单晶炉及其连续加料装置
技术领域
本实用新型涉及单晶制备装置领域，具体涉及一种单晶炉及其连续加料装置。
背景技术
目前，直拉法硅单晶炉是大多数厂商生产单晶硅棒的主要设备，在保证单晶硅棒性能优良可靠的前提下，如何降低产品的制造成本是单晶硅制造厂家一直以来努力寻求的。面对行业需求，增大单炉投料量，提升单晶炉的单炉产量和效率，成为了行业重要的发展方向。
直拉单晶硅除了有生产流程长、工艺繁琐的缺点外，还有坩埚小，而且不能连续加料等弱点。因此，每融化一坩埚的多晶硅料只能拉一根单晶棒。每拉一根单晶棒就要降一次温，就得停一次炉，拆一次炉，清理一次热场以及过滤系统等等，这样子不仅浪费人力、浪费能源，而且严重影响生产效率，造成成本大，不利于单晶硅直拉炉的发展。
围绕单次运行增加硅容量的方向，一方面可以增加坩埚尺寸，增加单次硅装料容量，但是增加坩埚尺寸，就要加大单晶炉的尺寸，同时加大热场尺寸，加大功率，加大制造难度，最关键当坩埚较大时，对于工艺上控制难度加大，例如温度梯度的控制，同时坩埚的制造难度加大，制造成本加大。另一方向则考虑辅助投料装置。下面就关于辅助投料装置进行详细阐述，辅助投料装置目前分为2部分，一是多次投料Recharging Process(半连续)和连续加料 Continuous Czochralski Process。市面上98％以上的单晶炉均采用多次投料，具体方式为：在单晶炉的炉盖上设置一个加料口，待一根单晶拉出后，坩埚内硅液在低液位，通过连接多次加料装置至炉盖加料口，一次性将块状物料输送到坩埚内进行持续拉晶的过程，在拉晶过程中随着晶棒不断的的拉出，液面也在同时降低。这种方法较传统的单次装料(batch)的单晶棒炉在效率上有很大的提高，但同时在存在一些弊端：如(1)在加料过程中容易将硅液溅出坩埚外 (2)再者用机械机构和导料筒磨损会对硅料进行二次污染(3)加料斗与炉体连接时需要人工介入，或者装置工作过程中属于半自动状态工作。(4)多次加料会造成杂质的累加而无法测量，同时存在杂质的增加不以特定线性或规律增长，造成掺杂难度加大和棒子的品质逐渐变差，掺杂物浓度轴向分布不均匀，可控度差。
实用新型内容
基于此，有必要提供一种可快速连接至炉体以实现连续加料，且避免污染的单晶炉及其连续加料装置。
一种单晶炉的连续加料装置，包括：外壳体，所述外壳体的顶部设有加料口，所述外壳体的外壁设有起吊接口；支架，固定于所述外壳体内；料斗，支撑于所述支架，所述料斗的底部设有出料口；加料管，所述加料管的上端口位于所述外壳体内，下端口伸出外壳体的底部；硅料输送装置，位于所述外壳体内，与所述出料口及所述加料管的上端口之间均密封连接；掺杂管，一端位于外壳体的外部，另一端位于所述加料管的上端口的上方，并与所述加料管的上端口密封连接；及定位销，固定于所述外壳体的底部。
在其中一个实施例中，所述料斗的内壁具有保护内衬。
在其中一个实施例中，所述下端口的外部套设有固定于所述外壳体的波纹管。
在其中一个实施例中，所述出料口的上方还设有硅料分布器，所述硅料分布器为锥体。
在其中一个实施例中，还包括具有内腔的转接件，所述加料管、所述硅料输送装置及掺杂管插入所述转接件的内腔中。
在其中一个实施例中，还包括连接架，所述转接件、所述硅料输送装置及所述料斗均与所述连接架固定连接，所述连接架支撑于所述支架，所述连接架与所述支架之间还设有称重传感器。
在其中一个实施例中，所述外壳体还开设有抽真空口、氩气接口、真空计安装接口和观察窗。
在其中一个实施例中，所述起吊接口为导轨或滑块。
在其中一个实施例中，所述硅料输送装置包括与所述出料口相连通的竖向管及水平管，所述水平管内设有振动喂料器，所述水平管与所述竖向管连通，且所述水平管具有位于所述加料管的上端口的上方的出口。
一种单晶炉，包括炉体、立柱及如前述任一项实施例所述的连续加料装置，其中所述立柱上安装有导向部件和升降机构，所述起吊接口滑动连接于导向部件并由所述升降机构驱动升降，所述定位销与所述炉体配合。
在其中一个实施例中，所述升降机构包括固定在所述立柱上的电机及由电机驱动的直线升降单元，所述直线升降单元与所述起吊接口固定连接。
上述单晶炉及其连续加料装置，其中连续加料装置的外壳体可安装至单晶炉的立柱并通过定位销定位，从而能够快速连接至炉体，且硅料输送装置与出料口及加料管之间均密封连接，能在封闭环境下实现连续加料，避免污染。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的单晶炉的连续加料装置的结构示意图；
图2为图1所示连续加料装置另一角度的结构示意图；
图3为本实用新型一个实施例的单晶炉的连续加料装置连接至单晶炉的立柱的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图，说明本实用新型的较佳实施方式。
