專利名稱：一種用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于半導(dǎo)體行業(yè)中制造晶體硅所用設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置。
背景技術(shù)：
硅鑄錠爐是一種硅重熔再結(jié)晶設(shè)備，用于生產(chǎn)太陽能級硅鑄錠(簡稱硅錠)。硅鑄錠爐的腔體內(nèi)放置的是石墨和石墨氈為材料的熱場，該熱場包括隔熱保溫層、加熱器、石英坩堝、坩堝護板及用于放置坩堝的熱交換臺，用于重熔的硅原料放置在石英坩堝內(nèi)，通過加熱器的熱量導(dǎo)入，使石英坩堝內(nèi)的硅原料熔化形成硅熔液，然后通過改變加熱功率和隔熱保溫層的位置，使硅熔液實現(xiàn)定向凝固，再結(jié)晶后得到產(chǎn)品硅鑄錠。現(xiàn)有技術(shù)中，硅鑄錠爐的熱場結(jié)構(gòu)具體有很多種形式，例如申請?zhí)枮?00710070539.4的中國發(fā)明專利申請公開了其中一種熱場結(jié)構(gòu)。 硅鑄錠的生產(chǎn)工藝過程包括升溫、熔化、長晶、退火和冷卻幾個過程。通常，為保證硅鑄錠生產(chǎn)過程中適當(dāng)?shù)膲毫爸車臍夥找恢?，并及時帶走從硅原料中揮發(fā)出的雜質(zhì)，需要持續(xù)從石英坩堝上方通入保護氣體，并流經(jīng)硅料表面。常用的保護氣體為惰性氣體氬氣。然而，當(dāng)保護氣體與熱場材料(石墨或石墨氈，主要成分為碳)接觸時會帶入熱場揮發(fā)物雜質(zhì)(主要為碳元素)，這些揮發(fā)物雜質(zhì)中的一部分在氣流分布不當(dāng)?shù)那闆r下將繼續(xù)隨氣流進入到硅料(包括硅原料、硅原料熔化后形成的硅熔液，以及硅熔液凝固后形成的硅錠)中，最終導(dǎo)致硅錠的碳元素含量或其它雜質(zhì)含量偏高，影響硅錠作為太陽能級硅原料使用的效能。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供了一種用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用安全，有效地防止熱場中的碳元素導(dǎo)入到硅料(指硅原料、硅熔液或硅錠，下同)中。一種用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，包括至少兩根連接桿、導(dǎo)流通道和擋流面板，其中，所述連接桿的一端設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂，另一端固定在所述擋流面板上；所述導(dǎo)流通道的一端貫穿所述擋流面板，另一端與設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂?shù)膶?dǎo)氣口連通；所述擋流面板設(shè)在所述硅鑄錠爐內(nèi)石英坩堝中硅料的上方，所述擋流面板在底部的邊沿所圍成形狀與所述石英坩堝的橫截面的形狀相適應(yīng)，且所述擋流面板在底部的邊沿所在的四周側(cè)面與所述石英坩堝的四周側(cè)壁面之間留有2 250_的縫隙。本實用新型中，所述擋流面板在底部的邊沿所圍成形狀和面積分別由石英坩堝的橫截面的形狀與面積決定。例如，通常硅鑄錠爐內(nèi)的石英坩堝為方形石英坩堝，石英坩堝的開口(或橫截面)為正方形。那么，與此相適應(yīng)，擋流面板在底部的邊沿所圍成形狀也應(yīng)為一個正方形；如果硅鑄錠爐內(nèi)的石英坩堝為圓形石英坩堝，那么擋流面板在底部的邊沿所圍成形狀也應(yīng)為一個圓形。但無論擋流面板采用哪一種形狀，均是以盡可能覆蓋住石英坩堝的開口又不與石英坩堝接觸為原則。在所述擋流面板在底部的邊沿形狀滿足要求的情況下，所述擋流面板整體可以是平板狀、鐘罩狀、半圓球形或其他結(jié)構(gòu)。當(dāng)所述擋流面板為平板時，所述擋流面板在底部的邊沿圍成平板的底面，所述擋流面板在底部的邊沿所在的四周側(cè)面為平板的四個側(cè)面，此時，平板底面的形狀與石英坩堝的橫截面的形狀相適應(yīng)，平板的四個側(cè)面與所述石英坩堝的四周側(cè)壁面之間留有2 250_的縫隙。