的熔融多晶硅原料倾倒至进料筒3内。
所述卡爪46包括固定安装在驱动电机45输出轴上的安装盘461，且安装盘461上固定安装有多个限位柱462；所述化料炉1的底面还开设有分别与多个限位柱462一一对应的限位槽7。所述安装盘461通过法兰盘固定安装在驱动电机45的输出轴上，多个限位柱462均匀排布在安装盘461上；所述限位槽7的形状、数量与限位柱462的形状、数量对应，且限位槽7与限位柱462间隙配合；为了方便限位柱462能顺利的插设在限位槽7内，限位柱462优先采用圆形，且限位槽7的开口处可设置倒角。当驱动电机45向上移动时，安装盘461与限位柱462同步向上移动，使限位柱462逐渐插设在限位槽7内，当限位柱462完全插设在限位槽7内时，驱动电机45转动，使驱动电机45带动化料坩埚5转动。
所述化料炉1内还安装有第二伸缩杆47，第二伸缩杆47的上端还安装有安装台48，且驱动电机45安装在安装台48上。所述第二伸缩杆47固定安装在化料炉1内，且第二伸缩杆47为多个，多个伸缩杆共同对安装台48进行支撑；所述驱动电机45通过螺钉固定安装在安装台48上，通过驱动电机45的驱动，使驱动电机45驱动化料坩埚5顺利的转动。
所述单晶炉2内还安装有可升降的结晶坩埚8；所述结晶坩埚8用于对熔融状态的多晶硅进行盛放，使熔融状多晶硅原料在单晶炉2内进行拉制；所述化料坩埚5与结晶坩埚8均为石英坩埚；通过将结晶坩埚8设置成可升降安装，使熔融状多晶硅原料在通过进料筒3进入结晶坩埚8时，可随着结晶坩埚8内液面的升高，对进料管出口与结晶坩埚8内液面高度之间的距离进行调节，不仅能防止进料管出口端在随着液面的升高而浸入到熔融状多晶硅原料内，且能有效防止因进料管出口与液面之间的距离过大而导致熔融状多晶硅原料在进入到结晶坩埚8内时迸溅至结晶坩埚8外，有效防止多晶硅原料浪费。
所述单晶炉2内还安装有多个第三伸缩杆9，且结晶坩埚8固定安装在多个第三伸缩杆9的上方；多个所述第三伸缩杆9沿结晶坩埚8的圆周方向均匀间隔排布，且单晶炉2通过多个第三伸缩杆9共同支撑，使单晶炉2实现上下移动，从而随着结晶坩埚8内液面的升高，通过对结晶坩埚8高度的调节，使结晶坩埚8内液面与进料筒3出口之间的距离保持恒定，从而有效防止因进料管出口与液面之间的距离过大而导致熔融状多晶硅原料在进入到结晶坩埚8内时迸溅至结晶坩埚8外，有效防止多晶硅原料浪费。
所述进料筒3的出口端垂直设置，使进入到进料筒3内熔融状多晶硅原料垂直掉落至结晶坩埚8内，使熔融状多晶硅原料在掉落至结晶坩埚8内与结晶坩埚8内的熔融状多晶硅原料的接触面积更小，使进料筒3内的熔融状多晶硅原料掉落至结晶坩埚8内的熔融状多晶硅原料上时，结晶坩埚8内的熔融状多晶硅原料受力更加集中，从而有效防止结晶坩埚8内的熔融状多晶硅原料迸溅，有效防止多晶硅原料浪费，且单晶硅棒的产品质量更好。
所述进料筒3的进口端呈漏斗状，使进料筒3内进口端口径更大，使化料坩埚5在将熔融状多晶硅原料倾倒至进料筒3时，化料坩埚5内的熔融状多晶硅原料能顺利的进入到进料筒3内，使化料坩埚5内熔融状多晶硅原料的倾倒更加方便，且有效防止化料坩埚5内的多晶硅原料在倾倒过程中洒落。
