CN202519359U - 一种用于硅铸锭炉的气体导流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于硅铸锭炉的气体导流装置，包括：至少两根连接杆、导流通道和挡流面板，其中，所述连接杆的一端设在所述硅铸锭炉的炉顶，另一端固定在所述挡流面板上；所述导流通道的一端贯穿所述挡流面板，另一端与设在所述硅铸锭炉的炉顶的导气口连通；所述挡流面板设在所述硅铸锭炉内石英坩埚中硅料的上方，所述挡流面板在底部的边沿所围成形状与所述石英坩埚的横截面的形状相适应，且所述挡流面板在底部的边沿所在的四周侧面与所述石英坩埚的四周侧壁面之间留有2～250mm的缝隙。本实用新型结构简单，安装方便，使用安全，有效地防止热场中的碳元素导入到硅料中。

Description

一种用于硅铸锭炉的气体导流装置

技术领域

本实用新型属于半导体行业中制造晶体硅所用设备领域，具体涉及一种用于硅铸锭炉的气体导流装置。 

背景技术

硅铸锭炉是一种硅重熔再结晶设备，用于生产太阳能级硅铸锭（简称硅锭）。硅铸锭炉的腔体内放置的是石墨和石墨毡为材料的热场，该热场包括隔热保温层、加热器、石英坩埚、坩埚护板及用于放置坩埚的热交换台，用于重熔的硅原料放置在石英坩埚内，通过加热器的热量导入，使石英坩埚内的硅原料熔化形成硅熔液，然后通过改变加热功率和隔热保温层的位置，使硅熔液实现定向凝固，再结晶后得到产品硅铸锭。现有技术中，硅铸锭炉的热场结构具体有很多种形式，例如申请号为200710070539.4的中国发明专利申请公开了其中一种热场结构。 

硅铸锭的生产工艺过程包括升温、熔化、长晶、退火和冷却几个过程。通常，为保证硅铸锭生产过程中适当的压力及周围的气氛一致，并及时带走从硅原料中挥发出的杂质，需要持续从石英坩埚上方通入保护气体，并流经硅料表面。常用的保护气体为惰性气体氩气。然而，当保护气体与热场材料（石墨或石墨毡，主要成分为碳）接触时会带入热场挥发物杂质(主要为碳元素)，这些挥发物杂质中的一部分在气流分布不当的情况下将继续随气流进入到硅料（包括硅原料、硅原料熔化后形成的硅熔液，以及硅熔液凝固后形成的硅锭）中，最终导致硅锭的碳元素含量或其它杂质含量偏高，影响硅锭作为太阳能级硅原料使用的效能。 

发明内容

本实用新型提供了一种用于硅铸锭炉的气体导流装置，结构简单，安装方便，使用安全，有效地防止热场中的碳元素导入到硅料（指硅原料、硅熔液或硅锭，下同）中。 

一种用于硅铸锭炉的气体导流装置，包括：至少两根连接杆、导流通道和挡流面板，其中，所述连接杆的一端设在所述硅铸锭炉的炉顶，另一端固定在所述挡流面板上；所述导流通道的一端贯穿所述挡流面板，另一端与设在所述硅铸锭炉的炉顶的导气口连通；所述挡流面板设在所述硅铸锭炉内石英坩埚中硅料的上方，所述挡流面板在底部的边沿所围成形状与所述石英坩埚的横截面的形状相适应，且所述挡流面板在底部的边沿所在的四周侧面与所述石英坩埚的四周侧壁面之间留有2～250mm的缝隙。 

本实用新型中，所述挡流面板在底部的边沿所围成形状和面积分别由石英坩埚的横截面的形状与面积决定。例如，通常硅铸锭炉内的石英坩埚为方形石英坩埚，石英坩埚的开口（或横截面）为正方形。那么，与此相适应，挡流面板在底部的边沿所围成形状也应为一个正方形；如果硅铸锭炉内的石英坩埚为圆形石英坩埚，那么挡流面板在底部的边沿所围成形状也应为一个圆形。但无论挡流面板采用哪一种形状，均是以尽可能覆盖住石英坩埚的开口又不与石英坩埚接触为原则。在所述挡流面板在底部的边沿形状满足要求的情况下，所述挡流面板整体可以是平板状、钟罩状、半圆球形或其他结构。当所述挡流面板为平板时，所述挡流面板在底部的边沿围成平板的底面，所述挡流面板在底部的边沿所在的四周侧面为平板的四个侧面，此时，平板底面的形状与石英坩埚的横截面的形状相适应，平板的四个侧面与所述石英坩埚的四周侧壁面之间留有2～250mm的缝隙。当所述挡流面板为钟罩状时，所述挡流面板在底部的边沿围成钟罩的开口，所述挡流面板在底部的边沿所在的四周侧面为钟罩的四周侧壁，此时，钟罩的开口的形状与石英坩埚的横截面的形状相适应，钟罩的四周侧壁与所述石英坩埚的四周侧壁面之间留有2～250mm的缝隙。 