當(dāng)所述擋流面板為鐘罩狀時，所述擋流面板在底部的邊沿圍成鐘罩的開口，所述擋流面板在底部的邊沿所在的四周側(cè)面為鐘罩的四周側(cè)壁，此時，鐘罩的開口的形狀與石英坩堝的橫截面的形狀相適應(yīng)，鐘罩的四周側(cè)壁與所述石英坩堝的四周側(cè)壁面之間留有2 250mm的縫隙。將所述的氣體導(dǎo)流裝置安裝在硅鑄錠爐內(nèi)，在生產(chǎn)過程中，氣流從導(dǎo)流通道流入后，將流經(jīng)擋流面板、石英坩堝與硅料之間的空間，再從擋流面板與石英坩堝之間的縫隙流出。擋流面板與石英坩堝之間的縫隙是作為氣流流出的通道。所述的縫隙小于2_時，會影響氣流流出不暢；當(dāng)縫隙大于250_時，又無法起到有效隔離空間內(nèi)外氣氛的作用。采用2 250mm的縫隙時，保護氣體在擋流面板、石英坩堝與硅料之間空間內(nèi)的壓力明顯大于該空間之外的壓力，這樣，保護氣體一旦流出該空間，則很難重新回流到硅料表面，從而隔離了含碳熱場與硅料表面之間的氣氛交流。而現(xiàn)有技術(shù)的硅鑄錠爐內(nèi)由于沒有設(shè)置氣體導(dǎo)流 裝置，保護氣體從石英坩堝上方通入之后，會在熱場部件與石英坩堝內(nèi)的硅料之間形成回旋的流場，將熱場部件表面的碳元素帶入到硅料之中，導(dǎo)致硅錠產(chǎn)品中的碳元素含量偏高。因此，采用所述的氣體導(dǎo)流裝置，可使硅錠產(chǎn)品中的碳元素顯著下降。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述連接桿設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂?shù)囊欢伺c升降機構(gòu)相連，所述導(dǎo)流通道由兩個嵌套的同軸圓柱形管構(gòu)成，所述擋流面板位于所述硅鑄錠爐內(nèi)石英坩堝中硅料上方3 20cm處。在這種情況下，只需通過升降機構(gòu)調(diào)節(jié)連接桿的位置，就可實現(xiàn)氣體導(dǎo)流裝置在硅鑄錠爐內(nèi)升降。而在多晶硅原料裝料時，由于固體硅原料為不規(guī)則形狀，料與料之間存在間隙，使得硅料在熔化前與熔化后的高度存在差異。硅鑄錠的生產(chǎn)過程中，擋流面板越靠近硅料表面，由擋流面板、硅料及石英坩堝圍成的空間的體積越小，導(dǎo)入的保護氣體流過硅料表面帶走硅料揮發(fā)出的雜質(zhì)越多。因此，當(dāng)采用可升降的氣體導(dǎo)流裝置，可實現(xiàn)對擋流面板的位置的調(diào)節(jié)，使擋流面板與硅料之間的距離在硅料熔化前后均為3 20cm。具體來說在硅料沒有熔化之前，硅料的位置較高，此時通過提升升降機構(gòu)，使得擋流面板位于硅料上方3 20cm處；當(dāng)硅料熔化成硅熔液后，硅料表面的位置將下降，這時通過下降升降機構(gòu)，使擋流面板位于硅熔液表面上方3 20cm處，這樣在隔離含碳熱場與硅料表面之間的氣氛交流的同時，使保護氣氛帶走硅料揮發(fā)出的雜質(zhì)的效能發(fā)揮到最大。同時，與可升降的連接桿相配合，導(dǎo)流通道的長度也可調(diào)，可以保證在導(dǎo)流裝置升降前后絕大部分保護氣體都是最先流入到由擋流面板、硅料及石英坩堝圍成的空間內(nèi)，可以最大程度利用保護氣體。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述連接桿可以通過螺紋或銷釘?shù)确绞焦潭ㄔ谒鰮趿髅姘迳?。?yōu)選的技術(shù)方案中，所述導(dǎo)流通道的一端貫穿所述擋流面板的中心。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述擋流面板上分布有若干開孔，以調(diào)節(jié)氣流流出。在所述擋流面板上增加開孔后，保護氣體氣流不僅可以從擋流面板與石英坩堝之間的縫隙流出，還可以從擋流面板上布置的開孔流出。通過調(diào)節(jié)孔的數(shù)量、大小和布置方式，可以方便地調(diào)整由石英坩堝、硅料和擋流面板所限定的空間內(nèi)與該空間外的壓力差，從而調(diào)節(jié)氣流的流速和氣流在該空間內(nèi)形成的渦流的強度，從而實現(xiàn)最合適的硅鑄錠進行定向凝固時的氣氛環(huán)境。