CN206438198U - 单晶炉籽晶夹头和具有其的籽晶夹头机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单晶炉籽晶夹头和具有其的籽晶夹头机构。单晶炉籽晶夹头包括夹头本体、籽晶定位孔以及杂质收集槽，夹头本体由石墨材料制成，较现有技术中的由金属材料制成的籽晶夹头，其能够有效地防止杂质进入到熔融状态的多晶硅中；杂质收集槽设置于夹头本体的上端部，且环绕籽晶定位孔设置，以能够接收上端面上方掉落的杂质，以防止杂质进入到熔融状态的多晶硅中影响单晶硅棒的生长，从而可以提高单晶硅的成晶率。

Description

单晶炉籽晶夹头和具有其的籽晶夹头机构

技术领域

本实用新型总体来说涉及一种单晶硅制备技术领域，具体而言，涉及一种单晶炉籽晶夹头。本实用新型还涉及一种具有该单晶炉籽晶夹头的籽晶夹头机构。

背景技术

单晶炉是多晶硅转化为单晶硅工艺过程中的必备设备，而单晶硅又是光伏发电和半导体行业中的基础原料。单晶硅作为现代信息社会的关键支撑材料，是目前世界上最重要的单晶材料之一，它不仅是发展计算机与集成电路的主要功能材料，也是光伏发电利用太阳能的主要功能材料。

在单晶硅的制造工艺中，需要用籽晶对单晶炉内真空环境下的熔融状态的多晶硅进行引晶。如图6为现有的籽晶夹头机构的结构示意图，籽晶通常安装在籽晶夹头3'上，该籽晶夹头3'装在重锤1上，通过重锤1带动籽晶旋转、提拉，并实现单晶硅棒生长。

目前使用的籽晶夹头3'根据籽晶类型的不同而呈现不同的结构类型。现有籽晶夹头3'大部分采用金属材料制成，例如钼，该由金属材料制成的籽晶夹头3'经常处于高温环境下，其表面容易形成一些氧化物或其他杂质，在单晶硅生长过程中该氧化物或者杂质容易掉入到熔融状态的多晶硅中，给单晶硅的生长带来不利影响，例如导致单晶硅棒产生位错或断棱，从而导致长晶失败。

另外，由于籽晶夹头3'为金属材料，在籽晶安装后该籽晶与籽晶夹头3'之间的接触为刚性接触。在拉晶过程中，由于单晶硅棒在旋转的同时，籽晶轴会发生轻微摆动，这将使籽晶根部断裂，导致单晶硅棒掉落，将致使单晶炉内的多个部件损坏，例如石英坩埚、石墨坩埚、加热器等，从而将给企业生产造成巨大的经济损失。

除此，目前使用的籽晶夹头3'通常为偏心孔插销式籽晶夹头机构，其结构如图6所示，其中籽晶夹头3'设置在重锤1上，由于该夹头机构长时间处于高温状态，籽晶夹头3'和重锤1连接处容易被烧结，从而使两者的连接处不能分离，导致籽晶更换困难，从而需要整体更换，这也一定程度上增大了维护成本。

另外，现有的籽晶夹头3'通常设置为其横截面直径小于或等于重锤1的横截面直径，因此重锤1外周面形成的氧化物或杂质容易掉落到熔融状态的多晶硅中，影响单晶硅棒的生长。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

实用新型内容

本实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本实用新型的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种单晶炉籽晶夹头，以防止该单晶炉籽晶夹头上的氧化物或杂质影响单晶硅棒生长。

本实用新型的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种籽晶夹头机构，以防止该籽晶夹头机构上的氧化物或杂质影响单晶硅棒生长。为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：

