CN113136617A - 一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法，直拉法单晶炉包括：炉体和设置于所述炉体内部的坩埚、加热组件、测温组件和坩埚驱动组件，所述加热组件套设于所述坩埚外侧，所述测温组件连接于坩埚底端，所述坩埚驱动组件连接于所述测温组件一侧，所述加热组件、测温组件和坩埚驱动组件与控制器电连接。本发明结构简单，保温效果好，热量利用率高，在坩埚底端设置测温组件，对坩埚底端温度进行实时监控，通过控制器根据预设温度对加热组件的功率进行调控，实现坩埚内温度的控制，提高了单晶硅的品质，保证了单晶硅产出的一致性，进一步提高拉晶效率。

Description

一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法

技术领域

本发明涉及单晶炉技术领域，具体地说，涉及一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法。

背景技术

单晶炉，单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨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。单晶炉使用时，需要将硅料放置于坩埚内，坩埚底部的温度直接决定了硅中氧含量的高低，并影响生长界面附近的温度梯度进而影响单晶的生长速度，因此，直接测量和控制坩埚底部的温度对单晶硅来说显得尤为重要。而现有的单晶炉不具备测量坩埚底部温度的功能，得到的单晶硅品质不高，使用过程中坩埚内温度偏差会导致单晶硅品质参差不齐，因此，为了解决上述单晶炉温度控制的问题，亟需设计一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种直拉法单晶炉，结构简单，保温效果好，热量利用率高，在坩埚底端设置测温组件，对坩埚底端温度进行实时监控，通过控制器根据预设温度对加热组件的功率进行调控，实现坩埚内温度的控制，提高了单晶硅的品质，保证了单晶硅产出的一致性，进一步提高拉晶效率；其包括：

炉体和设置于所述炉体内部的坩埚、加热组件、测温组件和坩埚驱动组件，所述加热组件套设于所述坩埚外侧，所述测温组件连接于坩埚底端，所述坩埚驱动组件连接于所述测温组件一侧，所述加热组件、测温组件和坩埚驱动组件与控制器电连接。

优选的，所述坩埚设置为双层结构，所述坩埚包括内层的石英坩埚和外层的石墨坩埚，所述石墨坩埚底端固定连接有托盘。

优选的，所述测温组件包括：

第一转轴、通孔、热电偶和轴承，所述第一转轴固定连接于所述托盘底端，所述第一转轴穿设所述炉体底端竖直向下延伸，所述通孔贯穿开设于所述第一转轴中心，所述热电偶通过轴承连接于所述通孔内，所述热电偶顶端穿设所述托盘延伸至所述石墨坩埚内部，所述热电偶底端延伸出所述第一转轴并与控制器电连接。

优选的，所述坩埚驱动组件包括：

第一齿轮、第二齿轮、第二转轴、第一电机和第一电机保护壳，所述第一齿轮固定连接于所述第一转轴外侧，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合连接，所述第二转轴固定连接于第二齿轮中心，所述第一电机连接于所述炉体内壁底端，所述第一电机输出端与所述第二转轴连接，所述第一电机保护壳设置于所述第一电机外侧并与所述炉体内壁底端连接，所述第一电机与控制器电连接。

优选的，所述加热组件包括：

加热筒、折板、加热电极、加热电极防护壳和保温组件，所述加热筒套设于所述坩埚外侧，所述加热筒与所述坩埚同心设置，所述折板固定连接于所述加热筒底端内侧，所述加热电极底端固定连接于所述炉体内壁底端，所述加热电极顶端与所述折板连接，所述加热电极远离所述第一电机布置，所述加热电极和加热筒与控制器电连接，所述加热电极防护壳套设置于所述加热电极外侧并与所述炉体内壁底端连接，所述保温组件套设于所述加热筒外侧。

优选的，所述炉体内壁还连接有导流筒，所述导流筒同心布置于所述坩埚上方，所述导流筒呈锥形设置，并且所述导流筒内壁腔体内填充保温材料。

优选的，所述排气组件包括：

排气座、第一排气管、排气口、环形槽、排气腔和第二排气管，所述排气座固定连接于所述第一转轴和所述炉体内壁底端之间，所述排气座转动连接于所述第一转轴外侧，所述第一排气管竖直开设于所述第一转轴内部，所述第一排气管顶端与所述坩埚内部连通设置，所述排气腔环设于所述排气座内部，所述环形槽开设于所述排气座内侧，并且所述环形槽与排气腔连通设置，所述排气口开设于所述第一转轴外侧，所述排气口连通第一排气管和环形槽设置，所述第二排气管竖直开设于所述排气座内部，所述第二排气管连通所述排气腔和气体收集装置。

优选的，所述一种直拉法单晶炉，还包括气压保护装置，所述气压保护装置包括：

第一壳体，所述第一壳体固定连接于所述炉体上；

连通槽，所述连通槽开设于所述第一壳体内部，所述连通槽呈U型设置，所述连通槽一端与所述坩埚内部连通，所述连通槽另一端与外界空气连通，所述连通槽内放置有连通液，所述连通槽与外界空气连通的一端滑动连接有浮板；

