专利名称：直拉单晶的补料方法及补料装置的制作方法
技术领域：
本发明属于单晶制造技术领域，涉及一种直拉单晶的补料方法，本发明还涉及实
现该方法所使用的补料装置。
背景技术：
传统的直拉单晶生产工艺是采用一次装料技术，按照石英坩埚的容量大小将一定 量的原料装填到石英坩埚内。由于固体硅的密度较液体的小，而且在装料过程中会留下空 隙，在原料熔化完后，石英坩埚将留有较多空余空间，减少了石英坩埚容积的利用率，降低 单炉产量；而且由于石英坩埚为一次性消耗品，采用一次装料工艺在一个生产周期内，并不 能充分的利用石英坩埚的使用寿命；另外生产一只单晶硅棒需要从冷却到高温再到冷却的 循环过程，这其中将消耗大量的能量，并耗费时间。 为克服一次装料工艺的上述弊端，现在已发展了补料技术，即采用补料装置，在保 持高温的情况下，通过向石英坩埚内补加原料，实现一炉次拉制一只或多只单晶硅棒的生 产技术，该生产工艺能够提高单炉产量，增加石英坩埚利用率，并且节省炉台升温冷却用时 间，能显著降低生产成本。但是目前普遍采用的补料技术对所加原料的规格尺寸有严格的 要求，必须为小颗粒多晶原料，才能保证原料顺利流入石英坩埚内，而对于现有的棒状多晶 余料必须预先进行粉碎处理，在原料循环处理过程中又增加了新的损耗及成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种直拉单晶的补料方法，采用棒状原料作为补料的原料来 源，扩大了补料的原料来源。 本发明的另一 目的是提供一种直拉单晶的补料装置，实现棒状原料在直拉单晶工 艺中的补料操作。 本发明所采用的技术方案是，一种直拉单晶的补料方法，采用棒状原料作为补料 材料。 本发明的补料方法，其特征还在于 所述的棒状原料夹持在补料器中，将补料器安装在重锤夹头下端，合炉后在熔料 过程中操纵重锤夹头下降，使棒状原料下降至石英坩埚的上方进行预热，当石英坩埚中的 原料熔化完后，操纵重锤夹头继续下降，使得棒状原料下降至熔硅中进行熔化，完成补料。
在拉出一只单晶后，将重锤夹头及单晶提升到副炉室中，将主炉室和副炉室隔离， 从重锤夹头上取下单晶，在补料器中夹持棒状原料，将补料器与重锤夹头连接，在副炉室抽 空净化后，打开隔离阀，操纵重锤夹头下降进入主炉室内，使棒状原料下降至石英坩埚的熔 液中进行补料，依次循环，完成多次补料。所述的棒状原料的横向尺寸为20mm-400mm，长度为30mm-2000mm。 所述的补料器包括穿孔式补料器或卡环式补料器两种形式，所述的穿孔式补料器
包括与重锤夹头相连接的连接架，连接架通过吊杆与横杆连接，横杆通过通孔与棒状原料连接；所述的卡环式补料器包括与重锤夹头相连接的连接架，连接架通过吊杆与卡环连接， 卡环与棒状原料连接。 所述的横杆或卡环选用钼或碳碳复合材料制作。 所述的横杆为一字形状、人字形状或十字形状。 所述的卡环为圆形或三角形状，卡环选用硬质卡箍或软质材料。 本发明所采用的另一技术方案是，一种直拉单晶的补料装置，包括穿孔式补料器
或卡环式补料器两种形式，所述的穿孔式补料器包括与重锤夹头相连接的连接架，连接架
通过吊杆与横杆连接；所述的卡环式补料器包括与重锤夹头相连接的连接架，连接架通过
吊杆与卡环连接。 本发明的补料装置，其特征还在于所述的横杆为一字形状、人字形状或十字形 状；所述的卡环为圆形或三角形状，卡环选用硬质卡箍或软质材料。 本发明的有益效果是采用棒状原料作为补料的原料来源，扩大了补料原料来源， 特别是利用直拉法自身所产生的多晶作为补料的原料，减少了原料循环处理过程中的原料 损耗，降低成本；可选择补料重量及次数，有效增加单炉产量，提高生产效率。
图1是本发明的直拉单晶补料方法工作示意图；
图2是本发明方法所用的穿孔式棒状原料示意图；