根据本实用新型的一个方面，提供了一种单晶炉籽晶夹头，其中所述单晶炉籽晶夹头包括夹头本体、籽晶定位孔以及杂质收集槽，所述夹头本体由石墨材料制成；所述籽晶定位孔设置于所述夹头本体以用于固定籽晶；所述杂质收集槽设置于所述夹头本体的上端部，且环绕所述籽晶定位孔设置，以能够接收上端面上方掉落的杂质。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述籽晶定位孔包括由上端朝向下端方向依次首尾连通的第一定位孔、直径逐渐变小的锥形过渡孔以及第二定位孔，所述第一定位孔和所述第二定位孔的横截面分别为圆形，所述第一定位孔的直径大于所述第二定位孔的直径。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述夹头本体上设置有用于与所述重锤连接的第一螺纹孔和与该所述第一螺纹孔连通的第一透气孔；所述第一螺纹孔与外界连通；所述第一螺纹孔与所述籽晶定位孔连通，并且所述第一螺纹孔的直径大于或者等于所述第一定位孔直径，以能够使籽晶进入所述籽晶定位孔。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述籽晶定位孔的中心轴线、所述第一螺纹孔的中心轴线以及所述夹头本体的中心轴线重合。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述夹头本体下部为锥体结构，由下端面朝向上端面方向其直径逐渐增大。

根据本实用新型的另一方面，提供一种籽晶夹头机构，其中，所述籽晶夹头机构包括本实用新型提供的单晶炉籽晶夹头和重锤，所述单晶炉籽晶夹头设置于所述重锤的下端，所述单晶炉籽晶夹头的横截面积设置为大于所述重锤的横截面积，所述杂质收集槽设置为能够接收所述重锤的外周面掉落的杂质。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述重锤包括由钼材料制成的第一锤体，所述第一锤体用于与所述单晶炉籽晶夹头连接。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述重锤还包括第二锤体，所述第二锤体连接于所述第一锤体的远离所述单晶炉籽晶夹头的一端，所述第二锤体由不锈钢材料制成。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述第二锤体设置为其下部的横截面直径大于其上部的横截面直径，并且所述第二锤体的上部设置有供配置籽晶绳的吊装孔。

根据本实用新型的一实施方式，其中所述第一锤体和所述第二锤体通过螺纹连接，所述第一锤体和所述第二锤体两者中的一者上设置有第二螺纹孔和与该第二螺纹孔连通的第二透气孔，所述第二透气孔设置为能够使得所述第二螺纹孔与外界连通。

由上述技术方案可知，本实用新型的单晶炉籽晶夹头和具有其的籽晶夹头机构的优点和积极效果在于：

本实用新型提供的单晶炉籽晶夹头由石墨材料制成，较现有技术中的由金属材料制成的籽晶夹头，其能够有效地防止籽晶夹头将杂质带入到熔融状态的多晶硅中，由于其上端部上设置有杂质收集槽能够很好地接收其他构件例如但不限于重锤外周面上的氧化物和杂质，以防止上述氧化物或杂质进入到熔融状态的多晶硅中影响单晶硅棒的生长，从而可以提高单晶硅的成晶率。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施例的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种籽晶夹头机构的剖面图。

图2是图1所示的籽晶夹头机构中的一种单晶炉籽晶夹头的剖面图。

图3是图1所示的籽晶夹头机构中的一种第一锤体的剖面图。

图4是图1所示的籽晶夹头机构中的一种第二锤体的剖面图。

图5是与图2所示的单晶炉籽晶夹头匹配的一种籽晶的结构示意图。

图6是现有技术中的籽晶夹头机构的剖面图。

其中，附图标记说明如下：

1、重锤； 10、第二锤体；

11、轴向延伸部； 12、侧槽；

13、径向延伸部； 14、第一螺纹连接部；

20、第一锤体； 21、第二螺纹孔；

22、第二螺纹连接部； 23、第二透气孔；

3、单晶炉籽晶夹头； 31、第一螺纹孔；

32、籽晶定位孔； 321、第一定位孔；

322、锥形过渡孔； 323、第二定位孔；

33、杂质收集槽； 34、第一透气孔；

36、夹头本体； 3'、籽晶夹头；

4、籽晶。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在未做相反说明的情况下，本实用新型中定义的方位词“上、下”是参照附图中的方位进行描述的，若将附图旋转一定角度，该方位词“上、下”也一同旋转该一定角度；定义的顺序词“第一、第二”只是为了更好地说明本实用新型，并不说明其限定的部件具有先后主次之分。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种籽晶夹头机构的剖面图。参照图1，本实用新型的另一方面，提供一种籽晶夹头机构，其中，籽晶夹头机构包括单晶炉籽晶夹头3和重锤1，重锤1设置于单晶炉籽晶夹头3的上端，单晶炉籽晶夹头3的横截面积设置为大于重锤1的横截面积，杂质收集槽33设置为能够接收重锤1的外周面掉落的杂质。可以理解的是，重锤1可以设置为具有不同的横截面积，该单晶炉籽晶夹头3的横截面积可以大于重锤1的最大横截面积，以能够接收该最大横截面积处的外周面上掉落的杂质。本实用新型的一种具体实施方式中，该杂质收集槽33的外圆环直径大于该重锤1的最大横截面直径，但不以此为限。

