单晶炉用充气装置

技术领域

本发明涉及单晶炉领域，具体涉及一种单晶炉用充气装置。

背景技术

单晶炉是一种在真空负压状态下用石墨加热器将多晶硅原料融化，用直拉法生长无错位单晶的设备。在拉晶过程中，需要连续不断地向炉体内部冲入氩气，从而保证晶体生长的惰性气体环境。

目前随着单晶炉的发展行业竞争日益激烈，通过一埚多棒，延长单炉次的拉晶时间，是降低成本的重要手段。但随着单炉次拉晶时间的延长，炉内氛围会不断恶化，硅溶液产生挥发物会不断增加，严重影响成晶率。

而现有的单晶炉充气装置的充气方式单一，也即在拉晶的不同阶段均只能用单路充气方式进行充气，影响单晶的成晶率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单晶炉用充气装置，能够满足单晶炉在不同阶段切换不同的充气方式，优化炉内氛围，提高成晶率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明实施例的单晶炉用充气装置，单晶炉包括副炉室、旋阀和主炉室，所述旋阀连接于所述副炉室与主炉室之间，可通过开启所述旋阀以连通所述副炉室与主炉室；其中，所述充气装置包括：总进气口，与所述总进气口连接的压力调节件，进口与所述压力调节件连通、出口与所述副炉室连通的第一充气管路，进口与所述压力调节件连通、出口与所述旋阀连通的第二充气管路，以及，进口与所述压力调节件连通、出口与所述主炉室连通的主炉室充气管路；所述第一充气管路包括：进口与所述压力调节件连通、出口与所述副炉室连通、且可使气体以第一预设速度进入所述副炉室的快充管路，以及，进口与所述压力调节件连通，出口与所述副炉室连通，且可使气体以小于第一预设速度的第二预设速度进入所述副炉室的慢充管路。

进一步地，所述主炉室上设置有轴线平行于所述主炉室径向方向的第一侧吹进气口、第二侧吹进气口，以及轴线垂直于所述主炉室径向方向的下吹进气口；在沿着所述主炉室的高度方向上，所述第一侧吹进气口位于所述第二侧吹进气口和所述下吹进气口之间；所述第一侧吹进气口设置有两个，且沿所述主炉室径向方向对称分布；所述第二侧吹进气口和所述下吹进气口均设置有多个且沿所述主炉室的圆周方向均匀分布；

所述主炉室充气管路包括：进口与所述压力调节件连通、出口与所述下吹进气口连通的第三充气管路，进口与所述压力调节件连通、出口与所述第二侧吹进气口连通的第四充气管路，以及，进口与所述压力调节件连通、出口与所述第一侧吹进气口连通的第五充气管路。

