一种单晶炉的物料缓冲装置的制作方法

本实用新型涉及一种单晶炉的部件，特别涉及一种单晶炉的物料缓冲装置。

背景技术：

硅材料按照晶体结构可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。单晶硅材料是指硅原子在三维空间有规律周期性的不间断排列，形成一个完整的晶体材料，材料性质体现的是各向异性，即在不同的晶体方向上各种性质都存在差异。多晶硅材料则是指由两个以上尺寸不同的单晶硅组成的硅材料，它的材料性质体现的是各向同性。非晶硅材料是指硅原子在短距离内有序排列而在长距离内无序排列的硅材料，其材料的性质显示各向同性。对于多晶硅来说，熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，结晶成多晶硅。若熔融的单质硅在凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。

目前制造单晶硅的方法主要有直拉法、磁场直拉法、区熔法以及双坩埚拉晶法。单晶炉是一种在保护性气体（氮气、氦气为主）环境中，用加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。单晶炉广泛用于太阳能光伏发电的单晶硅棒制造和半导单晶硅棒的制造。太阳能光伏发电是全世界公认的清洁能源，它取之不尽，用之不竭，是人类发展所需的理想的能源，世界各国都在大力发展。但是，其发展受制于两个瓶颈，一是受制于材料的光电转换效率，二是太阳能光伏发电组件制造成本较高，尤其是前期制造所需要消耗的能源比较高，因此整体应用和普及速度不快。在光电转换效率方面，虽然近几年有了一定的提高，单位组件的成本也有下降，推动了光伏产业的发展。但由于转换效率有极限限制，提升空间越来越窄，后续发展空间很少，从而转换效率的因素对后续快速发展光伏发电的动能越来越小。

目前降低制造单晶硅的能耗的改进主要围绕两个方面进行，一是改变投料的方式，也即将停炉投料改变为不停炉投料。二是改变拉制单晶硅棒方法，也即由分步法拉制单晶硅棒改变为连续法拉制单晶硅棒。

对于不停炉投料，中国专利文献CN101403136A（专利申请号为200810175871.1以下简称文献1）公开了一种硅单晶炉连续投料装置及设有该装置的硅单晶炉。文献1多出了一个设置在硅单晶炉主室上部的硅单晶炉副室，所述的硅单晶炉连续投料装置设置在副室中。所述的硅单晶炉装置包括料筒，料筒的底边内翻并卡设一硅片。使用时料筒中装有硅原料，料筒进入副室后，由上向下由其上部外侧坐落在设置在主室的上端开口处的销轴上，通过相应的传动机构使得压杆向下运动，从而压碎硅片，而使得硅片与硅原料一起落入石英坩埚的溶硅液面，而完成投料。文献1的投料装置能够在不开炉的条件下,连续向石英坩埚内投料,使得硅单晶炉产量和成品率增高,降低能耗和成本。但是却存在结构及操作较为复杂的问题。另外，由于这种投料方式是将一炉料一次性投下，在完成一炉原料拉晶生产后，在不停炉的情况下，为准备新一炉的原料，而进行的投料方面的改进，故无法进行单晶硅棒的连续拉制。

中国专利文献CN10231228A（专利申请号为201110186157.4，以下简称文献2）公开了一种用于单晶炉的外部连续投料机构。该投料机构包括一个带密封盖的料仓。料仓底部设放料阀门。放料阀门接于一根放料内管。放料内管的外面套设一根放料外管。放料外管与一个用于实现放料外管沿放料内管延长方向伸缩的传动机构连接。放料内管、放料外管及传动机构均设于气密筒中。气密筒底端设一个球阀或翻板阀。单晶炉的主炉室上部设有一投料口，投料口与球阀或翻板阀气密连接。文献2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。虽然该投料方式节省了停炉冷却、擦炉、装料、抽真空、化料等步骤所需的时间，大幅提高了生产效率。但是，其投放多晶硅料时，物料直接在重力作用下沿内管和外管形成的通道下降，产生较大的速度，故对液面的稳定性无法控制。

