全文摘要
本实用新型涉及一种直拉单晶炉加料装置。其包括：进料管；硅料输运体，用于接收来自进料管的硅料，硅料输运体具有用于接收硅料的底壁、远离硅料的第一侧壁以及围绕硅料设置的第二侧壁；底壁与第一侧壁相对设置，且底壁、第一侧壁与第二侧壁围成用以容纳硅料的腔体；以及下料管，用于接收来自硅料输运体的硅料；硅料的自然堆积角为θ，进料管的中心线与下料管的中心线之间的夹角为γ，γ满足以下条件：0°≤γ＜90°‑θ；底壁与下料管的中心线之间的夹角为α，α满足以下条件：α＜θ+90°；第一侧壁与下料管的中心线之间的夹角为β，β满足以下条件：β≥θ+90°。上述直拉单晶炉加料装置，设计γ、α和β分别满足各自条件，能够降低生产成本和提高产出，有利于应用。
主设计要求
1.一种直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述直拉单晶炉加料装置包括：进料管；硅料输运体，用于接收来自所述进料管的硅料，所述硅料输运体与所述进料管连通，所述硅料输运体具有用于接收所述硅料的底壁、远离所述硅料的第一侧壁以及围绕所述硅料设置的第二侧壁；其中，所述底壁与所述第一侧壁相对设置，且所述底壁、所述第一侧壁与所述第二侧壁围成用以容纳硅料的腔体；以及下料管，用于接收来自所述硅料输运体的硅料，所述下料管与所述硅料输运体连通；其中，硅料的自然堆积角为θ，所述进料管的中心线与所述下料管的中心线之间的夹角为γ，γ满足以下条件：0°≤γ＜90°-θ；所述底壁与所述下料管的中心线之间的夹角为α，α满足以下条件：α＜θ+90°；所述第一侧壁与所述下料管的中心线之间的夹角为β，β满足以下条件：β≥θ+90°。
设计方案
1.一种直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述直拉单晶炉加料装置包括：
进料管；
硅料输运体，用于接收来自所述进料管的硅料，所述硅料输运体与所述进料管连通，所述硅料输运体具有用于接收所述硅料的底壁、远离所述硅料的第一侧壁以及围绕所述硅料设置的第二侧壁；其中，所述底壁与所述第一侧壁相对设置，且所述底壁、所述第一侧壁与所述第二侧壁围成用以容纳硅料的腔体；以及
下料管，用于接收来自所述硅料输运体的硅料，所述下料管与所述硅料输运体连通；
其中，硅料的自然堆积角为θ，所述进料管的中心线与所述下料管的中心线之间的夹角为γ，γ满足以下条件：0°≤γ＜90°-θ；所述底壁与所述下料管的中心线之间的夹角为α，α满足以下条件：α＜θ+90°；所述第一侧壁与所述下料管的中心线之间的夹角为β，β满足以下条件：β≥θ+90°。
2.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，α还满足以下条件：α＝90°。
3.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，β还满足以下条件：100°≤β≤160°。
4.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述硅料输运体连接于所述进料管的一端的截面面积不小于所述进料管连接于所述硅料输运体的一端的截面面积。
5.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述硅料输运体沿平行于所述进料管的中心线与所述下料管的中心线所在平面的截面形状为直角梯形，所述进料管位于直角梯形的上底且靠近直角的一侧，且所述进料管的中心线垂直于直角梯形的上底，所述下料管位于直角梯形的下底且远离直角的一侧；
所述硅料输运体的直角边的高度为50mm～500mm。
6.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述硅料为圆形颗粒硅，所述θ满足以下条件：0°≤θ≤25°；或者
所述硅料为细条状的机械破碎料，所述θ满足以下条件：30°≤θ≤50°。
