CN111962140A - 连续拉晶装置和连续拉制晶棒的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种连续拉晶装置和连续拉制晶棒的方法，涉及拉晶技术领域。该连续拉晶装置包括：坩埚，坩埚包括第一坩埚和第二坩埚，第二坩埚位于第一坩埚的内侧；导流筒，导流筒位于坩埚的上方；物料运输管道，物料运输管道用于将物料供应到坩埚中；其中第二坩埚的内径与导流筒的外径之间的比例≥1.05；在第一状态下，导流筒的底面与坩埚的底面之间的距离为第一距离；在第二状态下，导流筒的底面与坩埚的底面之间的距离为第二距离；其中，第一距离大于第二距离；且在第一状态和第二状态下，坩埚内的晶液界面与导流筒的底面之间的距离保持不变。本申请能够解决现有技术中单晶无规律断棱和埚内余料量较高的问题。

Description

连续拉晶装置和连续拉制晶棒的方法
技术领域
本申请涉及拉晶技术领域，尤其涉及连续拉晶装置和连续拉制晶棒的方法。
背景技术
目前制造单晶硅的方法包括直拉法、磁场直拉法、区熔法等，其中直拉法是目前较为常用的单晶硅生产方法。传统的直拉法生产工艺随着技术的发展进步，逐渐演变为多次加料直拉法(RCZ)或连续加料直拉法(CCZ)。其中，CCZ技术具有可有效降低单晶拉棒的时间、坩埚成本和能耗等特点。因此，为进一步降低单晶拉晶成本，单晶生产厂家都在尝试使用CCZ拉晶工艺，即连续加料拉晶工艺。CCZ拉晶工艺可以实现在拉晶的过程中加料，通过软件控制拉晶过程中消耗的硅和通过加料器加入的硅的质量相同，从而保证在拉晶过程中，在不使用埚升的前提下能够保持液口距保持不变(液口距是指导流筒下沿到熔硅液面或熔硅界面的距离)。CCZ拉晶工艺与现有的直拉单晶工艺不同的是，CCZ拉晶工艺实现了拉晶过程中加料，由此可以大幅度缩减熔料时长，由此可大幅度增加一个拉晶周期中有效等径时长，最终可以使得拉晶成本大幅度降低。而且CCZ拉晶工艺因为实现了拉晶过程中加料，因此母合金也可以在拉晶过程中加入，根据拉晶速度和晶棒直径，计算出母合金的加入速度，从而保证熔融硅液中母合金浓度基本保持一致，所以在CCZ拉晶工艺下，晶棒电阻率分布均匀，以N型单晶为例，常规拉晶工艺下拉制的单晶棒头尾电阻率约为3：1，而在CCZ拉晶工艺下拉制的晶棒头尾电阻率基本可控制在1.1：1。晶棒电阻率均匀对后期电池工艺在高效电池的制备可以提供很大的帮助。
但是由于CCZ拉晶工艺所存在的难度，目前行业内CCZ拉晶工艺仍处于调试阶段，并未出现全面推广。现有的CCZ拉晶工艺调试具有一定难度导致CCZ拉晶工艺下整棒率较低，主要表现在：单晶在拉制过程中无规律断棱；在拉制最后一棒结束后，坩埚内部剩余硅料较多，增加了硅料成本。因此，有必要对CCZ拉晶工艺或装置进行进一步改进。
发明内容
本申请的目的在于提供一种连续拉晶装置和拉制晶棒的系统，能够减小拉晶过程中加入的硅料对坩埚内部温度造成的波动，可以使拉晶更加稳定，避免或减少拉晶过程中无规律断棱现象，还可以降低留埚量比例，降低拉晶成本。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：
根据本申请的一个方面，本申请提供一种连续拉晶装置，包括：
坩埚，所述坩埚包括第一坩埚和第二坩埚，所述第二坩埚位于所述第一坩埚的内侧，所述第一坩埚和所述第二坩埚之间形成有加料空间；
导流筒，所述导流筒位于所述坩埚的上方；
物料运输管道，所述物料运输管道用于将物料供应到所述坩埚中，所述物料运输管道与所述加料空间相对应设置；
其中，所述第二坩埚的内径与所述导流筒的外径之间的比例≥1.05；
在第一状态下，所述导流筒的底面与所述坩埚的底面之间的距离为第一距离；在第二状态下，所述导流筒的底面与所述坩埚的底面之间的距离为第二距离，所述物料运输管道适于延伸至所述加料空间内；其中，所述第一距离大于所述第二距离；且在所述第一状态和所述第二状态下，所述导流筒的底面与所述坩埚内的晶液界面之间的距离保持不变。
在一种可能的实现方式中，所述第二坩埚的内径与所述导流筒的外径之间的比例为1.09至1.3。
在一种可能的实现方式中，所述导流筒包括直筒部，所述第二坩埚的内侧壁与所述导流筒的直筒部的外侧壁之间具有间隙，所述间隙的距离为50mm-150mm。
在一种可能的实现方式中，所述导流筒的外径为500mm-550mm；
所述第二坩埚的内径为600mm-650mm，和/或，所述第一坩埚的内径为750mm-800mm。