参考图1和图2，本实用新型的一个实施例提出了一种直拉法(ContinuousCzochralski Process，CCZ)的单晶炉用的连续加料装置100，包括外壳体10、支架20、料斗30、加料管40、硅料输送装置50及掺杂管60。其中，参考图3，外壳体10用以安装至单晶炉的立柱200，使得连续加料装置100能够与炉体300 对接，进而实现连续加料。支架20、料斗30、加料管40、硅料输送装置50等均置于外壳体10内部。掺杂管60则连通外壳体10内外，用于在连续加料过程中同时进行掺杂。
外壳体10的外形为圆柱形，其可以由多层结构拼接而成，如由上、中、下三层结构拼接而成，每层之间可以采用O型圈进行密封，从而可以方便地拆装、维护。外壳体10的顶部设有加料口110，用以向料斗30中添加硅料。外壳体 10的外壁上设有起吊接口120，用以安装至立柱200。外壳体10的底部设有定位销130。如图3所示，连续加料装置100在使用时，外壳体10上的起吊接口 120与立柱200上的导向部件210滑动配合，并由固定在立柱200上的升降机构 220驱动升降。外壳体10的底部的定位销130则用以与炉体300上的定位部位相配合定位，从而连续加料装置100可以在导向部件210上升降，并通过定位销130与炉体310快速自动连接定位，工作效率高。起吊接口120的结构设置为能够与立柱200滑动配合，例如当立柱200上设置导向部件210时，起吊接口120可以是只能沿导向部件210的长度方向运动的滑块。当然，也可以刚好相反，即起吊接口120为导轨，而立柱200上固定设置有滑块。
支架20位于外壳体10内，并与外壳体10的内壁固定连接。支架20用以支撑料斗30。
料斗30的上部设置与加料口110位置正对的进料口。料斗30的底部设有出料口310。出料口310的下方设有加料管40和硅料输送装置50。其中，加料管40的上端口410位于外壳体10内，下端口420则伸出外壳体10的底部。加料管40可以采用高纯度的石英管。硅料输送装置50是能够将硅料自出料口310 向加料管40输送的装置，其可在电器控制柜控制下自动工作。硅料输送装置50 与出料口310及加料管40的上端口410之间均密封连接。这样，硅料输送装置 50将料斗30中的硅料转移至加料管40的过程中，硅料是在封闭环境下进行输送，可以防止硅料二次污染和撒料。
掺杂管60的一端位于外壳体10的外部，另一端伸入外壳体10内，并位于加料管40的上端口410的上方，并与加料管40的上端口410密封连接。这样，向硅料中输送掺杂剂也是在封闭环境下进行，防止二次污染。掺杂管60的位于外壳体10的外的端部在不使用时可以密封起来。
本实用新型实施例的单晶炉的连续加料装置100，可以整体安装至单晶炉的立柱200，并利用定位销120实现快速定位至炉体300，提供定位工作效率。此外，连续加料装置100还集成有掺杂管60，可实现加料和掺杂同步进行，并且硅料输送和掺杂剂的输送均在封闭环境下实现，防止硅料和掺杂剂二次污染。
此外，出料口310处还可以设置由电器控制柜控制的出料阀320。外壳体 10上设置抽真空接口140、氩气接口150、观察窗160、安装有真空计180的真空计接口170。当连续加料装置100与电器控制柜连接时，可以实现自动化工作加料，可以利用电器控制柜中的工控机控制出料阀320的开启和关闭，及控制硅料输送装置50的传输速率，使得硅料添加与单晶拉速一致，实现全程自动化控制。
根据本实用新型的一些实施例，料斗30的内壁具有保护内衬。保护内衬可采用不会与硅料发生污染的高分子洁净材料，避免料斗30对硅料造成污染。
根据本实用新型的一些实施例，加料管40的下端口410的外部还套设有固定于外壳体10的波纹管430。连续加料装置100安装至立柱200时，可以将波纹管430与炉体300上的隔离阀门310连接，以在加料管40的下端口410的外部构成密封环境。此时加料管40位于波纹管430的内部，当隔离阀门310打开时，加料管40可以从隔离阀门310处伸入到炉体300内。波纹管430具有可伸缩的特点，不影响连续加料装置100的移动。
根据本实用新型的一些实施例，出料口310的上方还设有硅料分布器330，硅料分布器330为锥体。如图2所示，料斗30内在出料口310的上方还设有硅料分布器330。硅料分布器330可以用吊杆340固定于料斗30的顶壁。当向料斗30中添加硅料时，一部分硅料会首先落到硅料分布器330的锥面上，然后在重力作用下沿锥面下滑并汇聚至出料口310，因此减轻了向料斗30中添加硅料时出料口310处硅料的积压程度。