7.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述进料管沿垂直于进料方向的截面形状为圆形，所述进料管的内径为20mm～100mm，所述进料管的长度为10mm～120mm。
8.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述下料管沿垂直于出料方向的截面形状为矩形，所述下料管的矩形宽度为10mm～50mm，所述下料管的矩形长度为40mm～100mm，所述下料管的高度为30mm～280mm。
9.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述进料管、所述硅料输运体与所述下料管的壁厚为1mm～8mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及单晶硅生产装置领域，特别是涉及一种直拉单晶炉加料装置。
背景技术
单晶硅材料是光伏行业的太阳能电池板的主要原材料之一，也是半导体芯片、晶圆加工制造的原材料，是绿色能源和半导体行业中不可或缺的一环。其生产工艺以直拉法(Czochralski process\/CZ)为主，传统的直拉法生产工艺随着技术发展进步，逐步演变为多次加料直拉法(Recharge CZ\/RCZ)或者连续加料直拉法(Continuous CZ\/CCZ)等工艺路线。相比于传统直拉法(CZ)工艺，RCZ的工艺优势在于可以用一个坩埚(一炉)拉制多根晶棒，节约生产成本，提高产出效率。而CCZ工艺是在RCZ工艺上的进一步提升，即不间断的给料生长单晶：晶体生长长度不受坩埚容量限制，不需要中途加料，化料，大幅缩短工艺时间，增加产出效率。由于CCZ保持溶液量恒定，可以大幅改善单晶纵向电阻率分布的均匀性，从而显著提高晶体品质。总体而言，相比于传统CZ或RCZ，CCZ在工艺成本和产品质量上均有显著提升，是新一代的直拉单晶生长技术。
基于CCZ工艺的需求，为维持熔体和温度场的稳定、晶体的连续生长，需要不间断的将加料器输出的硅料运送到炉体内的坩埚中，以提供所需添加的硅料。传统的固态加料采用石英管直接输送硅料，然而，石英管路的设计不当会造成：硅料在管内堆积，造成堵料导致运行停止的风险，生产成本增加；或者硅料在石英管内运行速度快，掉落到硅溶液之后，溅硅严重对坩埚损害大，影响总运行时间和单晶产出，增加生产成本；硅料从加料器掉落在石英管上时，会造成石英表面磨损、石英微颗粒脱落，这些石英颗粒随加料管进入熔体后，造成单晶生长失败，从而降低产出。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种降低生产成本和提高产出的直拉单晶炉加料装置。
一种直拉单晶炉加料装置，所述直拉单晶炉加料装置包括：
进料管；
硅料输运体，用于接收来自所述进料管的硅料，所述硅料输运体与所述进料管连通，所述硅料输运体具有用于接收所述硅料的底壁以及远离所述硅料的第一侧壁以及围绕所述硅料设置的第二侧壁；其中，所述底壁与所述第一侧壁相对设置，且所述底壁、所述第一侧壁与所述第二侧壁围成用以容纳硅料的腔体；以及
下料管，用于接收来自所述硅料输运体的硅料，所述下料管与所述硅料输运体连通；
其中，硅料的自然堆积角为θ，所述进料管的中心线与所述下料管的中心线之间的夹角为γ，γ满足以下条件：0°≤γ＜90°-θ；所述底壁与所述下料管的中心线之间的夹角为α，α满足以下条件：α＜θ+90°；所述第一侧壁与所述下料管的中心线之间的夹角为β，β满足以下条件：β≥θ+90°。
上述直拉单晶炉加料装置，设计γ、α和β分别满足各自条件，使得硅料在装置内的运行速度适中，既能避免硅料在管内堆积，造成堵料导致运行停止的风险，又能减少硅料进入坩埚熔体造成溅硅或掉落在坩埚壁上带来的损害。此外，从进料管落入硅料输运体的硅料首先与硅料输运体的底壁上的硅料碰撞，能够避免直接碰撞硅料输运体的底壁而磨损硅料输运体的内表面，从而避免产生其它非硅材质的颗粒杂质，有利于晶体的纯度和单晶产出良率。上述整体能够降低生产成本和提高产出，有利于应用。
