一种可测量硅芯直径的硅芯炉的制作方法

本实用新型涉及多晶硅生产领域，具体而言，涉及一种可测量硅芯直径的硅芯炉。

背景技术：

随着世界能源危机的日益严重，绿色能源、能源多元化、可再生能源的利用成了我国可持续发展的战略选择，其中太阳能光伏发电成了当前电力科技者研发的热门课题之一。多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料，多晶硅纯度越高，电子性能越好，相应光电转换率提高。西门子法多晶硅生长必须依靠硅芯作为生长的载体，在硅芯表面进行化学气相沉积生长多晶硅棒。

传统的硅芯拉制都是依靠人工观察来掌握硅芯生长的直径，通过肉眼观察随时调整硅芯的拉速、硅芯母料的跟随比掌握硅芯直径，但由于人工观察存在误差，拉制出的硅芯存在直径细或直径粗等现象，造成硅芯直径不合格无法使用而成废品、相应消耗的氩气、人工、电等造成综合成本浪费。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种可测量硅芯直径的硅芯炉，以解决在硅芯拉制过程中人工观察硅芯直径导致观测误差较大、浪费人力的问题，一方面也提高了产品的合格率。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种可测量硅芯直径的硅芯炉，其包括：

形成空腔的炉体，炉体具有形成空腔的炉壁，炉壁上设有透明的观察窗；

固定设置于炉体内的线圈，线圈上设置有供硅芯通过的通孔，线圈通过在通电的情况下能够产生高频感应电流给母料提供熔化的热量；线圈下方设置有用于承托母料的安装座，安装座与升降机构传动连接；

设置于线圈上方的牵引装置，用于向上拉动硅芯；

直径测量系统，直径测量系统包括设置于观察窗外的光电测距仪以及控制器，光电测距仪用于检测安装于安装座上的硅芯外表面与自身的距离；控制器与光电测距仪通过导线与光电测距仪电连接；

显示装置，显示装置与控制器电连接。

在本实用新型的一种实施例中：

直径测量系统包括至少一个光电测距组合，每个光电测距组合均包含至少一个光电测距仪，属于同一个光电测距组合的各光电测距仪均用于检测同一个安装座上的硅芯；各光电测距组合各自检测不同的安装座上的硅芯。

在本实用新型的一种实施例中：

光电测距组合中至少包含两个在水平方向上间隔设置的光电测距仪。

在本实用新型的一种实施例中：

光电测距组合中至少包含两个在竖直方向上间隔设置的光电测距仪。

在本实用新型的一种实施例中：

观察窗包括前观察窗和后观察窗，前观察窗和后观察窗分别设置于炉体相对的两侧。

在本实用新型的一种实施例中：

前观察窗和后观察窗均为耐高温玻璃制成,观察窗中间有水夹套进行冷却。

在本实用新型的一种实施例中：

线圈上具有五个供硅芯通过的通孔。

在本实用新型的一种实施例中：

线圈上的5个通孔按周向环绕排列，使得通过5个通孔的5个硅芯中，3个硅芯与前观察窗相对，另外2个硅芯与后观察窗相对。

在本实用新型的一种实施例中：

光电测距组合还包括基座，各光电测距仪设置于基座上，炉体外侧设置有导轨，基座可滑动地设置于导轨上。

在本实用新型的一种实施例中：

直径测量系统还包括与基座传动连接的驱动部，驱动部用于驱动光电测距组合沿导轨移动。

本实用新型实施例的有益效果是：

本实用新型的可测量硅芯直径的硅芯炉包括形成空腔的炉体、设置于炉体内的线圈、用于牵引硅芯的牵引装置、直径测量系统以及显示装置。炉体具有形成空腔的炉壁，炉壁上设置有透明的观察窗。炉体内设置有安装座，安装座用于承托母料并能够向上移动。直径测量系统包括设置于观察窗外的光电测距仪以及控制器，光电测距仪用于检测安装于安装座上的硅芯外表面与自身的距离；控制器与光电测距仪通过导线与光电测距仪电连接。显示装置与控制器电连接，控制器能够将从光电测距仪接收到的信号换算成硅芯直径，在显示装置上显示出来。可以令光电测距仪的发射端正对待检测的硅芯的所在位置。在生产前，记录光电测距仪的发射端距离硅芯的轴线的距离。硅芯拉制过程中，实时检测硅芯的外表面与光电测距仪的距离，该距离与生产前记录的发射端距离硅芯轴线的距离之差即为硅芯的半径，从而得到硅芯的直径。该硅芯炉可以实时监测硅芯的直径，并通过显示装置显示出来，人工可直接读取显示数据，再根据数据进行调节安装座上母料的跟随比。不用经常通过人眼观察，保护身体健康。由于能够准确掌握硅芯的直径尺寸，提高硅芯合格率，因此减少人工、物料的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例中硅芯炉的第一视角示意图；