根据本实用新型的一些实施例，还包括具有内腔的转接件70，其中加料管 40、硅料输送装置50及掺杂管60均插入转接件70的内腔中。如图2所示，利用转接件70使得加料管40、硅料输送装置50及掺杂管60的管口处于密封环境下，从而硅料从硅料输送装置50转移至加料管40的过程是在封闭环境下进行，同时掺杂剂从掺杂管60转移至加料管40的过程也是在封闭环境下进行，从而避免二次污染硅料和掺杂剂。
进一步地，外壳体10内还设有连接架80。转接件70、硅料输送装置50及料斗30均与连接架80固定连接，连接架80支撑于支架20。如图2所示，连接架80将转接件70、硅料输送装置50均固定连接至料斗30的底部，这样转接件 70、硅料输送装置50、料斗30及连接架80形成的组件整体放置于支架20，从而料斗30、硅料输送装置50、转接件70能较为稳定地支撑于外壳体10内。
进一步地，连接架20与支架10之间还设有称重传感器。可以提前将称重传感器的数据归零，或者记录原始数据,当向料斗30中添加硅料时，称重传感器即实时向工控机发送数据，工控机即可以计算得已经添加的硅料的重量，便于控制加料量。称重传感器的数量不限，例如，可采用三处支点来支撑料斗30，每一处支点均设置称重传感器，既提供稳定的支撑，又保证称重的精准。
根据本实用新型的一些实施例，硅料输送装置50包括与出料口310相连的竖向管510及水平管520，其中水平管520内设有振动喂料器530，水平管520 与竖向管510连通，且水平管520具有位于加料管40的上端口410的上方的出口522。参图2，竖向管510竖直放置，水平管520则沿水平方向放置。硅料从出料口310掉出后经竖向管510进入水平管520内并落在振动喂料器530上，然后硅料被振动喂料器530振荡粉碎并沿水平输送至上端口410的上方，最终硅料掉落到加料管40中，进而在重力作用下进入单晶炉的炉体300中。竖向管 510及水平管520均可以采用石英管，不会污染硅料，且耐高温。并且，竖向管 510及水平管520的内壁都还可以进一步设置保护涂层，避免污染硅料。此外，硅料输送装置50采用振动喂料器530来粉碎及输送硅料，可以兼容颗粒料和破碎料的使用。
参图3，本实用新型的一个实施例还提出一种单晶炉，包括立柱200、炉体 300以及上述任一实施例的连续加料装置100。立柱200和炉体300可安装至同一基座。立柱200上安装有导向部件210和升降机构220。炉体300上设有可以与定位销110配合的定位部位。连续加料装置100的起吊接口120可以与导向部件210滑动连接并由升降机构220驱动沿立柱200上下移动。
起吊接口120与导向部件210的结构均不作具体限制，只要二者能够实现相对滑动即可，例如起吊接口120可以是滑块，导向部件210可以是滑轨。升降机构220的类型不限，以能驱动连续加料装置100上下移动即可。例如，升降机构220可以是包括固定在立柱200上的电机221，及由电机221驱动的直线升降单元222，直线升降单元222与起吊接口120固定连接。当然升降机构220 也可以是其他类型的机构，例如气缸系统。
当需要使用连续加料装置100时，从加料口110向料斗30中添加洁净的多晶硅料(可以是破碎料或者颗粒料)，再将连续加料装置100的起吊接口120安装至导向部件210，且导向部件210与升降机构220的直线升降单元222固定连接，启动升降机构220使其驱动连续加料装置100移动，使定位销130与炉体 300上设置的定位部位相配合，即可快速实现定位。可以理解地，向料斗30添加硅料可以是在连续加料装置100安装至立柱200之后进行。
然后，将波纹管430与炉体300上的隔离阀门310连接，并使用真空系统将外壳体10内的压力抽至与炉体300内一致，然后打开炉体300上的隔离阀门 310，使加料管插入炉体300内，最后由工控机控制加料速率和单晶速一致，实现自动化连续加料，并且可以在任何硅棒生长结束之后进行添加硅料。因此，本实用新型实施例的单晶炉可在不需要停炉的情况下实现装料，以便连续生长多根晶体，节省了停炉冷却、擦炉、装料、抽真空、化料等步骤所需的时间，全程机械化、全自动控制，无需人工参与，大幅提高了生产效率，提高石英坩埚的利用率。经测试，采用本实用新型后，可实现单炉拉制7根以上单晶棒(8 寸单根长度4.3米)，有效降低成本约40％。
此外，连续加料装置100固定于立柱200，不需要炉体300支撑，因此连续加料装置100可以提供更大的加料量。例如，料斗30的容积可做到500千克～ 600千克的储料量，可以支撑1个或多个拉晶周期，大幅提升了产量。另外，掺杂和加料可同步进行，有利于晶体的品质的提升。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