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述擋流面板可以采用金屬鑰或含鑰的耐高溫合金加工，可以采用由石墨或碳纖維材料加工的中間層、由碳化硅或熱解碳涂覆的上表面層和由碳化硅或熱解碳涂覆的下表面層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于鑰、含鑰的耐高溫合金中不含碳元素，因此，采用金屬鑰或含鑰的耐高溫合金加工的擋流面板的表面不揮發(fā)碳元素；碳化硅中碳元素也不揮發(fā)，而熱解碳比石墨穩(wěn)定，碳元素難以揮發(fā)，因此采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的擋流面板的表面不揮發(fā)或很難揮發(fā)出碳元素。這樣一來，由于擋流面板的表面不揮發(fā)或很難揮發(fā)出碳元素，可以起到隔離熱場的含碳雜質(zhì)的作用。從成本角度考慮，最優(yōu)選所述擋流面板采用金屬鑰或含鑰的耐高溫合金加工。當(dāng)硅鑄錠爐內(nèi)石英坩堝為正方形坩堝，采用固定的氣體導(dǎo)流裝置時，優(yōu)選所述的 擋流面板為鐘罩狀，所述鐘罩的底部開口為正方形。當(dāng)硅鑄錠爐內(nèi)石英坩堝為正方形坩堝，采用可升降的氣體導(dǎo)流裝置時，優(yōu)選所述的擋流面板為正方形平板，所述的擋流面板與所述連接桿垂直。在硅鑄錠爐內(nèi)安裝本實用新型的氣體導(dǎo)流裝置后，在硅鑄錠的生產(chǎn)工藝過程中，可使保護氣體不與石墨熱場接觸直接流經(jīng)硅料表面，并且氣流從硅料表面離開并最終與石墨熱場接觸后很難再次回流到硅料表面，從而降低硅鑄錠產(chǎn)品中碳元素的含量。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用安全，有效地防止熱場中的碳元素導(dǎo)入到硅料中。

圖I是本實用新型的氣體導(dǎo)流裝置的第一種實施方式的三維結(jié)構(gòu)示意圖(從上向下以傾斜角度俯視)。圖2是本實用新型的氣體導(dǎo)流裝置的第一種實施方式的三維結(jié)構(gòu)示意圖(從下向上以傾斜角度俯視)。圖3是安裝有圖I的氣體導(dǎo)流裝置的硅鑄錠爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是安裝有作為本實用新型的第二種實施方式的氣體導(dǎo)流裝置的硅鑄錠爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本實用新型的氣體導(dǎo)流裝置的第三種實施方式的三維結(jié)構(gòu)示意圖(從上向下以傾斜角度俯視)。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖來詳細說明本實用新型，但本實用新型并不僅限于此。實施例I如圖I和圖2所示，一種用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，包括兩根連接桿I、導(dǎo)流通道2和擋流面板3，其中，兩根連接桿I的一端固定在擋流面板3上，導(dǎo)流通道2的一端貫穿擋流面板3的中心。擋流面板3由敞口的梯形殼體和敞口的底部長方形殼體構(gòu)成(殼體指薄壁空間結(jié)構(gòu)，下同)，其中梯形殼體的上底面3a為正方形薄板，四個側(cè)面3b、3c、3d、3e為形狀和大小均相同的梯形薄板，下底面為正方形開口 ；敞口的底部長方形殼體由四個長方形薄板圍成，梯形殼體的下底面開口與底部長方形殼體連通。上底面3a和四個側(cè)面3b 3e采用螺絲4和加固件5套裝在連接桿I上，底部長方形殼體的四個邊角采用L形加固件固定。擋流面板3采用耐高溫材料鑰加工而成。螺絲4為鑰螺絲，加固件5為鑰板加固件。將上述氣體導(dǎo)流裝置6安裝在硅鑄錠爐內(nèi)，整個硅鑄錠爐內(nèi)部的剖面示意圖如圖
