CN216473572U - 基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置 - Google Patents

Abstract

一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，包括熔料装置和加料装置；加料装置包括壳体、储料装置、运料装置，储料装置悬挂在壳体内部，熔料装置内置在单晶炉内部，出料装置通过出料管与运料装置连接，运料装置通过进料管将原料运送至熔料装置内部，熔料装置通过导料管将内部的原料运送到第一坩埚内，熔料装置外侧环绕有加热部件；还包括抽真空装置和掺杂器，用于称量熔料装置内部原料的第一称重传感器，用于称量晶棒实时增重量的第二称重传感器，安装在单晶炉副室内顶部的第一测距仪，安装在运料装置上的振动装置，以及控制器。本实用新型能够智能控制加料量，加入的原料其温度与坩埚内原有的原料温度接近，不影响晶棒的生长环境。

Description

基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种加料装置，具体是一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，属于多晶硅技术领域。

背景技术

目前，应用于硅部件的大尺寸单晶硅棒，2018年市场需求量约700吨，其中硅部件厂家的自产大硅棒占比约52％，其余约330吨/年需要外采大硅棒，硅部件级大硅棒的市场规模超过2亿美元，预测未来还会有30吨/年以上的需求增长率。面对如此巨大的单晶硅棒需求量，各单晶炉设备的厂家都在研究如何在不打开单晶炉的情况下进行多次添加原料以延长单晶硅棒的长度，提出一种单晶炉连续加料装置，能够在不打开单晶炉的情况下持续向单晶炉中添加固体原料，但由于单晶炉内外温差非常大，因此，当固体原料进入到坩埚内部时，会导致坩埚内液体原料温度下降，影响单晶硅棒的生长质量，另外，固体原料直接加入坩埚内时，落进坩埚时坩埚内的液体原料会出现飞溅现象，从而对坩埚内的液体原料液面造成波动，进而影响了单晶硅棒的生长质量。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，能够智能控制加料量，加入的原料其温度与坩埚内原有的原料温度接近，不影响单晶硅棒的生长环境。

为解决上述技术问题，本实用新型一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，包括加料装置，该加料装置包括壳体、储料装置、运料装置，储料装置顶部通过吊绳悬挂在壳体内部，储料装置下端出口连接出料管，出料管下部连接有运料装置，运料装置通过固定架安装在壳体底部，运料装置通过进料管将其内部的固体原料运送至熔料装置内部；还包括熔料装置，抽真空装置，掺杂器，安装在运料装置上的振动装置，用于称量单晶硅棒重量的第二称重传感器，以及安装在壳体内部的控制器，第一称重传感器、振动装置、抽真空装置和掺杂器分别与控制器相连，抽真空装置和掺杂器分别通过管路与壳体内部连通；

熔料装置为密封结构，其顶部通过吊绳安装在单晶炉炉壁上，吊绳上连接有用于称量熔料装置内部原料重量的第一称重传感器，第一称重传感器与控制器相连；熔料装置底部出口端连接有导料管，导料管出口端设置在单晶炉内部的第一坩埚上部开口处，导料管从入口端至出口端依次设置为竖直段、横向段和倾斜段，熔料装置外侧环绕有加热部件。

进一步，熔料装置顶部开设有第一通孔，且第一通孔内径大于进料管外径，进料管设置在运料装置下部，并固定在单晶炉炉壁上，其入口端位于运料装置出口端下部，其出口端穿过单晶炉炉壁和第一通孔、位于熔料装置内部。

进一步，进料管上设有外螺纹，单晶炉炉壁上开设有与进料管相配合的第二通孔，第二通孔内设有与进料管的外螺纹相配合的内螺纹，通过外螺纹和内螺纹的配合将进料管固定在单晶炉炉壁上。

进一步，还包括安装在单晶炉副室内顶部的第一测距仪，第一测距仪通过有线或无线的方式与控制器相连。

优选地，导料管的竖直段与横向段之间的夹角85°-90°有效地防止了固体原料直接通过导料管进入到坩埚中，保证了进入坩埚内的原料为液体状态。

优选地，导料管的竖直段与横向段之间的夹角为90°，横向段中间部位为向上弯曲的弯曲部。由于弯曲部向上突出于横向段，因此，进一步阻挡了固体原料直接落入到坩埚内。

进一步，还包括第二坩埚，第一坩埚设置在第二坩埚内部，第一坩埚与第二坩埚之间构成一个上部具有开口的腔体，导料管的出口端设置在腔体上部，第一坩埚远离导料管出口端的侧壁下部开设进料孔。熔料装置的液体原料通过导料管进入到腔体内部，并在腔体内部流动一段距离后通过进料孔进入到第一坩埚内，即晶棒生长区域，由于腔体内的温度与第一坩埚内的温度非常接近，因此，新添加的液体原料进入到第一坩埚后不会对第一坩埚内的温度产生影响，从而保证了晶棒的生长环境。