图3是本发明补料装置的结构示意图； 图4是本发明补料装置中的穿孔式补料器横杆与棒状原料的连接示意图，其中， 图a穿有一根棒状原料，图b穿有两根棒状原料，图c穿有三根棒状原料，图d穿有四根棒 状原料； 图5是本发明方法中的卡环式补料器与棒状原料的连接示意图，其中，图a夹有一 根棒状原料，图b夹有三根棒状原料，图c夹有四根棒状原料。 图中，l.钢丝绳，2.重锤夹头，3.副炉室，4.补料器，5.棒状原料，6.热屏，7.石英 坩埚，8.主炉室，9.隔离阀，IO.连接架，ll.吊杆，12.横杆，13.卡环，14.通孔。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 本发明的直拉单晶补料方法，采用棒状原料作为补料原料，能够增加装料量， 不仅提高了生产效率，特别是可以利用直拉法自身产生的多晶余料作原料，减少了原料 循环处理过程中的损耗及成本。所用的棒状原料横向尺寸为20mm-400mm，纵向尺寸为 30mm-2000mm。棒状原料的来源至少包括以下两种1)、目前改良西门子法生产的棒状多晶 原料，采购方便，经过简单加工(端部钻一个通孔)即可。2)、在直拉单晶拉制过程中，尾部 通常会发生"断棱"的现象，即单晶晶棒因为异常原因变为多晶，在剩料不多的情况下，通常 采用的方法是保持多晶的状态直到剩余的原料基本从石英坩埚内提出，而这种多晶晶棒在 被切下后，通常都要砸碎后作为循环料再次使用。在本发明方法中使用时，切下的棒状多晶 不用砸碎，直接作为补料的原料棒，这样不但增加了棒状料的来源，也减少了清洗导致的硅 料损耗，节约了生产成本。
如图1，本发明的直拉单晶的补料方法，具体步骤是，副炉室3、主炉室8、钢丝绳1、 重锤夹头2为单晶炉的组成部分，在主炉室8内放置有石英坩埚7，将补料器4安装在重锤 夹头2下端，补料器4中夹持一根或多根棒状原料5，合炉后在熔料过程中操纵重锤夹头2 下降，使棒状原料5下降至石英坩埚7的上方进行预热，当石英坩埚7中的原料熔化完后， 操纵重锤夹头2继续下降，使得棒状原料5下降至熔硅中进行熔化，完成补料。
本发明的补料方法可实现多次补料，具体步骤是，在拉出一只单晶后，将重锤夹头 2及单晶提升到副炉室3中，将主炉室8和副炉室3隔离，从重锤夹头2上取下单晶拉制装 置及单晶，在补料器4中夹持棒状原料5，将补料器4与重锤夹头2连接，在副炉室3抽空净 化后，打开隔离阀9，操纵重锤夹头2下降进入主炉室8内，使棒状原料5下降至石英坩埚7 的熔液中进行补料，补料结束后将补料器4卸下，在重锤夹头2上安装单晶拉制装置重新进 行拉晶操作，依次循环，最大限度提高石英坩埚7的利用率。 参照图1，本发明的补料装置在单晶炉中的安装结构是，包括由现有的主炉室8和 副炉室3构成的直拉单晶炉的主体，在主炉室8中设置有石英坩埚7，石英坩埚7的上方对 应设置有热屏6 ;副炉室3中设置有与钢丝绳1相连接的重锤夹头2，重锤夹头2的下端与 补料器4连接，补料器4中安装有棒状原料5，棒状原料5向下与石英坩埚7相对，通过控制 放下钢丝绳l，棒状原料5就可以伸进石英坩埚7完成补充补料。 如图2，是本发明的补料用穿孔式棒状原料结构示意图，在棒状原料5的一端通过 轴心开有一垂直于棒状原料5轴线的通孔14，用来与补料器4相连接。
如图3，为本发明的补料器的结构示意图，分为穿孔式补料器和卡环式补料器两种 形式，包括与重锤夹头2相连接的连接架10，连接架10通过吊杆11与横杆12 (或卡环13) 连接，横杆12(或卡环13)用于与若干数量的棒状原料5连接。穿孔式补料器是利用横杆 12穿过打有通孔14的棒状原料5，将棒状原料5悬挂于补料器4的横杆12上；卡环式补料 器是利用卡环13将棒状原料5的一端头部卡紧后，悬挂于补料器4上。卡环13既可选用 硬质卡箍卡紧棒状原料5，也可使用软质材料如钼丝对棒状原料5捆绑固定。
本发明的补料器4工作时安装于重锤夹头2上，通过钢丝绳的升降即可实现棒状 原料的加添，同时考虑到补料器必须具有耐高温特性，因此可优先选用耐高温的金属材料 钼或碳碳复合材料，来制作横杆12或卡环13这两个关键的承重部件，以保证在高温下，不 会发生棒状原料脱落的情况。针对棒状原料直径与长度尺寸的不同，补料器4可采用单只 晶棒或多只晶棒连接形式，同时进行补料。 如图4，本发明的穿孔式补料器的横杆12可以制作成一字形状，如图4a为补料器 连接有一根棒状原料，如图4b为补料器连接有两根棒状原料；横杆12也可以制作成人字形 状，图4c为补料器连接有三根棒状原料；横杆12还可以制作成十字形状，图4d为补料器连 接有四根棒状原料，横杆12还可根据要穿的棒状原料数量及其直径大小，灵活的将横杆12 制作成其他形状。 如图5，本发明的卡环式补料器的卡环13可以制作成圆形，如图5a可以夹持一个 棒状原料5，如图5c，可以夹持四个棒状原料5;如图5b，卡环13还可以制作成三角形，可以 夹持三个棒状原料5。 本发明的直拉单晶补料方法及其直拉单晶补料装置，采用棒状原料作为补料的原 料，显著扩大了原料来源，降低了原料成本；能够最大限度的利用石英坩埚的使用寿命，并且大大提高单炉产量，有效的降低了生产成本。
