一种直拉单晶硅主抽管道及提高其气体流速的方法

技术领域

本发明涉及直拉单晶硅生产技术领域，具体涉及一种直拉单晶硅主抽管道及提高其气体流速的方法。

背景技术

单晶硅是微电子工业的基础材料，广泛应用于集成电路与半导体器件的制造，成为当今信息社会发展的基石，同时也是太阳能光伏电池的主要材料，直拉单晶硅是利用切式法(Czochralski)制备，称为CZ单晶硅。目前主要应用于微电子集成电路与太阳能电池方面。直拉单晶硅的生长需通过高纯的石英坩埚，氧是在单晶硅生产工艺中引入的主要杂质，来源于晶体生长过程中石英坩埚的污染，属于直拉单晶硅中不可避免的杂质，而且氧对材料的性能影响较大，在表征单晶硅质量的众多参数中，氧含量及其均匀性是最重要的参数之一，也是硅晶体生长过程中较难控制的参数。直拉单晶硅生产中通过向单晶炉内通入惰性气体用来带走硅熔体表面挥发出来的氧化硅等气体，防止硅熔体被氧化或过量氧化物粉尘沉积发生爆炸等。现有技术中的惰性气体(氩气)流量通常为75-80Slpm，在该流量下，氧化硅气体无法被及时带走，存于炉内易造成杂质沉积，从而降低晶棒品质。增大惰性气体(氩气)的流量能够解决上述问题，但由此增加生产成本，不符合降本节能的绿色发展理念。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种直拉单晶硅主抽管道及提高其气体流速的方法，用于解决现有技术通过增大惰性气体流量解决直拉单晶硅过程中杂质残留所带来的成本增加问题，通过改进的管道件显著提高管道内部惰性气体流速，达到降低炉内氧化硅浓度的目的。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种提高直拉单晶硅主抽管道气体流速的方法，包括以下步骤：

获取抽气管道的内径；

确定多个椭圆形挡板的安装角度，并根据所述多个椭圆形挡板的安装角度和所述抽气管道的内径得到所述多个椭圆形挡板的最大斜角距离，并根据所述最大斜角距离确定所述多个椭圆形挡板的挡板长度；

