CN217869173U - 一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，包括炉室及加料装置，炉室内设保温层，炉室的顶部设有进料管，进料管的下端设有加料筒，加料筒内设有颗粒硅，漏斗式的加料筒的下端环绕感应线圈，感应线圈使加料筒下端熔化形成熔融区，炉室底部设置有主轴，主轴内设有中轴，中轴的顶部设有籽晶；加料装置包括颗粒硅料筒、石英料管、进料管道及阀门，颗粒硅料筒内放置颗粒硅，颗粒硅料筒上端的一侧设有保护气体入口，另一侧设有排气口，石英料管上通过进料管道及阀门与炉室中的进料管连接；该装置结构简单，能够实现以颗粒硅为原料直接进行区熔法制备单晶硅的生产，大大降低的原料成本。

Description

一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置

技术领域

本实用新型涉及一种制备单晶硅的装置，具体涉及一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置。

背景技术

硅材料是现代信息社会的基础，它不仅是光伏发电等产业的主要功能材料，也是半导体产业，特别是电力电子器件的基础材料。区熔法（FZ）生产单晶硅是区别于直拉炉（CZ）的一种新型的单晶生长方法，它利用高频感应加热线圈将高纯度的多晶料局部融化，熔区依靠熔硅的表面张力和加热线圈提供的磁托浮力而处于悬浮状态，然后从熔区的下方利用籽晶将熔硅拉制成单晶。由于没有坩埚污染，区熔炉生长的单晶硅纯度高，均匀性好，低微缺陷，其优良的电学性能非常适合制作高反压、大电流、大功率的电力电子器件。

但是目前区熔法的原料通常为棒状，其制作方法包括：直拉法制备出的多晶、单晶硅棒，铸造法制作的多晶硅再经开方、滚圆等方法制作出多晶硅棒的方法；以上区熔法所需原料的制备成本高，损耗大，导致区熔法制备单晶硅的成本居高不下，导致目前使用区熔法进行单晶硅的生产的非常少。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，该装置结构简单，能够实现以颗粒硅为原料直接进行区熔法制备单晶硅的生产，大大降低的原料成本。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，包括炉室及设置在炉室一侧的加料装置，其中：

炉室内壁设有保温层，炉室的顶部设有穿透炉室的进料管，进料管的下端设有加料筒，加料筒的底部为漏斗式，加料筒内设有颗粒硅，漏斗式的加料筒的下端环绕有中心设有圆孔的感应线圈，感应线圈使加料筒下端紧邻感应线圈的部分熔化形成熔融区，炉室底部设置有主轴，主轴内设有中轴，中轴的顶部设有籽晶；

加料装置包括颗粒硅料筒、石英料管、进料管道及阀门，颗粒硅料筒内放置颗粒硅，石英料管竖直设置于颗粒硅料筒中，颗粒硅料筒上端的一侧设有保护气体入口，另一侧设有排气口，颗粒硅料筒中石英料管上远离颗粒硅的一端通过进料管道及阀门与炉室中的进料管连接。

本实用新型进一步限定的技术方案是：

进一步的，前述颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置中，加料筒为石英筒，优选石英含量大于99.5%石英筒。

技术效果，石英主成分为二氧化硅，减少对硅的污染，提高质量。

前述颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置中，加料筒漏斗式的底部上的通孔与颗粒硅颗粒的大小相适配。

前述颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置中，炉室内还设有支撑机构，支撑机构位于籽晶的上方，支撑机构包括支撑座及滑动机构，支撑座活动设置于滑动机构上，其中：

滑动机构为滑动支架及设置在炉室内壁上的滑轨，滑动支架两端设置于滑轨内上下滑动，滑动支架的中部设有通孔，支撑座穿过通孔设置于滑动支架上；

支撑座呈漏斗状，支撑座的中心设有孔，支撑座的孔在籽晶的正上方，支撑座与滑动支架之间设置滚珠，支撑座的下端穿过滑动支架上的通孔固定设置于主轴的顶端，主轴带动支撑座滑动旋转。

前述颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置中，支撑座为石英或碳-碳复合材料制作。

技术效果，本实用新型设置有支撑机构，该支撑机构不仅能够保护籽晶，而且为凝固后的单晶棒提供支撑，且随主轴能实现单晶棒的旋转及上下滑动，便于生产。

前述颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置中，加料筒、支撑机构、中轴及主轴同轴设置。

前述颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置中，颗粒硅料筒内的底部对称设有两定位块，两定位块之间形成截面为三角形的凹槽，石英料管设置于凹槽的最底端。

技术效果，在颗粒硅料筒内形成一个截面为三角形的凹槽，因为颗粒硅的为球形或类球形，在凹槽内的物料被吸走后，上部的颗粒硅可以在重力作用下自动流到凹槽进行补充，方便快捷便于送入炉室。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型直接用石英筒加料筒进行颗粒硅原料的承载，使操作更加方法、快捷，无需原料加持输送等部件，降低成本。