图2是图1中的一种单晶炉籽晶夹头的剖面图。参照图2，本实用新型的一个方面，提供了一种单晶炉籽晶夹头3，该单晶炉籽晶夹头3可以包括夹头本体36和杂质收集槽33，夹头本体36可以由石墨材料制成。较现有技术中的由金属材料制成的籽晶夹头3’，本实用新型中的由石墨材料制成的单晶炉籽晶夹头3在拉晶过程中，不会由于高温氧化生成其他杂质而影响单晶硅棒的生长，从而提高晶体的成晶率。更进一步地，该夹头本体36可以设置为具有较大的横截面积，以具有较大的有效接收面积来接收杂质，该夹头本体36的上端面上还可以形成有杂质收集槽33，以增大杂质的收纳空间来尽可能多地收容杂质。可以理解的是，本领域技术人员可以根据不同生产需求，选择不同纯度和/或不同密度的石墨材料制成的单晶炉籽晶夹头3，都是本实用新型的技术构思，在本实用新型的保护范围内。

采用石墨材料制成的单晶炉籽晶夹头3较现有技术中的籽晶夹头3’具有较大的结构尺寸，从而使得该单晶炉籽晶夹头3更稳定，能够很好地避免籽晶轴发生摆动，也能够在一定程度上防止籽晶4的根部断裂。

继续参照图2，本实用新型的一实施方式，单晶炉籽晶夹头3还可以包括设置于夹头本体36内部的籽晶定位孔32，以对籽晶4进行固定。该籽晶定位孔32可以包括由上端朝向下端方向依次首尾连接的第一定位孔321、直径逐渐变小的锥形过渡孔322以及第二定位孔323，该第一定位孔321的内周面直径可以设置为大于第二定位孔323的内周面直径，从而能够有效防止籽晶4断裂造成的掉棒风险，具体原理将在下文进行详细描述。该第一定位孔321和第二定位孔323的内周面直径的大小可以根据实际情况进行选择，例如但不限于第一定位孔321的直径可以为21.5mm，第二定位孔323的直径可以为16mm。

图5示出了与该籽晶定位孔32匹配的籽晶的结构示意图。其中，该籽晶4具有截面尺寸较大的上部，截面尺寸较小的下部，以及位于上部和下部之间的中间过渡部，该中间过渡部的横截面尺寸从上部向下部逐渐变小。组装时，可以先将该籽晶4的下部经过第一定位孔321而插入到籽晶定位孔32中，直到该籽晶4的中间过渡部与锥形过渡孔322配合，至此该籽晶4的组装完成。

由于第二定位孔323的内周面直径小于第一定位孔321的内周面直径，籽晶4的上部横截面尺寸大于下部横截面尺寸，所以该籽晶4能够稳固地卡合于该籽晶定位孔32内而不会掉落，从而能够有效防止籽晶4断裂，更进一步地避免了由于籽晶4断裂而造成的掉棒风险。除此，该籽晶定位孔32还能够提高籽晶4定位的准确性。

由于锥形过渡孔322与中间过渡部之间的配合，增加了籽晶4与籽晶定位孔32之间的接触面积，从而使籽晶4的中间过渡部的整个外周面均受力，减少了籽晶4根部的局部受力不均而造成损坏的风险。除此，籽晶4与籽晶定位孔32之间的接触面积增大，也能够减少与籽晶定位孔32的撞击力，从而减少籽晶4根部断裂，以进一步减少籽晶4损坏的风险。