进一步地，所述快充管路包括第一快充管路和第二快充管路；所述第一快充管路包括快充电磁阀，所述第二快充管路包括手动阀。

进一步地，所述手动阀为手动球阀。

进一步地，所述充气装置还包括：第一四通；所述第一四通的四个接口分别连通所述压力调节件、所述第二充气管路、所述第一快充管路以及所述第二快充管路。

所述第一快充管路，充气时，气体从所述总进气口流入所述压力调节件、第一四通、快充电磁阀后进入所述副炉室。

所述第二快充管路，充气时，气体从所述总进气口流入所述压力调节件、第一四通、手动阀后进入所述副炉室。

进一步地，所述充气装置还包括：设置在所述压力调节件和所述第三充气管路之间的第一质量流量计。

进一步地，所述第三充气管路包括第一电磁阀，充气时，气体从所述总进气口流入所述压力调节件、第一质量流量计、第一电磁阀后进入所述主炉室。

进一步地，所述充气装置还包括：第二四通；所述第二四通的四个接口分别连通所述压力调节件、所述第四充气管路、所述第五充气管路以及所述慢充管路。

进一步地，所述充气装置还包括设置在所述压力调节件和所述第二四通之间的第二质量流量计。

进一步地，所述第四充气管路包括第二电磁阀，充气时，气体从所述总进气口流入所述压力调节件、第二质量流量计、第二四通、第二电磁阀后进入所述主炉室。

进一步地，所述第五充气管路包括第三电磁阀，充气时，气体从所述总进气口流入所述压力调节件、第二质量流量计、第二四通、第三电磁阀后进入所述主炉室。

进一步地，所述第二快充管路的进出口分别连通所述快充电磁阀的两侧，且所述第二快充管路的出口设置在所述第一快充管路上；所述第一快充管路的出口设置在所述慢充管路上。

进一步地，所述慢充管路上设置有仅用于使气体沿着自所述第二质量流量计向所述副炉室流动的单向阀。

进一步地，所述慢充管路上还设置有慢充电磁阀，所述慢充电磁阀位于所述第二四通和所述单向阀之间。

进一步地，所述第二充气管路包括吹扫电磁阀，充气时，气体从所述总进气口流入所述压力调节件、第一四通、吹扫电磁阀后进入所述旋阀。

进一步地，所述充气装置具有以下充气模式：

在单晶硅制备的化料阶段，气体通过所述慢充管路进入所述副炉室;

在单晶硅制备的前期等径阶段，气体通过所述慢充管路和所述第三充气管路进入所述主炉室；

在单晶硅制备的后期等径阶段，气体通过所述慢充管路和所述第四充气管路进入所述主炉室；

在单晶硅制备的二次加料过程中，气体通过所述第五充气管路进入所述主炉室；

在单晶硅制备的二次加料完成后，气体通过所述第二充气管路进入所述旋阀；

在所述副炉室处于开启状态时，气体通过所述快充管路进入所述副炉室。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

本发明公开的单晶炉用充气装置，该充气装置通过第一充气管路、第二充气管路和主炉室充气管路分别连通单晶炉的副炉室、旋阀和主炉室，利用第一充气管路、第二充气管路和主炉室充气管路分别对副炉室、旋阀和主炉室进行充气，并且将第一充气管路进一步划分为快充管路和慢充管路，以满足单晶炉的不同阶段切换不同的充气方式，保证炉内较低量的挥发物，优化炉内氛围，提高成晶率。

进一步地，本发明公开的充气装置中，将快充管路划分为通过快充电磁阀自动控制的第一快充管路和通过手动阀门控制的第二快充管路，当快充电磁阀发生故障时，可通过手动阀门控制第二快充管路向副炉室充气，保证充气装置能够正常工作。

更进一步地，本发明公开的充气装置中设置了第一四通和第二四通，并优化了各充气管路的布局，使得充气装置整体结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单晶炉用充气装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中的单晶炉的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的单晶炉用充气装置中的第一充气管路的结构示意图；

图4为应用本发明实施例提供的单晶炉用充气装置在单晶炉开炉阶段中充气的气体流向示意图；

图5为应用本发明实施例提供的单晶炉用充气装置在单晶炉加料完成后充气的气体流向示意图；

图6为应用本发明实施例提供的单晶炉用充气装置在单晶炉化料阶段中充气的气体流向示意图；

图7为应用本发明实施例提供的单晶炉用充气装置在单晶炉后期等径阶段中充气的气体流向示意图；

图8为应用本发明实施例提供的单晶炉用充气装置在单晶炉前期等径阶段中充气的气体流向示意图；

图9为应用本发明实施例提供的单晶炉用充气装置在单晶炉加料过程中充气的气体流向示意图。

附图标记：

a、副炉室；a1、副炉室进气口；b、旋阀；c、主炉室；c0、炉盖；c1、分流法兰；c11、第一侧吹进气口；c12、第二侧吹进气口；c2、下吹进气口；

11、第一充气管路；11a、第一快充管路；11a1、快充电磁阀；11b、慢充管路；11b1、慢充电磁阀；11b2、单向阀；11c、第二快充管路；11c1、手动阀；12、第二充气管路；121、吹扫电磁阀；13、第三充气管路；131、第一电磁阀；14、第四充气管路；141、第二电磁阀；15、第五充气管路；151、第三电磁阀；20、第一四通；30、压力调节件；310、压力开关；320、调压阀；40、总进气口；50、第一质量流量计；60、第二四通；70、第二质量流量计；80、预留口。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，单晶炉包括副炉室a、旋阀b和主炉室c，旋阀b连接于副炉室a与主炉室c之间，可通过开启旋阀b以连通副炉室a和主炉室c。单晶炉还包括炉盖c0和分流法兰c1，旋阀b和分流法兰c1安装于炉盖c0上，分流法兰c1用于向主炉室c内吹入氩气。分流法兰c1上设有第一侧吹进气口c11、第二侧吹进气口c12以及下吹进气口c2。

