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；硅料输运管，用于接收来自进料管的硅料，硅料输运管与进料管连通；以及下料管，用于接收来自硅料输运管的硅料，下料管与硅料输运管连通；其中，硅料的自然堆积角为θ0，进料管的中心线与下料管的中心线之间的夹角为β，β满足以下条件：0°≤β＜90°‑θ0；硅料输运管的中心线与下料管的中心线之间的夹角为θ，θ满足以下条件：θ0+90°≤θ≤θ0+130°。上述直拉单晶炉加料装置，能够避免硅料在管内堆积，从而避免堵料导致运行停止的风险；硅料在石英管内运行的速度适中，从下料管流出的硅料掉落到硅溶液之后，能够避免溅硅严重对坩埚损害大，从而避免影响总运行时间和单晶产出。上述整体能够降低生产成本，有利于应用。
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；
硅料输运管，用于接收来自所述进料管的硅料，所述硅料输运管与所述进料管连通；以及
下料管，用于接收来自所述硅料输运管的硅料，所述下料管与所述硅料输运管连通；
其中，硅料的自然堆积角为θ0<\/sub>，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β，β满足以下条件：0°≤β＜90°-θ0<\/sub>；所述硅料输运管的中心线与所述下料管的中心线之间的夹角为θ，θ满足以下条件：θ0<\/sub>+90°≤θ≤θ0<\/sub>+130°。
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，所述硅料输运管靠近所述进料管的一端向远离所述进料管的一侧凹陷形成有凹部，所述凹部正对设置于所述进料管的一侧。
3.根据权利要求2所述的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还包括用于直接接收来自所述进料管的硅料的垫块，所述垫块位于所述凹部内。
4.根据权利要求3所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述垫块靠近所述进料管的表面不低于所述硅料输运管远离所述进料管的表面，且所述垫块靠近所述进料管的表面的倾斜度与所述硅料输运管的中心线的倾斜度相同。
5.根据权利要求3所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述垫块为石英垫块或者硅垫块。
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θ0<\/sub>满足以下条件：0°≤θ0<\/sub>≤25°；或者
所述硅料为细条状的机械破碎料，所述θ0<\/sub>满足以下条件：30°≤θ0<\/sub>≤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，所述进料管靠近所述硅料输运管的一端的尺寸大于所述硅料输运管的尺寸。
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，所述进料管的尺寸自远离所述硅料输运管的一端向靠近所述硅料输运管的一端逐渐减小。
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、所述硅料输运管与所述下料管为一体成型、焊接成一体或者拼接而成。
10.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述进料管的长度为10mm～120mm，所述硅料输运管的长度为100mm～600mm，所述下料管的长度为30mm～280mm。
11.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、所述硅料输运管与所述下料管的壁厚为1mm～10mm。
12.根据权利要求1所述的直拉单晶炉加料装置，其特征在于，所述进料管为石英进料管、硅化物进料管或石墨进料管，所述硅料输运管为石英硅料输运管、硅化物硅料输运管或石墨硅料输运管，所述下料管为石英下料管、硅化物下料管或石墨下料管。
13.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、所述硅料输运管与所述下料管的截面形状为圆形，所述进料管、所述硅料输运管与所述下料管的内径为20mm～100mm；或者
所述进料管、所述硅料输运管与所述下料管的截面形状为正方形。
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；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。上述均会增加生产成本，不利于应用。
实用新型内容
基于此，有必要针对如何降低生产成本的问题，提供一种能够降低生产成本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；
硅料输运管，用于接收来自所述进料管的硅料，所述硅料输运管与所述进料管连通；以及
下料管，用于接收来自所述硅料输运管的硅料，所述下料管与所述硅料输运管连通；