继续参照图2，本实用新型的一实施方式，夹头本体36下部可以为锥体结构，由下端面朝向上端面方向其直径逐渐增大，该锥体结构能够起到对籽晶4准确定位作用，以方便将籽晶4固定于多晶硅液面上方的预定高度。另一方面，该锥体结构也方便操作者从外部观察拉晶区域。本实用新型中的单晶炉籽晶夹头3可以单独出售或使用。

图3是图1中的一种第一锤体的剖面图。参照图1和图3，本实用新型的一实施方式，其中重锤1包括由钼材料制成的第一锤体20，以与单晶炉籽晶夹头3连接。该钼材料制成的第一锤体20具有很好地耐高温的特性，其与单晶炉籽晶夹头3连接可以有效地避免连接处高温烧结，从而避免了更换籽晶4过程中，由于连接处高温烧结而出现的更换困难的问题。另一方面，由于该单晶炉籽晶夹头3采用石墨材料制成，能够很好地起到润滑作用，上述连接处能够顺畅地组装和拆卸，从而提高了工作效率。

图4是图1中的一种第二锤体的剖面图。参照图1和图4，本实用新型的一实施方式，重锤1还可以包括第二锤体10，第二锤体10连接于第一锤体20的远离单晶炉籽晶夹头3的一端，第二锤体10由不锈钢材料制成。较钼材料，不锈钢材料成本更加低廉且更容易获得，在远离单晶炉籽晶夹头3一定距离处，可以选择由不锈钢材料制成该第二锤体10。单晶炉内的温度由坩埚向上逐渐降低，因此在远离单晶炉籽晶夹头3的一定距离，其温度小于不锈钢的熔点的位置处，可以选择使用不锈钢材料制成的第二锤体10，但不以此为限，本领域技术人员还可以选择其他材料制成第二锤体10，都在本实用新型的保护范围内。

继续参照图1和图4，本实用新型的一实施方式，第二锤体10设置为其下部的横截面直径大于其上部的横截面直径，以进一步减少第二锤体10的用料，以降低制造成本。另一方面，从外界进入的冷风由上部吹向下部，该第二锤体10的上部的横截面直径小于下部的横截面直径，将更有利于冷风进行缓流。为了与籽晶绳配合，第二锤体10的上部设置有吊装孔，该吊装孔可以包括轴向延伸部11和径向延伸部13，其中该轴向延伸部11的侧壁上还可以设置有侧槽12，具体可参照图4。

参照图1至图4，本实用新型的一实施方式，第一锤体20和第二锤体10可以通过螺纹连接，当然也可以设置为其他连接方式，或者也可以采用第一锤体20和第二锤体10一体成型，都在本实用新型的保护范围内。该第一锤体20和第二锤体10之间的螺纹孔可以为第二螺纹孔21。该第二螺纹孔21可以设置于第一锤体20，第二锤体10的相应部位可以设置有第一螺纹连接部14以与其匹配；可以理解的是，该第二螺纹孔21也可以设置于第二锤体10上，相应地第一锤体20的相应部位设置有第一螺纹连接部14，都在本实用新型的保护范围内。可以在设置有第二螺纹孔21的第一锤体20或第二锤体10上设置与外界连通的第二透气孔23，以在螺纹配合时将第二螺纹孔21内的气体排出，从而可以防止在将第一锤体20和第二锤体10进行螺纹组装的过程中，将第二螺纹孔21内的空气压出，从而防止在该结合处产生局部较大气压，在拉晶过程中避免该较大气压在高温环境下发生危险。本实用新型的一种具体实施方式，其中第二透气孔23沿径向方向延伸，以使该第二螺纹孔21通过该第二透气孔23可以与外界连通，但并不以此为限，第二透气孔23还可以有其他的延伸方向，例如但不限于其可以为弯曲延伸，只要能够将第二螺纹孔21与外界连通，都在本实用新型的保护范围内。

继续参照图1至图3，本实用新型的一实施方式，其中夹头本体36上设置有用于与重锤1连接的第一螺纹孔31，与其匹配的第二螺纹连接部22可以设置在第一锤体20上，如图3所示。该第一螺纹孔31可以设置为与籽晶定位孔32连通，以便于将籽晶4装入到籽晶定位孔32中。更进一步地，该第一螺纹孔31的直径可以设置为大于或者等于第一定位孔321内周面直径，以能够使籽晶4进入籽晶定位孔32。为了防止第一螺纹孔31内局部产生较大气压，可以在该夹头本体36上设置与该第一螺纹孔31连通的第一透气孔34，根据实际工况需求，该第一透气孔34可以设置为具有多种延伸方向，如图1和图2所示，本实用新型的一种具体实施方式，该第一透气孔34沿夹头本体36的径向延伸。

