CN113604880B - 一种用于方硅芯制备的生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于方硅芯制备的生产设备，该设备通过在炉体内部设置加热罩和保温罩，并且通过顶升机构控制加热罩逐步稳定提升，实现硅芯由下至上逐渐凝固，由于保温罩可保持内部环境稳定，故实现了硅芯凝固过程中精准控温，且确保硅芯稳定降温凝固，提高了硅芯制备质量，同时本设备中还在浇注炉体下方设置有输送装置，通过输送装置实现固定底座以及石英管组件自动替换，使适用于生产线场合，提高了生产效率，降低了人工成本。

Description

一种用于方硅芯制备的生产设备

技术领域

本发明属于半导体硅材料制作工艺技术领域，涉及一种用于方硅芯制备的生产设备。

背景技术

硅芯是光伏行业上游中的改良西门子法还原炉所用的晶种，是制备半导体器件和太阳能电池的原材料，是全球电子工业及光伏产业的基石。目前，硅芯的制备方式主要有硅芯炉生长法和晶体直拉生产法。钟罩式反应器是生产硅芯专用设备，在惰性气氛下，通过硅棒材料熔化后，将带有籽晶的籽晶轴插入到熔化的硅料中，逐步提升籽晶轴，进行引晶，待达到设定的直径后，连带熔化的硅料上升，熔化的硅料拉晶上升时温度降低并长晶形成硅圆棒。该技术生产效率低，能耗高。一般情况下，钟罩式反应器内可形成18～48对硅棒。但现有装置中一方面需采用人工对硅芯进行更换，生产效率低，安全性差，另一方面硅芯在装置内部进行凝固时凝固环境不稳定，并且在硅芯逐步降温过程中无法精准控温，使得硅芯制备质量无法保证。

中国专利文献CN102492980B公开一种一种多晶硅沉积用的硅芯的制备方法及装置。所述装置包括用于盛放硅料的石英管和硅芯生长炉；其中，所述硅芯生长炉包括：底座；位于所述底座上的保温炉体，所述炉体上设置有进气口和出气口；设置在所述炉体内壁、在竖直方向依序排列的多个发热体；位于所述炉体底部、水平放置的衬板；设置在所述炉体内与所述衬板相互平行的第一限位孔板和第二限位孔板，所述第一限位孔板和第二限位孔板上设置有多个一一相互对应的、用于放置所述石英管的限位孔；设置在第一限位孔板上的第一测温元件、设置在第二限位孔板上的第二测温元件和设置在衬板上的第三测温元件。该装置虽能实现批量硅芯制备，但装置仍需人工进行石英管替换，严重影响生产效率，并且该装置在批量生产过程中通过竖直发热体断电实现石英管内的液态硅料在竖直方向上逐渐凝固成固态硅芯，无法保证发热体稳定降温，降温过程中无法稳定控制，故无法保证硅芯凝固均匀。

中国专利文献CN110241457A公开了一种一种硅芯方锭铸锭装置，包括石墨块，所述石墨块上设置有定向导气块，所述定向导气块上设置有坩埚，所述坩埚外侧设置有定位块，所述坩埚外侧设置有加热器，所述加热器外侧设置有保温层，所述保温层外侧设置有炉体，所述定向导气块包括导气块本体，所述导气块本体的横向中轴线上间隔设置有五个通气口，其中，最左边一个通气口设置为出气口，其余四个通气口均设置为进气口，所述导气块本体的正面设置有冷却槽，所述冷却槽内自左至右依次间隔设置有第一导气凸块、两个前后对称的第二导气凸块以及两个前后对称的第三导气凸块，该装置通过加热器以及保温层实现稳定控温，但进行批量生产时仍需要人工更换硅芯模具，严重影响生产效率，并且存在烫伤风险，安全性能低。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种用于方硅芯制备的生产设备，通过在炉体内部设置加热罩和保温罩，并且通过控制加热罩逐步稳定提升，实现硅芯由下至上逐渐凝固，由于保温罩可保持内部环境稳定，故实现了硅芯凝固过程中精准控温，且确保硅芯稳定降温凝固，提高了硅芯制备质量，同时本设备中还通过输送装置实现了硅芯模具自动替换，使适用于生产线场合，提高了生产效率，降低了人工成本。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于方硅芯制备的生产设备，包括熔融装置和浇注装置，所述熔融装置用于对硅料进行熔融成液态，所述浇注装置用于将熔融成液态的硅料浇注至模具内，并凝固成固态硅芯，所述熔融装置和浇注装置之间通过管道连通。