在一种可能的实现方式中，向所述坩埚内初始投加的物料质量为第一质量，拉制最后一根晶棒结束后所述坩埚内剩余的物料质量为第二质量，所述第二质量为所述第一质量的0.03倍至0.05倍。
在一种可能的实现方式中，所述物料运输管道包括直臂部，在所述第一状态下所述直臂部伸入所述加料空间内的长度小于在所述第二状态下所述直臂部伸入所述加料空间内的长度。
在一种可能的实现方式中，所述直臂部的长度为180mm-300mm。
在一种可能的实现方式中，所述连续拉晶装置还包括升降机构；
所述升降机构与所述坩埚连接，用于升降所述坩埚；
和/或，所述升降机构与所述导流筒连接，用于升降所述导流筒。
在一种可能的实现方式中，所述升降机构包括升降杆和驱动部，所述升降杆的一端连接于所述第一坩埚的外部；
所述驱动部与所述升降杆连接，用于驱动所述升降杆运动并带动所述坩埚运动。
根据本申请的另一个方面，本申请还提供一种连续拉制晶棒的方法，应用于如上所述的连续拉晶装置，所述方法包括：
在所述第一坩埚和第二坩埚之间形成的加料空间提供有第一晶液，在所述第二坩埚内提供有第二晶液，所述第二晶液用于拉制所述多个晶棒，且所述加料空间内的第一晶液可以流入所述第二坩埚内用以补偿在拉制多个晶棒时造成的第二晶液的消耗；
向所述第二晶液提供晶种，从所述第二晶液中提拉所述晶种以生长出所述晶棒；
其中，在拉制所述多个晶棒的最后一根晶棒时，调节所述第二坩埚和/或所述导流筒的位置使得所述第二坩埚内的第二晶液的界面与所述导流筒的底面的距离保持恒定。也就是，调节所述坩埚和/或所述导流筒的位置，使得所述导流筒的底面与所述坩埚内的晶液界面之间的距离保持不变。
可选地，向所述坩埚内初始投加的物料质量为200kg-300kg。
可选地，向所述坩埚内初始投加的物料质量为第一质量，拉制最后一根晶棒结束后所述坩埚内剩余的物料质量为第二质量，所述第二质量为所述第一质量的0.03倍至0.05倍。
可选地，通过所述物料运输管道运输物料的加料速度为100-200g/min。
可选地，所述物料运输管道包括直臂部，所述直臂部的长度为180mm-300mm。
可选地，所述导流筒的外径为500mm-550mm；
所述第二坩埚的内径为600mm-650mm，和/或，所述第一坩埚的内径为750mm-800mm。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本申请提供的连续拉晶装置，包括坩埚、导流筒和物料运输管道，其中，坩埚包括第一坩埚和第二坩埚，第二坩埚位于第一坩埚的内侧，且第二坩埚的内径与导流筒的外径之间的比例不低于1.05，也就是第二坩埚的内径大于导流筒的外径，以避免在拉晶过程中坩埚不能提升的问题，避免由于第二坩埚的内径和导流筒的外径基本一致而导致的在坩埚和/或导流筒升降时，第二坩埚和导流筒会发生干涉的问题。
并通过增大第二坩埚的尺寸，增加初始投料量，可以减小拉晶过程中由物料运输管道加入的硅料对坩埚内温度造成的波动，减少或避免在拉晶过程中出现的无规律断棱现象。同时，在拉制最后一根晶棒时，能够进行导流筒和/或坩埚的升降，调整导流筒与坩埚之间的相对距离，并能保持坩埚内的晶液界面与导流筒的底面之间的距离恒定，从而可以减小坩埚内部剩余硅料，降低拉晶成本。
本申请的连续拉制晶棒的方法，与前述连续拉晶装置是基于同一发明构思的，因而具有前面所述的连续拉晶装置的所有特点和优点，在此不再赘述。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请示例性的实施方式提供的一种连续拉晶装置结构示意图；
图2为本申请示例性的实施方式提供的一种连续拉晶装置剖面结构示意图；
图3为本申请示例性的实施方式提供的另一种连续拉晶装置剖面结构示意图；
图4为本申请示例性的实施方式提供的另一种连续拉晶装置结构示意图；
图5为对比例1的一种连续拉晶装置结构示意图；
图6为利用本发明实施例1的连续拉晶装置得到的晶棒的仿真模拟示意图；
图7为利用对比例1的连续拉晶装置得到的晶棒的仿真模拟示意图。
附图标记：
1-坩埚；101-第一坩埚；102-第二坩埚；112-加料空间；121-间隙；
2-导流筒；201-底面；202-直筒部；
3-物料运输管道；301-直臂部；
4-晶棒；
5-晶液；
6-晶液界面；
7-拉晶炉；
8-升降机构；
9-加料机；
10-加热设备。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。除非另有定义或说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。