图2为本实用新型实施例中硅芯炉的内部示意图；

图3为本实用新型实施例中光电测距组合的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中线圈的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中硅芯炉的第二视角示意图；

图6为本实用新型实施例中直径测量系统的电连接示意图。

图标：100-硅芯炉；110-炉壁；112-前观察窗；114-后观察窗；115-安装座；116-硅芯；118-母料；120-光电测距组合；122-基座；124-光电测距仪；126-导轨；130-控制器；140-显示装置；150-线圈；151-线圈本体；152-通孔；153-电极；160-牵引装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型的实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

图1为本实用新型实施例中硅芯炉100的第一视角示意图；图2为本实用新型实施例中硅芯炉100的内部示意图；图3为本实用新型实施例中硅芯炉100的第二视角示意图；图4为本实用新型实施例中线圈150的结构示意图；图5为本实用新型实施例中光电测距组合120的结构示意图；图6为本实用新型实施例中直径测量系统的电连接示意图。请参照图1至图6，本实施例提供一种可测量硅芯直径的硅芯炉100，其包括形成空腔的炉体、设置于炉体内的线圈、设置于炉体内的牵引装置、设置于炉体外的直径测量系统以及显示装置140。炉体具有形成空腔的炉壁110，空腔用于硅芯116的拉制，炉壁110上设置有透明的观察窗。炉体内设置有安装座115，安装座115用于承托母料118。直径测量系统包括设置于观察窗外侧的光电测距仪124(见图2)以及设置于炉体外的控制器130(见图6)，光电测距仪124用于透过观察窗检测线圈150上方拉制成型的硅芯116外表面与自身的距离；控制器130与光电测距仪124通过导线与光电测距仪124电连接。显示装置140与控制器130电连接，控制器130能够将从光电测距仪124接收到的信号换算成硅芯116直径，在显示装置140上显示出来。在本实施例中，光电测距仪124正对硅芯116的中心轴线位置，光电测距仪124的发射端与硅芯116中心轴线的距离可以在生产前被记录下来，硅芯拉制过程中，硅芯的外表面与光电测距仪124的距离被光电测距仪124实时监测，该距离与生产前记录的发射端距离硅芯轴线的距离之差即为硅芯的半径，从而得到硅芯的直径。光电测距仪124为市售的光电测距仪，比如型号Disto S910。

在本实施例中，炉体包括形成筒状的炉壁110，炉壁110上开设有观察窗，观察窗包括前观察窗112和后观察窗114，前观察窗112和后观察窗114分别设置于炉体相对的两侧。两个观察窗也可以方便工作人员对炉体内部情况进行直接观测，以验证直径测量系统的测量结果。而且两个观察窗便于观察到所有的硅芯116。进一步的，观察窗为耐高温玻璃制成。可选的，观察窗内设置有水夹套进行冷却。

请参照图3和图4，炉体的底部设置有用于承托母料118的安装座115。安装座115与一个升降机构(图未示)传动连接，使得母料118的熔融上表面能够在硅芯116被向上拉出时，时刻保持与线圈150的适当距离，即保持适当的跟随比来使拉出的硅芯116直径均匀。升降机构在本实施例中，可以是气缸、直线电机等，升降机构的用电可以来自炉体外部的电源(图未示)。

线圈150为多芯高频线圈，能够产生高频感应电流来给母料118提供熔化的热量。线圈150包括线圈本体151以及连接于线圈本体151的电极153，线圈本体151上具有按周向环绕设置的5个通孔，5个通孔152用于在拉制过程中硅芯116通过，电极153通过导线连接于外部的电源。通电时，线圈150产生热量使其能够熔化母料118上表面的部分硅料，熔融的硅料在表面张力的作用下向上填入通孔152中，然后通孔152中的硅芯116上端凝固成型，被牵引装置160向上拉出。牵引装置160与升降机构的原理类似，只不过是用于将硅芯116向上拉起，这样在拉制过程中，母料118上表面不断被线圈150融化，熔融的硅料穿过线圈上的通孔，凝固成硅芯116并被拉出。当线圈150上方的硅芯116长度达到要求后停止拉制。