其中所述浇注装置包括有浇注炉体、加热罩、保温罩以及固定底座，其中所述固定底座位于浇注炉体的底部，且所述固定底座的顶面设有多个硅芯固定槽，每个硅芯固定槽内均设有一组石英管组件；所述保温罩采用底部开口的罩体结构，所述保温罩放置于浇注炉体内部，且所述保温罩底部与固定底座接触，所述保温罩侧壁与浇注炉体侧壁之间设有至少两个第一顶升机构，所述第一顶升机构用于竖直提升保温罩；所述加热罩采用顶部及底部均开口的环形罩体结构，所述加热罩悬空设置于固定底座上方，且所述加热罩侧壁与保温罩侧壁之间设有至少两个第二顶升机构，所述第二顶升机构用于固定以及竖直提升加热罩。

进一步的，所述石英管组件顶部设有浇注导流平台，所述浇注导流平台直径小于加热罩内壁直径，所述浇注导流平台上设有多个导流锥形孔，每个导流锥形孔下方均对应一组石英管组件，所述浇注导流平台上表面设有多个对应导流锥形孔的导流槽，且位于中心位置的导流槽与剩余导流槽之间设有导流通道。

进一步的，所述加热罩底部设有限位凸台，且所述浇注导流平台直径大于所述限位凸台中的最小直径。

进一步的，所述石英管组件中包括石英管体、石墨护套以及紧固件，所述石英管体同轴套设于石墨护套内部，且石墨护套的两端位置通过紧固件进行连接固定，所述石墨护套的底端放置于固定底座的硅芯固定槽内，所述石墨护套的中部位置设有固定件，所述固定件连接于固定底座上，通过固定件保持石英管体以及石墨护套竖直固定。

进一步的，所述第一顶升机构中包括第一气缸、第一直线滑块以及第一直线导轨，所述保温罩的外侧壁上部位置设有第一连接部，且所述第一连接部与第一直线滑块之间通过第一连接杆固定连接；所述第一气缸固定于浇注炉体的内壁，所述第一气缸的活塞杆竖直向下设置，且所述第一气缸的活塞杆端部与所述第一直线滑块固定连接，所述第一直线导轨沿竖直方向固定于浇注炉体内壁上，所述第一直线滑块与第一直线导轨配合滑动，通过第一气缸驱动第一直线滑块沿第一直线导轨竖向位移，进而对保温罩实现提升或下降动作。

进一步的，所述第二顶升机构包括第二气缸、第二直线滑块以及第二直线导轨，所述加热罩的外侧壁上部位置设有第二连接部，且所述第二连接部与第二直线滑块之间通过第二连接杆固定连接；所述第二气缸固定于保温罩的外壁，所述第二气缸的活塞杆竖直向上设置，且所述第二气缸的活塞杆端部与所述第二直线滑块固定连接，所述第二直线导轨沿竖直方向固定于保温罩外壁上，所述第二直线滑块与第二直线导轨配合滑动，通过第二气缸驱动第二直线滑块沿第二直线导轨竖向位移，进而对加热罩实现提升或下降动作。

进一步的，所述固定底座与浇注炉体之间设有锁紧机构，所述锁紧机构包括有第三气缸、第三直线滑块、第三直线导轨以及锁紧杆，所述浇注炉体的底部设有开口，且所述浇注炉体的底部开口位置设有第一接触部，所述固定底座上设有第二接触部，且第二接触部上设有锁紧槽；所述锁紧杆位于浇注炉体底部，且所述锁紧杆固定连接于第三直线滑块上，所述第三直线滑块下方滑动设置有所述第三直线导轨，所述第三直线导轨固定于浇注炉体底部；所述第三气缸固定于浇注炉体侧壁上，且所述第三气缸的活塞杆与锁紧杆固定连接，通过第三气缸驱动锁紧杆直线位移，实现锁紧杆端部与锁紧槽配合。

进一步的，所述浇注装置正下方还设有输送装置，所述输送装置包括升降传送带和两条输料传送带，其中所述升降传送带水平设置于浇注炉体的正下方，所述输料传送带平齐设置于升降传送带的两端位置，所述升降传送带用于承接并替换浇注装置的固定底座。

进一步的，所述浇注炉体的顶部设有浇注进口，且浇注进口下方连通有浇注管道，所述浇注管道贯穿保温罩顶部，且浇注管道末端位于浇注导流平台上中心位置的导流槽正上方，所述浇注管道末端与浇注导流平台保持间隔。