除此，该第一透气孔34还能够提高籽晶4的散热速度。具体地，籽晶4通常需要伸入到熔融状态的多晶硅中，因此其通常具有较高的温度，由单晶炉籽晶夹头3夹持的部分受到该单晶炉籽晶夹头3的包裹而难以降温，该第一透气孔34便于外界气体流经该籽晶4的被夹持部分，从而将热量带走。该第一透气孔34可以具有多个，以在同一横截面内均匀分布以加速热量散失。除此，第一透气孔34还可以位于不同的横截面内，具体可以参照图2。

本实用新型的一实施方式，其中籽晶定位孔32的中心轴线、第一螺纹孔31的中心轴线以及夹头本体36的中心轴线可以设置为重合，以便于外界操作者观察，降低观察误差。

本实用新型所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型的各方面。

Claims (10)

1.一种单晶炉籽晶夹头，其特征在于，所述单晶炉籽晶夹头包括：

夹头本体，所述夹头本体由石墨材料制成；

籽晶定位孔，所述籽晶定位孔设置于所述夹头本体以用于固定籽晶；

杂质收集槽，所述杂质收集槽设置于所述夹头本体的上端部，且环绕所述籽晶定位孔设置，以能够接收上端面上方掉落的杂质。

2.如权利要求1所述的单晶炉籽晶夹头，其特征在于，所述籽晶定位孔包括由上端朝向下端方向依次首尾连通的第一定位孔、直径逐渐变小的锥形过渡孔以及第二定位孔，所述第一定位孔和所述第二定位孔的横截面分别为圆形，所述第一定位孔的直径大于所述第二定位孔的直径。

3.如权利要求2所述的单晶炉籽晶夹头，其特征在于，所述夹头本体上设置有用于与重锤连接的第一螺纹孔和与该第一螺纹孔连通的第一透气孔；所述第一透气孔与外界连通；所述第一螺纹孔与所述籽晶定位孔连通，并且所述第一螺纹孔的直径大于或者等于所述第一定位孔的直径，以能够使籽晶进入所述籽晶定位孔。

4.如权利要求3所述的单晶炉籽晶夹头，其特征在于，所述籽晶定位孔的中心轴线、所述第一螺纹孔的中心轴线以及所述夹头本体的中心轴线重合。

5.如权利要求1所述的单晶炉籽晶夹头，其特征在于，所述夹头本体下部为锥体结构，由下端面朝向上端面方向其直径逐渐增大。

6.一种籽晶夹头机构，其特征在于，所述籽晶夹头机构包括根据权利要求1至5中任一项所述的单晶炉籽晶夹头和重锤，所述单晶炉籽晶夹头设置于所述重锤的下端，所述单晶炉籽晶夹头的横截面积设置为大于所述重锤的横截面积，所述杂质收集槽设置为能够接收所述重锤的外周面掉落的杂质。

7.如权利要求6所述的籽晶夹头机构，其特征在于，所述重锤包括由钼材料制成的第一锤体，所述第一锤体用于与所述单晶炉籽晶夹头连接。

8.如权利要求7所述的籽晶夹头机构，其特征在于，所述重锤还包括第二锤体，所述第二锤体连接于所述第一锤体的远离所述单晶炉籽晶夹头的一端，所述第二锤体由不锈钢材料制成。

9.如权利要求8所述的籽晶夹头机构，其特征在于，所述第二锤体设置为其下部的横截面直径大于其上部的横截面直径，并且所述第二锤体的上部设置有供配置籽晶绳的吊装孔。

10.如权利要求8所述的籽晶夹头机构，其特征在于，所述第一锤体和所述第二锤体通过螺纹连接，所述第一锤体和所述第二锤体两者中的一者上设置有第二螺纹孔和与该第二螺纹孔连通的第二透气孔，所述第二透气孔设置为能够使得所述第二螺纹孔与外界连通。