3。如圖3所示，在硅鑄錠爐內(nèi)設(shè)有氣體導(dǎo)流裝置6、加熱器11、坩堝護板12、熱交換臺13、隔熱保溫層14和方形石英坩堝8，其中，氣體導(dǎo)流裝置6通 過兩根連接桿I固定在硅鑄錠爐內(nèi)，兩根連接桿I的另一端安裝在硅鑄錠爐的爐頂7，導(dǎo)流通道2的另一端與設(shè)在硅鑄錠爐的爐頂7的導(dǎo)氣口連通，擋流面板3放置在方形石英坩堝8的上方，擋流面板3在底部的邊沿圍成正方形，與方形石英坩堝8的橫截面形狀一致，同時，擋流面板3在底部的邊沿所在的四周側(cè)面與方形石英坩堝8的四周側(cè)壁面之間留有30_的縫隙(即構(gòu)成擋流面板3的底部長方形殼體的四個長方形薄板與方形石英坩堝8的四周側(cè)壁面之間留有30_的縫隙)，以方便氣流流出。擋流面板3在底部的邊沿圍成正方形的面積大于方形石英坩堝8的橫截面積，并且略微向下，可以罩住方形石英坩堝8的開口，但并不與方形石英坩堝8接觸。在上述硅鑄錠爐內(nèi)，加熱器11、坩堝護板12、熱交換臺13 —般均由石墨材料加工而成，隔熱保溫層14通常由石墨氈材料加工而成，因此加熱器11、坩堝護板12、熱交換臺
13、隔熱保溫層14構(gòu)成含碳熱場。方形石英坩堝8、放在石英坩堝8中的硅料9與擋流面板3之間形成一個空間10。當(dāng)保護氣體的氣流從導(dǎo)流通道2持續(xù)導(dǎo)入時，馬上擴散到空間10，空間10內(nèi)的氣壓將明顯高于空間10外的氣壓，使得保護氣體一旦流出該空間，則很難重新回流到硅料表面，從而隔離含碳熱場與硅料表面之間的氣氛交流。這樣，硅料表面無法與含碳的氣流接觸，確保了硅錠產(chǎn)品中碳元素的含量降到最低。實施例2安裝有第二種實施方式的氣體導(dǎo)流裝置的硅鑄錠爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。與圖3的結(jié)構(gòu)類似，圖4中在硅鑄錠爐內(nèi)設(shè)有氣體導(dǎo)流裝置、加熱器、坩堝護板、熱交換臺、隔熱保溫層和方形石英坩堝，但本實施例中氣體導(dǎo)流裝置有所不同。本實施例的氣體導(dǎo)流裝置同樣包括兩根連接桿、擋流面板和導(dǎo)流通道，并且，同樣，兩根連接桿的一端通過螺紋或銷釘固定在擋流面板上，導(dǎo)流通道的一端貫穿擋流面板的中心。區(qū)別就在于擋流面板15為正方形平板，而且擋流面板15的橫截面積小于方形石英坩堝8的橫截面積。擋流面板15放置在方形石英坩堝8中硅料9上方3 20cm處，且擋流面板15的四周側(cè)面與方形石英坩堝8的四周側(cè)壁面之間還留有20mm的縫隙，以方便氣流流出。在硅鑄錠爐的爐頂7上方還設(shè)有升降機構(gòu)16，連接桿的另一端與升降機構(gòu)16連接。升降機構(gòu)16可調(diào)節(jié)連接桿的升降，從而實現(xiàn)氣體導(dǎo)流裝置在爐內(nèi)位置的升降。相應(yīng)地，導(dǎo)流通道17由兩個嵌套的同軸圓柱形管構(gòu)成，這樣，氣體導(dǎo)流裝置升降時，導(dǎo)流通道17的長度可與之相適應(yīng)地進行調(diào)節(jié)，從而使得導(dǎo)流通道17的底端與石英坩堝8中硅料9保持固定的距離。在多晶硅原料裝料時，由于固體硅原料為不規(guī)則形狀，料與料之間存在間隙，使得硅料在熔化前與熔化后的高度存在差異。為了使保護氣體盡可能多地流過硅料9表面帶走硅料9揮發(fā)出的雜質(zhì)，需要使由擋流面板15、硅料9及方形石英坩堝8圍成的空間18的體積越小越好。在圖4所示的硅鑄錠爐內(nèi)，采用了可升降的氣體導(dǎo)流裝置，因此可根據(jù)需要調(diào)節(jié)擋流面板15的位置，從而調(diào)節(jié)空間18的體積在硅料9沒有熔化之前，硅料9的位置較高，此時通過提升升降機構(gòu)，使得擋流面板15位于硅料9上方5cm處；當(dāng)硅料熔化成硅熔液后，硅料9表面的位置將下降，這時通過下降升降機構(gòu)，使擋流面板15位于硅熔液表面上方5cm處，這樣在隔離含碳熱場與硅料表面之間的氣氛交流的同時，使保護氣氛帶走硅料揮發(fā)出的雜質(zhì)的效能發(fā)揮到最大。此外，在圖4所示的硅鑄錠爐內(nèi)，導(dǎo)流通道17的長度可調(diào)，可以保證在導(dǎo)流裝置升降前后絕大部分保護氣體都是最先流入到空間18內(nèi)，同樣可以最大程度利用保護氣體。