CN113584573A - 一种单晶炉用外置式吸杂加料方法 - Google Patents
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Abstract
一种单晶炉用外置式吸杂加料方法，使用安全壳、吸杂罐和加料器；吸杂罐用于放入安全壳对单晶炉进行吸杂操作，加料器用于放入安全壳对单晶炉进行加料操作；安全壳固定于支架上，其一端通过隔离阀与单晶炉主炉室的炉筒或炉盖连接，安全壳的另一端设置有密封盖，根据吸杂加料操作需要与外界隔离或开放；安全壳底部一侧安装有伸缩机构，伸缩机构上设置有固定吸杂罐的结构，并通过自带的轨道安装于安全壳底部，吸杂罐则安装固定在伸缩机构上，由伸缩机构带动可沿着安全壳内固定的轨道前后移动。该装方法能够对单晶炉吸杂、加料操作，既能够增加单晶炉的单炉投料量和拉棒根数，又能降低多次拉棒所引起的晶棒间的质量差异性，大大提高单晶生长质量。
Description
技术领域
本发明涉及单晶拉晶技术领域，特别是一种单晶炉用外置式吸杂加料方法。
背景技术
目前，一般都是使用单晶炉进行单晶拉棒操作的，在多次加料拉棒后，单晶炉内的坩埚内容易富集杂质，由于杂质的富集，拉制晶棒超过2-3根后，晶棒质量也会呈现明显的降低趋势，为保证品质，就要控制单炉投料量和拉棒根数的提升，一般拉晶不超过7-8根后就需要停炉清理，既影响拉晶效率，也不利于降成本工艺的实施；并且，现有技术中的单晶炉加料方式一般为水平加料，需要额外设置动力，将晶料输送到单晶炉内，结构复杂，操作不便，既增加了成本，又影响了拉晶效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种单晶炉用外置式吸杂加料方法，能够方便快捷的将单晶炉内拉棒后剩余的高杂质含量的埚底料吸出，不仅能有效增加单炉投料量和拉棒根数，而且能够有效提升单晶品质，此外，还能够进行外置吸杂装置与外置加料装置的功能切换。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种单晶炉用外置式吸杂加料方法，该方法使用安全壳、吸杂罐和加料器；
安全壳固定在支架上，其一端通过隔离阀与单晶炉主炉室的炉筒或炉盖连接，安全壳的另一端设置有密封盖，用于根据吸杂加料操作需要控制安全壳与外界隔离或开放；
吸杂罐的罐体为带开口的容器，开口通过密封板密封，罐体底部插装固结有吸杂管，吸杂管的一端由外至内贯穿罐体、并延伸至罐体的内部，在罐体内的吸杂管与罐体的内壁之间形成有便于盛装杂质底料的吸杂腔室；
安全壳底部一侧安装有伸缩机构，伸缩机构上设置有固定吸杂罐的结构、并通过自带的轨道安装于安全壳底部，吸杂罐则安装固定在伸缩机构上，由伸缩机构带动沿着安全壳内固定的轨道前后移动，进而带动固定在吸杂罐上的吸杂管，经过开启的隔离阀伸入单晶炉内坩埚中的熔硅液面或缩回安全壳内部，以便实施吸杂工艺动作；
该方法具体内容如下：
在单晶炉主炉室的炉筒或炉盖上开设吸杂加料接口，通过该接口将安全壳通过隔离阀与单晶炉主炉室的炉筒或炉盖连接；
吸杂时：
（1）关闭隔离阀后，打开密封盖，将吸杂罐放入安全壳空腔内的伸缩机构上固定好，并将吸杂管外露端朝向隔离阀端，然后关闭密封盖，对安全壳空腔抽真空处理；
（2）先将单晶炉调整成负压状态，然后打开隔离阀，操纵伸缩机构，带动吸杂罐沿轨道朝向隔离阀运动，使得吸杂管贯穿隔离阀的中心孔，伸入单晶炉内，朝向坩埚熔硅液面运动，必要时配合调整单晶炉的坩埚高度，使吸杂管的端部伸入单晶炉内坩埚中的液面内；
（3）调整单晶炉内由负压改正压，利用压力差使得坩埚内的熔硅底料通过吸杂管进入吸杂罐内的吸杂腔室内；