CCZ拉晶工艺即连续拉晶工艺，具有产出的晶棒电阻率更加均匀、分布更窄、品质更高等特点。其中，CCZ拉晶中热场的设计对于整个CCZ拉晶系统或工艺至关重要。目前CCZ热场设计，晶棒在拉制过程中通过加料机构不断的向坩埚内加料，通过计算，使得晶棒生长所消耗的硅液(晶液)质量与通过加料机构加入的硅料质量一致。现有的导流筒外径尺寸与内坩埚的内径尺寸基本一致，在拉晶过程中坩埚位置和导流筒的位置基本保持不变。因此，在CCZ拉晶过程中，虽然坩埚位置保持不变，但因为消耗的硅液与加入的硅料质量相同，所以熔硅界面(晶液界面)相对于坩埚的位置也不会发生改变。由于CCZ拉晶在拉晶过程中加料，相比于现有的直拉工艺可以大幅度缩短化料时间并且可以大幅度提供晶棒的电阻率均匀性。
虽然CCZ拉晶工艺可以大幅度提高一个拉晶周期内有效等径时长，并且CCZ拉晶工艺还能大幅度提高晶棒电阻率均匀性，能够对后期电池工艺提供帮助。但其目前让主要处于调试阶段，大部分相关企业或机构并未大面积推广使用。其中原因包括：(1)CCZ拉晶工艺下整棒率较低，主要表现在单晶在拉制过程中无规律断棱。因为在CCZ拉晶工艺需要在拉制过程加入硅料，硅料加入到坩埚内部熔融硅液中时会造成坩埚内部温度波动，而在拉晶过程中，坩埚内部温度波动会影响单晶的生长，如果温度波动较大，单晶就会断棱。(2)目前CCZ拉晶工艺配套的热场设计决定了坩埚在拉晶过程中上升的距离有限，从而导致在拉制最后一棒结束后，坩埚内部剩余硅料较多，目前大部分厂家坩埚剩余硅料质量可以达到50kg以上，一般剩余的硅料质量占初始硅料质量的50％-60％，这又大大增加了硅料成本，使得CCZ拉晶成本居高不下。
鉴于此，为避免现有的CCZ拉晶工艺由于在拉晶过程中加入硅料，导致的坩埚内熔硅温度波动较大、整棒率较低的问题，和现有剩余的硅料质量占初始硅料质量的50％-60％，增大了拉晶成本的问题。本发明实施例的技术方案提供一种连续拉晶装置和连续拉制晶棒的方法，通过对热场进行改进，通过加大初始投料量的方式降低温度波动幅度，减弱在拉晶过程中连续加料引起的温度波动，降低加料对拉晶的影响；通过改变热场相对尺寸，可以减小埚底料占比，降低CCZ拉晶成本。
第一方面，请参考图1至图4所示，本发明的实施例提供一种连续拉晶装置，包括：
坩埚1，所述坩埚1包括第一坩埚101和第二坩埚102，所述第二坩埚102位于所述第一坩埚101的内侧，所述第一坩埚101和所述第二坩埚102之间形成有加料空间112；
导流筒2，所述导流筒2位于所述坩埚1的上方，所述导流筒2具有底面201；
物料运输管道3，所述物料运输管道3用于将物料供应到所述坩埚1中，所述物料运输管道3与所述加料空间112相对应设置，因而通过物料运输管道3可以将物料输送至加料空间112内；
其中，所述第二坩埚102的内径与所述导流筒2的外径之间的比例≥1.05；
在第一状态下，所述导流筒2的底面201与所述坩埚1的底面之间的距离为第一距离；在第二状态下，所述导流筒2的底面与所述坩埚1的底面之间的距离为第二距离，所述物料运输管道3适于延伸至所述加料空间112内；其中，所述第一距离大于所述第二距离；且在所述第一状态和所述第二状态下，所述坩埚1内的晶液界面6与所述导流筒2的底面201之间的距离保持不变。
该连续拉晶装置，通过对热场的重新设计，通过采用大坩埚、小导流筒的热场设计，能够避免坩埚上升时导流筒对其的干扰，解决现有CCZ拉晶工艺下在拉晶过程中坩埚升降距离受限的问题，可以减小坩埚内部剩余硅料，从而解决现有CCZ工艺坩埚余料较大的问题，降低拉晶成本。并且通过采用大坩埚、小导流筒的热场设计，可以增大CCZ拉晶工艺下坩埚初始投料量，从而减弱在拉晶过程中因为加料造成的温度波动，大幅度提升CCZ拉晶工艺下单晶的整棒率。
详细来讲，该连续拉晶装置包括坩埚1、导流筒2和物料运输管道3，其中，坩埚1包括第一坩埚101和第二坩埚102，第二坩埚102位于第一坩埚101的内侧，且第二坩埚102的内径与导流筒2的外径之间的比例不低于1.05，也就是第二坩埚102的内径大于导流筒2的外径，以避免在拉晶过程中坩埚不能提升的问题，避免由于第二坩埚102的内径和导流筒2的外径基本一致而导致的在坩埚1和/或导流筒2升降时，第二坩埚102和导流筒2会发生干涉或坩埚升降距离受限的问题。这样，在拉制最后一根晶棒4时，能够进行导流筒2和/或坩埚1的升降，调整导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离，使得坩埚1内的晶液界面6与导流筒2的底面201之间的距离保持不变也就是液口距恒定，从而可以减小坩埚1内部剩余硅料，降低拉晶成本。并通过采用大坩埚、小导流筒的设计，即通过增大第二坩埚102的尺寸，增加初始投料量，可以减小拉晶过程中由物料运输管道3加入的硅料对坩埚内温度造成的波动，减少或避免在拉晶过程中出现的无规律断棱现象，进而提高整棒率。