在连续法拉制单晶硅棒方面，可参考中国专利文献CN106544726A（申请号为201611076542 .2，以下简称文献3）所公开的“一种拉晶、加料、化料、分离杂质同步进行的连续拉制单晶硅棒的方法”。该方法包括在坩埚内装料，加热化料，拉晶、加料、化料、分离杂质同步进行。通过提拉装置上的一个提拉头拉成规定长度或一定长度的棒；通过转换提拉装置上的另一个提拉头后继续拉晶、加料、化料、分离杂质；重复拉制直至硅棒品质因杂质影响接近标准要求，然后停炉、清炉。该方法通过拉晶、加料、化料、分离杂质同步进行，节省了以前装料、化料、晶棒冷却、停炉、清炉的时间，通过两个可以重复切换的提拉头，冷却、取棒都和拉晶同步进行，大大节约了时间。在拉制过程中逐步添加母合金，消耗量和添加量一致，因此用该文献的方法拉晶大大提高了硅棒的品质，在拉晶时可以控制使得拉出晶体质量和添加硅料质量一致，从而可使得长晶液面位置恒定，长晶液面的温度波动可以很小，长晶时就会很稳定，一般情况原材料品质没有问题，连续拉制可以一个月以上。但是，该方法在投料方面未给出具体的方案，如果采用已有技术的方案，则将会造成液面不稳定或者熔化硅液的飞溅。

见文献2的图2，如果认为文献3在制造单晶硅棒和半导体单晶硅棒的过程中采用该图所示的装置的话，首先需要通过外部连续投料机构1将固体硅料投进位于单晶炉的主炉室（也即炉体）中的坩埚内，通过加热装置使已投进坩埚内的固体硅料熔化为液体硅料，然后利用籽晶将熔化后的液体硅料旋转拉伸制成晶体。现有技术的固体硅料的尺寸在50mm左右或者在50mm以上，这样的固体硅料从炉体的进料口下降至位于炉体内的坩埚的液体硅料的液面的势能为炉体的进料口至液体硅料的液面的距离乘以固体硅料的质量。因此，固体硅料投到坩埚内的液面时对液面的冲击力会很大，液面会出现很大的波动，液体硅料也容易溅起来，而晶体生长需要平稳的液面环境，液面出现大的波动，会影响晶体的稳定生长，甚至出现多晶生长现象。若通过减少固体硅料的尺寸来减少固体硅料的下降势能（即将固体硅料粉碎），而粉碎固体硅料需要专门的设备和人员，这样会使单晶硅棒的生产成本大大增加，而且粉碎固体硅料还会影响周围环境。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种使用时有利于降低生产成本、不影响周围环境、有利于晶体的稳定生长且不会出现多晶生长现象的单晶炉的物料缓冲装置。

为达到上述目的，本实用新型采取如下技术方案：本实用新型的单晶炉的物料缓冲装置包括筒体、左挡板和右挡板；所述的筒体的上端设有进料口，下端设有出料口；所述左挡板和右挡板的数量相等，或者两者相差一块，并且两者相间设置；各块左挡板按照左高右低的方式固定连接在筒体的内壁上；各块右挡板按照左低右高的方式固定连接在筒体的内壁上，且位于左挡板的对面；相邻的左挡板与右挡板之间具有一定的距离，该距离大于使用中所投入的固体硅料颗粒的粒径，并且上侧挡板的下边沿位于相邻的下侧挡板的板体的上方。

所述的物料缓冲装置是材质为石英玻璃的一体件，且左挡板的除右边沿以外的其余边沿部位均与筒体的内壁相连，右挡板的除左边沿以外的其余边沿部位也均与筒体的内壁相连。

所述的物料缓冲装置的筒体的形状为圆柱形筒体、椭圆柱形筒体或者是长方体形的筒体。

所述的物料缓冲装置的筒体优选长方体形的筒体，包括左侧壁、右侧壁、前壁和后壁。所述左侧壁、前壁、右侧壁、后壁依次相连，且后壁再与左侧壁相连，从而围合成上下端均开口的长方体形的筒体；所述左挡板按照左高右低的方式由其前边沿、左边沿和后边沿依次连接在前壁、左侧壁和后壁上；所述右挡板按照左低右高的方式由其前边沿、右边沿和后边沿依次连接在前壁、右侧壁和后壁上。