进一步的，当第二顶升机构提升加热罩至上极限位置时，所述加热罩底部的限位凸台与浇注导流平台接触，且所述限位凸台将浇注导流平台向上提升。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明中的硅芯生产设备通过在炉体内部设置加热罩和保温罩，并且通过控制加热罩逐步稳定提升，实现硅芯由下至上逐渐凝固，由于保温罩可保持内部环境稳定，故实现了硅芯凝固过程中精准控温，且确保硅芯稳定降温凝固，提高了硅芯制备质量，同时本设备中还通过输送装置实现了硅芯模具自动替换，使适用于生产线场合，提高了生产效率，降低了人工成本。

附图说明

图1是本实施例中一种用于方硅芯制备的生产设备的结构图；

图2是本实施例中浇注装置的内部结构图；

图3是图2中A位置的放大图；

图4是图2中B位置的放大图；

图5是图2中C位置的放大图；

图6是本实施例中固定底座与石英管组件的安装结构图；

图7是本实施例中浇注导流平台的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

结合图1所示，本实施例中具体公开了一种用于方硅芯制备的生产设备，包括熔融装置1和浇注装置2，所述熔融装置1用于对硅料进行熔融成液态，所述浇注装置2用于将熔融成液态的硅料浇注至模具内，并凝固成固态硅芯，所述熔融装置1和浇注装置2之间通过管道连通。

具体的，如图2所示，其中所述浇注装置2包括有浇注炉体201、加热罩203、保温罩202以及固定底座204，其中所述固定底座204位于浇注炉体201的底部，且所述固定底座204的顶面设有多个硅芯固定槽2043，每个硅芯固定槽2043内均设有一组石英管组件205；所述保温罩202采用底部开口的罩体结构，所述保温罩202放置于浇注炉体201内部，且所述保温罩202底部与固定底座204接触，所述保温罩202侧壁与浇注炉体201侧壁之间设有至少两个第一顶升机构206，所述第一顶升机构206用于竖直提升保温罩202；所述加热罩203采用顶部及底部均开口的环形罩体结构，所述加热罩203悬空设置于固定底座204上方，且所述加热罩203侧壁与保温罩202侧壁之间设有至少两个第二顶升机构207，所述第二顶升机构207用于固定以及竖直提升加热罩203。

上述加热罩203目的是用于对石英管组件205中的熔融态硅料进行控温，保证石英管组件205中硅芯凝固部分上方的硅材保持恒定温度，通过顶升机构将加热罩203逐步稳定的进行提升，石英管组件205中的硅芯由下至上逐渐进行凝固，由于加热罩203提升速度以及加热温度可控，硅芯凝固过程中环境保持稳定，所凝固得到的硅芯整体质量保持一致，硅芯质量更好。同时保温罩202可保持凝固的硅芯处于稳定环境中，可避免由于外界温度急速变化，造成硅芯内部应力积聚，影响硅芯最终质量。

需说明的是，在本实施例中加热罩203内部，所述石英管组件205顶部设有浇注导流平台208，如图7所示，所述浇注导流平台208直径小于加热罩203内壁直径，所述浇注导流平台208上设有多个导流锥形孔2081，每个导流锥形孔2081下方均对应一组石英管组件205，所述浇注导流平台208上表面设有多个对应导流锥形孔2081的导流槽2082，且位于中心位置的导流槽2082与剩余导流槽2082之间设有导流通道2083。所述加热罩203底部设有限位凸台，且所述浇注导流平台208直径大于所述限位凸台中的最小直径。进一步的，当第二顶升机构207提升加热罩203至上极限位置时，所述加热罩203底部的限位凸台与浇注导流平台208接触，且所述限位凸台将浇注导流平台208向上提升。

本实施例中所述浇注炉体201的顶部设有浇注进口2011，且浇注进口2011下方连通有浇注管道2012，所述浇注管道2012贯穿保温罩202顶部，且浇注管道2012末端位于浇注导流平台208上中心位置的导流槽2082正上方，所述浇注管道2012末端与浇注导流平台208保持间隔，当硅料由熔融装置1中流至浇注装置2的浇注管道2012时，通过浇注管道2012熔融态的硅料落入浇注导流平台208上，通过平台上的导流槽2082均匀流入各石英管组件205中，实现批量硅芯浇注。

更详细的，如图6所示，所述石英管组件205中包括石英管体2051、石墨护套2052以及紧固件2053，所述石英管体2051同轴套设于石墨护套2052内部，且石墨护套2052的两端位置通过紧固件2053进行连接固定，所述石墨护套2052的底端放置于固定底座204的硅芯固定槽2043内，所述石墨护套2052的中部位置设有固定件2054，所述固定件2054连接于固定底座204上，通过固定件2054保持石英管体2051以及石墨护套2052竖直固定。