本实用新型加料筒选用石英筒且其底部为漏斗式设计，该设计通过漏斗的角度与颗粒硅颗粒的大小相匹配使得颗粒硅可以正常流到硅液中去，同时由于硅液的表面张力及硅液比硅料重的特性，使硅液可以支撑颗粒硅的过多流入。

颗粒硅中含有一定量的氢，在进入硅液由硅液熔融区的热量及高真空条件制使颗粒硅中的氢在进入硅液面已经与颗粒硅分离并通过颗粒硅之间的间隙随保护气体排出，颗粒硅是球状的之间存在间隙正好用于氢气的排出，有效解决了颗粒硅中氢含量高需要二次处理才可用于单晶硅生产的问题，同时颗粒硅因其为球状，非常容易实现炉外加料，炉外颗粒硅可以通过真空净化后通过炉内、外压差由保护气体通过管道将颗粒硅直接输送到炉内石英筒中。

本实用新型解决了区熔法只可以使用棒状硅料的问题，同时颗粒硅可直接用于区熔法制备单晶硅，大大降低的原料成本。

本实用新型中设置有滑动机构：在炉内的竖向滑轨上滑动，该装置上有可旋转结构，支撑座与滑动支架支撑有滚珠实现旋转，该装置通过主轴的升降而升降，该装置的旋转部分通过主轴的旋转而旋转，作用固定晶棒，提高晶棒旋转时的稳定性。

本实用新型中设置有中轴：在主轴内，可相对主轴相对移动，主要作用为支撑、固定籽晶，方便引晶放肩的进行；主轴：提供单晶棒的旋转、升降的能力。

附图说明

图1为本实用新型实施例颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置的结构示意图；

图中：1-氩气入口，2-炉顶盖，3-保温层，4-颗粒硅，5-加料筒，6-感应线圈，7-熔融区，8-单晶棒，9-单晶肩，101-支撑座，102-滑动支架，11-细晶，12-籽晶，13-中轴，14-主轴，15-主炉室，16-下炉室，17-排气孔，18-进料管，19-阀门，20-进料管道，21-石英料管，22-保护气体入口，23-颗粒硅料筒，24-排气口，25-定位块。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，结构如图1所示，包括炉室及设置在炉室一侧的加料装置，其中：

炉室包括炉顶盖2、主炉室15及下炉室15，炉顶盖2上设有氩气入口1用于通入氩气，炉室内壁设有保温层3，炉室的顶部设有穿透炉室的进料管18，进料管18的下端设有加料筒5，加料筒5的底部为漏斗式，加料筒5内设有颗粒硅4，漏斗式的加料筒5的下端环绕有中心设有圆孔的感应线圈6，感应线圈6使加料筒5下端紧邻感应线圈6的部分熔化形成熔融区7，炉室底部设置有主轴14，主轴14内设有中轴13，中轴13的顶部设有籽晶12；

加料装置包括颗粒硅料筒23、石英料管21、进料管道20及阀门19，颗粒硅料筒23内放置颗粒硅4，石英料管21竖直设置于颗粒硅料筒23中，颗粒硅料筒23上端的一侧设有保护气体入口22，另一侧设有排气口24，颗粒硅料筒23中石英料管21上远离颗粒硅4的一端通过进料管道20及阀门19与炉室中的进料管18连接。

在本实施例中，加料筒2为石英筒，进一步采用石英含量大于99.5%的石英筒。

在本实施例中，加料筒2漏斗式的底部上的通孔与颗粒硅4颗粒的大小相适配，使其能顺利到达熔融区。

在本实施例中，炉室内还设有支撑机构，支撑机构位于籽晶12的上方，支撑机构包括支撑座101及滑动机构，支撑座101活动设置于滑动机构上，支撑座101可以在滑动机构上旋转，其中：

滑动机构采用不锈钢制作为滑动支架102及设置在炉室内壁上的滑轨，滑动支架102两端设置于滑轨内上下滑动，滑动支架102的中部设有通孔，支撑座101穿过通孔设置于滑动支架102上，支撑座101可以在滑动支架102上跟随主轴旋转；

支撑座101呈漏斗状，支撑座101的中心设有孔，支撑座101的孔在籽晶12的正上方，支撑座101与滑动支架102之间设置滚珠，支撑座101的下端穿过滑动支架102上的通孔固定设置于主轴14的顶端，主轴14带动支撑座101在滑轨内上下滑动，也带动支撑座101旋转，支撑座101上孔的内径大于主轴14的内径，方便中,13带动籽晶12上下穿过支撑座101。

在本实施例中，支撑座101为石英或碳-碳复合材料制作。

在本实施例中，加料筒5、支撑机构、中轴13及主轴14同轴设置。

在本实施例中，颗粒硅料筒23内的底部对称设有两定位块25，两定位块25之间形成截面为三角形的凹槽，石英料管21设置于凹槽的最底端。

在制备单晶硅时上述装置具体使用为：先装料、抽真空、预热、化料、熔接、引晶、放肩、等径生长、收尾流程，其中：

步骤一：装料

对颗粒硅料筒23内的颗粒硅4进行净化，从保护气体入口通入保护气体氩气，从 排气口24排出以除去空气，并控制炉室与颗粒硅料筒23中的压力差为：

炉室中的压力-颗粒硅料筒23中的压力=0-0.5 torr；

打开外接保护气体阀门通过颗粒硅料筒23上的保护气体入口向颗粒硅料筒里 加入保护气体氩气，然后也打开送料管道20上的阀门19，颗粒硅料筒23中的颗粒硅4被保护 气体带入炉室内从送料管18进入加料筒5中，下落时保护气体与颗粒硅4分离，保护气体通 过炉室底部的排气孔17排除；