此外，物料运输管道3用于在拉晶过程中连续输送硅料等物料，该物料运输管道3与第一坩埚101和第二坩埚102之间形成的加料空间112相对应，在导流筒2的底面与坩埚的底面之间的距离缩小的情况下，物料运输管道3的至少部分能够伸入至加料空间112内，可以避免坩埚1在提升过程中或者坩埚1与导流筒2的相对位置发生改变的过程中与物料运输管道3发生干涉，导致坩埚无法提升的问题。
上述第一坩埚101可以为外坩埚，上述第二坩埚102可以为内坩埚。
上述第二坩埚102的内径与导流筒2的外径之间的比例≥1.05，也就是，第二坩埚102的内径需要大于导流筒2的外径，示例性的，第二坩埚102的内径与导流筒2的外径的比值可以为1.05-1.6，可以为1.05-1.5，可以为1.06-1.4，可以为1.09-1.3等。可以典型但非限制性的，例如可以为1.05、1.08、1.09、1.1、1.15、1.2、1.25、1.28、1.3、1.35、1.4、1.5、1.6等。通过对CCZ热场改进设计，一方面可以增大第二坩埚102的内径，使得第二坩埚102的内径大于导流筒2的外径，另一方面可以减小导流筒2的外径，使得第二坩埚102的内径大于导流筒2的外径，或者可以既增大第二坩埚102的内径又减少导流筒2的外径，使得第二坩埚102的内径大于导流筒2的外径。在本发明实施例中，较佳的，通过增大第二坩埚102内径的方式，使得第二坩埚102的内径大于导流筒2的外径，这样不仅可以避免由于第二坩埚102的内径和导流筒2的外径基本一致而导致的在坩埚提升时，第二坩埚102和导流筒2会发生干涉或坩埚升降距离受限的问题，又可以增大初始投料量。
上述第一状态可以为在拉制第一根晶棒4时的状态，此外，上述第一状态也可以为在拉制第二根晶棒或第三根晶棒或第四根晶棒等的状态，也就是第一状态可以为在拉制最后一根晶棒之前的任何状态；上述第二状态可以为在拉制最后一根晶棒4时的状态，或者第二状态可以为从拉制最后一根晶棒开始到拉制最后一根晶棒结束的状态。在拉制最后一根晶棒4时，可以改变导流筒2与坩埚1之间的相对距离，例如可以升降坩埚1或导流筒2，使得导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离缩短。在拉制最后一根晶棒之前导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离均可以为第一距离，在拉制最后一根晶棒过程中可以不断调整导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离，保持液口距恒定，在拉制最后一根晶棒结束后，导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离可以达到最小。在第一状态下的导流筒2的底面201和坩埚1底面之间的距离为第一距离，可如图2所示；在第二状态下的导流筒2的底面201和坩埚1底面之间的距离为第一距离，可如图3所示。由图2和图3可以看出，第一距离大于第二距离，即在拉制最后一根晶棒4时，可以调整导流筒2与坩埚1之间的相对距离，使导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离减小，从而可以减少坩埚1内的剩余物料，即减小坩埚1内余料质量，降低拉晶成本。并且，在拉晶过程中，无论是在第一状态还是第二状态，坩埚1内的晶液界面6与导流筒2的底面201之间的距离即液口距需要保持不变。
上述晶液界面6可以为熔硅界面，或晶液5和当前晶棒4之间的界面，或晶液5的表面。
上述坩埚1的底面可以是第一坩埚101的外侧底面。
在一些实施例中，在增大第二坩埚102内径的同时，为避免第一坩埚101对于第二坩埚102尺寸增加的影响，也可以同时适应性的增大第一坩埚101的内径。此外，第一坩埚101与第二坩埚102之间的加料空间112需要使物料运输管道3能够伸入其中，因此该加料空间112的距离或尺寸需要不小于物料运输管道3的外径。
在一些实施例中，所述第二坩埚102的内径与所述导流筒2的外径之间的比例为1.09至1.3，例如可以为1.09、1.0、1.1、1.15、1.2、1.22、1.25、1.28、1.3等。