将所述的气体导流装置安装在硅铸锭炉内，在生产过程中，气流从导流通道流入后，将流经挡流面板、石英坩埚与硅料之间的空间，再从挡流面板与石英坩埚之间的缝隙流出。挡流面板与石英坩埚之间的缝隙是作为气流流出的通道。所述的缝隙小于2mm时，会影响气流流出不畅；当缝隙大于250mm时，又无法起到有效隔离空间内外气氛的作用。采用2～250mm的缝隙时，保护气体在挡流面板、石英坩埚与硅料之间空间内的压力明显大于该空间之外的压力，这样，保护气体一旦流出该空间，则 很难重新回流到硅料表面，从而隔离了含碳热场与硅料表面之间的气氛交流。而现有技术的硅铸锭炉内由于没有设置气体导流装置，保护气体从石英坩埚上方通入之后，会在热场部件与石英坩埚内的硅料之间形成回旋的流场，将热场部件表面的碳元素带入到硅料之中，导致硅锭产品中的碳元素含量偏高。因此，采用所述的气体导流装置，可使硅锭产品中的碳元素显著下降。 

优选的技术方案中，所述连接杆设在所述硅铸锭炉的炉顶的一端与升降机构相连，所述导流通道由两个嵌套的同轴圆柱形管构成，所述挡流面板位于所述硅铸锭炉内石英坩埚中硅料上方3～20cm处。在这种情况下，只需通过升降机构调节连接杆的位置，就可实现气体导流装置在硅铸锭炉内升降。而在多晶硅原料装料时，由于固体硅原料为不规则形状，料与料之间存在间隙，使得硅料在熔化前与熔化后的高度存在差异。硅铸锭的生产过程中，挡流面板越靠近硅料表面，由挡流面板、硅料及石英坩埚围成的空间的体积越小，导入的保护气体流过硅料表面带走硅料挥发出的杂质越多。因此，当采用可升降的气体导流装置，可实现对挡流面板的位置的调节，使挡流面板与硅料之间的距离在硅料熔化前后均为3～20cm。具体来说：在硅料没有熔化之前，硅料的位置较高，此时通过提升升降机构，使得挡流面板位于硅料上方3～20cm处；当硅料熔化成硅熔液后，硅料表面的位置将下降，这时通过下降升降机构，使挡流面板位于硅熔液表面上方3～20cm处，这样在隔离含碳热场与硅料表面之间的气氛交流的同时，使保护气氛带走硅料挥发出的杂质的效能发挥到最大。同时，与可升降的连接杆相配合，导流通道的长度也可调，可以保证在导流装置升降前后绝大部分保护气体都是最先流入到由挡流面板、硅料及石英坩埚围成的空间内，可以最大程度利用保护气体。 

优选的技术方案中，所述连接杆可以通过螺纹或销钉等方式固定在所述挡流面板上。 

优选的技术方案中，所述导流通道的一端贯穿所述挡流面板的中心。 

优选的技术方案中，所述挡流面板上分布有若干开孔，以调节气流流出。在所述挡流面板上增加开孔后，保护气体气流不仅可以从挡流面板与石英坩埚之间的缝隙流出，还可以从挡流面板上布置的开孔流出。通过调 节孔的数量、大小和布置方式，可以方便地调整由石英坩埚、硅料和挡流面板所限定的空间内与该空间外的压力差，从而调节气流的流速和气流在该空间内形成的涡流的强度，从而实现最合适的硅铸锭进行定向凝固时的气氛环境。 

优选的技术方案中，所述挡流面板可以采用金属钼或含钼的耐高温合金加工，可以采用由石墨或碳纤维材料加工的中间层、由碳化硅或热解碳涂覆的上表面层和由碳化硅或热解碳涂覆的下表面层组成的复合结构。由于钼、含钼的耐高温合金中不含碳元素，因此，采用金属钼或含钼的耐高温合金加工的挡流面板的表面不挥发碳元素；碳化硅中碳元素也不挥发，而热解碳比石墨稳定，碳元素难以挥发，因此采用复合结构的挡流面板的表面不挥发或很难挥发出碳元素。这样一来，由于挡流面板的表面不挥发或很难挥发出碳元素，可以起到隔离热场的含碳杂质的作用。从成本角度考虑，最优选所述挡流面板采用金属钼或含钼的耐高温合金加工。 