所述的物料缓冲装置的左挡板与右挡板之间的最小距离优选大于50mm。

所述的物料缓冲装置的左挡板为矩形板体，其上表面的左右边沿均沿相应的水平线设置，左挡板的右边沿所在水平面与左挡板的上表面所在平面的交角的锐角为40°至50°的角度。

所述的物料缓冲装置的右挡板为矩形板体，其上表面的左右边沿均沿相应的水平线设置，右挡板的左边沿所在水平面与右挡板的上表面所在平面的交角的锐角为40°至50°的角度。

本实用新型具有如下积极效果：（1）由于本实用新型包括筒体、左挡板和右挡板，所述筒体为上下端均开口的长方体形的筒体，左挡板以左高右低的方式倾斜设置在筒体的内壁上，右挡板则以左低右高的方式倾斜设置在筒体的内壁上，且各左挡板与右挡板之间相间布置。本实用新型的实施例1中，相邻的左挡板与右挡板之间的距离（是指两者最接近的部位之间的距离）大于固体硅料颗粒的大小，例如大于50mm，因而固体硅料通过筒体上端的进料口落下时，先落在第一右挡板上，再依次落在第一左挡板、第二右挡板、第二左挡板和第三右挡板上，然后才会经过筒体的出料口到达位于石英坩埚内的液体硅料的液面，这样可以减少固体硅料的下降势能，使液体硅料的液面会不会出现很大的波动，液体硅料也不容易溅起来，确保液面的平稳性，有利于晶体的平稳生长，也不会出现多晶生长现象。（2）由于采用本实用新型的单晶炉的物料缓冲装置后，不再需要通过减少固体硅料的尺寸来减少固体硅料的下降势能，也不再需要专门的设备和人员，这样会使单晶硅棒的生产成本大大降低，也不会因为粉碎固体硅料而影响周围环境。（3）与现有技术相比，本实用新型的不仅适合用于拉制新的硅单晶棒的固体硅料的新一炉的重新加料，还适用于可以用于拉制新的硅单晶棒的固体硅料的连续加料，更适用于拉晶过程中的连续加料。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1的俯视示意图。

图3是本实用新型与自动加料机构、单晶炉的炉体的连接示意简图，实际拉晶时拉晶装置等未画出。

上述附图中的附图标记如下：单晶炉的物料缓冲装置10，筒体1，左侧壁11，右侧壁12，前壁13，后壁14，周向凸出部15，左挡板2，第一左挡板21，第二左挡板22，右挡板3，第一右挡板31，第二右挡板32，第三右挡板33，固体硅料7，炉盖100，进料口101，保温盖102，自动加料机构103，坩埚104，引导管105。

具体实施方式

（实施例1）

见图1和图2，一种单晶炉的物料缓冲装置是材质为石英玻璃的一体件，包括筒体1和多块挡板。各块挡板在上下方向上依次设置，且按照所处的左右位置的不同而分为左挡板2和右挡板3。所述的筒体1的上端设有进料口，下端设有出料口。所述左挡板2和右挡板3的数量相等，或者两者相差一块，并且左挡板2和右挡板3相间设置。各块左挡板2按照左高右低的方式固定连接在筒体1的内壁上，且左挡板2的除右边沿以外的其余边沿部位均与筒体1的内壁相连。各块右挡板3按照左低右高的方式固定连接在筒体1的内壁上，且位于左挡板2的对面，并且右挡板3的除左边沿以外的其余边沿部位也均与筒体1的内壁相连。相邻的左挡板2与右挡板3之间具有一定的距离，该距离大于使用中所投入的固体硅料颗粒的粒径，并且上侧挡板的下边沿（对于左挡板2来说是指右边沿，对于右挡板3来说是指左边沿）位于相邻的下侧挡板的板体的上方。

所述筒体1优选为上端设有进料口，下端设有出料口的长方体形的壳体，筒体1的上端外侧为凸出部位，作为筒体1的周向凸出部15。筒体1的其余部分则为筒主体。筒主体的长宽高的尺寸为100×80×400，也即左右向长度为100mm、前后向长度为80mm、高度为400mm。在其他实施例中，筒主体也可以是圆柱形筒体或椭圆柱形筒体。

筒体1包括左侧壁11、右侧壁12、前壁13和后壁14，且筒体1各侧的壁厚为5mm。所述左侧壁11、前壁13、右侧壁12和后壁14依次相连，且后壁14再与左侧壁11相连，从而围成筒体1。