在本实施例中，前观察窗112对应其中三个硅芯116，以检测这三个硅芯116；后观察窗114用于检测另外两个硅芯116。

请参考图2和图3，直径测量系统包括五个光电测距组合120，每个光电测距组合120均包含基座122以及设置于基座122的四个光电测距仪124，属于同一个光电测距组合120的各光电测距仪124均用于检测同一个硅芯116，即均正对同一底座上硅芯116的中心轴线。各光电测距组合120分别检测五个不同的硅芯116。应注意，为了简洁表示，图2中的硅芯116分别只示出了三个。

进一步的，其中三个光电测距组合120设置于前观察窗112外，以检测对应于前观察窗112的三个硅芯116；另两个光电测距组合120设置于后观察窗114外，以检测对应于后观察窗114的两个硅芯116。

每一个光电测距组合120上的四个光电测距仪124均按照矩形阵列排布，四个光电测距仪124分别位于共同形成的矩形的四个顶角，使得光电测距组合120中既有水平间隔设置的两个光电测距仪124，也有竖直方向间隔设置的两个光电测距仪124。四个光电测距仪124共同检测同一个硅芯116，并且从多个方向、角度对硅芯116进行检测，检测的数据可以分别用来分析或者整合起来(比如得到平均直径)，这样检测结果更加可靠。通过已经拉制出的硅芯116的直径，来判断是否应该调整母料118的跟随比，当直径较细时，母料118应更快的向上移动以提供充足的熔融硅料，或者降低牵引装置160的拉速，来提高跟随比；反之则应当考虑减小母料118的跟随比。跟随比即是供料的速率与牵引的速率之比。

应当理解，在本实用新型的其他实施例中，每个光电测距组合120也可以仅仅包含一个光电测距仪124，总共五个光电测距仪124分别检测五个硅芯116的直径。

如图5所示，可选的，炉体外侧设置有五副导轨126，每副导轨126均包含竖直平行设置的两根轨道，基座122可滑动地设置于导轨126上，使得整个光电测距组合120的高度可调节，以检测硅芯116不同高度位置的直径。在此实施例中，导轨126的两端与炉壁110外侧固定连接，其中间部分与炉壁110及观察窗平行间隔设置。直径测量系统还包括与基座122传动连接的驱动部(图未示)，驱动部用于驱动光电测距组合120沿导轨126移动，驱动部可以是固定设置于炉体外侧来推动基座122(比如驱动部为汽缸)，也可以是设置于基座122上来驱动基座122(比如轨道为齿条，驱动部为带齿轮的电机)。当然，在本实用新型的其他实施例中，各个光电测距组合120可以通过支架直接假设在炉体外的地面上，也可以通过可调节的支架来调整光电测距组合120的高度。

在本实施例中，控制器130用于接收和处理光电测距仪124反馈的信号，并将硅芯116的直径信息在显示装置140上显示，控制器130可以是PLC、PC以及单片机；显示装置140可以是液晶显示器。

综上所述，本实用新型的可测量硅芯直径的硅芯炉包括形成空腔的炉体、设置于炉体内的线圈、用于牵引硅芯的牵引装置、直径测量系统以及显示装置。炉体具有形成空腔的炉壁，炉壁上设置有透明的观察窗。炉体内设置有安装座，安装座用于承托母料并能够向上移动。直径测量系统包括设置于观察窗外的光电测距仪以及控制器，光电测距仪用于检测安装于安装座上的硅芯外表面与自身的距离；控制器与光电测距仪通过导线与光电测距仪电连接。显示装置与控制器电连接，控制器能够将从光电测距仪接收到的信号换算成硅芯直径，在显示装置上显示出来。可以令光电测距仪的发射端正对待检测的硅芯的所在位置。在生产前，记录光电测距仪的发射端距离硅芯的轴线的距离。硅芯拉制过程中，实时检测硅芯的外表面与光电测距仪的距离，该距离与生产前记录的发射端距离硅芯轴线的距离之差即为硅芯的半径，从而得到硅芯的直径。该硅芯炉可以实时监测硅芯的直径，并通过显示装置显示出来，人工可直接读取显示数据，再根据数据进行调节安装座上母料的跟随比。不用经常通过人眼观察，保护身体健康。由于能够准确掌握硅芯的直径尺寸，提高硅芯合格率，因此减少人工、物料的浪费。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。