在其中一个实施例中，α还满足以下条件：α＝90°。
在其中一个实施例中，β还满足以下条件：100°≤β≤160°。
在其中一个实施例中，所述硅料输运体连接于所述进料管的一端的截面面积不小于所述进料管连接于所述硅料输运体的一端的截面面积。
在其中一个实施例中，所述硅料输运体沿平行于所述进料管的中心线与所述下料管的中心线所在平面的截面形状为直角梯形，所述进料管位于直角梯形的上底且靠近直角的一侧，且所述进料管的中心线垂直于直角梯形的上底，所述下料管位于直角梯形的下底且远离直角的一侧；
所述硅料输运体的直角边的高度为50mm～500mm。
在其中一个实施例中，所述硅料为圆形颗粒硅，所述θ满足以下条件：0°≤θ≤25°；或者
所述硅料为细条状的机械破碎料，所述θ满足以下条件：30°≤θ≤50°。
在其中一个实施例中，所述进料管沿垂直于进料方向的截面形状为圆形，所述进料管的内径为20mm～100mm，所述进料管的长度为10mm～120mm。
在其中一个实施例中，所述下料管沿垂直于出料方向的截面形状为矩形，所述下料管的矩形宽度为10mm～50mm，所述下料管的矩形长度为40mm～100mm，所述下料管的高度为30mm～280mm。
在其中一个实施例中，所述进料管、所述硅料输运体与所述下料管的壁厚为1mm～8mm。
附图说明
图1为本实用新型一实施方式的直拉单晶炉加料装置的立体示意图；
图2为本实用新型一实施方式的直拉单晶炉加料装置的平面示意图；
图3为本实用新型另一实施方式的直拉单晶炉加料装置的平面示意图；
图4为本实用新型另一实施方式的直拉单晶炉加料装置的平面示意图。
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。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
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。
请参见图1和图2，本实用新型一实施方式的直拉单晶炉加料装置100包括进料管110、硅料输运体120以及下料管130。
其中，进料管110用于接收来自加料器200的硅料。进料管110的材质选自石英、硅化物和石墨中的至少一种，即石英、硅化物或石墨的单一材料或组成物。
其中，硅料输运体120用于接收来自进料管110的硅料，硅料输运体120与进料管110连通硅料输运体120具有用于接收硅料的底壁121、远离硅料的第一侧壁122以及围绕硅料设置的第二侧壁123。其中，底壁121与第一侧壁122相对设置，且底壁121、第一侧壁122与第二侧壁123围成用以容纳硅料的腔体。
其中，本实施方式中的第二侧壁123由围绕硅料设置且连接于第一侧壁122的两个侧壁以及位于这两个侧壁之间的另一围绕硅料设置的侧壁组成。可以理解的是，本实用新型的直拉单晶炉加料装置的第二侧壁123不限于此。
优选地，硅料输运体120的材质选自石英、硅化物和石墨中的至少一种，即石英、硅化物或石墨的单一材料或组成物。
其中，下料管130用于接收来自硅料输运体120的硅料，下料管130与硅料输运体120连通。下料管130的材质选自石英、硅化物和石墨中的至少一种，即石英、硅化物或石墨的单一材料或组成物。
本领域技术人员容易理解的是，当进料管、硅料输运体、下料管采用其他容易引入非硅污染的材质也应在本实用新型的保护范围之内，例如采用金属、不锈钢、合金等管材，只要选用石英、硅化物或硅作为内衬有效防止污染即可。
其中，硅料的自然堆积角为θ，进料管110的中心线与下料管130的中心线之间的夹角为γ，γ满足以下条件：0°≤γ＜90°-θ。具体的，本实施方式中进料管110的中心线与下料管130的中心线平行。也就是说，进料管110的中心线与下料管130的中心线之间的夹角γ为0°。
其中，底壁121与下料管130的中心线之间的夹角为α，α满足以下条件：α＜θ+90°；第一侧壁122与下料管130的中心线之间的夹角为β，β满足以下条件：β≥θ+90°。