进一步，在第一坩埚侧壁的最高液面处开设溢流孔，该溢流孔与腔体相通。第一坩埚内的液体原料高于最高液面，液面就会通过溢流孔进入第一坩埚，有效地保证了第一坩埚内的原料高度符合晶棒的生长要求。

优选地，运料装置为左端和顶部具有开口的V型槽，V型槽顶部开口与出料管连接，其左端开口为固体原料的出口端，其顶部开口为固体原料的进口端，V型槽与出料管垂直设置。 V型槽便于固体原料移动。

优选地，出料管直径为5cm-10cm，使落入到运料装置中的固体原料不会太多也不会太少，同时保证了储料装置出料的顺畅性。进料管入口端以及储料装置和熔料装置的底部均为漏斗状，便于进料和出料。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)本实用新型熔料装置内置在单晶炉内部，且周围环绕有加热部件，固体原料首先加入到熔料装置中熔化，熔化为液体状态后再加入到坩埚中，由于固体原料在熔料装置中熔化为液体原料后，其温度与坩埚内原有的原料温度相差不大，再加入到坩埚内与原有的原料进行混合后，不会对坩埚内的原料温度产生影响，从而保证了晶棒生长的质量。

2)通过监测晶棒的实时增重量，同时第一测距仪对第一坩埚内的液面进行监控，控制器根据接收到信息控制加料装置是否加料及加料的速度，有效地保证了第一坩埚内的液面高度始终在要求范围内，从而保证了晶棒生长所需的原料，进而保证了晶棒的生长质量，实现了加料的智能化自动化。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型局部结构示意图；

图3为本实用新型坩埚结构；

图中：1.抽真空装置，2.掺杂器，3.吊绳，4.储料装置，41.出料管，5.振动装置，6.壳体，7.运料装置，8.控制器，9.固定架，10.进料管，101.外螺纹，11.单晶炉，12.第一称重传感器，13.熔料装置，131.第一通孔，14.加热部件，15.导料管，151.竖直段，152. 横向段，153.倾斜段，16.溢流孔，161.第一坩埚，162.腔体，163.第二坩埚，164.进料孔， 18.晶棒，19.副室，191.第二称重传感器，192.籽晶绳，20.第一测距仪，21.旋转提拉装置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示，本实用新型一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，包括抽真空装置1，掺杂器2，熔料装置13，加料装置，用于称量晶棒18重量的第二称重传感器191，安装在运料装置7上的振动装置5，以及安装在壳体6内部的控制器8；第二称重传感器20一端通过籽晶绳192连接在旋转提拉装置21上，另一端通过籽晶绳192连接晶棒18，用于对晶棒18称重，旋转提拉装置21为现有结构，用于拉晶，在此不再赘述。

加料装置包括壳体6、储料装置4、运料装置7，储料装置4顶部通过吊绳3悬挂在壳体6内部，储料装置4下端出口连接出料管41，出料管41下部连接有运料装置7，运料装置7通过固定架9安装在壳体6底部，运料装置7通过进料管10将其内部的固体原料运送至熔料装置13内部；

熔料装置13为密封结构，采用耐高温的石英材料制作而成，其顶部通过吊绳3安装在单晶炉11炉壁上，吊绳3上连接有用于称量熔料装置13内部原料重量的第一称重传感器12，熔料装置13底部出口端连接有导料管15，导料管15出口端设置在单晶炉11内部的第一坩埚161上部开口处，导料管15包括竖直段151、横向段152和倾斜段153，竖直段151 进口端连接熔料装置13出口端，其出口端连接横向段152进口端，横向段152出口端连接倾斜段153进口端，倾斜段153出口端位于第一坩埚161上部开口；熔料装置13外侧环绕有加热部件14，该加热部件14为加热器。

第一称重传感器12、第二称重传感器191、振动装置5、抽真空装置1、掺杂器2分别通过有线或无线信号与控制器8连接，抽真空装置1和掺杂器2分别通过管路与壳体6内部连通。本实施例中，控制器8型号采用STM32系列单片机。