在该范围内，不仅可以避免由于第二坩埚102的内径和导流筒2的外径基本一致而导致的在坩埚提升时，第二坩埚102和导流筒2会发生干涉或坩埚升降距离受限的问题，使得在拉制最后一棒时，坩埚能够提升，可减小坩埚内部剩余硅料，降低拉晶成本。同时又可以增大初始投料量，减小拉晶过程中由物料运输管道3加入的硅料对坩埚内温度造成的波动，减少或避免在拉晶过程中出现的无规律断棱现象，进而提高整棒率。
在一些实施例中，所述导流筒2包括直筒部202，所述第二坩埚102的内侧壁与所述导流筒2的直筒部202的外侧壁之间具有间隙121，所述间隙121的距离为50mm-150mm，进一步可以为50mm-120mm，进一步可以为60mm-100mm，典型但非限制的，例如可以为50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、120mm、140mm、150mm等。
上述导流筒2可以包括直筒部202和非直筒部，该非直筒部例如可以为具有弧面的部分。所述导流筒2的外径是指导流筒2的直筒部202的外径。
上述导流筒2的具体结构形状可以是多种类型的，可以采用如图1-4所示的形状结构，在其他实施例中还可以采用其他的形状结构，本发明实施例对此不作限定。
在拉制最后一棒时，可以改变导流筒2与坩埚1之间的相对位置，缩短导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离，从而减小坩埚1内部剩余硅料。为避免在升降过程中导流筒2和第二坩埚102之间的干扰，可以使二者之间的间隙121在适宜范围内，有助于降低成本，避免干扰。
在一些实施例中，所述导流筒2的外径为500mm-550mm；典型但非限制的，例如可以为500mm、510mm、520mm、530mm、540mm、550mm、等。
所述第二坩埚102的内径为600mm-650mm，典型但非限制的，例如可以为600mm、610mm、620mm、630mm、640mm、650mm等。
所述第一坩埚101的内径为750mm-800mm，典型但非限制的，例如可以为750mm、760mm、770mm、780mm、790mm、800mm等。
上述第一坩埚101和第二坩埚102的具体结构形式是可以多种多样的，本发明实施例对此不作限定。示例性的，在一些实施例中，所述第二坩埚102可以为设置于第一坩埚101内侧的圆筒状石英坩埚，第二坩埚102包括竖直部，第二坩埚102和第一坩埚101可以具有共同的底部，该第二坩埚102的下部设置有用于熔体流通的连通口。在另一些实施例中，第二坩埚102可以为设置于第一坩埚101内侧的U型坩埚，第一坩埚101和第二坩埚102均可以设置有弧形底部和竖直部，且第二坩埚102的底部设置有若干个用于满足硅熔体流通的通孔。
可选的，第一坩埚101和/或第二坩埚102的内表面可以设置有涂层，例如可以为透明氧化硅玻璃层，可以起到强化坩埚的作用。
在一些实施例中，向坩埚1内初始投加的物料质量为第一质量，拉制最后一根晶棒4结束后所述坩埚1内剩余的物料质量为第二质量，所述第二质量为所述第一质量的0.03倍至0.05倍，例如可以为0.03倍、0.04倍、0.05倍等。
由此，可以极大减小坩埚内部剩余硅料，降低拉晶成本。
在一些实施例中，所述物料运输管道3包括直臂部301，在所述第一状态下所述直臂部301伸入所述加料空间112内的长度小于在所述第二状态下所述直臂部301伸入所述加料空间112内的长度。
在第一状态下，物料运输管道3的出料口可以与加料空间112的开口相对应，或者物料运输管道3的直臂部301的下端可以少部分伸入加料空间112内。在第二状态下，物料运输管道3的直臂部301可以进一步伸入至加料空间112内。即在拉制最后一根晶棒4时，坩埚可以提升，为避免物料运输管道3对坩埚1提升的影响，可以增大物料运输管道3的直臂部301的长度，使得在拉制最后一根晶棒4所时直臂部301伸入加料空间112内的长度较大，从而可以保证坩埚1的提升过程中不会与物料运输管道3产生干涉，避免导致坩埚1无法提升的问题。
在一些实施例中，所述直臂部301的长度为180mm-300mm，典型但非限制的，例如可以为180mm、190mm、200mm、220mm、240mm、250mm、260mm、280mm、280mm等。
通过增大物料运输管道3的直臂部301的长度，使该直臂部301的长度在180mm-300mm范围内，可以保证坩埚1的提升过程中不会与物料运输管道3产生干涉，避免导致坩埚1无法提升的问题。