所述左挡板2和右挡板3均为大小相同矩形板体，且左右向长度均为80mm，前后向长度也均为80mm，板厚为3mm。所述左挡板2有2块，且按照的从上至下的次序依次称为第一左挡板21和第二左挡板22。每块左挡板2均按照左高右低的方式由其前边沿、左边沿和后边沿依次连接在前壁13、左侧壁11和后壁14上，且各块左挡板2相互平行，并且每块左挡板2的上表面的左右边沿均沿相应的水平线设置，左挡板2的右边沿所在水平面与左挡板2的上表面所在平面的交角的锐角为40至50度的角度。

所述右挡板3有3块，且按照的从上至下的次序依次称为第一右挡板31、第二右挡板32和第三右挡板33。每块右挡板3均按照左低右高的方式由其前边沿、右边沿和后边沿依次连接在前壁13、右侧壁12和后壁14上，且各块右挡板3相互平行，并且每块右挡板3的上表面的左右边沿均沿相应的水平线设置，右挡板3的左边沿所在水平面与右挡板3的上表面所在平面的交角的锐角为40至50度的角度。

所述左挡板2和右挡板3相间布置，相邻的左挡板2与右挡板3之间的最小距离大于50mm。在上下方向上，第一右挡板31位于筒体1的最上方，且其左边沿位于第一左挡板21的上下向的中间位置，第二右挡板32的左边沿位于第一左挡板21的右边沿与第二左挡板22的右边沿之间，第三右挡板33位于筒体1的最下方，并且第一左挡板21的右边沿位于第一右挡板31的左边沿与第二右挡板32的左边沿之间，第二左挡板22的右边沿位于第二右挡板32的左边沿与第三右挡板33的左边沿之间。

见图3，本实施例的单晶炉的物料缓冲装置10在使用时，采用相应的自动加料机构103，并在炉盖100上设置进料口101，该进料口101可以设置在炉盖100的侧部（也可以设置在炉盖100的顶部）。再将物料缓冲装置10设置在单晶炉的热场部件的保温盖102上。具体结构是在保温盖102上开设方形的安装孔，该安装孔的大小与筒体1的筒主体的外周大小相对应，筒体1由上向下穿过该安装孔，且由其周向凸出部15坐落在保温盖102的设置该安装孔的部位处。或者是筒体1不设置周向凸出部15，而采用尺寸相对应的棱台壳形，当筒体1由上至下穿过安装孔时，则被卡在安装孔上。当然，筒体1还可采用圆台壳形的形状，且安装孔选择相应尺寸的圆形孔；或者筒体1还可采用椭圆台壳形的形状，且安装孔选择相应尺寸的椭圆形孔。

物料缓冲装置10的底部位于坩埚104中的液体硅料的液面的实际到达最高高度上方的4至5厘米处。还在进料口101与物料缓冲装置10之间设置材质为石英玻璃的引导管105。当自动加料机构103将固体硅料7投进单晶炉的进料口101时，固体硅料7通过导引管105的引导经过筒体1的进料口后先落在第一右挡板31上，再依次落在第一左挡板21、第二右挡板32、第二左挡板22和第三右挡板33上，然后才会经过筒体1的出料口到达位于坩埚104中的液体硅料的液面。这样可以减少固体硅料7的下降势能，使液体硅料的液面会不会出现很大的波动，液体硅料也不容易溅起来，确保液面的平稳性，而有利于对晶体进行平稳拉伸，也不会出现多晶生长现象。采用本实用新型的单晶炉的物料缓冲装置10后，不再需要通过减少固体硅料7的颗粒大小来减少固体硅料7的下降势能，这样会使单晶硅棒的生产成本大大降低，也不需要配备专门粉碎设备，从而消除了因为粉碎固体硅料7而对周围环境的影响。

本实施例的单晶炉的物料缓冲装置用于全自动连续拉晶单晶炉后，能使不经粉碎的固体硅料7投入后，晶体可以稳定地拉伸并不再出现多晶生长现象。

以上实施例以及相应的应用是对本实用新型的具体实施方式的说明，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本实用新型的专利保护范围。