所述进料筒3包括由内至外依次设置的内层31、外层32和保温层33，通过内层31、外层32、保温层33的配合，不仅能有效防止进料筒3因高温而受到损坏，且有效防止熔融状多晶硅原料在通过进料筒3输送过程中冷却结晶，使进入到结晶坩埚8内的熔融状多晶硅原料的质量得到保证，最终使拉制的单晶硅棒的质量得到保证。
所述进料筒3上还安装有隔离阀10，所述隔离阀10为两个，两个隔离阀10分别位于进料筒3的两端，当化料坩埚5内的熔融状多晶硅原料倾倒完毕后，两个隔离阀10能共同对进料管进行隔断，防止化料坩埚5内的高温气体通过进料筒3进入到单晶炉2内对单晶硅，通过调节两个隔离阀10，能有效对进料筒3的输送量进行调节，从而确保熔融状多晶硅原料在投入结晶锅炉时，熔融状多晶硅原料不会迸溅。
所述化料炉1上还具有固体加料器11。所述固体加料器11的结构与现有技术中单晶炉2上的固体加料器11结构相同，用于将固体多晶硅原料加入到化料坩埚5内，当固体多晶硅原料加入到化料坩埚5内后，固体加料器11停止向化料坩埚5内投放固体多晶硅原料。
所述化料炉1上还具有进气口12、出气口13和抽真空口14。所述进气口12用对向化料炉1内通入惰性气体，且通入到化料炉1内的惰性气体为氩气；所述抽真空口14用于对抽真空设备连接，使化料炉1内对多晶硅原料进行熔融时，化料炉1内呈真空状态。化料炉1内通过真空与惰性气体结合，使多晶硅原料在化料坩埚5内进行熔融时，能有效排除多晶硅原料中易挥发杂质，使熔融状多晶硅原料的质量得到保证，使单晶炉2内拉制成型的单晶硅棒的质量大大提高。
所述加热器6为电加热线圈，且电加热线圈套设在化料坩埚5外壁上；电加热线圈为现有技术的直接使用，通过将电加热线圈绕设在化料坩埚5上，使电加热线圈产生的热量直接作用到化料坩埚5上，使化料坩埚5内的多晶硅原料的熔融效率更高。
本发明中单晶炉2的二次加料方法包括如下步骤：
S1：在单晶炉2内拉制单晶硅棒时，向化料坩埚5内投入固相多晶硅原料，加热器6对化料坩埚5内的固相多晶硅原料加热，化料坩埚5内的多晶硅原料熔融。
S2：当单晶炉2内拉制完成的单晶硅棒取出后，将化料坩埚5内熔融状的多晶硅原料倒入到进料筒3内，熔融状多晶硅原料沿进料筒3进入到单晶炉2内完成单晶硅棒二次拉制，且在单晶炉2内拉制单晶硅棒同时，重复步骤S1。
在固相多晶硅投入到化料坩埚5后，对化料炉1抽真空，并向化料炉1内通入惰性气体，使固相多晶硅原料在化料坩埚5内熔融时能排出固相多晶硅原料中易挥发杂质。
化料坩埚5内熔融状多晶硅原料在倒入进料筒3时，控制化料坩埚5倾倒速度，确保熔融状多晶硅原料在投入到结晶坩埚8时不迸溅。
熔融状多晶硅原料在投入结晶锅炉时，进料筒3出口与结晶坩埚8内熔融状多晶硅原料液面之间的距离为15～50mm，防止熔融状多晶硅原料投入结晶坩埚8使，结晶坩埚8内的熔融状结晶硅原料溅落至结晶坩埚8外。
当单晶炉2内完成山一根单晶硅棒的生产后，结晶坩埚8内剩余的液态硅料较少，结晶坩埚8内的空间比较大，几乎相当于一个没有盛放熔融状多晶硅原料的结晶坩埚8，此时通过进料筒3向结晶坩埚8内投放熔融状多晶硅原料，使结晶锅炉内的熔融状多晶硅原料液面略低于坩埚的开口位置，使向结晶坩埚8内投入多晶硅原料的重量比第一次更大，从而使生产的第二根单晶棒的质量能够达到大于第一根单晶棒的重量