单晶炉设备启动之前的准备工作：

1)熔料装置13将固体原料熔化为液体原料的时间为t，根据晶棒18生长速度估算出晶棒18在t时间内生长所需的原料重量M，因此，在设备启动之前首先在熔料装置13中装入M重量的固体原料(硅料)。此后随着第一坩埚161内原料的消耗，熔料装置13内的固体原料随之增加，熔化为液体后进入到第一坩埚161内，填补第一坩埚161内消耗的原料量。

2)设备启动之前，控制器8控制抽真空装置1工作，抽取加料装置和单晶炉11内部的气体，使其处于真空状态，同时控制掺杂器2工作，向单晶炉11内输入保护气体。

工作时，储料装置4中的固体原料通过出料管41落入到运料装置7中，并在运料装置7中堆积；第一称重传感器12实时监测熔料装置13内原料的重量M1，并传送至控制器8，第二称重传感器191监测晶棒18的增重量M2，如每一秒对晶棒18进行一次称重，用后一秒的重量减去前一秒的重量得出晶棒18的增重量M2，并传送至控制器8当然，晶棒18的称重间隔时间可根据实际情况设置；控制器8对接收到的信息进行处理，并根据处理结果控制振动装置5是否工作以及工作时的振动频率，从而控制运料装置7是否出料以及出料的速度，具体方法如下：

控制器8对接收到重量信息M1、M2进行比较：

若M2＞M1，说明熔料装置13内的原料充足，则控制器8控制振动装置5减慢振动频率，如采用Hz1*0.2％～Hz1*0.3％的振动频率振动，减缓向熔料装置13中加料的速度，其中，Hz1 是控制器8内部设定的振动频率；

若M2＝M1，说明消耗的原料与补入的原料均衡，则控制器8控制振动装置5采用Hz1的振动频率振动，使运料装置7保持匀速出料；

若M2＜M1，说明熔料装置13内的原料不足，则控制器8控制振动装置5加大振动频率，如采用Hz1*50％～Hz1*60％的振动频率振动，加快运料装置7向熔料装置13内加料的速度；

减慢或加大振动装置5的振动频率，工作人员可根据实际情况进行设定。

固体原料落入到熔料装置13内，围绕在熔料装置13外部的加热器不断的释放热量，熔料装置13利用吸收的热量将其内部的固体原料熔化，熔化后的固体原料通过导料管15进入到第一坩埚161内部，与第一坩埚161内部的液体原料融为一体。

作为一种实施例，本实用新型熔料装置13顶部开设有第一通孔131，且第一通孔131 内径大于进料管10外径，进料管10设置在运料装置7下部，并固定在单晶炉11炉壁上，其入口端位于运料装置7出口端下部，其出口端穿过单晶炉11炉壁和第一通孔131、位于熔料装置13内部。由于进料管10固定在单晶炉11炉壁上，且通孔131内径大于进料管10 外径，因此，进料管10对熔料装置不施加任何力，保证了第一称重传感器12采集数据的准确性。

作为一种实施例，本实用新型进料管10上设有外螺纹101，单晶炉11炉壁上开设有与进料管10相配合的第二通孔，第二通孔内设有与进料管10的外螺纹101相配合的内螺纹，通过外螺纹101和内螺纹的配合将进料管10固定在单晶炉11炉壁上，便于进料管10的拆卸和安装。进一步，为了保证单晶炉11的密封性，满足了晶棒18的生长环境。本实用新型导料管15与单晶炉11炉壁之间设有密封圈(图中未显示)。

作为一种实施例，为了进一步保证第一坩埚161内原料的充足性以及加料的及时性，本实用新型还包括安装在单晶炉11副室19内顶部的第一测距仪20，第一测距仪20通过有线或无线的方式与控制器8相连。本实用新型第一测距仪20是型号为HYKOL-LHS150-x的耐高温测距仪，当然，也可以根据需要选择其他型号的耐高温测距仪，通过第一测距仪20的实时数据获得第一坩埚161内原料的液位情况。第一测距仪20实时监测第一坩埚161内的原料液面的高度，并传送至控制器8，控制器8根据接收到高度信息得出第一坩埚161内原料液面的高度h1，并与其内部存储的高度值h进行比较，若h1大于h，则控制器8控制振动装置5停止振动，停止向熔料装置13中加料；若h＝h1，则控制器8按照设定的振动频率Hz1控制振动装置5振动，向熔料装置13内添加固体原料；若h1＜h，则控制器8控制振动装置5加大振动频率(如采用Hz1*50％～Hz1*60％的振动频率振动，可根据实际情况设定振动频率的增幅)，加快运料装置7向熔料装置13内加料的速度，进一步保证了第一坩埚161内具有充足的原料以供晶棒生长。