實施例3如圖5所示，采用與實施例I相同的方式，不同之處僅在于擋流面板19上分布有若干圓孔，用于形成氣流流出的通道。當(dāng)保護氣體從導(dǎo)流通道流入到由方形石英坩堝、硅料和擋流面板所限定的空間內(nèi)時，保護氣體氣流不僅可以從擋流面板與石英坩堝之間的縫隙 流出，還可以從擋流面板上布置的圓孔流出。通過調(diào)節(jié)圓孔的數(shù)量、大小和布置方式，可以方便地調(diào)整由方形石英坩堝、硅料和擋流面板所限定的空間內(nèi)與該空間外的壓力差，從而調(diào)節(jié)氣流的流速和氣流在該空間內(nèi)形成的渦流的強度，從而實現(xiàn)最合適的硅鑄錠進行定向凝固時的氣氛環(huán)境。
權(quán)利要求1.一種用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，其特征在于，包括至少兩根連接桿、導(dǎo)流通道和擋流面板，其中，所述連接桿的一端設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂，另一端固定在所述擋流面板上；所述導(dǎo)流通道的一端貫穿所述擋流面板，另一端與設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂?shù)膶?dǎo)氣口連通；所述擋流面板設(shè)在所述硅鑄錠爐內(nèi)石英坩堝中硅料的上方，所述擋流面板在底部的邊沿所圍成形狀與所述石英坩堝的橫截面的形狀相適應(yīng)，且所述擋流面板在底部的邊沿所在的四周側(cè)面與所述石英坩堝的四周側(cè)壁面之間留有2 250_的縫隙。
2.如權(quán)利要求I所述的用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，其特征在于，所述連接桿設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂?shù)囊欢伺c升降機構(gòu)相連，所述導(dǎo)流通道由兩個嵌套的同軸圓柱形管構(gòu)成，所述擋流面板位于所述硅鑄錠爐內(nèi)石英坩堝中硅料上方3 20cm處。
3.如權(quán)利要求I或2所述的用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，其特征在于，所述擋流面板上分布有若干開孔。 如權(quán)利要求I或2所述的用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，其特征在于，所述導(dǎo)流通道的一端貫穿所述擋流面板的中心。 如權(quán)利要求I或2所述的用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，其特征在于，所述連接桿通過螺紋或銷釘固定在所述擋流面板上。
專利摘要本實用新型公開了一種用于硅鑄錠爐的氣體導(dǎo)流裝置，包括至少兩根連接桿、導(dǎo)流通道和擋流面板，其中，所述連接桿的一端設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂，另一端固定在所述擋流面板上；所述導(dǎo)流通道的一端貫穿所述擋流面板，另一端與設(shè)在所述硅鑄錠爐的爐頂?shù)膶?dǎo)氣口連通；所述擋流面板設(shè)在所述硅鑄錠爐內(nèi)石英坩堝中硅料的上方，所述擋流面板在底部的邊沿所圍成形狀與所述石英坩堝的橫截面的形狀相適應(yīng)，且所述擋流面板在底部的邊沿所在的四周側(cè)面與所述石英坩堝的四周側(cè)壁面之間留有2～250mm的縫隙。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用安全，有效地防止熱場中的碳元素導(dǎo)入到硅料中。
文檔編號C30B28/06GK202519359SQ20122002767
公開日2012年11月7日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者曾憲成, 李喬, 馬遠 申請人:浙江碧晶科技有限公司