其中，自然堆积角指的是物料在静态自然堆积时料堆的坡度(即料堆与地面的夹角)。其中，自然堆积指物料在堆积时不受外力，仅依靠自然重力和物料和物料之间的摩擦力以形成最大坡度的料堆的过程。其中，堆积角又称安息角，即静态时料堆的最大坡度(即料堆与地面夹角)。根据硅料的颗粒状态不同，其自然堆积角也不同。
例如，当硅料为圆形颗粒硅时，由于其流动性好，故堆积角(θ)较小，θ满足以下条件：0°≤θ≤25°。相应地，可将底壁121与下料管130的中心线之间的夹角(α)设计为小于90°～115°，将第一侧壁122与下料管130的中心线之间的夹角(β)设计为大于或者等于90°～115°。
而当硅料为细条状的机械破碎料时，由于其流动性较差，故堆积角(θ)较大，θ满足以下条件：30°≤θ≤50°。相应地，可将底壁121与下料管130的中心线之间的夹角(α)设计为小于120°～140°，将第一侧壁122与下料管130的中心线之间的夹角(β)设计为大于或者等于120°～140°。
请一并参见图2，使用上述直拉单晶炉加料装置100时，使进料管110的中心线与下料管130的中心线均垂直于水平面。将加料器200置于进料管110的正上方，盛有硅溶液300的坩埚400置于下料管130的正下方，且下料管130的下端伸入坩埚400内。
加料器200中的硅料在自然重力的作用下，沿图2中箭头所指的方向落入进料管110中，之后依次经硅料输运体120和下料管130，垂直落在盛有融化的硅溶液300的坩埚400内，实现加料输运的功能。
当硅料从进料管110落入硅料输运体120时，先在硅料输运体120的底壁121上自然堆积，当硅料堆积的高度较高时，则继续从硅料输运体120向下滑落。当其他的硅料继续从进料管110滑落时，首先接触硅料输运体120内自然堆积的硅料，这些自然堆积硅料能够避免直接碰撞硅料输运体120的底壁121而磨损硅料输运体120的内表面，从而避免产生其它非硅材质的颗粒杂质，有利于晶体的纯度和单晶产出良率。此外，自然堆积的硅料形成的行径路径一定程度上能减缓硅料输运的速度，例如比现有设计加料管的输运速度降低13％，这能有效抑制硅料对坩埚内硅熔液的冲击，减少硅液飞溅的概率，同时避免硅料对坩埚内壁的冲击。
在前述实施方式的基础上，α还满足以下条件：α＝90°。如图2所示，当α＝90°时，硅料输运体120的底壁121平行于水平面，可将硅料输运体120的底平放在加料器200和坩埚300之间的热场支撑件(未图示)上。当然，还可以将α设计为其他满足条件的数值，例如小于或者大于90°，只要在使用直拉单晶炉加料装置100时，硅料能够在底壁121上自然堆积即可。
在前述实施方式的基础上，β还满足以下条件：100°≤β≤160°。此时，第一侧壁122与底壁121的夹角为10°～70°，有利于硅料在硅料输运体120内的流动。
在前述实施方式的基础上，硅料输运体120连接于进料管110的一端的截面面积不小于进料管110连接于硅料输运体120的一端的截面面积。因此，从进料管110落入硅料输运体120的硅料可直接落到自然堆积的硅料上，避免碰撞硅料输运体120的侧壁或者第一侧壁122而磨损硅料输运体120的内表面，从而避免产生其它非硅材质的颗粒杂质，有利于晶体的纯度和单晶产出良率。此外，还能够避免堵料。
在前述实施方式的基础上，硅料输运体120沿平行于进料管110的中心线与下料管130的中心线所在平面的截面形状为直角梯形，进料管110位于直角梯形的上底且靠近直角的一侧，且进料管110的中心线垂直于直角梯形的上底，下料管130位于直角梯形的下底且远离直角的一侧。本实施方式中，从进料管110落入硅料输运体120的硅料可直接落到自然堆积的硅料上，避免碰撞硅料输运体120的侧壁而磨损硅料输运体120的内表面，从而避免产生其它非硅材质的颗粒杂质，有利于晶体的纯度和单晶产出良率。
进一步地，硅料输运体120的直角边的高度H2为50mm～500mm。当然，硅料输运体120的直角边的高度不限于此，还可以根据实际需要进行设置。