当硅铸锭炉内石英坩埚为正方形坩埚，采用固定的气体导流装置时，优选所述的挡流面板为钟罩状，所述钟罩的底部开口为正方形。 

当硅铸锭炉内石英坩埚为正方形坩埚，采用可升降的气体导流装置时，优选所述的挡流面板为正方形平板，所述的挡流面板与所述连接杆垂直。 

在硅铸锭炉内安装本实用新型的气体导流装置后，在硅铸锭的生产工艺过程中，可使保护气体不与石墨热场接触直接流经硅料表面，并且气流从硅料表面离开并最终与石墨热场接触后很难再次回流到硅料表面，从而降低硅铸锭产品中碳元素的含量。相对于现有技术，本实用新型结构简单，安装方便，使用安全，有效地防止热场中的碳元素导入到硅料中。 

附图说明

图1是本实用新型的气体导流装置的第一种实施方式的三维结构示意图（从上向下以倾斜角度俯视）。 

图2是本实用新型的气体导流装置的第一种实施方式的三维结构示意图（从下向上以倾斜角度俯视）。 

图3是安装有图1的气体导流装置的硅铸锭炉的内部结构示意图。 

图4是安装有作为本实用新型的第二种实施方式的气体导流装置的硅铸锭炉的内部结构示意图。 

图5是本实用新型的气体导流装置的第三种实施方式的三维结构示意图（从上向下以倾斜角度俯视）。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本实用新型，但本实用新型并不仅限于此。 

实施例1 

如图1和图2所示，一种用于硅铸锭炉的气体导流装置，包括：两根连接杆1、导流通道2和挡流面板3，其中，两根连接杆1的一端固定在挡流面板3上，导流通道2的一端贯穿挡流面板3的中心。 

挡流面板3由敞口的梯形壳体和敞口的底部长方形壳体构成（壳体指薄壁空间结构，下同），其中梯形壳体的上底面3a为正方形薄板，四个侧面3b、3c、3d、3e为形状和大小均相同的梯形薄板，下底面为正方形开口；敞口的底部长方形壳体由四个长方形薄板围成，梯形壳体的下底面开口与底部长方形壳体连通。上底面3a和四个侧面3b～3e采用螺丝4和加固件5套装在连接杆1上，底部长方形壳体的四个边角采用L形加固件固定。 

挡流面板3采用耐高温材料钼加工而成。螺丝4为钼螺丝，加固件5为钼板加固件。 

将上述气体导流装置6安装在硅铸锭炉内，整个硅铸锭炉内部的剖面示意图如图3。如图3所示，在硅铸锭炉内设有气体导流装置6、加热器11、坩埚护板12、热交换台13、隔热保温层14和方形石英坩埚8，其中，气体导流装置6通过两根连接杆1固定在硅铸锭炉内，两根连接杆1的另一端安装在硅铸锭炉的炉顶7，导流通道2的另一端与设在硅铸锭炉的炉顶7的导气口连通，挡流面板3放置在方形石英坩埚8的上方，挡流面板3在底部的边沿围成正方形，与方形石英坩埚8的横截面形状一致，同时，挡流面板3在底部的边沿所在的四周侧面与方形石英坩埚8的四周侧壁面之间留有30mm的缝隙（即构成挡流面板3的底部长方形壳体的四个长方 形薄板与方形石英坩埚8的四周侧壁面之间留有30mm的缝隙），以方便气流流出。挡流面板3在底部的边沿围成正方形的面积大于方形石英坩埚8的横截面积，并且略微向下，可以罩住方形石英坩埚8的开口，但并不与方形石英坩埚8接触。 

在上述硅铸锭炉内，加热器11、坩埚护板12、热交换台13一般均由石墨材料加工而成，隔热保温层14通常由石墨毡材料加工而成，因此加热器11、坩埚护板12、热交换台13、隔热保温层14构成含碳热场。方形石英坩埚8、放在石英坩埚8中的硅料9与挡流面板3之间形成一个空间10。当保护气体的气流从导流通道2持续导入时，马上扩散到空间10，空间10内的气压将明显高于空间10外的气压，使得保护气体一旦流出该空间，则很难重新回流到硅料表面，从而隔离含碳热场与硅料表面之间的气氛交流。这样，硅料表面无法与含碳的气流接触，确保了硅锭产品中碳元素的含量降到最低。 