为了在拉制最后一根晶棒4时，缩短导流筒2的底面201与坩埚1的底面之间的距离，减小坩埚1内剩余硅料，可以升降坩埚1或导流筒2，因而需要设置能够使坩埚1或导流筒2进行升降的升降机构。具体地，在一些实施例中，所述连续拉晶装置还包括升降机构8；
所述升降机构8与所述坩埚1连接，用于升降所述坩埚1；
和/或，所述升降机构8与所述导流筒2连接，用于升降所述导流筒2。
该连续拉晶装置中可以设置升降机构8，该升降机构8可以与导流筒2连接，用于升降导流筒2，或者该升降机构8也可以与坩埚1连接，用于升降坩埚1，或者该升降结构可以既与坩埚1连接又与导流筒2连接，既可以用于升降坩埚1又可以用于升降导流筒2。
用于升降导流筒的升降机构可以是具有多种类型的，例如可以为各种熟知的提升机构等，本发明实施例对此不作限定，在此不再详细描述。
在一些实施例中，所述升降机构8包括升降杆和驱动部，所述升降杆的一端连接于所述第一坩埚101的外部；
所述驱动部与所述升降杆连接，用于驱动所述升降杆运动并带动所述坩埚1运动。
可选的，所述驱动部可以为电机。利用电机驱动升降杆运动，并带动坩埚1上升或下降，结构简单，成本低，方便操控。
在一些实施例中，该连续拉晶装置还可以设置有距离传感器、温度传感器、控制单元等，其中温度传感器和距离传感器分别与控制单元连接；温度传感器可用于监测拉晶过程中的温度，距离传感器可用于监测坩埚1内的晶液界面6与导流筒2的底面201之间的距离，保证在拉晶过程中坩埚1内的晶液界面6与导流筒2的底面201之间的距离保持不变。
在一些实施例中，如图4所示，该连续拉晶装置设置有拉晶炉7，上述坩埚1、导流筒2和至少部分物料运输管道3设置于拉晶炉7内。
进一步，上述升降杆也可以至少部分的设置于拉晶炉7内，驱动部如电机可以设置于拉晶炉7外。
进一步，拉晶炉7内还设置有用于加热坩埚1的加热设备10。
进一步，该连续拉晶装置还包括加料机9，上述物料运输管道3的一端与加料空间112相对应设置，物料运输管道3的另一端与加料机9连接。
应理解，上述连续拉晶装置中，未详细描述的部分如控制单元、加热设备、加料机或其他的保温结构等，可以由本领域技术人员根据实际情况而选择设定，对此不作特殊限制，在此不再赘述。
由以上可知，本发明实施例通过对热场的优化设计实现了增大初始投料量的目的，减小拉晶过程中加入硅料引起的温度波动对拉晶的影响；并且，坩埚具有较大的提升空间，在拉制最后一根晶棒时，可以通过提升坩埚来解决现有技术中存在的留埚量较大问题。
第二方面，本申请的实施例还提供一种连续拉制晶棒的方法，该连续拉制晶棒的方法可以为应用于前述的连续拉晶装置进行拉制晶棒的方法，具体包括：
在所述第一坩埚和第二坩埚之间形成的加料空间提供有第一晶液，在所述第二坩埚内提供有第二晶液，所述第二晶液用于拉制所述多个晶棒，且所述加料空间内的第一晶液可以流入所述第二坩埚内用以补偿在拉制多个晶棒时造成的第二晶液的消耗；
向所述第二晶液提供晶种，从所述第二晶液中提拉所述晶种以生长出所述晶棒；
其中，在拉制所述多个晶棒的最后一根晶棒时，调节所述第二坩埚和/或所述导流筒的位置使得所述第二坩埚内的第二晶液的界面(晶液界面)与所述导流筒的底面的距离保持恒定。
该连续拉制晶棒的方法与现有的CCZ拉晶工艺的主要区别在于，现有技术中的CCZ拉晶工艺在拉制最后一根晶棒时无法调节坩埚或导流筒的位置，导致埚内余料量较多，增加了成本；而本申请通过对CCZ热场的重新设计，在拉制所述多个晶棒的最后一根晶棒时，能够调节第二坩埚和/或导流筒的位置，减少埚内余料量，并使得第二坩埚内的第二晶液的界面也就是坩埚内的晶液界面与导流筒的底面的距离保持恒定。同时，本申请增加了第二坩埚与导流筒的尺寸比例，能增大初始投料量，减少或避免单晶无规律断棱现象，提高整棒率。
可以理解，在拉制最后一根晶棒之前，可以通过物料运输管道向坩埚内输送物料，以补充所消耗的第二晶液，保持坩埚内的晶液界面与导流筒的底面的距离恒定；在拉制最后一根晶棒时，可以停止通过物料运输管道向坩埚内输送物料，并通过提升坩埚，调整坩埚和导流筒之间的相对距离，保持坩埚内的晶液界面与导流筒的底面的距离恒定。本领域技术人员能够理解的是，该连续拉制晶棒的方法与前述的连续拉晶装置是基于同一发明构思的，前面针对连续拉晶装置所描述的特征和优点，同样适用该连续拉制晶棒的方法，在此不再赘述。
可选地，向所述坩埚内初始投加的物料质量为200kg-300kg。