连杆，所述连杆一端固定连接于所述浮板顶端；

第二壳体，所述第二壳体固定连接于所述炉体上；

第一滑槽，所述第一滑槽开设于所述第二壳体侧端，所述连杆另一端滑动连接于所述第一滑槽内壁，所述第一滑槽顶端连接有触碰开关，所述触碰开关与控制器电连接，所述连杆另一端和第一滑槽内壁底端之间连接有第一弹簧；

第二滑槽，若干个所述第二滑槽阵列开设于所述第一滑槽侧端，所述第二滑槽与第一滑槽连通设置；

按压块，所述按压块滑动连接于所述第二滑槽内壁，所述按压块水平延伸至所述第一滑槽内，所述按压块延伸端呈弧形设置，所述按压块和第二滑槽槽底端之间连接有第二弹簧；

排气管，所述排气管穿设于所述第二壳体内部，所述排气管一端与所述坩埚内部连通，所述排气管另一端与气体收集装置连通。

第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第一腔体、第二腔体和第三腔体依次开设于所述第二壳体内部，所述第一腔体、第二腔体和第三腔体均布置于所述排气管上方，所述第二腔体底端与排气管连通设置；

滑块，所述滑块滑动连接于所述第一腔体内壁，所述滑块底端固定连接有锁止块，所述锁止块底端延伸至所述排气管内，所述排气管内开设有与锁止块适应的锁止槽，所述滑块底端两侧与所述第一腔体内壁底端之间连接有第三弹簧；

连接线，所述连接线一端同时穿设所述第二滑槽和按压块设置，所述连接线另一端连接于所述滑块顶端；

滑动板，所述滑动板滑动连接于所述第二腔体内壁，所述滑动板底端对称连接有两个固定板，所述滑动板顶端竖直连接有齿条，所述齿条与第二腔体内壁滑动连接，所述滑动板底端两侧与所述第二腔体内壁底端之间连接有第四弹簧；

第一传动轴，所述第一传动轴水平连接于两个所述固定板之间，所述第一传动轴上连接有第一锥齿轮和扇叶；

第二传动轴，所述第二传动轴垂直穿设所述滑动板设置，所述第二传动轴底端连接有第二锥齿轮，所述第二锥齿轮与第一锥齿轮啮合连接，所述第二传动轴顶端连接有第三锥齿轮；

第二电机，所述第二电机连接于所述第三腔体内壁，所述第二电机与控制器电连接；

第三传动轴，所述第三传动轴连接于所述第二电机输出端，所述第三传动轴水平穿设所述第三腔体延伸至所述第二腔体内，所述第三传动轴上连接有第一带轮，所述第三传动轴延伸端连接有第四锥齿轮，所述第四锥齿轮与第三锥齿轮适应设置；

第四传动轴，所述第四传动轴水平连接于所述第三腔体内壁，并且所述第四传动轴穿设所述第三腔体延伸至所述第二腔体内，所述第四传动轴上连接有第二带轮，所述第二带轮通过同步带与第一带轮连接，所述第三齿轮连接于所述第四传动轴延伸端，所述第三齿轮与齿条啮合连接。

优选的，一种直拉法单晶炉熔体温度梯度控制方法，包括：

S1，通过热电偶实时测量石墨坩埚底部的温度，将温度信号传送至控制器，将温度数据储存于所述控制器的数据库中；

S2，将拉晶过程分割为若干个时间段，针对不同时间段内，控制器对不同石墨坩埚底部温度时，单晶炉经济性、单晶棒外形质量和单晶棒品质分别进行评估打分；

S3，控制器将S2中的评估打分结果与预设最优评估打分结果进行匹配度计算，将匹配度最高的温度认定为此时间段石墨坩埚底部温度的最佳温度值，并将其设定为预设温度值T₀，得到拉晶过程的预设温度曲线；

S4，控制器控制加热电极功率，使实时测量得到的石墨坩埚底部温度T与预设温度值T₀的偏差不超过预设值，直至拉晶过程结束。

优选的，S3将S2中的评估打分结果与预设最优评估打分结果进行匹配度计算，包括：

获取当前石墨坩埚底部温度下，评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分；

获取预设的最优评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分；

计算评估打分结果与预设最优评估打分结果的总体匹配度：

其中，M为总体匹配度，A_ti为评估打分结果中第t个种类信息文本数据的第i个特征项，t＝1,2,3，A_1i、A_2i、A_3i分别为评估打分结果中单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分数据中第i个特征项，B_ti为预设最优评估打分结果中第t个种类信息文本数据的第i个特征项，t＝1,2,3，B_1i、B_2i、B_3i分别为预设最优评估打分结果中单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分数据中第i个特征项，n为各评分项数据中的特征项数，k_t为预设权重值，k₁、k₂、k₃分别为单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分匹配度对应的权重值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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为本发明结构截面示意图；