实施例2 

安装有第二种实施方式的气体导流装置的硅铸锭炉的内部结构如图4所示。 

与图3的结构类似，图4中在硅铸锭炉内设有气体导流装置、加热器、坩埚护板、热交换台、隔热保温层和方形石英坩埚，但本实施例中气体导流装置有所不同。本实施例的气体导流装置同样包括两根连接杆、挡流面板和导流通道，并且，同样，两根连接杆的一端通过螺纹或销钉固定在挡流面板上，导流通道的一端贯穿挡流面板的中心。区别就在于： 

挡流面板15为正方形平板，而且挡流面板15的横截面积小于方形石英坩埚8的横截面积。挡流面板15放置在方形石英坩埚8中硅料9上方3～20cm处，且挡流面板15的四周侧面与方形石英坩埚8的四周侧壁面之间还留有20mm的缝隙，以方便气流流出。 

在硅铸锭炉的炉顶7上方还设有升降机构16，连接杆的另一端与升降机构16连接。升降机构16可调节连接杆的升降，从而实现气体导流装置在炉内位置的升降。 

相应地，导流通道17由两个嵌套的同轴圆柱形管构成，这样，气体 导流装置升降时，导流通道17的长度可与之相适应地进行调节，从而使得导流通道17的底端与石英坩埚8中硅料9保持固定的距离。 

在多晶硅原料装料时，由于固体硅原料为不规则形状，料与料之间存在间隙，使得硅料在熔化前与熔化后的高度存在差异。为了使保护气体尽可能多地流过硅料9表面带走硅料9挥发出的杂质，需要使由挡流面板15、硅料9及方形石英坩埚8围成的空间18的体积越小越好。在图4所示的硅铸锭炉内，采用了可升降的气体导流装置，因此可根据需要调节挡流面板15的位置，从而调节空间18的体积：在硅料9没有熔化之前，硅料9的位置较高，此时通过提升升降机构，使得挡流面板15位于硅料9上方5cm处；当硅料熔化成硅熔液后，硅料9表面的位置将下降，这时通过下降升降机构，使挡流面板15位于硅熔液表面上方5cm处，这样在隔离含碳热场与硅料表面之间的气氛交流的同时，使保护气氛带走硅料挥发出的杂质的效能发挥到最大。此外，在图4所示的硅铸锭炉内，导流通道17的长度可调，可以保证在导流装置升降前后绝大部分保护气体都是最先流入到空间18内，同样可以最大程度利用保护气体。 

实施例3 

如图5所示，采用与实施例1相同的方式，不同之处仅在于：挡流面板19上分布有若干圆孔，用于形成气流流出的通道。当保护气体从导流通道流入到由方形石英坩埚、硅料和挡流面板所限定的空间内时，保护气体气流不仅可以从挡流面板与石英坩埚之间的缝隙流出，还可以从挡流面板上布置的圆孔流出。通过调节圆孔的数量、大小和布置方式，可以方便地调整由方形石英坩埚、硅料和挡流面板所限定的空间内与该空间外的压力差，从而调节气流的流速和气流在该空间内形成的涡流的强度，从而实现最合适的硅铸锭进行定向凝固时的气氛环境。 

Claims (5)

1.一种用于硅铸锭炉的气体导流装置，其特征在于，包括：至少两根连接杆、导流通道和挡流面板，其中，所述连接杆的一端设在所述硅铸锭炉的炉顶，另一端固定在所述挡流面板上；所述导流通道的一端贯穿所述挡流面板，另一端与设在所述硅铸锭炉的炉顶的导气口连通；所述挡流面板设在所述硅铸锭炉内石英坩埚中硅料的上方，所述挡流面板在底部的边沿所围成形状与所述石英坩埚的横截面的形状相适应，且所述挡流面板在底部的边沿所在的四周侧面与所述石英坩埚的四周侧壁面之间留有2～250mm的缝隙。

2.如权利要求1所述的用于硅铸锭炉的气体导流装置，其特征在于，所述连接杆设在所述硅铸锭炉的炉顶的一端与升降机构相连，所述导流通道由两个嵌套的同轴圆柱形管构成，所述挡流面板位于所述硅铸锭炉内石英坩埚中硅料上方3～20cm处。

3.如权利要求1或2所述的用于硅铸锭炉的气体导流装置，其特征在于，所述挡流面板上分布有若干开孔。

4.如权利要求1或2所述的用于硅铸锭炉的气体导流装置，其特征在于，所述导流通道的一端贯穿所述挡流面板的中心。

5.如权利要求1或2所述的用于硅铸锭炉的气体导流装置，其特征在于，所述连接杆通过螺纹或销钉固定在所述挡流面板上。 

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