获取所述多个椭圆形挡板在椭圆中心点处的长径，并根据所述椭圆中心点处的长径得到所述多个椭圆形挡板在椭圆中心点处的延长距离；

根据所述多个椭圆形挡板的短径、所述椭圆中心点处的长径以及所述椭圆中心点处的延长距离确定最终的椭圆形挡板；

确定多个最终的椭圆形挡板间的安装距离，并根据所述安装角度和所述安装距离将所述多个最终的椭圆形挡板两两间呈镜像安装在所述抽气管道内，形成交错通路；

将所述惰性气体通入所述抽气管道内，通过所述交错通路提高所述惰性气体的流速；

其中，所述多个椭圆形挡板的短径L

作为本发明优选的实施方式，在确定多个椭圆形挡板的安装角度以及最大斜角距离时，包括：

确定所述多个椭圆形挡板的安装角度为45°；

根据45°的安装角度确定所述多个椭圆形挡板的最大斜角距离的计算式，如公式1所示：

式中，D

通过所述公式1得到所述多个椭圆形挡板的最大斜角距离。

作为本发明优选的实施方式，在确定所述多个椭圆形挡板的挡板长度时，包括：

通过在所述最大斜角距离内选择多个挡板长度，并获取所述多个挡板长度在所述抽气管道内的多个水平长度，具体如公式2所示：

式中，L

将所述多个水平长度与所述抽气管道的内径进行比对后，确定所述多个椭圆形挡板的挡板长度L

作为本发明优选的实施方式，在获取所述多个椭圆形挡板在椭圆中心点处的长径时，包括：

根据所述抽气管道的内部半径，得到所述椭圆形挡板在椭圆中心点处的长径，具体如公式3所示：

式中，L

其中，所述椭圆中心点为所述椭圆形挡板的椭圆面与所述抽气管道截面圆心处延长线的交点。

作为本发明优选的实施方式，在得到所述多个椭圆形挡板在椭圆中心点处的延长距离时，包括：

根据所述多个椭圆形挡板的挡板长度和所述椭圆中心点处的长径得到所述椭圆中心点处的延长距离，具体如公式4所示：

L

式中，L

作为本发明优选的实施方式，在将所述多个最终的椭圆形挡板安装在所述抽气管道内后，包括：

根据所述多个最终的椭圆形挡板在所述抽气管道内占据的空间，确定所述抽气管道的前后延长空间，并对所述抽气管道进行延长。

一种直拉单晶硅主抽管道，包括：

抽气管道，用于连接通入惰性气体，带走单晶硅中不需要的杂质，并送进底部大罐进行过滤；

多个挡板，倾斜安装在所述抽气管道内，并且两两间呈镜像；

连接法兰盘，连接在所述抽气管道的两端，用于将所述抽气管道与所述底部大罐进行连接；

其中，所述抽气管道安装所述多个挡板后，在内部形成交错通路。

作为本发明优选的实施方式，所述多个挡板为多个椭圆形挡板。

作为本发明优选的实施方式，所述多个椭圆形挡板以45°倾斜安装在所述抽气管道内。

作为本发明优选的实施方式，所述多个椭圆形挡板两两间的距离为100mm。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)对于拉晶过程，本发明通过在同一空间内，改变气体流通的路径长度，在不增加流量的前提下直接提升管道内气体的流速，减少管道内压力，提高了气路安全性；在炉体内压力恒定的情况下，氧化物等杂质会在压力差的作用下更容易被主抽管道吸走，使之更容易成晶；管道内流速增大，拉晶过程中挥发出的氧也会被加速带离，加速炉体内的气体交换，有效提高晶棒品质；

(2)对于拆卸过程，由于本发明所提供的主抽管道的总长度较短(在实施例中仅为530mm)，从而便于拆卸，并且相较于现大罐所连接的软管在耐用性上会更好；

(3)对于清洗过程，现软管内部难以实现完全清理，本发明可以直接进行拆卸，并且可以使用水洗烘干、酸洗烘干，从而保证管道内部杂质残留尽可能少，提高了晶棒品质。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1-是本发明实施例的主抽管道示意图；

图2-是本发明实施例的伯努利原理图；

图3-是本发明实施例的挡板斜置45°安装示意图；

图4-是本发明实施例的椭圆形挡板安装位置示意图；

图5-是本发明实施例的椭圆形挡板的椭圆中心点选取示意图；

图6-是本发明实施例的椭圆形挡板的尺寸示意图；

图7-是本发明实施例的椭圆形挡板同一方向倾斜安装示意图；

图8-是本发明实施例的椭圆形挡板最终安装示意图；

图9-是本发明实施例的流速模拟模型图；

图10-是本发明实施例的流速模拟图；

图11-是本发明实施例的流速量化模拟图；

图12-是本发明实施例的提高直拉单晶硅主抽管道气体流速的方法步骤图。

附图标号说明：1、抽气管道；2、椭圆形挡板；3、连接法兰盘；4、法兰盘螺纹孔；5、椭圆中心点；6、第一截面；7、第二截面。

具体实施方式

本发明所提供的提高直拉单晶硅主抽管道气体流速的方法，如图12所示，包括以下步骤：

步骤S1：获取抽气管道1的内径；

步骤S2：确定多个椭圆形挡板2的安装角度，并根据多个椭圆形挡板2的安装角度和抽气管道1的内径得到多个椭圆形挡板2的最大斜角距离，并根据最大斜角距离确定多个椭圆形挡板2的挡板长度；