其中，第一侧吹进气口c11和第二侧吹进气口c12的轴线平行于主炉室c的径向方向，即气体通过第一侧吹进气口c11和第二侧吹进气口c12以平行于主炉室c径向的方向进入主炉室c。下吹进气口c2的轴线垂直于主炉室的径向方向，即气体通过下吹进气口c2向下进入主炉室c。

在沿着主炉室c的高度方向上，第一侧吹进气口c11位于第二侧吹进气口c12和下吹进气口c2之间。并且，第一侧吹进气口c11设置有两个，且沿主炉室c径向方向对称分布，即2个第一侧吹进气口c11分别位于分流法兰c1的一条直径的两端；第二侧吹进气口c12和下吹进气口c2均设置有多个且沿主炉室c的圆周方向均匀分布。第二侧吹进气口c12的数量可以为16个，下吹进气口c2的数量可以为8-12个。

当然，第二侧吹进气口c12、下吹进气口c2的数量可以根据单晶炉尺寸的大小进行调整，并不仅限于上述数值。

第二侧吹进气口c12、第一侧吹进气口c11和炉盖下吹进气口c2分别形成三组独立的充气通道，三组独立的充气通道分别实现两孔对吹、多孔侧吹以及炉盖下吹。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种单晶炉用充气装置。

具体的，如图1所示，本发明实施例提供的一种单晶炉用充气装置，包括：

总进气口40，

与总进气口40连接的压力调节件30，

进口与压力调节件30连通、出口与副炉室a连通的第一充气管路11，

进口与压力调节件30连通、出口与旋阀b连通的第二充气管路12，以及，

进口与压力调节件30连通、出口与主炉室c连通的主炉室充气管路；

其中，第一充气管路11包括：

进口与压力调节件30连通、出口与副炉室a连通、且可使气体以第一预设速度进入副炉室a的快充管路，以及，

进口与压力调节件30连通，出口与副炉室a连通，且可使气体以小于第一预设速度的第二预设速度进入副炉室a的慢充管路11b。

可见，本发明实施例提供的充气装置至少包括第一充气管路11、第二充气管路12和主炉室充气管路这三条充气管路，三条充气管路连通同一进气口，三条充气管路的出口分别连通副炉室a、旋阀b和主炉室c，分别为副炉室a、旋阀b和主炉室c充气。

其中，为了适应单晶硅拉制不同阶段中副炉室a对于氩气的需求，第一充气管路11根据充气速度的不同又进一步划分为快充管路和慢充管路11b。快充管路的进口与压力调节件30连通、出口与副炉室a连通，快充管路可使气体以第一预设速度进入副炉室a。慢充管路11b的进口与压力调节件30连通，出口与副炉室a连通，慢充管路可使气体以第二预设速度进入副炉室a，第二预设速度小于第一预设速度。

根据控制阀门类型的不同，又进一步将快充管路划分为第一快充管路11a和第二快充管路11c。其中，第一快充管路11a包括快充电磁阀11a1，即第一快充管路11a通过电磁阀进行自动控制；第二快充管路11c包括手动阀11c1，即第二快充管路11c通过手动阀门进行控制。第二快充管路11c常规状态下处于断开状态（即手动阀11c1关闭），当快充电磁阀11a1发生故障无法正常工作时，则开启手动阀11c1，以保证充气系统正常工作。

手动阀11c1优选为手动球阀，手动球阀启闭力矩小，密封不易磨损。

第一快充管路11a、慢充管路11b和第二快充管路11c汇合至同一管路后与副炉室a连通。

充气装置还包括第一四通20。第一四通20的四个接口分别连接压力调节件30、第二快充管路11c、第一快充管路11a和第二充气管路12。

对于第二快充管路11c来说，充气时，气体从总进气口40流入压力调节件30、第一四通20、手动阀11c1后进入副炉室a。

对于第一快充管路11a来说，充气时，气体从总进气口40流入压力调节件30、第一四通20、快充电磁阀11a1后进入副炉室a。

以上充气装置，利用第一充气管路11、第二充气管路12和主炉室充气管路分别对副炉室a、旋阀b和主炉室c进行充气，以满足单晶炉的不同阶段切换不同的充气方式，保证炉内较低量的挥发物，优化炉内氛围，提高成晶率。另外，基于旋阀b与副炉室a的快速充气无需控制流量，将第二快充管路11c、第一快充管路11a和第二充气管路12连接第一四通20的出气口，提高充气装置的结构紧凑性。