图2为本发明图1中A处局部放大示意图；

图3为本发明气压保护装置结构侧视图；

图4为本发明气压保护装置结构主视图；

图5为本发明图4中B处局部放大示意图。

图中：1.炉体；2.坩埚；3.加热组件；4.测温组件；5.坩埚驱动组件；6.导流筒；21.石英坩埚；22.石墨坩埚；23.托盘；31.加热筒；32.折板；33.加热电极；34.加热电极保护壳；35.保温组件；41.第一转轴；42.通孔；43.热电偶；51.第一齿轮；52.第二齿轮；53.第二转轴；54.第一电机；55.第一电机保护壳；71.排气座；72.第一排气管；73.排气孔；74.环形槽；75.排气腔；76.第二排气管；801.第一壳体；802.连通槽；803.浮板；804.连杆；805.第二壳体；806.第一滑槽；807.第一弹簧；808.第二滑槽；809.按压块；810.第二弹簧；811.排气管；812.第一带轮；813.第一腔体；814.第二腔体；815.第三腔体；816.滑块；817.锁止块；818.第三弹簧；819.连接线；820.滑动板；821.固定板；822.第一传动轴；823.第一锥齿轮；824.扇叶；825.第二传动轴；826.第二锥齿轮；827.第三锥齿轮；828.齿条；829.第二电机；830.第三传动轴；831.第四锥齿轮；832.第四传动轴；833.第二带轮；834.第三齿轮；835.第四弹簧。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

下面将结合附图对本发明做进一步描述。

如图1-5所示，本实施例提供的一种直拉法单晶炉，包括：

炉体1和设置于所述炉体1内部的坩埚2、加热组件3、测温组件4和坩埚驱动组件5，所述加热组件3套设于所述坩埚2外侧，所述测温组件4连接于坩埚2底端，所述坩埚驱动组件5连接于所述测温组件4一侧，所述加热组件3、测温组件4和坩埚驱动组件5与控制器电连接。

本发明的工作原理为：

本发明提供一种直拉法单晶炉，使用时，将硅料放置于坩埚2内部，控制器控制加热组件3对坩埚2进行加热，将坩埚2内的硅料熔化，同时，控制器控制驱动组件5将坩埚2进行转动，使硅料均匀受热，从炉体1顶端将惰性气体吹入坩埚2内，对从硅料中析出的杂质进行吹扫，然后惰性气体从坩埚2底端排出炉体1，测温组件4连接在坩埚2底端，对坩埚2底部温度进行实时监测，控制器根据实时温度情况，对加热组件3的功率进行调控。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种直拉法单晶炉，结构简单，保温效果好，热量利用率高，在坩埚2底端设置测温组件4，对坩埚2底端温度进行实时监控，通过控制器根据预设温度对加热组件3的功率进行调控，实现坩埚2内温度的控制，提高了单晶硅的品质，保证了单晶硅产出的一致性，进一步提高拉晶效率。

如图2所示，在一个实施例中，所述坩埚2设置为双层结构，所述坩埚2包括内层的石英坩埚21和外层的石墨坩埚22，所述石墨坩埚22底端固定连接有托盘23。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

所述单晶炉使用时，通过石英坩埚21来盛装硅料，石英坩埚21具有高纯度、耐温性强、尺寸大精度高、保温性好、节约能源、质量稳定的优点，具有良好的保温性能，在石英坩埚21外侧设置一层石墨坩埚22，硅料受热熔化时，通过石墨坩埚22对石英坩埚21和内部的硅料进行保温，有效提高保温性能，坩埚设置在托盘23上，便于与坩埚驱动组件5连接。

如图1、2所示，在一个实施例中，所述测温组件4包括：

第一转轴41、通孔42、热电偶43和轴承，所述第一转轴41固定连接于所述托盘23底端，所述第一转轴41穿设所述炉体1底端竖直向下延伸，所述通孔42贯穿开设于所述第一转轴41中心，所述热电偶43通过轴承连接于所述通孔42内，所述热电偶43顶端穿设所述托盘23延伸至所述石墨坩埚22内部，所述热电偶43底端延伸出所述第一转轴41并与控制器电连接。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

所述热电偶43通过轴承连接于所述第一转轴41的通孔41内，热电偶当所述第一转轴41转动时，所述热电偶43不随之转动，防止所述热电偶43底端的电连接线发生缠绕，所述热电偶43一端延伸至所述石墨坩埚22内部，用于检测所述石墨坩埚22的温度，所述热电偶43另一端与控制器电连接，将温度电信号传送至所述控制器，所述热电偶43对所述石墨坩埚22的温度进行实时监控，为单晶炉溶体温度控制提供依据。