步骤S3：获取多个椭圆形挡板2在椭圆中心点5处的长径，并根据椭圆中心点5处的长径得到多个椭圆形挡板2在椭圆中心点5处的延长距离；

步骤S4：根据多个椭圆形挡板的短径、椭圆中心点5处的长径以及椭圆中心点5处的延长距离确定最终的椭圆形挡板2；

步骤S5：确定多个最终的椭圆形挡板2间的安装距离，并根据安装角度和安装距离将多个最终的椭圆形挡板2两两间呈镜像安装在抽气管道1内，形成交错通路；

步骤S6：将惰性气体通入抽气管道1内，通过交错通路提高惰性气体的流速；

其中，多个椭圆形挡板的短径L

在上述步骤S2中，在确定多个椭圆形挡板2的安装角度以及最大斜角距离时，包括：

确定多个椭圆形挡板2的安装角度为45°；

根据45°的安装角度确定多个椭圆形挡板2的最大斜角距离的计算式，如公式1所示：

式中，D

通过公式1得到多个椭圆形挡板2的最大斜角距离。

在上述步骤S2中，在确定多个椭圆形挡板2的挡板长度时，包括：

通过在最大斜角距离内选择多个挡板长度，并获取多个挡板长度在抽气管道1内的多个水平长度，具体如公式2所示：

式中，L

将多个水平长度与抽气管道1的内径进行比对后，确定多个椭圆形挡板2的挡板长度L

在上述步骤S3中，在获取多个椭圆形挡板2在椭圆中心点5处的长径时，包括：

根据抽气管道1的内部半径，得到椭圆形挡板2在椭圆中心点5处的长径，具体如公式3所示：

式中，L

其中，椭圆中心点5为椭圆形挡板2的椭圆面与抽气管道1截面圆心处延长线的交点。

在上述步骤S3中，在得到多个椭圆形挡板2在椭圆中心点5处的延长距离时，包括：

根据多个椭圆形挡板2的挡板长度和椭圆中心点5处的长径得到椭圆中心点5处的延长距离，具体如公式4所示：

L

式中，L

在上述步骤S5中，在将多个最终的椭圆形挡板2安装在抽气管道1内后，包括：

根据多个最终的椭圆形挡板2在抽气管道1内占据的空间，确定抽气管道1的前后延长空间，并对抽气管道1进行延长。

本发明所提供的直拉单晶硅主抽管道，包括：抽气管道1、多个挡板以及连接法兰盘3

抽气管道1，用于连接通入惰性气体，带走单晶硅中不需要的杂质，并送进底部大罐进行过滤。

多个挡板，倾斜安装在抽气管道1内，并且两两间呈镜像。

连接法兰盘3，连接在抽气管道1的两端，用于将抽气管道1与底部大罐进行连接。

其中，抽气管道1安装多个挡板后，在内部形成交错通路。

进一步地，多个挡板为多个椭圆形挡板2。

更进一步地，多个椭圆形挡板2以45°倾斜安装在抽气管道1内。

更进一步地，多个椭圆形挡板2两两间的距离为100mm。

以下的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的范围并不限制于此。

(1)管道直径确定及技术基础：

首先确定目前主抽管道连接处及管道尺寸，可得：

抽气管道1的内径D

基于上述数据得到本实施例的主抽管道，如图1所示。

伯努利原理：非黏滞不可压缩流体作稳恒流动时，流体中任何点处的压强、单位体积的势能及动能之和是守恒的，上述原理如图2所示。

表达式为：

式中，p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。

在本实施例中，在高度h一致的前提下，减少管道内气体通路的直径，即为减少管道内部的通路横截面积S，表达式为：

在本实施例中，由于在抽气管道1内加入了伯努利结构，使得抽气管道1加入伯努利结构的部分内径减小，压强p减小，基于上述伯努利原理遵循能量守恒，所以内径减小处流速v增大。

(2)内部挡板设计及管道总尺寸确定：

由于抽气管道1内部需要安装挡板来形成伯努利结构，在本实施例中，挡板应斜置45°安装，如图3所示。

抽气管道1内径D

在最大斜角距离D

水平长度L

挡板为圆筒内斜置安装，所以挡板前端为椭圆形，在本实施例中，椭圆形挡板2的短径大小为抽气管道1内径，椭圆形挡板2的椭圆中心点5为椭圆面与管道截面圆心处延长线的交点，如图5所示，可知管道内部半径r

已知椭圆挡板的椭圆中心点5处的长径L

L

通过上述已求得的数据，可确定最终的椭圆形挡板2。其中，在本实施例中最终的椭圆形挡板2的厚度为5mm，如图6所示。

为保证气体流动无障碍，抽气管道1内的椭圆形挡板2应适当保持距离，在实施例中，首先初步设定插入三块椭圆形挡板2，并且同一方向倾斜，椭圆形挡板2之间的距离为100mm，如图7所示。

经过试验后，图7所示安装方式不能达到预期效果，且安装于同一侧容易发生杂质堆积堵塞管道，基于上述理论，将中间的椭圆形挡板2镜像安装，形成交错通路，如图8所示。

由于抽气管道1内的椭圆形挡板2属于小型替换件，体尺寸应考虑更换、拆卸方便，除去椭圆形挡板2所占据的空间长度300mm，抽气管道1前后各延长100mm空间可进一步加强提高流速的效果。连接法兰盘3厚度15mm，因此主抽管道总长530mm。

(3)方案可行性模拟：

对本实施例的主抽管道进行流速模拟，模拟选用在10Torr的压力下，对75Slpm流量的氩气进行流速模拟，流速模拟模型如图9所示。

通过对照图9中第一截面6、第二截面7的平均流速，验证本实施例的主抽管道的提速效果，75Slpm流量的氩气进入管道的平均流速v应为：

对该流速值v进行动态模拟，流速模拟图如图10所示。由图10可知，氩气在通过椭圆形挡片间隙时，流速明显增大，后续气体未形成乱流，不影响管道内气路。

由此基础，对流速量化模拟，如图11所示。

由图11可看出，在流速量化模拟中，第一截面6处流速V

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。