发明人发现，坩埚初始投料量越大，在CCZ拉晶工艺过程中，相同的加料速度引起的温度波动越小。通过优化第一坩埚、第二坩埚、物料运输管道、导流筒的设计，在CCZ拉晶工艺生长过程中可以使得拉晶更加稳定且埚内余料量比例大幅度降低。
可选地，向所述坩埚内初始投加的物料质量为第一质量，拉制最后一根晶棒结束后坩埚内剩余的物料质量为第二质量，第二质量为第一质量的0.03倍至0.05倍。
可选地，通过所述物料运输管道运输物料的加料速度为100-200g/min。
可选地，所述物料运输管道包括直臂部，所述直臂部的长度为180mm-300mm。
可选地，所述导流筒的外径为500mm-550mm；
所述第二坩埚的内径为600mm-650mm，和/或，所述第一坩埚的内径为750mm-800mm。
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至图4所示，一种连续拉晶装置，包括坩埚1、导流筒2、物料运输管道3和升降机构8，其中，坩埚1包括第一坩埚101和第二坩埚102，第二坩埚102位于第一坩埚101的内侧，第一坩埚101和第二坩埚102之间形成有加料空间112；导流筒2位于坩埚1的上方，导流筒2设有底面201；物料运输管道3用于将物料供应到坩埚1中，物料运输管道3与加料空间112相对应设置。升降机构8包括升降杆和驱动部，升降杆的一端连接于第一坩埚101的外部；所述驱动部与升降杆连接，用于驱动升降杆运动并带动坩埚1运动。
其中，第一坩埚101内径为750-800mm，第二坩埚102的内径为600-650mm，导流筒2的外径为500-550mm。
物料运输管道3包括直臂部301，直臂部301的长度为180-300mm。这样可以防止因为物料运输管道3而导致的坩埚1不能向上提升。
实施例1的初始投料量在200-300kg。晶棒4生长速度与现有的基本无差异，通过物料运输管道3加料的速度可以设置约为100-200g/min。
在拉制最后一根晶棒4时，可以利用升降机构8将坩埚1向上提升，缩短导流筒2底面与坩埚1底面之间的距离。综合考虑拉晶工艺与生产产能，在晶体完成收尾后，坩埚1内剩余硅液的质量在10kg左右。此外，在拉制最后一根晶棒4时，为了保证导流筒2的底面201到坩埚1内的晶液界面6距离不变，需要在拉晶工艺上使坩埚1提升，初始投料量在坩埚1中的高度与最后一棒拉制结束后剩余硅液在坩埚1中的高度，这两个高度的高度差即为坩埚1具体需要提升的高度。
对比例1
如图5所示，一种连续拉晶装置，包括坩埚1、导流筒2和物料运输管道3，其中，坩埚1包括第一坩埚和第二坩埚，第二坩埚位于第一坩埚的内侧，第一坩埚和第二坩埚之间形成有加料空间；导流筒2位于坩埚1的上方，导流筒2设有底面；物料运输管道3用于将物料供应到坩埚1中，物料运输管道3与加料空间相对应设置。
其中，第一坩埚内径为650-700mm，第二坩埚的内径为470-520mm，导流筒2的外径为500-550mm。该对比例1中，由于第二坩埚的内径小于导流筒2的外径或第二坩埚的内径与导流筒2的外径基本一致，所以在拉晶过程中，坩埚不能向上提升，否则坩埚会与导流筒2发生干涉。
物料运输管道3包括直臂部，直臂部的长度为40-60mm。
对比例1的初始投料量在80-150kg之间，采用CCZ拉晶工艺时，控制拉晶速度与加料速度，保证熔硅液面即晶液界面相对于坩埚位置不变，因此在拉制最后一根晶棒4时，坩埚内所剩余硅料达到40-90kg。由于对比例1的第二坩埚尺寸和导流筒2尺寸基本相同，在拉制最后一棒时，坩埚无法向上提升，使得埚底料较多，造成浪费。
通过实施例1和对比例1的分析对比可以看出，本发明实施例的CCZ热场，在导流筒2尺寸不变的前提下加大内坩埚和外坩埚的径向尺寸，导流筒2外径与内坩埚内径之间留有绝对的间隙量，并且通过优化物料运输管道3(或加料盒)的尺寸，使得拉制最后一根晶棒4时坩埚具有较大的提升空间，从而在拉制最后一棒时，坩埚可以向上提升，最终大幅度减小坩埚余料质量，降低CCZ拉晶成本。
图6和图7所示出的晶棒长度均为1300mm，但是图6的晶棒所使用的坩埚内径大于图7的晶棒所使用的坩埚内径。分别如图6和图7所示，发明人通过CGsim模拟软件得到如下结论：随着坩埚内径增加，熔体表面的剪切对流(shear flow)及熔体内的毛细对流(capillary convection)得到明显加强，增强氧的散失，且坩埚侧边的浮力对流(buoyancydriven convection)与中心的机械对流几乎隔绝，来自于坩埚壁的氧进入长晶界面的机会大幅降低，因此增大坩埚内径可以达到提升晶棒品质得效果。而且通过增加坩埚内径，使得装料量得到增加，在相同得加料速度下，初始投料量越大，温度波动幅度越低。因此，通过优化热场设计，增大初始投料量，加料速度不变时，坩埚内部温度波动减弱，使得晶体生长更为稳定。