在一个实施例中，所述坩埚驱动组件5包括：

第一齿轮51、第二齿轮52、第二转轴53、第一电机54和第一电机保护壳55，所述第一齿轮51固定连接于所述第一转轴41外侧，所述第二齿轮52与所述第一齿轮51啮合连接，所述第二转轴53固定连接于第二齿轮52中心，所述第一电机54连接于所述炉体1内壁底端，所述第一电机54输出端与所述第二转轴53连接，所述第一电机保护壳55设置于所述第一电机54外侧并与所述炉体1内壁底端连接，所述第一电机54与控制器电连接。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

所述坩埚驱动组件5使用时，启动第一电机54，所述第一电机54驱动第二转轴53转动，带动第二齿轮52转动，第一齿轮51随之转动，从而带动第一转轴41转动，第一转轴41与石墨坩埚22底端的托盘23固定连接，从而实现坩埚2的转动，坩埚2转动同时带动内部的硅料转动，将硅料混合均匀，使内部的硅料受热均匀，进一步加快熔化过程并析出杂质，提高单晶炉的效率，第一电机保护壳55对第一电机54进行防护和降温，防止第一电机51温度过高。

在一个实施例中，所述加热组件3包括：

加热筒31、折板32、加热电极33、加热电极防护壳34和保温组件35，所述加热筒31套设于所述坩埚2外侧，所述加热筒31与所述坩埚2同心设置，所述折板32固定连接于所述加热筒31底端内侧，所述加热电极33底端固定连接于所述炉体1内壁底端，所述加热电极33顶端与所述折板32连接，所述加热电极33远离所述第一电机54布置，所述加热电极33和加热筒31与控制器电连接，所述加热电极防护壳34设置于所述加热电极33外侧并与所述炉体1内壁底端连接，所述保温组件35套设于所述加热筒31外侧。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

所述加热组件3使用时，对所述加热电极33通电，所述折板32对加热电极33进行支撑，并与坩埚2不发生干涉，所述加热电极33对加热筒31加热，使加热筒31表面均匀升温，然后加热筒31对坩埚2进行加热，所述保温组件35套设于所述加热筒31外侧，对加热筒31进行保温，防止热量从加热筒31外侧散失，提高热量利用率，减少能源损耗，有效实现单晶炉的快速加热和保温功能，为硅料熔化提供热量来源。

在一个实施例中，所述炉体1内壁还连接有导流筒6，所述导流筒6同心布置于所述坩埚2上方，所述导流筒6呈锥形设置，并且所述导流筒6内壁腔体内填充保温材料。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

所述单晶炉使用时，将硅料放置于所述坩埚2内进行加热熔化，同时需要向硅料中吹入惰性气体对从硅料中析出的杂质进行吹扫，在所述坩埚2上方设置导流筒6，对惰性气体的流向进行引导，使惰性气体进入所述坩埚2内，所述导流筒6呈锥形设置，并且所述导流筒6底端直径小于顶端直径，能够有效保持惰性气体的气流压力，提高对杂质吹扫效果，同时所述导流筒6底端直径小于坩埚2直径，防止硅料转动和吹扫时飞溅至所述导流筒6内，所述导流筒6内壁腔体内填充保温材料，对所述炉体1上部进行保温，防止热量从所述炉体1上部散失，提高单晶炉的保温性能，保证单晶炉始终处于高温状态。

如图2所示，在一个实施例中，所述的一种直拉法单晶炉，还包括排气组件，所述排气组件包括：

排气座71、第一排气管72、排气口73、环形槽74、排气腔75和第二排气管76，所述排气座71固定连接于所述第一转轴41和所述炉体1内壁底端之间，所述排气座71转动连接于所述第一转轴41外侧，所述第一排气管72竖直开设于所述第一转轴41内部，所述第一排气管72顶端与所述坩埚2内部连通设置，所述排气腔75环设于所述排气座71内部，所述环形槽74开设于所述排气座71内侧，并且所述环形槽74与排气腔75连通设置，所述排气口73开设于所述第一转轴41外侧，所述排气口73连通第一排气管72和环形槽74设置，所述第二排气管76竖直开设于所述排气座71内部，所述第二排气管76连通所述排气腔75和气体收集装置。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

惰性气体对所述坩埚2内的硅料杂质吹扫后进入到所述第一排气管71内，气体通过所述排气口73流入到所述环形槽74内，然后气体通过所述环形槽74流入到所述排气腔75内，气体在所述排气腔75内储存，并通过第二排气管76流入气体收集装置内，相比于从第一排气管71直接排出气体的方式，无需在第一转轴41上设置管路，避免了第一转轴41转动导致管路缠绕的现象，形成的排气端位置固定，便于管路连接，气体排出时需要通过排气腔75，有效减少气体排出时的冲击力，防止管路脱落。

如图3-5所示，在一个实施例中，所述的一种直拉法单晶炉，还包括气压保护装置，所述气压保护装置包括：

第一壳体801，所述第一壳体801固定连接于所述炉体1上；

连通槽802，所述连通槽802开设于所述第一壳体801内部，所述连通槽802呈U型设置，所述连通槽802一端与所述坩埚2内部连通，所述连通槽802另一端与外界空气连通，所述连通槽802内放置有连通液，所述连通槽802与外界空气连通的一端滑动连接有浮板803；