进一步地，本发明实施例中，主炉室充气管路包括：进口与压力调节件30连通、出口与下吹进气口c2连通的第三充气管路13，进口与压力调节件30连通、出口与第二侧吹进气口c12连通的第四充气管路14，以及，进口与压力调节件30连通、出口与第一侧吹进气口c11连通的第五充气管路15。

即，第三充气管路13实现主炉室下吹进气，第四充气管路14实现多孔侧吹进气，第五充气管路15实现两孔对吹进气。

压力调节件30包括压力开关310与调压阀320，总进气口40处安装有调压阀320，调压阀320用于控制氩气的进气压力。调压阀320连接压力开关310，压力开关310连接第一四通20以及第三充气管路13，当进气压力低于设定值时会输出报警信号，一般氩气压力设定值为0.25MPa至0.3MPa，压力开关310下侧连接有预留口80，预留口80可额外提供一路氩气进行供气。

在一实施例中，如图3和图4所示，第二快充管路11c的进出口分别连通快充电磁阀11a1的两侧。第二快充管路11c的进气端连接第一四通20的一个接口，出气端设置在第一快充管路11a上。

在一实施例中，充气装置还包括设置在压力调节件30和第三充气管路之间的第一质量流量计50。具体的，第三充气管路13包括第一电磁阀131，第一质量流量计50设置在压力调节件30和第一电磁阀131之间。充气时，气体从总进气口40流入压力调节件30、第一质量流量计50、第一电磁阀131后进入主炉室c。第一质量流量计50用于控制以下吹进气方式输入主炉室c的氩气的流量，以使得炉内单晶处于较佳的生长环境。

在一实施例中，如图5所示，第二充气管路12包括吹扫电磁阀121，充气时，气体从进气口40流入压力调节件30、第一四通20、吹扫电磁阀121后进入旋阀b。

充气装置还包括第二质量流量计70与第二四通60。第二四通60的四个接口分别连通压力调节件30、第四充气管路14、第五充气管路15以及慢充管路11b。第二质量流量计70位于压力调节件30和第二四通60之间。

本发明实施例中，基于在拉晶过程中的不同阶段不会同时利用慢充管路11b、第四充气管路14和第五充气管路15中的两个或三个对单晶炉进行充气，也即在不同阶段只会对应慢充管路11b、第四充气管路14和第五充气管路15中的一个对单晶炉进行充气，故利用第二四通60连接慢充管路11b、第四充气管路14和第五充气管路15，不仅能够提高整个充气装置的结构紧凑性，且提高充气装置的控制效率。

充气时，气体从总进气口40流入压力调节件30、第二质量流量计70后，通过四通进入第四充气管路14或第五充气管路15后进入主炉室c，或者通过慢充管路11b后进入副炉室a。

慢充管路11b通过第二质量流量计70控制充气速度。而快充管路的气体并未经过流量计，即快充管路不对气体的流量进行控制从而实现快速充气。

通过第二质量流量计70控制以两孔对吹和多孔侧吹方式进入主炉室c的氩气流量，提高炉内单晶的生长环境质量。

在一实施例中，如图3和图6所示，慢充管路11b包括慢充电磁阀11b1与单向阀11b2。单向阀11b2设置在慢充电磁阀11b1和副炉室a之间。慢充管路11b充气时，气体从总进气口40流入压力调节件30、第二质量流量计70、第二四通60、慢充电磁阀11b1、单向阀11b2后流至副炉室a。其中，单向阀11b2仅用于使气体沿着自第二质量流量计70向副炉室a流动。由于快充管路充气速度较快，单向阀11b2的设置能够防止快充管路11a在充气过程中，氩气反向冲开慢充电磁阀11b1进入主炉室c，造成主炉室c压力上升。

在一实施例中，如图7所示，第四充气管路14包括第二电磁阀141，充气时，气体从总进气口40流入压力调节件30、第二质量流量计70、第二四通60、第二电磁阀141后进入主炉室c。

在一实施例中，如图9所示，第五充气管路15包括第三电磁阀151，充气时，气体从总进气口40流入压力调节件30、第二质量流量计70、第二四通60、第三电磁阀151后进入主炉室c。