其中，硅料的自然堆积角为θ0<\/sub>，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β，β满足以下条件：0°≤β＜90°-θ0<\/sub>；所述硅料输运管的中心线与所述下料管的中心线之间的夹角为θ，θ满足以下条件：θ0<\/sub>+90°≤θ≤θ0<\/sub>+130°。
上述直拉单晶炉加料装置，一方面，能够避免硅料在管内堆积，从而避免堵料导致运行停止的风险；另一方面，硅料在石英管内运行的速度适中，从下料管流出的硅料掉落到硅溶液之后，能够避免溅硅严重对坩埚损害大，从而避免影响总运行时间和单晶产出。上述整体能够降低生产成本，有利于应用。
在其中一个实施例中，所述硅料输运管靠近所述进料管的一端向远离所述进料管的一侧凹陷形成有凹部，所述凹部正对设置于所述进料管的一侧。
在其中一个实施例中，所述直拉单晶炉加料装置还包括用于直接接收来自所述进料管的硅料的垫块，所述垫块位于所述凹部内。
在其中一个实施例中，所述垫块靠近所述进料管的表面不低于所述硅料输运管远离所述进料管的表面，且所述垫块靠近所述进料管的表面的倾斜度与所述硅料输运管的中心线的倾斜度相同。
在其中一个实施例中，所述垫块为石英垫块或者硅垫块。
在其中一个实施例中，所述硅料为圆形颗粒硅，所述θ0<\/sub>满足以下条件：0°≤θ0<\/sub>≤25°；或者
所述硅料为细条状的机械破碎料，所述θ0<\/sub>满足以下条件：30°≤θ0<\/sub>≤50°。
在其中一个实施例中，所述进料管靠近所述硅料输运管的一端的尺寸大于所述硅料输运管的尺寸。
在其中一个实施例中，所述进料管的尺寸自远离所述硅料输运管的一端向靠近所述硅料输运管的一端逐渐减小。
在其中一个实施例中，所述进料管、所述硅料输运管与所述下料管为一体成型、焊接成一体或者拼接而成。
在其中一个实施例中，所述进料管的长度为10mm～120mm，所述硅料输运管的长度为100mm～600mm，所述下料管的长度为30mm～280mm。
在其中一个实施例中，所述进料管、所述硅料输运管与所述下料管的壁厚为1mm～10mm。
在其中一个实施例中，所述进料管为石英进料管、硅化物进料管或石墨进料管，所述硅料输运管为石英硅料输运管、硅化物硅料输运管或石墨硅料输运管，所述下料管为石英下料管、硅化物下料管或石墨下料管。
在其中一个实施例中，所述进料管、所述硅料输运管与所述下料管的截面形状为圆形，所述进料管、所述硅料输运管与所述下料管的内径为20mm～100mm；或者
所述进料管、所述硅料输运管与所述下料管的截面形状为正方形。
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。
请参见图1，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、硅料输运管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的材质为石英、硅化物或石墨的单一材料或组成物。进料管110优选为石英进料管、硅化物进料管或石墨进料管。
其中，硅料输运管120用于接收来自进料管110的硅料，硅料输运管120与进料管110连通。硅料输运管120的材质为石英、硅化物或石墨的单一材料或组成物。硅料输运管120优选为石英硅料输运管、硅化物硅料输运管或石墨硅料输运管。
其中，下料管130用于接收来自硅料输运管120的硅料，下料管130与硅料输运管120连通。下料管130的材质为石英、硅化物或石墨的单一材料或组成物。下料管130优选为石英下料管、硅化物下料管或石墨下料管。
其中，硅料的自然堆积角为θ0<\/sub>，进料管110的中心线与下料管130的中心线之间的夹角为β，β满足以下条件：0°≤β＜90°-θ0<\/sub>。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β为0°。
其中，硅料输运管120的中心线与下料管130的中心线之间的夹角为θ，θ满足以下条件：θ0<\/sub>+90°≤θ≤θ0<\/sub>+130°。
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。此时，硅料输运管120的中心线与水平面之间的夹角α满足以下条件：θ0<\/sub>≤α≤θ0<\/sub>+40°。而在其他实施方式中，当进料管110的中心线与下料管130的中心线不平行时，也优选使硅料输运管120的中心线与水平面之间的夹角α满足上述条件：θ0<\/sub>≤α≤θ0<\/sub>+40°。这样能够依据硅料的流动特性，以达到不堵料且能降低对坩埚损害、减少溅硅的效果。
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，故堆积角较小，约为0°～25°。相应地，可将硅料输运管120的中心线与下料管130的中心线之间的夹角(θ)设置为90°～155°。即直拉单晶炉加料装置100的工作过程中，硅料输运管120的中心线与水平面之间的夹角(α)为0°～65°。
而当硅料为细条状的机械破碎料时，由于其流动性较差，故堆积角较大，约为30°～50°。相应地，可将硅料输运管120的中心线与下料管130的中心线之间的夹角(θ)设置为120°～180°。即直拉单晶炉加料装置100的工作过程中，硅料输运管120的中心线与水平面之间的夹角(α)为30°～90°。