综合以上描述可知，现有技术中单晶无规律断棱和埚内余料量较高是目前CCZ拉晶过程存在的主要问题，其中单晶无规律断棱会导致在CCZ拉晶工艺下，炉台成晶率较低，工时利用率低下的问题；而埚内余料量较高又导致了硅料的浪费，增加了拉晶成本。本发明通过对热场的优化设计，在上述第一坩埚101、第二坩埚102、导流筒2、物料运输管道3等的配合设计下，增大了坩埚的初始投料量，减小了拉晶过程中因为加入的固体硅料造成的温度波动，使得长晶更为稳定，而且在拉制最后一棒时，坩埚具有一定的提升空间，以此在保证液口距(即导流筒2的底面201到晶液界面的距离)不变的前提下，可以尽可能的将坩埚里的硅料拉干，减小浪费，降低成本。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
需要指出的是，本专利申请文件的一部分包含受著作权保护的内容。除了对专利局的专利文件或记录的专利文档内容制作副本以外，著作权人保留著作权。

Claims (10)

1.一种连续拉晶装置，其特征在于，包括：
坩埚，所述坩埚包括第一坩埚和第二坩埚，所述第二坩埚位于所述第一坩埚的内侧，所述第一坩埚和所述第二坩埚之间形成有加料空间；
导流筒，所述导流筒位于所述坩埚的上方；
物料运输管道，所述物料运输管道用于将物料供应到所述坩埚中，所述物料运输管道与所述加料空间相对应设置；
其中，所述第二坩埚的内径与所述导流筒的外径之间的比例≥1.05；
在第一状态下，所述导流筒的底面与所述坩埚的底面之间的距离为第一距离；在第二状态下，所述导流筒的底面与所述坩埚的底面之间的距离为第二距离，所述物料运输管道适于延伸至所述加料空间内；其中，所述第一距离大于所述第二距离；且在所述第一状态和所述第二状态下，所述导流筒的底面与所述坩埚内的晶液界面之间的距离保持不变。
2.根据权利要求1所述的连续拉晶装置，其特征在于，所述第二坩埚的内径与所述导流筒的外径之间的比例为1.09至1.3。
3.根据权利要求1所述的连续拉晶装置，其特征在于，所述导流筒包括直筒部，所述第二坩埚的内侧壁与所述导流筒的直筒部的外侧壁之间具有间隙，所述间隙的距离为50mm-150mm。
4.根据权利要求1所述的连续拉晶装置，其特征在于，所述导流筒的外径为500mm-550mm；
所述第二坩埚的内径为600mm-650mm，和/或，所述第一坩埚的内径为750mm-800mm。
5.根据权利要求1所述的连续拉晶装置，其特征在于，向所述坩埚内初始投加的物料质量为第一质量，拉制最后一根晶棒结束后所述坩埚内剩余的物料质量为第二质量，所述第二质量为所述第一质量的0.03倍至0.05倍。
6.根据权利要求1所述的连续拉晶装置，其特征在于，所述物料运输管道包括直臂部，在所述第一状态下所述直臂部伸入所述加料空间内的长度小于在所述第二状态下所述直臂部伸入所述加料空间内的长度。
7.根据权利要求6所述的连续拉晶装置，其特征在于，所述直臂部的长度为180mm-300mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的连续拉晶装置，其特征在于，所述连续拉晶装置还包括升降机构；
所述升降机构与所述坩埚连接，用于升降所述坩埚；
和/或，所述升降机构与所述导流筒连接，用于升降所述导流筒。
9.根据权利要求8所述的连续拉晶装置，其特征在于，所述升降机构包括升降杆和驱动部，所述升降杆的一端连接于所述第一坩埚的外部；
所述驱动部与所述升降杆连接，用于驱动所述升降杆运动并带动所述坩埚运动。
10.一种连续拉制晶棒的方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的连续拉晶装置，所述方法包括：
在所述第一坩埚和第二坩埚之间形成的加料空间提供有第一晶液，在所述第二坩埚内提供有第二晶液，所述第二晶液用于拉制多个晶棒，且所述加料空间内的第一晶液可以流入所述第二坩埚内用以补偿在拉制多个晶棒时造成的第二晶液的消耗；
向所述第二晶液提供晶种，从所述第二晶液中提拉所述晶种以生长出所述晶棒；
其中，在拉制所述多个晶棒的最后一根晶棒时，调节所述第二坩埚和/或所述导流筒的位置使得所述第二坩埚内的第二晶液的界面与所述导流筒的底面的距离保持恒定。
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