更近一步的是，结合图3所示，本实施例中所述第一顶升机构206中包括第一气缸2061、第一直线滑块2063以及第一直线导轨2062，所述保温罩202的外侧壁上部位置设有第一连接部2064，且所述第一连接部2064与第一直线滑块2063之间通过第一连接杆2065固定连接；所述第一气缸2061固定于浇注炉体201的内壁，所述第一气缸2061的活塞杆竖直向下设置，且所述第一气缸2061的活塞杆端部与所述第一直线滑块2063固定连接，所述第一直线导轨2062沿竖直方向固定于浇注炉体201内壁上，所述第一直线滑块2063与第一直线导轨2062配合滑动，通过第一气缸2061驱动第一直线滑块2063沿第一直线导轨2062竖向位移，进而对保温罩202实现提升或下降动作。

同样的，结合图4所示，所述第二顶升机构207包括第二气缸2071、第二直线滑块2073以及第二直线导轨2072，所述加热罩203的外侧壁上部位置设有第二连接部2074，且所述第二连接部2074与第二直线滑块2073之间通过第二连接杆2075固定连接；所述第二气缸2071固定于保温罩202的外壁，所述第二气缸2071的活塞杆竖直向上设置，且所述第二气缸2071的活塞杆端部与所述第二直线滑块2073固定连接，所述第二直线导轨2072沿竖直方向固定于保温罩202外壁上，所述第二直线滑块2073与第二直线导轨2072配合滑动，通过第二气缸2071驱动第二直线滑块2073沿第二直线导轨2072竖向位移，进而对加热罩203实现提升或下降动作。

为实现石英管组件205快速批量更换，本实施例中所述固定底座204与浇注炉体201之间设有锁紧机构209，如图5所示，所述锁紧机构209包括有第三气缸2091、第三直线滑块2093、第三直线导轨2092以及锁紧杆2094，所述浇注炉体201的底部设有开口，且所述浇注炉体201的底部开口位置设有第一接触部，所述固定底座204上设有第二接触部，且第二接触部上设有锁紧槽2044；所述锁紧杆2094位于浇注炉体201底部，且所述锁紧杆2094固定连接于第三直线滑块2093上，所述第三直线滑块2093下方滑动设置有所述第三直线导轨2092，所述第三直线导轨2092固定于浇注炉体201底部；所述第三气缸2091固定于浇注炉体201侧壁上，且所述第三气缸2091的活塞杆与锁紧杆2094固定连接，通过第三气缸2091驱动锁紧杆2094直线位移，实现锁紧杆2094端部与锁紧槽2044配合。

更进一步的，所述浇注装置2正下方还设有输送装置3，所述输送装置3包括升降传送带301和两条输料传送带302，其中所述升降传送带301水平设置于浇注炉体201的正下方，所述输料传送带302平齐设置于升降传送带301的两端位置，所述升降传送带301用于承接并替换浇注装置2的固定底座204。

根据上述锁紧机构209以及输送装置3结构，本实施例中的石英管组件205可在炉体外部进行预先放置，通过将各石英管组件205放置在固定底座204的对应硅芯固定槽2043中，并通过固定件2054将石英管组件205固定后，将放置完成的固定底座204放置于输送装置3的输料传送带302预定位置上，并送至升降传送带301上，通过升降传送带301下方的顶升气缸将升降传送带301进行顶升，可通过视觉检测结构或距离传感器等检测炉体底部与固定底座204的间距，以控制升降传送带301升降过程，当固定底座204与浇注炉体201底部接触时，锁紧机构209中的气缸驱动锁紧杆2094伸入锁紧槽2044中，实现固定底座204与浇注炉体201固定，后续进行硅芯浇注。

当硅芯浇筑完毕后，可再次将升降传送带301顶升，锁紧机构209中的锁紧杆2094缩回后，固定底座204脱离浇注炉体201底部，此时升降传送带301承接浇注完成的固定底座204下降至平齐于输料传送带302位置，升降传送带301横向传递固定底座204至输料传送带302上，并最终实现下料。

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，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于方硅芯制备的生产设备，包括熔融装置和浇注装置，所述熔融装置用于对硅料进行熔融成液态，所述浇注装置用于将熔融成液态的硅料浇注至模具内，并凝固成固态硅芯，所述熔融装置和浇注装置之间通过管道连通，其特征在于，

所述浇注装置包括有浇注炉体、加热罩、保温罩以及固定底座，其中所述固定底座位于浇注炉体的底部，且所述固定底座的顶面设有多个硅芯固定槽，每个硅芯固定槽内均设有一组石英管组件；所述保温罩采用底部开口的罩体结构，所述保温罩放置于浇注炉体内部，且所述保温罩底部与固定底座接触，所述保温罩侧壁与浇注炉体侧壁之间设有至少两个第一顶升机构，所述第一顶升机构用于竖直提升保温罩；所述加热罩采用顶部及底部均开口的环形罩体结构，所述加热罩悬空设置于固定底座上方，且所述加热罩侧壁与保温罩侧壁之间设有至少两个第二顶升机构，所述第二顶升机构用于固定以及竖直提升加热罩；