具体的，上述直拉单晶炉加料装置100工作时，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。如图1中所示，下料管130的中心线垂直于硅溶液300的液面，这样能够减少溅硅，降低对坩埚的损害。
加料器200中的硅料在自然重力的作用下，沿图1中箭头所指的方向落入进料管110中，之后依次经硅料输运管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。
其中，进料管110、硅料输运管120以及下料管130的截面形状优选为圆形。当然，其截面形状不限于此，例如，还可以为正方形等其他形状。
在前述实施方式的基础上，硅料输运管120靠近进料管110的一端向远离进料管110的一侧凹陷形成有凹部122，凹部122正对设置于进料管110的一侧。当硅料从进料管110落入硅料输运管120时，先在凹部122自然堆积，当堆积的高度较高时，则继续从硅料输运管120向下滑落。当其他的硅料继续从进料管110滑落时，首先接触凹部122内的硅料，此时凹部122内的硅料起到缓冲的作用，避免硅料掉落的速度过大而损害硅料输运管120的内壁。
在前述实施方式的基础上，直拉单晶炉加料装置100还包括用于直接接收来自进料管110的硅料的垫块140，垫块140位于凹部122内。当硅料从进料管110落入硅料输运管120时，先落到垫块140上，此时垫块140起到缓冲的作用，避免硅料掉落的速度过大而损害硅料输运管120的内壁。
在前述实施方式的基础上，垫块140靠近进料管110的表面不低于硅料输运管120远离进料管110的表面，且垫块140靠近进料管110的表面的倾斜度与硅料输运管120的中心线的倾斜度相同。这样能够使硅料首先落到垫块140上，之后即继续向硅料输运管120的另一端滑落，垫块140起到缓冲的作用。同时，硅料在硅料输运管120内的滑落角度保持不变，从而使硅料匀速地滑落。
在前述实施方式的基础上，垫块140为石英垫块或者硅垫块。石英垫块或者硅垫块的耐磨性能较好，使用寿命长，能对硅料起到很好的缓冲作用。
在前述实施方式的基础上，进料管110靠近硅料输运管120的一端的尺寸大于硅料输运管120的尺寸。如图1中所示，进料管110和硅料输运管120的截面形状均为圆形，进料管110的下端截面的面积大于硅料输运管120上端截面的面积。
在前述实施方式的基础上，进料管110的尺寸自远离硅料输运管120的一端向靠近硅料输运管120的一端逐渐减小。如图1中所示，进料管110的上端开口的面积大于下端开口的面积，这样有利于硅料的流动。
在前述实施方式的基础上，进料管110、硅料输运管120与下料管130为一体成型、焊接成一体或者拼接而成。其中，一体成型和焊接成一体一方面使得进料管110、硅料输运管120与下料管130三者之间的密封性较好，能够避免漏料；另一方面制作简便，使用零件较少，有利于节省成本。而拼接而成则使得各元件方便搬运。
在前述实施方式的基础上，进料管110的长度h1为10mm～120mm，硅料输运管120的长度h2为100mm～600mm，下料管130的长度h3为30mm～280mm。
此外，当进料管110、硅料输运管120以及下料管130的截面形状为圆形时，其内径优选为20mm～100mm。进料管110、硅料输运管120以及下料管130的壁厚优选为1mm～10mm。
将本实用新型的直拉单晶炉加料装置应用机械破碎料，夹角(θ)分别设置为125°和140°，可有效连续使用25天和18天，对坩埚损害较小，可维持连续拉晶工艺正常运行。
将本实用新型的直拉单晶炉加料装置应用颗粒料，夹角(θ)分别设置为105°和115°，可有效连续使用28天和27天，对坩埚损害较小，可维持连续拉晶工艺正常运行。
上述直拉单晶炉加料装置，一方面，能够避免硅料在管内堆积，从而避免堵料导致运行停止的风险；另一方面，硅料在石英管内运行的速度适中，从下料管流出的硅料掉落到硅溶液之后，能够避免溅硅严重对坩埚损害大，从而避免影响总运行时间和单晶产出。上述整体能够降低生产成本，有利于应用。
此外，上述直拉单晶炉加料装置可实现固态物料的连续加料，维持连续拉晶工艺正常运行。
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:CN201920124494.2
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:CN209890758U
授权时间:20200103
主分类号:C30B15/02
专利分类号:C30B15/02
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:刘海;万跃鹏;张新皓;孔传祥
第一发明人:刘海
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
代理机构:44224
代理机构编号:广州华进联合专利商标代理有限公司 44224
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计