权利要求
一种直拉单晶的补料方法，其特征在于，采用棒状原料(5)作为补料材料。
2. 根据权利要求1所述的补料方法，其特征在于所述的棒状原料(5)夹持在补料器 (4)中，将补料器(4)安装在重锤夹头(2)下端，合炉后在熔料过程中操纵重锤夹头(2)下 降，使棒状原料(5)下降至石英坩埚(7)的上方进行预热，当石英坩埚(7)中的原料熔化完 后，操纵重锤夹头(2)继续下降，使得棒状原料(5)下降至熔硅中进行熔化，完成补料。
3. 根据权利要求2所述的补料方法，其特征在于在拉出一只单晶后，将重锤夹头(2) 及单晶提升到副炉室(3)中，将主炉室(8)和副炉室(3)隔离，从重锤夹头(2)上取下单晶， 在补料器(4)中夹持棒状原料(5)，将补料器(4)与重锤夹头(2)连接，在副炉室(3)抽空 净化后，打开隔离阀(9)，操纵重锤夹头(2)下降进入主炉室(8)内，使棒状原料(5)下降至 石英坩埚(7)的熔液中进行补料，依次循环，完成多次补料。
4. 根据权利要求1、2或3所述的补料方法，其特征在于所述的棒状原料(5)的横向 尺寸为20mm-600mm，长度为30mm-2000mm。
5. 根据权利要求2或3所述的补料方法，其特征在于所述的补料器(4)包括穿孔式 补料器或卡环式补料器两种形式，所述的穿孔式补料器包括与重锤夹头(2)相连接的连接架(10)，连接架(10)通过吊杆 (11)与横杆(12)连接，横杆(12)通过通孔(14)与棒状原料(5)连接；所述的卡环式补料器包括与重锤夹头(2)相连接的连接架(10)，连接架(10)通过吊杆 (11)与卡环(13)连接，卡环(13)与棒状原料(5)连接。
6. 根据权利要求5所述的补料方法，其特征在于所述的横杆(12)或卡环(13)选用 钼或碳碳复合材料制作。
7. 根据权利要求5所述的补料方法，其特征在于所述的横杆(12)为一字形状、人字 形状或十字形状。
8. 根据权利要求5所述的补料方法，其特征在于所述的卡环(13)为圆形或三角形 状，卡环选用硬质卡箍或软质材料。
9. 一种直拉单晶的补料装置，其特征在于包括穿孔式补料器或卡环式补料器两种形式，所述的穿孔式补料器包括与重锤夹头(2)相连接的连接架(10)，连接架(10)通过吊杆(11)与横杆(12)连接；所述的卡环式补料器包括与重锤夹头(2)相连接的连接架(10)，连接架(10)通过吊杆 (11)与卡环(13)连接。
10. 根据权利要求9所述的补料装置，其特征在于所述的横杆(12)为一字形状、人字 形状或十字形状；所述的卡环(13)为圆形或三角形状，卡环(13)选用硬质卡箍或软质材 料。
全文摘要
本发明公开了一种直拉单晶的补料方法，采用棒状原料作为补料材料，将棒状原料夹持在补料器中，合炉后在熔料过程中操纵重锤夹头下降，使棒状原料下降至石英坩埚的上方进行预热，当石英坩埚中的原料熔化完后，操纵重锤夹头继续下降，使得棒状原料下降至熔硅中进行熔化，完成补料。本发明还公开了上述补料方法采用的装置，包括穿孔式补料器或卡环式补料器两种形式，所述穿孔式补料器包括与重锤夹头相连接的连接架，连接架通过吊杆与横杆连接；所述卡环式补料器包括与重锤夹头相连接的连接架，连接架通过吊杆与卡环连接。本发明的补料方法及装置能够实现棒状原料的补料，降低了生产成本。
文档编号C30B15/00GK101698960SQ20091030946
公开日2010年4月28日 申请日期2009年11月9日 优先权日2009年11月9日
发明者张健, 李定武, 梁永生 申请人:西安隆基硅材料股份有限公司;西安隆基硅技术有限公司;宁夏隆基硅材料有限公司;西安矽美单晶硅有限公司