连杆804，所述连杆804一端固定连接于所述浮板803顶端；

第二壳体805，所述第二壳体805固定连接于所述炉体1上；

第一滑槽806，所述第一滑槽806开设于所述第二壳体805侧端，所述连杆804另一端滑动连接于所述第一滑槽806内壁，所述第一滑槽806顶端连接有触碰开关，所述触碰开关与控制器电连接，所述连杆804另一端和第一滑槽806内壁底端之间连接有第一弹簧807；

第二滑槽808，若干个所述第二滑槽808阵列开设于所述第一滑槽804侧端，所述第二滑槽808与第一滑槽806连通设置；

按压块809，所述按压块809滑动连接于所述第二滑槽808内壁，所述按压块809水平延伸至所述第一滑槽806内，所述按压块809延伸端呈弧形设置，所述按压块809和第二滑槽808槽底端之间连接有第二弹簧810；

排气管811，所述排气管811穿设于所述第二壳体805内部，所述排气管811一端与所述坩埚2内部连通，所述排气管811另一端与气体收集装置连通。

第一腔体813、第二腔体814和第三腔体815，所述第一腔体813、第二腔体814和第三腔体815依次开设于所述第二壳体805内部，所述第一腔体813、第二腔体814和第三腔体815均布置于所述排气管811上方，所述第二腔体814底端与排气管811连通设置；

滑块816，所述滑块816滑动连接于所述第一腔体813内壁，所述滑块816底端固定连接有锁止块817，所述锁止块817底端延伸至所述排气管811内，所述排气管811内开设有与锁止块817适应的锁止槽，所述滑块816底端两侧与所述第一腔体813内壁底端之间连接有第三弹簧818；

连接线819，所述连接线819一端同时穿设所述第二滑槽808和按压块809设置，所述连接线819另一端连接于所述滑块816顶端；

滑动板820，所述滑动板820滑动连接于所述第二腔体814内壁，所述滑动板820底端对称连接有两个固定板821，所述滑动板820顶端竖直连接有齿条828，所述齿条828与第二腔体814内壁滑动连接，所述滑动板820底端两侧与所述第二腔体814内壁底端之间连接有第四弹簧835；

第一传动轴822，所述第一传动轴822水平连接于两个所述固定板821之间，所述第一传动轴822上连接有第一锥齿轮823和扇叶824；

第二传动轴825，所述第二传动轴825垂直穿设所述滑动板820设置，所述第二传动轴825底端连接有第二锥齿轮826，所述第二锥齿轮826与第一锥齿轮823啮合连接，所述第二传动轴825顶端连接有第三锥齿轮827；

第二电机829，所述第二电机829连接于所述第三腔体815内壁，所述第二电机829与控制器电连接；

第三传动轴830，所述第三传动轴830连接于所述第二电机729输出端，所述第三传动轴830水平穿设所述第三腔体815延伸至所述第二腔体814内，所述第三传动轴830上连接有第一带轮812，所述第三传动轴830延伸端连接有第四锥齿轮831，所述第四锥齿轮831与第三锥齿轮827适应设置；

第四传动轴832，所述第四传动轴832水平连接于所述第三腔体815内壁，并且所述第四传动轴832穿设所述第三腔体815延伸至所述第二腔体814内，所述第四传动轴832上连接有第二带轮833，所述第二带轮833通过同步带与第一带轮812连接，所述第三齿轮834连接于所述第四传动轴832延伸端，所述第三齿轮834与齿条828啮合连接。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

单晶炉使用时，由于炉体1内温度升高和充入惰性气体，会导致炉体1内部气压急剧增大，现有的气压传感器受高温影响会会产生检测误差，为防止炉体1内气压过高发生事故，设置有气压保护装置，气压保护装置使用时，当炉内气压超过预设值继续升高时，连通槽802与坩埚2内部连通的一端连通液液面下降，连通槽802另一端连通液液面上升与浮板803接触，并且推动浮板803向上运动，浮板803带动连杆804在第一滑槽806内向上滑动，连杆804侧端将按压块809挤压至第二滑槽808内，连接线819被拉紧，将拉紧线819另一端的滑块816向上拉动，滑块816带动锁止块817在锁止槽内向上移动，将排气管811打开，气体从炉体1内部流出至气体收集装置内当炉体1内气压急剧升高，连杆804顶端与第一滑槽806顶端的触碰开关接触，将第二电机829启动，第二电机829驱动第三传动轴830转动，带动第一带轮812和第四锥齿轮831转动，第一带轮812通过同步带带动第二带轮833转动，使第四转动轴832带动第三齿轮834转动，从而带动齿条828推动滑动板820向下移动，滑动板820通过第一传动轴822带动扇叶824向下移动到排气管811内，此时第四锥齿轮831与第三锥齿轮827啮合，带动第二传动轴825转动，使第二锥齿轮826转动，带动第一锥齿轮823转动，从而使扇叶824转动，将排气管811内的气体加速排出，第二电机829正转运行一段时间后停止运行，当炉体1内气压恢复到预设值后，连杆804、按压块809、滑块816和滑动板820在弹簧的作用下进行复位。