所述石英管组件中包括石英管体、石墨护套以及紧固件，所述石英管体同轴套设于石墨护套内部，且石墨护套的两端位置通过紧固件进行连接固定，所述石墨护套的底端放置于固定底座的硅芯固定槽内，所述石墨护套的中部位置设有固定件，所述固定件连接于固定底座上，通过固定件保持石英管体以及石墨护套竖直固定；

所述固定底座与浇注炉体之间设有锁紧机构，所述锁紧机构包括有第三气缸、第三直线滑块、第三直线导轨以及锁紧杆，所述浇注炉体的底部设有开口，且所述浇注炉体的底部开口位置设有第一接触部，所述固定底座上设有第二接触部，且第二接触部上设有锁紧槽；所述锁紧杆位于浇注炉体底部，且所述锁紧杆固定连接于第三直线滑块上，所述第三直线滑块下方滑动设置有所述第三直线导轨，所述第三直线导轨固定于浇注炉体底部；所述第三气缸固定于浇注炉体侧壁上，且所述第三气缸的活塞杆与锁紧杆固定连接，通过第三气缸驱动锁紧杆直线位移，实现锁紧杆端部与锁紧槽配合；

所述浇注装置正下方还设有输送装置，所述输送装置包括升降传送带和两条输料传送带，其中所述升降传送带水平设置于浇注炉体的正下方，所述输料传送带平齐设置于升降传送带的两端位置，所述升降传送带用于承接并替换浇注装置的固定底座。

2.根据权利要求1所述的用于方硅芯制备的生产设备，其特征在于，所述石英管组件顶部设有浇注导流平台，所述浇注导流平台直径小于加热罩内壁直径，所述浇注导流平台上设有多个导流锥形孔，每个导流锥形孔下方均对应一组石英管组件，所述浇注导流平台上表面设有多个对应导流锥形孔的导流槽，且位于中心位置的导流槽与剩余导流槽之间设有导流通道。

3.根据权利要求2所述的用于方硅芯制备的生产设备，其特征在于，所述加热罩底部设有限位凸台，且所述浇注导流平台直径大于所述限位凸台中的最小直径。

4.根据权利要求1所述的用于方硅芯制备的生产设备，其特征在于，所述第一顶升机构中包括第一气缸、第一直线滑块以及第一直线导轨，所述保温罩的外侧壁上部位置设有第一连接部，且所述第一连接部与第一直线滑块之间通过第一连接杆固定连接；所述第一气缸固定于浇注炉体的内壁，所述第一气缸的活塞杆竖直向下设置，且所述第一气缸的活塞杆端部与所述第一直线滑块固定连接，所述第一直线导轨沿竖直方向固定于浇注炉体内壁上，所述第一直线滑块与第一直线导轨配合滑动，通过第一气缸驱动第一直线滑块沿第一直线导轨竖向位移，进而对保温罩实现提升或下降动作。

5.根据权利要求1所述的用于方硅芯制备的生产设备，其特征在于，所述第二顶升机构包括第二气缸、第二直线滑块以及第二直线导轨，所述加热罩的外侧壁上部位置设有第二连接部，且所述第二连接部与第二直线滑块之间通过第二连接杆固定连接；所述第二气缸固定于保温罩的外壁，所述第二气缸的活塞杆竖直向上设置，且所述第二气缸的活塞杆端部与所述第二直线滑块固定连接，所述第二直线导轨沿竖直方向固定于保温罩外壁上，所述第二直线滑块与第二直线导轨配合滑动，通过第二气缸驱动第二直线滑块沿第二直线导轨竖向位移，进而对加热罩实现提升或下降动作。

6.根据权利要求2所述的用于方硅芯制备的生产设备，其特征在于，所述浇注炉体的顶部设有浇注进口，且浇注进口下方连通有浇注管道，所述浇注管道贯穿保温罩顶部，且浇注管道末端位于浇注导流平台上中心位置的导流槽正上方，所述浇注管道末端与浇注导流平台保持间隔。

7.根据权利要求3所述的用于方硅芯制备的生产设备，其特征在于，当第二顶升机构提升加热罩至上极限位置时，所述加热罩底部的限位凸台与浇注导流平台接触，且所述限位凸台将浇注导流平台向上提升。

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