（4）吸杂结束后，首先操纵伸缩机构，使得吸杂罐带着吸杂管回缩至安全壳内，然后关闭隔离阀；
（5）调节安全壳内为正常气压，然后，打开密封盖，取出吸杂罐；
在具体使用时，通过吸杂加料接口和安全壳、吸杂罐用于炉内坩埚底料吸杂，进一步的，根据需要也可以借助吸杂加料接口和安全壳对接加料器，用于加料；
加料时：
（1）关闭隔离阀；
（2）打开密封盖放入加料器；
（3）把硅料加入到加料器中；
（4）在加料过程中，根据工艺不同、使用的硅料不同、硅料的大小不同来确定每次加多少硅料、重量多少；
（5）根据工艺不同、加入硅料流动性不同、坩埚内余留富集杂质硅液多少、加料多少，及时调整单晶硅坩埚的升降；
（6）保持连续加料，减少炉内降温速率，加料器的外径大于隔离阀的内径，使得加料器主体被隔离阀挡住固定。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，所述罐体呈圆柱状或箱体状，密封盖呈盘状，吸杂管呈圆管状。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，所述吸杂罐的罐体、吸杂管、密封盖均采用高纯二氧化硅或高纯石英陶瓷制成。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，所述安全壳为金属外壳，在金属外壳的内表面衬设有耐高温材料。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，加料器材质为石英玻璃或高纯石英陶瓷。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，加料器主体为圆管，伸入单晶炉内的圆管的一端为圆锥型。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、使用本申请进行吸杂加料操作，可以允许拉晶使用品质更差因而更为廉价的硅原料，比如流化床法生产的颗粒料、头尾料、埚底料等，用料成本预计至少可以下降10-15元/kg，经济效益高；
2.通过本申请的吸杂操作，可以降低金属杂质和碳含量，提高多次加料熔硅液体的品质，有利于工艺制程中单根拉棒的合格品长度增加至少100mm~800mm不等；
3.通过本申请的吸杂加料操作，能够提高多次加料熔硅液体的品质，也有利于单炉拉棒根数的提升，使得埚底杂质积累不再成为单炉拉棒根数的限制，理论上只要坩埚寿命足够，投料量和拉棒产出根数可以通过吸杂保证后续硅棒品质可控而进一步增加；
4、能够使得多次拉棒晶棒间质量差异性显著降低，综合达到了降低拉晶成本和提高产品质量的目标，同时大大提高了单晶炉的生产效率。
附图说明
图1为本发明的结构及安装示意图；
图2为本发明的吸杂罐的示意图；
图3为本发明的加料器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中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。
参照图1-3，一种单晶炉用外置式吸杂加料方法，该方法使用安全壳4、吸杂罐和加料器13；
吸杂罐用于放入安全壳4对单晶炉1进行吸杂操作，加料器13用于放入安全壳4对单晶炉1进行加料操作；
安全壳4固定在支架12上，其一端通过隔离阀7与单晶炉1主炉室的炉筒或炉盖3连接，安全壳4的另一端设置有密封盖5，用于根据吸杂加料操作需要控制安全壳4与外界隔离或开放；