通过上述结构设计，实时监控炉体1内的气压情况，当气压过高时，打开锁止块817通过排气管811排气，并在气压达到上限值时，通过扇叶824转动加速排气，快速降低炉体1内气压，保证炉体1内气压始终处于预设值范围内，便于维持单晶炉内的稳定状态，防止炉体1内气压过高发生事故，同时采用连通器的检测方法，有效避免采用传感器检测气压时受高温影响产生偏差，提高气压检测的准确度，进一步提高单晶炉的安全性，改善单晶炉的单晶硅加工质量。

在一个实施例中，一种直拉法单晶炉熔体温度梯度控制方法，包括：

S1，通过热电偶43实时测量石墨坩埚22底部的温度，将温度信号传送至控制器，将温度数据储存于所述控制器的数据库中；

S2，将拉晶过程分割为若干个时间段，针对不同时间段内，控制器对不同石墨坩埚22底部温度时，单晶炉经济性、单晶棒外形质量和单晶棒品质分别进行评估打分；

S3，控制器将S2中的评估打分结果与预设最优评估打分结果进行匹配度计算，将匹配度最高的温度认定为此时间段石墨坩埚22底部温度的最佳温度值，并将其设定为预设温度值T₀，得到拉晶过程的预设温度曲线；

S4，控制器控制加热电极33功率，使实时测量得到的石墨坩埚22底部温度T与预设温度值T₀的偏差不超过预设值，直至拉晶过程结束。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

单晶炉使用时，将硅料放置于石墨坩埚22中进行熔化，石墨坩埚22底部的温度直接决定了硅中氧含量的高低，并影响生长界面附近的温度梯度进而影响单晶的生长速度，因此，需要对石墨坩埚22的温度进行监控和控制，所述直拉法单晶炉熔体温度梯度控制方法，通过热电偶43进行实时测温，通过控制器控制加热电极33功率进而控制石墨坩埚22的温度，建立温度数据库，对不同时间段内，不同温度下单晶炉经济性、单晶棒外形质量和单晶棒品质分别进行评估打分，选取此时间段石墨坩埚22底部温度的最佳温度值，根据此温度值进行控温操作，有效实现石墨坩埚2内温度始终处于最佳温度附近，在保证单晶炉经济性的同时，提高了单晶棒的外形质量和品质，保证单晶硅产出的一致性，得到更高品质的单晶硅。

在一个实施例中，S3将S2中的评估打分结果与预设最优评估打分结果进行匹配度计算，包括：

获取当前石墨坩埚22底部温度下，评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分；

获取预设的最优评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分；

计算评估打分结果与预设最优评估打分结果的总体匹配度：

其中，M为总体匹配度，A_ti为评估打分结果中第t个种类信息文本数据的第i个特征项，t＝1,2,3，A_1i、A_2i、A_3i分别为评估打分结果中单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分数据中第i个特征项，B_ti为预设最优评估打分结果中第t个种类信息文本数据的第i个特征项，t＝1,2,3，B_1i、B_2i、B_3i分别为预设最优评估打分结果中单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分数据中第i个特征项，n为各评分项数据中的特征项数，k_t为预设权重值，k₁、k₂、k₃分别为单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分匹配度对应的权重值。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：

计算评估打分结果与预设最优评估打分结果的总体匹配度，即计算评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分，与预设的最优评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分的三项匹配度，并对该三项赋予预设权重值就可以得出评估打分结果与预设最优评估打分结果的总体匹配度，所述单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分都分别具有多个特征项，对两个评分数据对比时需要将两个评分数据中的每个特征项一一对比。根据评估打分结果与预设最优评估打分结果的总体匹配度，综合考虑单晶炉经济性、单晶棒外形质量和单晶棒品质，减少单项评分过高对结果的影响，便于确定最佳温度值，从而为石墨坩埚22的温度控制提供依据，提高了温度控制的准确性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种直拉法单晶炉，其特征在于，包括：

炉体(1)和设置于所述炉体(1)内部的坩埚(2)、加热组件(3)、测温组件(4)和坩埚驱动组件(5)，所述加热组件(3)套设于所述坩埚(2)外侧，所述测温组件(4)连接于坩埚(2)底端，所述坩埚驱动组件(5)连接于所述测温组件(4)一侧，所述加热组件(3)、测温组件(4)和坩埚驱动组件(5)与控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，所述坩埚(2)设置为双层结构，所述坩埚(2)包括内层的石英坩埚(21)和外层的石墨坩埚(22)，所述石墨坩埚(22)底端固定连接有托盘(23)。