上述第一坩埚161内原料液面的高度h1通过以下公式计算得出：

h1＝h-h_实

其中，h是第一坩埚161内底部与副室19顶部之间的距离，h_实是第一坩埚161内原料液面与副室19顶部之间的距离。

本实施例控制器8通过两套监控系统(晶棒18重量监控和第一坩埚161内原料液位监控)判断是否向第一坩埚161内加料以及如何加料，提高了监控和加料的及时性，有效地确保了第一坩埚161内始终具有充足的原料以满足晶棒18的生长。

如图2所示，作为一种实施例，本实用新型导料管15的竖直段151与横向段152之间的夹角为85°-90°，之所以这样设置是为了使固体原料能够堆积并停留在熔料装置13和竖直段151内，由于横向段152与竖直段151之间的夹角为85°-90°，因此，固体原料落入到熔料装置13后，会通过熔料装置13的出口端进入到竖直段151，并在竖直段151与横向段152交接处停留，熔化为液体原料后，该液体原料再顺着横向段1152和倾斜段153进入到第一坩埚161内部，有效地保证了进入第一坩埚161内的原料为液体状态，若夹角太小，则会导致滞留在竖直段151内部的液体原料过多，造成原料浪费，因此，本实用新型优选85°-90°。

作为一种实施例，为了进一步阻挡固体原料直接通过导料管15进入到第一坩埚161内部，本实用新型横向段152与竖直段151夹角为90°，其中间部位为向上弯曲的弯曲部1521，由于弯曲部1521向上突出于横向段152，因此，进一步阻挡了固体原料直接落入到第一坩埚161内。当熔料装置13与竖直段151内的固体原料熔化为液体原料后，该液体原料的液面高于弯曲部1521的部分，就会通过弯曲部1521流向导向管15的出口端，进入到第一坩埚161内部。

如图3所示，作为一种实施例，为了防止添加的新的液体原料不影响第一坩埚161内原有液体原料的温度，本实用新型还包括第二坩埚163，第一坩埚161设置在第二坩埚163内部，第一坩埚161与第二坩埚163之间构成一个上部具有开口的腔体162，导料管15的出口端设置在腔体162上部，第一坩埚161远离导料管15出口端的侧壁下部开设进料孔164。熔料装置13的液体原料通过导料管15进入到腔体162内部，并在腔体162内部流动一段距离后通过进料孔164进入到第一坩埚161内，即晶棒18生长区域，由于腔体162内的温度与第一坩埚161内的温度非常接近，因此，新添加的液体原料在腔体162内流动时会提高其本身温度，使其温度接近于第一坩埚161内的液体原料温度，这样新添加的液体原料进入到第一坩埚161后就不会对第一坩埚161内的温度产生影响，从而不影响晶棒18的生长质量。本实施例中，第一坩埚161为石英坩埚，第二坩埚163为石墨坩埚。

作为一种实施例，为了保持第一坩埚161内液体原料的液面不高于要求的最高液面，在第一坩埚161侧壁的最高液面处开设溢流孔16，该溢流孔16与腔体162相通。当液体原料的液面高于最高液面时，就会通过溢流孔16流入到腔体162中，保证了第一坩埚161内的液面始终不高于要求的最高的液面，溢流至腔体162中的原料还可通过进料孔164再次进入到第一坩埚161。

作为一种实施例，本实用新型运料装置7为左端和顶部具有开口的V型槽，V型槽顶部开口与出料管41连接，其左端开口为固体原料的出口端，其顶部开口为固体原料的进口端， V型槽与出料管41垂直设置。储料装置4内的固体原料通过出料管41进入到运料装置7内，并在运料装置7内堆积，当振动装置5振动时，堆积的固体原料会向V型槽出口端移动，并通过V型槽出口端落入进料管10中，随着运料装置7内堆积的固体原料的减少，储料装置4内的固体原料会通过出料管41不断地补入到运料装置7内，并向V型槽出口端移动，直到振动装置5停止振动，固体原料再次堆积在V型槽中，当堆积的固体原料足够多的时候就会堵住出料管41的出口端，储料装置4内的固体原料就不会再进入到运料装置7中，当振动装置5再次工作时，堆积的固体原料再次向V型槽出口端移动，从而释放出料管41 的出口端，储料装置4内的原料再次落入到V型槽内。

作为一种实施例，本实用新型出料管41直径为5cm-10cm，使落入到运料装置7中的固体原料不会太多也不会太少，同时保证了储料装置4出料的顺畅性，当然，也可根据实际情况选择适合的出料管41直径。