吸杂罐的罐体9为带开口的容器，开口通过密封板密封，罐体9底部插装固结有吸杂管10，吸杂管10的一端由外至内贯穿罐体9、并延伸至罐体9的内部，在罐体9内的吸杂管10与罐体9的内壁之间形成有便于盛装杂质底料的吸杂腔室；罐体9的一端通过密封板密封，另一端插装吸杂管10，从而在罐体9内形成封闭的空间，只有吸杂管10一个进出口，便于利用吸杂管10伸入单晶炉1内，利用压力差，将单晶炉1内的杂质底料从吸杂管10吸入，经过吸杂间隙，进入吸杂腔室内，从而实现对单晶炉1的不停炉，提高单晶炉1的拉棒量，提高并保证单晶炉1的拉棒质量；同时，由于吸杂腔室的特殊结构，能够防止在吸杂管10拉出单晶炉1时，杂质底料从罐体9内掉落，保证吸杂效果；
所述罐体9呈圆柱状，密封盖5呈圆盘状，吸杂管10呈圆管状，方便设计和制作，同时，便于将吸杂管10贯穿连通管道6插入单晶炉1内，对坩埚2内的杂质底料进行吸取；所述罐体9、密封盖5、吸杂管10均采用高纯二氧化硅或高纯石英陶瓷制成。
在安全壳4内设置有与加料器13、吸杂罐配合的空腔，在安全壳4的一侧固定连通有与加料器13、吸杂管10配合的连通管道6，在连通管道6上安装有隔离阀7，在安全壳4的另一侧设置有便于加料器13、吸杂罐进出空腔的开口，开口通过密封盖5密封；连通管道6与单晶炉1的上盖配合，实现安全壳4倾斜固定连通在单晶炉1的上盖上，从而实现安全壳4的安装，也便于加料器13、吸杂罐从连通管道6伸入单晶炉1内，对坩埚2进行加料、吸杂操作；隔离阀7的设置，用于对空腔与单晶炉1的连通进行控制，隔离阀7采用高温隔离阀7；密封盖5的设置，既便于加料器13、吸杂罐进出空腔，又便于对空腔进行密封控制。
安全壳4底部一侧安装有伸缩机构11，伸缩机构11上设置有固定吸杂罐的结构、并通过自带的轨道安装于安全壳4底部，吸杂罐则安装固定在伸缩机构11上，由伸缩机构11带动沿着安全壳4内固定的轨道前后移动，进而带动固定在吸杂罐上的吸杂管10，经过开启的隔离阀7伸入单晶炉1内坩埚2中的熔硅液面或缩回安全壳4内部，以便实施吸杂工艺动作；伸缩机构11用于驱动吸杂罐的往复直线移动，便于吸杂操作，伸缩机构11可以选用现有技术中的齿轮齿条、螺母丝杠、直线导轨等直线驱动机构或电磁感应驱动机构之任一种，其动力由外置的带有动密封的驱动装置提供，用于驱动吸杂罐移动的同时保证安全壳4的密封性；
在安全壳4上还设置有抽真空接口8，在抽真空接口8处连接有真空阀，用于对抽真空接口8进行密封，便于在抽真空操作后，保持空腔内的真空状态；
所述安全壳4为金属外壳，在金属外壳的内表面衬设有耐高温材料，结实可靠，保证安全。
该方法的具体内容为：
在单晶炉1主炉室的炉筒或炉盖3上开设吸杂加料接口，通过该接口将安全壳4通过隔离阀7与单晶炉1主炉室的炉筒或炉盖3连接；
吸杂时：
（1）关闭隔离阀7后，打开密封盖5，将吸杂罐放入安全壳4空腔内的伸缩机构11上固定好，并将吸杂管10外露端朝向隔离阀7端，然后关闭密封盖5，通过抽真空接口8对安全壳4空腔抽真空处理；
（2）先将单晶炉1调整成负压状态，然后打开隔离阀7，操纵伸缩机构11，带动吸杂罐沿轨道朝向隔离阀7运动，使得吸杂管10贯穿隔离阀7的中心孔，伸入单晶炉1内，朝向坩埚2熔硅液面运动，必要时配合调整单晶炉1的坩埚2高度，使吸杂管10的端部伸入单晶炉1内坩埚2中的液面内；
（3）调整单晶炉1内由负压改正压，利用压力差使得坩埚2内的熔硅底料通过吸杂管10进入吸杂罐内的吸杂腔室内；
（4）吸杂结束后，首先操纵伸缩机构11，使得吸杂罐带着吸杂管10回缩至安全壳4内，然后关闭隔离阀7。
（5）通过抽真空接口8，调节安全壳4内为正常气压，然后，打开密封盖5，取出吸杂罐；
在具体使用时，通过吸杂加料接口和安全壳4、吸杂罐用于炉内坩埚2底料吸杂，进一步的，根据需要也可以借助吸杂加料接口和安全壳4对接加料器13，用于加料；
加料时：
（1）关闭隔离阀7；