采用本发明的方法所生产的单晶棒的质量更好，且节约了固相多晶硅投料所需的化料时间，提高了单晶棒的生产效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单晶炉的二次加料装置，其特征在于，包括化料炉(1)和至少一个单晶炉(2)，多个所述单晶炉(2)均与化料炉(1)之间连接有进料筒(3)；所述化料炉(1)内安装有具有倾倒功能的支撑架(4)和安装在支撑架(4)上的化料坩埚(5)；所述化料室内还安装有加热器(6)。
2.根据权利要求1所述的单晶炉的二次加料装置，其特征在于，所述支撑架(4)包括转动安装在化料坩埚(5)上的上安装环(41)和下安装环(42)；所述化料炉(1)内还对称安装在化料坩埚(5)两侧的支撑柱(43)，且两个支撑柱(43)的上端均与上安装环(41)铰接；所述化料炉(1)内还铰接安装有倾斜的第一伸缩杆(44)，第一伸缩杆(44)与支撑柱(43)之间的夹角为90°。
3.根据权利要求2所述的单晶炉的二次加料装置，其特征在于，所述化料炉(1)内安装有可升降的驱动电机(45)，且驱动电机(45)的输出轴上还安装有卡紧化料炉(1)的卡爪(46)。
4.根据权利要求3所述的单晶炉的二次加料装置，其特征在于，所述卡爪(46)包括固定安装在驱动电机(45)输出轴上的安装盘(461)，且安装盘(461)上固定安装有多个限位柱(462)；所述化料炉(1)的底面还开设有分别与多个限位柱(462)一一对应的限位槽(7)。
5.根据权利要求2或3或4所述的单晶炉的二次加料装置，其特征在于，所述化料炉(1)内还安装有第二伸缩杆(47)，第二伸缩杆(47)的上端还安装有安装台(48)，且驱动电机(45)安装在安装台(48)上。
6.根据权利要求1所述的单晶炉的二次加料装置，其特征在于，所述单晶炉(2)内还安装有可升降的结晶坩埚(8)；所述单晶炉(2)内还安装有多个第三伸缩杆(9)，且结晶坩埚(8)固定安装在多个第三伸缩杆(9)的上方。
7.根据权利要求1所述的单晶炉的二次加料装置，其特征在于，所述进料筒(3)的出口端垂直设置，且进料筒(3)的进口端呈漏斗状。
8.根据权利要求1所述的单晶炉的二次加料装置，其特征在于，所述进料筒(3)包括由内至外依次设置的内层(31)、外层(32)和保温层(33)；所述进料筒(3)上还安装有隔离阀(10)；所述化料炉(1)上还具有固体加料器(11)，且化料炉(1)上还具有进气口(12)、出气口(13)和抽真空口(14)。
9.一种单晶炉的二次加料方法包括如下步骤：
S1：在单晶炉(2)内拉制单晶硅棒时，向化料坩埚(5)内投入固相多晶硅原料，加热器(6)对化料坩埚(5)内的固相多晶硅原料加热，化料坩埚(5)内的多晶硅原料熔融；
S2：当单晶炉(2)内拉制完成的单晶硅棒取出后，将化料坩埚(5)内熔融状的多晶硅原料倒入到进料筒(3)内，熔融状多晶硅原料沿进料筒(3)进入到单晶炉(2)内完成单晶硅棒二次拉制，且在单晶炉(2)内拉制单晶硅棒同时，重复步骤S1。
10.根据权利要求9所述的单晶炉的二次加料方法，其特征在于，所述步骤S2中进料筒(3)出口与结晶坩埚(8)内熔融状多晶硅原料液面之间的距离为15～50mm。
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