3.根据权利要求2所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，所述测温组件(4)包括：第一转轴(41)、通孔(42)、热电偶(43)和轴承，所述第一转轴(41)固定连接于所述托盘(23)底端，所述第一转轴(41)穿设所述炉体(1)底端竖直向下延伸，所述通孔(42)贯穿开设于所述第一转轴(41)中心，所述热电偶(43)通过轴承连接于所述通孔(42)内，所述热电偶(43)顶端穿设所述托盘(23)延伸至所述石墨坩埚(22)内部，所述热电偶(43)底端延伸出所述第一转轴(41)并与控制器电连接。

4.根据权利要求3所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，所述坩埚驱动组件(5)包括：第一齿轮(51)、第二齿轮(52)、第二转轴(53)、第一电机(54)和第一电机保护壳(55)，所述第一齿轮(51)固定连接于所述第一转轴(41)外侧，所述第二齿轮(52)与所述第一齿轮(51)啮合连接，所述第二转轴(53)固定连接于第二齿轮(52)中心，所述第一电机(54)连接于所述炉体(1)内壁底端，所述第一电机(54)输出端与所述第二转轴(53)连接，所述第一电机保护壳(55)设置于所述第一电机(54)外侧并与所述炉体(1)内壁底端连接，所述第一电机(54)与控制器电连接。

5.根据权利要求4所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，所述加热组件(3)包括：加热筒(31)、折板(32)、加热电极(33)、加热电极防护壳(34)和保温组件(35)，所述加热筒(31)套设于所述坩埚(2)外侧，所述加热筒(31)与所述坩埚(2)同心设置，所述折板(32)固定连接于所述加热筒(31)底端内侧，所述加热电极(33)底端固定连接于所述炉体(1)内壁底端，所述加热电极(33)顶端与所述折板(32)连接，所述加热电极(33)远离所述第一电机(54)布置，所述加热电极(33)和加热筒(31)与控制器电连接，所述加热电极防护壳(34)设置于所述加热电极(33)外侧并与所述炉体(1)内壁底端连接，所述保温组件(35)套设于所述加热筒(31)外侧。

6.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，所述炉体(1)内壁还连接有导流筒(6)，所述导流筒(6)同心布置于所述坩埚(2)上方，所述导流筒(6)呈锥形设置，并且所述导流筒(6)内壁腔体内填充保温材料。

7.根据权利要求3所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，还包括排气组件，所述排气组件包括：排气座(71)、第一排气管(72)、排气口(73)、环形槽(74)、排气腔(75)和第二排气管(76)，所述排气座(71)固定连接于所述第一转轴(41)和所述炉体(1)内壁底端之间，所述排气座(71)转动连接于所述第一转轴(41)外侧，所述第一排气管(72)竖直开设于所述第一转轴(41)内部，所述第一排气管(72)顶端与所述坩埚(2)内部连通设置，所述排气腔(75)环设于所述排气座(71)内部，所述环形槽(74)开设于所述排气座(71)内侧，并且所述环形槽(74)与排气腔(75)连通设置，所述排气口(73)开设于所述第一转轴(41)外侧，所述排气口(73)连通第一排气管(72)和环形槽(74)设置，所述第二排气管(76)竖直开设于所述排气座(71)内部，所述第二排气管(76)连通所述排气腔(75)和气体收集装置。

8.根据权利要求1所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，还包括气压保护装置，所述气压保护装置包括：

第一壳体(801)，所述第一壳体(801)固定连接于所述炉体(1)上；

连通槽(802)，所述连通槽(802)开设于所述第一壳体(801)内部，所述连通槽(802)呈U型设置，所述连通槽(802)一端与所述坩埚(2)内部连通，所述连通槽(802)另一端与外界空气连通，所述连通槽(802)内放置有连通液，所述连通槽(802)与外界空气连通的一端滑动连接有浮板(803)；

连杆(804)，所述连杆(804)一端固定连接于所述浮板(803)顶端；

第二壳体(805)，所述第二壳体(805)固定连接于所述炉体(1)上；

第一滑槽(806)，所述第一滑槽(806)开设于所述第二壳体(805)侧端，所述连杆(804)另一端滑动连接于所述第一滑槽(806)内壁，所述第一滑槽(806)顶端连接有触碰开关，所述触碰开关与控制器电连接，所述连杆(804)另一端和第一滑槽(806)内壁底端之间连接有第一弹簧(807)；

第二滑槽(808)，若干个所述第二滑槽(808)阵列开设于所述第一滑槽(804)侧端，所述第二滑槽(808)与第一滑槽(806)连通设置；

按压块(809)，所述按压块(809)滑动连接于所述第二滑槽(808)内壁，所述按压块(809)水平延伸至所述第一滑槽(806)内，所述按压块(809)延伸端呈弧形设置，所述按压块(809)和第二滑槽(808)槽底端之间连接有第二弹簧(810)；

排气管(811)，所述排气管(811)穿设于所述第二壳体(805)内部，所述排气管(811)一端与所述坩埚(2)内部连通，所述排气管(811)另一端与气体收集装置连通；