（2）打开密封盖5放入加料器13；
（3）把硅料加入到加料器13中；
（4）在加料过程中，根据工艺不同、使用的硅料不同、硅料的大小不同来确定每次加多少硅料、重量多少；
（5）根据工艺不同、加入硅料流动性不同、坩埚2内余留富集杂质硅液多少、加料多少，及时调整单晶硅坩埚2的升降；
（6）保持连续加料，减少炉内降温速率，加料器13的外径大于隔离阀7的内径，使得加料器13主体被隔离阀7挡住固定。
加料器13材质为石英玻璃或高纯石英陶瓷。
加料器13主体为圆管，伸入单晶炉1内的圆管的一端为圆锥型，加料管的一端大，另一端小，较小的一端便于通过隔离阀7伸入单晶炉1内进行加料操作，较大的一端大于隔离阀7的内径，避免加料器13从隔离阀7处掉入单晶炉1内，保证安全。
安全壳4倾斜安装到单晶炉1上，以其中安置的吸杂管10对称中心线为基准，相对于水平线的倾斜角度为20°-80°，便于吸杂罐和加料器13能够进行倾斜插入到单晶炉1的坩埚2内，更好地进行吸杂、加料操作；优选的，安全壳4的倾斜角度为45°。
该方法中，在吸杂罐使用时，在吸杂罐上加装有石墨外壳，用于从外部对吸杂罐进行防护，保证吸杂罐的正常使用；石墨外壳呈圆柱状，内部中空，一侧设置有便于吸杂罐安装的开口，另一侧设置有与吸杂管10配合的开孔。
本申请的发明点在于提供一种单晶炉外置式吸杂加料方法，吸杂和加料共用一个安全壳4，安全壳4的两端分别设置有高温隔离阀7、密封盖5，在安全壳4上还设置有抽真空接口8；
一、吸杂工艺
1、关闭高温隔离阀7；
2、打开密封阀，将吸杂罐放置安全壳4内；
3、关闭密封盖5；
4、因为单晶炉1本身带有负压抽真空功能，这时通过抽真空接口8把高温隔离阀7和密封盖5之间的安全壳4内抽成负压，这时还有一个作用就是：如放入吸杂罐时操作带来的气体或固体杂质吸出，同时形成的负压与单晶炉1是一致的，因为单晶炉1本身带抽真空装置，只是在抽真空装置原有的抽真空管道上接一个管道到安全壳4内，所以单晶的负压和吸杂安全壳4腔内负压是一致的；
5、打开高温隔离阀7，吸杂罐会下降到富集杂质的硅液里，这时把单晶炉1调成正压或常压，使得杂质被吸入罐体9，由于我们设计的罐体9结构是液体进入后是不出来的；
6、确保罐体9接触富集杂质硅液里，根据工艺不同富集杂质多少，可以调节单晶炉1内单晶坩埚2的升降达到吸杂罐入口在富集杂质硅液里；
7、高温隔离阀7的内径一定小于吸杂罐的外径，这样吸杂罐主体被高温隔离阀7挡住在吸杂安全壳4内，而吸杂罐伸出的细管插入富集杂质中将其吸出，这时单晶炉1内调成正压或常压，打开密封盖5将吸杂罐取出，移动冷却区即可；
二、加料工艺
1、关闭高温隔离阀7；
2、打开密封盖5放入加料器13；
3、把硅料加入到加料器13中；
4、在加料过程中，由于工艺不同、使用的硅料不同、硅料的大小问题、颗粒硅等、根据每次加多少硅料，重量多少要确定；
5、根据工艺不同、加入硅料流动性不同、根据坩埚2内余留富集杂质硅液多少、加料多少，及时调整单晶硅坩埚2的升降；
6、为了防止加料时对坩埚2的冲击影响，及加料时硅液飞溅等影响，所以升降单晶坩埚2很重要，和先加流动性好的一些细料，当中加粗一些硅料，最后加流动性好一些的硅料，如果是颗粒硅加料流动性会更好；
7、加料器13材为石英玻璃或高纯石英陶瓷（石英陶瓷密度1.6-2.1）；
8、加料器13主管为圆管，伸入单晶炉1内的是在主圆管的一端为圆锥型；
9、保持连续加料，这样可以减少炉内降温速率，主圆管的外径一定大于高温隔离阀7的内径，这样加料器13主管被高温隔离阀7挡住固定，同时单晶炉1内温度也被隔离一部分，还有一部分单晶炉1内热量会从加料器13圆锥口出来， 这时我们通过圆锥加进去的硅料也阻挡一大部分，这种外置加料工艺在操作加料时温度损耗不是很大的。