作为一种实施例，本实用新型进料管10入口端为漏斗状，上部开口直径较大有利于接收V型槽出口端掉落的固体原料。

作为一种实施例，本实用新型储料装置4和熔料装置13的底部均为圆锥形，便于出料，同时有效地防止了原料堆积在储料装置4和熔料装置13底部。

本实用新型通过监测晶棒18的实时增重量，同时第一测距仪20对第一坩埚161内的液面进行监控，控制器8根据接收到信息控制加料装置是否加料及加料的速度，有效地保证了第一坩埚161内的液面高度始终在要求范围内，从而保证了晶棒18生长所需的原料，进而保证了晶棒18的生长质量。

Claims (10)

1.一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，包括加料装置，该加料装置包括壳体(6)、储料装置(4)、运料装置(7)，储料装置(4)顶部通过吊绳(3)悬挂在壳体(6)内部，储料装置(4)下端出口连接出料管(41)，出料管(41)下部连接有运料装置(7)，运料装置(7)通过固定架(9)安装在壳体(6)底部，运料装置(7)通过进料管(10)将其内部的固体原料运送至熔料装置(13)内部；其特征在于，还包括熔料装置(13)，抽真空装置(1)，掺杂器(2)安装在运料装置(7)上的振动装置(5)，用于称量单晶硅棒重量的第二称重传感器(191)，以及安装在壳体(6)内部的控制器(8)，第一称重传感器(12)、振动装置(5)、抽真空装置(1)和掺杂器(2)分别与控制器(8)相连，抽真空装置(1)和掺杂器(2)分别通过管路与壳体(6)内部连通；

熔料装置(13)为密封结构，其顶部通过吊绳(3)安装在单晶炉(11)炉壁上，吊绳(3)上连接有用于称量熔料装置(13)内部原料重量的第一称重传感器(12)，第一称重传感器(12)与控制器(8)相连；熔料装置(13)底部出口端连接有导料管(15)，导料管(15)出口端设置在单晶炉(11)内部的第一坩埚(161)上部开口处，导料管(15)从入口端至出口端依次设置为竖直段(151)、横向段(152)和倾斜段(153)，熔料装置(13)外侧环绕有加热部件(14)。

2.根据权利要求1所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，熔料装置(13)顶部开设有第一通孔(131)，且第一通孔(131)内径大于进料管(10)外径，进料管(10)设置在运料装置(7)下部，并固定在单晶炉(11)炉壁上，其入口端位于运料装置(7)出口端下部，其出口端穿过单晶炉(11)炉壁和第一通孔(131)、位于熔料装置(13)内部。

3.根据权利要求2所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，进料管(10)上设有外螺纹(101)，单晶炉(11)炉壁上开设有与进料管(10)相配合的第二通孔，第二通孔内设有与进料管(10)的外螺纹(101)相配合的内螺纹，通过外螺纹(101)和内螺纹的配合将进料管(10)固定在单晶炉(11)炉壁上。

4.根据权利要求1所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，还包括安装在单晶炉(11)副室(19)内顶部的第一测距仪(20)，第一测距仪(20)通过有线或无线的方式与控制器(8)相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，导料管(15)的竖直段(151)与横向段(152)之间的夹角85°-90°。

6.根据权利要求5所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，导料管(15)的竖直段(151)与横向段(152)之间的夹角为90°，横向段(152)中间部位为向上弯曲的弯曲部(1521)。

7.根据权利要求1所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，还包括第二坩埚(163)，第一坩埚(161)设置在第二坩埚(163)内部，第一坩埚(161)与第二坩埚(163)之间构成一个上部具有开口的腔体(162)，导料管(15)的出口端设置在腔体(162)上部，第一坩埚(161)远离导料管(15)出口端的侧壁下部开设进料孔(164)。

8.根据权利要求7所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，在第一坩埚(161)侧壁的最高液面处开设溢流孔(16)，该溢流孔(16)与腔体(162)相通。

9.根据权利要求1所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，运料装置(7)为左端和顶部具有开口的V型槽，V型槽顶部开口与出料管(41)连接，其左端开口为固体原料的出口端，其顶部开口为固体原料的进口端，V型槽与出料管(41)垂直设置。

10.根据权利要求1所述的一种基于液体原料的单晶炉连续加料控制装置，其特征在于，出料管(41)直径为5cm-10cm，进料管(10)入口端以及储料装置(4)和熔料装置(13)的底部均为漏斗状。

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