第一腔体(813)、第二腔体(814)和第三腔体(815)，所述第一腔体(813)、第二腔体(814)和第三腔体(815)依次开设于所述第二壳体(805)内部，所述第一腔体(813)、第二腔体(814)和第三腔体(815)均布置于所述排气管(811)上方，所述第二腔体(814)底端与排气管(811)连通设置；

滑块(816)，所述滑块(816)滑动连接于所述第一腔体(813)内壁，所述滑块(816)底端固定连接有锁止块(817)，所述锁止块(817)底端延伸至所述排气管(811)内，所述排气管(811)内开设有与锁止块(817)适应的锁止槽，所述滑块(816)底端两侧与所述第一腔体(813)内壁底端之间连接有第三弹簧(818)；

连接线(819)，所述连接线(819)一端同时穿设所述第二滑槽(808)和按压块(809)设置，所述连接线(819)另一端连接于所述滑块(816)顶端；

滑动板(820)，所述滑动板(820)滑动连接于所述第二腔体(814)内壁，所述滑动板(820)底端对称连接有两个固定板(821)，所述滑动板(820)顶端竖直连接有齿条(828)，所述齿条(828)与第二腔体(814)内壁滑动连接，所述滑动板(820)底端两侧与所述第二腔体(814)内壁底端之间连接有第四弹簧(835)；

第一传动轴(822)，所述第一传动轴(822)水平连接于两个所述固定板(821)之间，所述第一传动轴(822)上连接有第一锥齿轮(823)和扇叶(824)；

第二传动轴(825)，所述第二传动轴(825)垂直穿设所述滑动板(820)设置，所述第二传动轴(825)底端连接有第二锥齿轮(826)，所述第二锥齿轮(826)与第一锥齿轮(823)啮合连接，所述第二传动轴(825)顶端连接有第三锥齿轮(827)；

第二电机(829)，所述第二电机(829)连接于所述第三腔体(815)内壁，所述第二电机(829)与控制器电连接；

第三传动轴(830)，所述第三传动轴(830)连接于所述第二电机(729)输出端，所述第三传动轴(830)水平穿设所述第三腔体(815)延伸至所述第二腔体(814)内，所述第三传动轴(830)上连接有第一带轮(812)，所述第三传动轴(830)延伸端连接有第四锥齿轮(831)，所述第四锥齿轮(831)与第三锥齿轮(827)适应设置；

第四传动轴(832)，所述第四传动轴(832)水平连接于所述第三腔体(815)内壁，并且所述第四传动轴(832)穿设所述第三腔体(815)延伸至所述第二腔体(814)内，所述第四传动轴(832)上连接有第二带轮(833)，所述第二带轮(833)通过同步带与第一带轮(812)连接，所述第三齿轮(834)连接于所述第四传动轴(832)延伸端，所述第三齿轮(834)与齿条(828)啮合连接。

9.一种直拉法单晶炉熔体温度梯度控制方法，应用于如权利要求1-8中任一项所述的一种直拉法单晶炉，其特征在于，包括：

S1，通过热电偶(43)实时测量石墨坩埚(22)底部的温度，将温度信号传送至控制器，将温度数据储存于所述控制器的数据库中；

S2，将拉晶过程分割为若干个时间段，针对不同时间段内，控制器对不同石墨坩埚(22)底部温度时，单晶炉经济性、单晶棒外形质量和单晶棒品质分别进行评估打分；

S3，控制器将S2中的评估打分结果与预设最优评估打分结果进行匹配度计算，将匹配度最高的温度认定为此时间段石墨坩埚(22)底部温度的最佳温度值，并将其设定为预设温度值T₀，得到拉晶过程的预设温度曲线；

S4，控制器控制加热电极(33)功率，使实时测量得到的石墨坩埚(22)底部温度T与预设温度值T₀的偏差不超过预设值，直至拉晶过程结束。

10.根据权利要求9所述的一种直拉法单晶炉熔体温度梯度控制方法，其特征在于，S3将S2中的评估打分结果与预设最优评估打分结果进行匹配度计算，包括：

获取当前石墨坩埚(22)底部温度下，评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分；

获取预设的最优评估打分结果中的单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分；

计算评估打分结果与预设最优评估打分结果的总体匹配度：

其中，M为总体匹配度，A_ti为评估打分结果中第t个种类信息文本数据的第i个特征项，t＝1,2,3，A_1i、A_2i、A_3i分别为评估打分结果中单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分数据中第i个特征项，B_ti为预设最优评估打分结果中第t个种类信息文本数据的第i个特征项，t＝1,2,3，B_1i、B_2i、B_3i分别为预设最优评估打分结果中单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分数据中第i个特征项，n为各评分项数据中的特征项数，k_t为预设权重值，k₁、k₂、k₃分别为单晶炉经济性评分、单晶棒外形质量评分和单晶棒品质评分匹配度对应的权重值。

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