炉室内的排气孔17与现有技术中的真空系统链接，真空系统提供炉室内的负压状态及废气、挥发物的排除。

步骤二：熔接

颗粒硅4由于重力在加料筒5的底部被感应线圈6熔化，颗粒硅4和籽晶12在感应线圈6中加热熔融，颗粒硅熔融区7与籽晶12熔接；

步骤三：引晶

将固定籽晶12的中轴13上升，使籽晶12进入加料筒5漏斗式的下锥部，通过感应线圈6加热籽晶12及籽晶12上的颗粒硅4，当籽晶12与颗粒硅4熔化后的硅液熔接好后，主轴14带动中轴13旋转，通过中轴13的下降实现细晶11的生产及形成，当细晶11长度达到200mm左右时细晶11生长结束；

步骤四：放肩、等径

细晶11生长完成后，通过控制中轴13的下降速度，实现肩部的生长得到单晶肩9，当肩部生长完成后主轴14上升，主轴14带动固定在带有滑动支架102上的晶棒支撑座101与单晶棒8同步旋转上升，当晶棒支撑座101从单晶棒8肩部将单晶棒8重量完成承接的同时，中轴13下降，籽晶12处于旋空状态，主轴14支撑晶体支撑座101实现单晶棒8的支撑及旋转，通过主轴14的不断下降，实现单晶棒8的等径生长。

本实用新型的装置制出的单晶硅因原料及掺杂剂可以在拉晶过程中连续加入，所以电阻分布非常均匀，最终拉出单晶硅的少子寿命等应用性能稳定性也非常好。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，其特征在于：包括炉室及设置在炉室一侧的加料装置，其中：

所述炉室内壁设有保温层（3），所述炉室的顶部设有穿透炉室的进料管（18），所述进料管（18）的下端设有加料筒（5），所述加料筒（5）的底部为漏斗式，所述加料筒（5）内设有颗粒硅（4），所述漏斗式的加料筒（5）的下端环绕有中心设有圆孔的感应线圈（6），所述感应线圈（6）使所述加料筒（5）下端紧邻感应线圈（6）的部分熔化形成熔融区（7），所述炉室底部设置有主轴（14），所述主轴（14）内设有中轴（13），所述中轴（13）的顶部设有籽晶（12）；

所述加料装置包括颗粒硅料筒（23）、石英料管（21）、进料管道（20）及阀门（19），所述颗粒硅料筒（23）内放置颗粒硅（4），所述石英料管（21）竖直设置于所述颗粒硅料筒（23）中，所述颗粒硅料筒（23）上端的一侧设有保护气体入口（22），另一侧设有排气口（24），所述颗粒硅料筒（23）中石英料管（21）上远离颗粒硅（4）的一端通过所述进料管道（20）及阀门（19）与炉室中的所述进料管（18）连接。

2.根据权利要求1所述的颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，其特征在于：所述加料筒（5）为石英筒。

3.根据权利要求1所述的颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，其特征在于：加料筒（5）漏斗式的底部上的通孔与所述颗粒硅（4）颗粒的大小相适配。

4.根据权利要求1所述的颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，其特征在于：所述炉室内还设有支撑机构，所述支撑机构位于所述籽晶（12）的上方，所述支撑机构包括支撑座（101）及滑动机构，所述支撑座（101）活动设置于所述滑动机构上，其中：

所述滑动机构为滑动支架（102）及设置在炉室内壁上的滑轨，所述滑动支架（102）两端设置于所述滑轨内上下滑动，所述滑动支架（102）的中部设有通孔，所述支撑座（101）穿过所述通孔设置于所述滑动支架（102）上；

所述支撑座（101）呈漏斗状，所述支撑座（101）的中心设有孔，所述支撑座（101）的孔在籽晶（12）的正上方，所述支撑座（101）与所述滑动支架（102）之间设置滚珠，所述支撑座（101）的下端穿过滑动支架（102）上的通孔固定设置于所述主轴（14）的顶端，主轴（14）带动支撑座（101）滑动旋转。

5.根据权利要求4所述的颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，其特征在于：所述支撑座（101）为石英或碳-碳复合材料制作。

6.根据权利要求1所述的颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，其特征在于：所述加料筒（5）、支撑机构、中轴（13）及主轴（14）同轴设置。

7.根据权利要求1所述的颗粒硅直接用于区熔法制备单晶硅的装置，其特征在于：所述颗粒硅料筒（23）内的底部对称设有两定位块（25），两定位块（25）之间形成截面为三角形的凹槽，所述石英料管（21）设置于所述凹槽的最底端。

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