基于单晶炉副炉室进气口a1、分流法兰c1和旋阀b在拉晶过程中会进行移动，故利用多个金属软管分别连接第一充气管路11、第二充气管路12、第三充气管路13、第四充气管路14和第五充气管路15。充气装置中的其他部件通过不锈钢管道进行连接，当然并不仅限于此。

以上充气装置中的电磁阀均优选为高真空电磁截止阀，高真空电磁截止阀与第一质量流量计50、第二质量流量计70通过电控程序控制，无需人为修改流量参数，简化了操作人员的操作步骤，降低了员工误操作概率。

基于以上对于本发明实施例提供的充气装置结构的描述，下面对利用该充气装置在单晶硅拉制过程中对单晶炉内部充气的过程进行详细描述。

单晶硅拉制包括化料、等径、开炉、二次加料等阶段，本发明实施例提供的充气装置可实现如下充气模式的切换。

1）在单晶硅制备的化料阶段，气体通过慢充管路11b进入副炉室a。

化料时，打开慢充电磁阀11b1，通过第二质量流量计70控制氩气流量，以将氩气从副炉室a顶端输入炉内，化料时炉内挥发物较少输入炉内的氩气能够将化料过程中产生的挥发物向主炉室c下方下压，以便抽气装置将挥发物抽离单晶炉，改善炉内环境氛围。

2）在单晶硅制备的前期等径阶段，气体通过慢充管路11b和第三充气管路13进入主炉室c。

前期等径阶段是指“一炉多棒工艺”中，前几棒（例如第1-4棒）单晶硅制备过程中的等径阶段。

如图8所示，在前期等径阶段，炉内挥发物相对后期等径阶段挥发物较少，打开第一质量流量计50、第一电磁阀131、第二质量流量计70、慢充电磁阀11b1，以使得利用慢充管路11b与第三充气管路13分别对单晶炉的副炉室a与主炉室c进行充气。

第三充气管路13能够将主炉室c上部的挥发物吹向主炉室c的下端，并利用抽气装置将挥发物抽离单晶炉，防止挥发物上浮并能够控制挥发物在炉脖处沉积。同时利用慢充管路11b从副炉室a的顶部向炉内输入氩气，以改善炉内环境氛围，改善成晶效果。

3）在单晶硅制备的后期等径阶段，气体通过慢充管路11b和第四充气管路15进入主炉室c。

后期等径阶段是指“一炉多棒工艺”中，后几棒单晶硅制备过程中的等径阶段。

在后期等径阶段，炉内挥发物较多，打开第二质量流量计70、第二电磁阀141以使得氩气从分流法兰c1的第二侧吹进气口c12进入主炉室c，氩气进入后在炉盖c0处形成一道屏障，以阻挡主炉室c内的挥发物向副炉室a运动。

在利用第四充气管路14进行充气的同时还利用慢充管路11b同时对副炉室a进行充气，以改善炉内环境。

4）在单晶硅制备的二次加料过程中，气体通过第五充气管路15进入主炉室c。

在进行二次加料时，当加料筒将硅粉倒入主炉室c内时会产生扬尘，打开第三电磁阀151、第二质量流量计70，氩气从分流法兰c1上的相对设置的两孔侧吹进气口c11进入炉内并形成一道屏障，以阻挡粉尘上浮至副炉室a。

5）在单晶硅制备的二次加料完成后，气体通过第二充气管路12进入旋阀b。

二次加料完成后，打开吹扫电磁阀121，氩气进入旋阀b以将加料时洒落在阀体上的硅粉吹扫干净，以及吹扫旋阀b处密封圈，避免隔离时因密封不严导致空气进入炉内。

6）在副炉室a处于开启状态时，气体通过快充管路进入副炉室a。

在需要对单晶炉进行二次加料时，需要打开副炉室a，以便将加料筒放入炉内。同样的，在完成加料后，也需要打开副炉室a，以便将加料筒从炉内取出。

当单晶炉需要开炉时，单晶炉炉内在拉晶过程中处于负压状态，在开炉之前，旋阀b关闭并打开快充电磁阀11a1，氩气快速进入副炉室a，以便打开副炉室a。

本发明实施例提供的充气装置通过在拉晶的不同阶段切换充气方式，有效的降低炉内的挥发物，优化炉内环境氛围，提高成晶率。并且本发明实施例提供的充气装置，根据不同充气方式之间的切换需求，通过设置四通优化各充气管路的布局，使得充气装置整体结构更加紧凑。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。