Claims (6)
1.一种单晶炉用外置式吸杂加料方法，其特征在于：该方法使用安全壳、吸杂罐和加料器；
安全壳固定在支架上，其一端通过隔离阀与单晶炉主炉室的炉筒或炉盖连接，安全壳的另一端设置有密封盖，用于根据吸杂加料操作需要控制安全壳与外界隔离或开放；
吸杂罐的罐体为带开口的容器，开口通过密封板密封，罐体底部插装固结有吸杂管，吸杂管的一端由外至内贯穿罐体、并延伸至罐体的内部，在罐体内的吸杂管与罐体的内壁之间形成有便于盛装杂质底料的吸杂腔室；
安全壳底部一侧安装有伸缩机构，伸缩机构上设置有固定吸杂罐的结构、并通过自带的轨道安装于安全壳底部，吸杂罐则安装固定在伸缩机构上，由伸缩机构带动沿着安全壳内固定的轨道前后移动，进而带动固定在吸杂罐上的吸杂管，经过开启的隔离阀伸入单晶炉内坩埚中的熔硅液面或缩回安全壳内部，以便实施吸杂工艺动作；
该方法具体内容如下：
在单晶炉主炉室的炉筒或炉盖上开设吸杂加料接口，通过该接口将安全壳通过隔离阀与单晶炉主炉室的炉筒或炉盖连接；
吸杂时：
（1）关闭隔离阀后，打开密封盖，将吸杂罐放入安全壳空腔内的伸缩机构上固定好，并将吸杂管外露端朝向隔离阀端，然后关闭密封盖，对安全壳空腔抽真空处理；
（2）先将单晶炉调整成负压状态，然后打开隔离阀，操纵伸缩机构，带动吸杂罐沿轨道朝向隔离阀运动，使得吸杂管贯穿隔离阀的中心孔，伸入单晶炉内，朝向坩埚熔硅液面运动，必要时配合调整单晶炉的坩埚高度，使吸杂管的端部伸入单晶炉内坩埚中的液面内；
（3）调整单晶炉内由负压改正压，利用压力差使得坩埚内的熔硅底料通过吸杂管进入吸杂罐内的吸杂腔室内；
（4）吸杂结束后，首先操纵伸缩机构，使得吸杂罐带着吸杂管回缩至安全壳内，然后关闭隔离阀；
（5）调节安全壳内为正常气压，然后，打开密封盖，取出吸杂罐；
在具体使用时，通过吸杂加料接口和安全壳、吸杂罐用于炉内坩埚底料吸杂，进一步的，根据需要也可以借助吸杂加料接口和安全壳对接加料器，用于加料；
加料时：
（1）关闭隔离阀；
（2）打开密封盖放入加料器；
（3）把硅料加入到加料器中；
（4）在加料过程中，根据工艺不同、使用的硅料不同、硅料的大小不同来确定每次加多少硅料、重量多少；
（5）根据工艺不同、加入硅料流动性不同、坩埚内余留富集杂质硅液多少、加料多少，及时调整单晶硅坩埚的升降；
（6）保持连续加料，减少炉内降温速率，加料器的外径大于隔离阀的内径，使得加料器主体被隔离阀挡住固定。
2.根据权利要求1所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，其特征在于：所述罐体呈圆柱状或箱体状，密封盖呈盘状，吸杂管呈圆管状。
3.根据权利要求1所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，其特征在于：所述吸杂罐的罐体、吸杂管、密封盖均采用高纯二氧化硅或高纯石英陶瓷制成。
4.根据权利要求1所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，其特征在于：所述安全壳为金属外壳，在金属外壳的内表面衬设有耐高温材料。
5.根据权利要求1所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，其特征在于：加料器材质为石英玻璃或高纯石英陶瓷。
6.根据权利要求1所述的单晶炉用外置式吸杂加料方法，其特征在于：加料器主体为圆管，伸入单晶炉内的圆管的一端为圆锥型。
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