在前述实施方式的基础上，进料管110沿垂直于进料方向的截面形状为圆形，进料管110的内径为20mm～100mm，进料管110的长度H1为10mm～120mm。当然，进料管110沿垂直于进料方向的截面形状以及尺寸均不限于此。
在前述实施方式的基础上，下料管130沿垂直于出料方向的截面形状为矩形，下料管130的矩形宽度W为10mm～50mm，下料管130的矩形长度L为40mm～100mm，下料管130的高度H3为30mm～280mm。矩形的下料挂130的导向性较好，有利于硅料在下料管130内的流动。当然，下料管130沿垂直于出料方向的截面形状以及尺寸均不限于此。
在前述实施方式的基础上，进料管110、硅料输运体120与下料管130的壁厚为1mm～8mm。当然，进料管110、硅料输运体120与下料管130的壁厚均不限于此。
将本实用新型上述实施方式的直拉单晶炉加料装置100应用机械破碎料，α设计为90°，β设计为120°，可有效连续使用29天，对坩埚损害较小，可维持连续拉晶工艺正常运行。
将本实用新型上述实施方式的直拉单晶炉加料装置100应用颗粒料，α设计为90°，β设计为150°，可有效连续使用36天，对坩埚损害较小，可维持连续拉晶工艺正常运行。
此外需要说明的是，本实用新型的直拉单晶炉加料装置不限于上述实施方式，还可以为其他形式。
请参见图3，本实用新型另一实施方式的直拉单晶炉加料装置500包括进料管510、硅料输运体520以及下料管530。其中，硅料输运体520具有用于接收硅料的底壁521和远离硅料的第一侧壁522。其中，下料管530位于底壁521的右侧末端，第一侧壁522靠近下料管530的一端向下弯折且与下料管530的右侧面共面。这样能够给硅料留出足够的运行空间，避免硅料在下料处堵塞。
请参见图4，本实用新型另一实施方式的直拉单晶炉加料装置600包括进料管610、硅料输运体620以及下料管630。其中，硅料输运体620具有用于接收硅料的底壁621和远离硅料的第一侧壁622。其中，下料管630位于底壁621的中间位置。第一侧壁522靠近下料管530的一端向下弯折且垂直于底壁621。
上述直拉单晶炉加料装置，设计γ、α和β分别满足各自条件，使得硅料在装置内的运行速度适中，既能避免硅料在管内堆积，造成堵料导致运行停止的风险，又能减少硅料进入坩埚熔体造成溅硅或掉落在坩埚壁上带来的损害。此外，从进料管落入硅料输运体的硅料首先与硅料输运体的底壁上的硅料碰撞，能够避免直接碰撞硅料输运体的底壁而磨损硅料输运体的内表面，从而避免产生其它非硅材质的颗粒杂质，有利于晶体的纯度和单晶产出良率。上述整体能够降低生产成本和提高产出，有利于应用。
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。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920119660.X
申请日:2019-01-23
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:32(江苏)
授权编号:CN209669392U
授权时间:20191122
主分类号:C30B 15/02
专利分类号:C30B15/02;C30B29/06
范畴分类:25P;
申请人:江苏协鑫硅材料科技发展有限公司
第一申请人:江苏协鑫硅材料科技发展有限公司
申请人地址:221001 江苏省徐州市经济开发区杨山路88号
发明人:史蒂芬·劳伦斯·金贝尔;孟敬镐;布拉德·乔佩克
第一发明人:史蒂芬·劳伦斯·金贝尔
当前权利人:江苏协鑫硅材料科技发展有限公司
代理人:唐清凯
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代理机构编号:广州华进联合专利商标代理有限公司 44224
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类型名称:外观设计