连续直拉单晶加料坩埚及单晶炉

技术领域

本申请涉及晶体加工设备技术领域，尤其是涉及一种连续直拉单晶加料坩埚及单晶炉。

背景技术

连续直拉单晶（CCZ）采用特殊直拉单晶炉，一边单晶拉制，一边加料熔化。加料融化时，把高纯多晶硅放入加料坩埚，在单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。

为保证持续拉晶，在拉晶过程中会持续供料，为避免生长液面的波动，目前市场上在实验和试生产的CCZ加料坩埚厂家的坩埚所使用都是双层定制坩埚，其中，双层定制坩埚包括包括外层坩埚、位于外层坩埚内的内层坩埚筒，内层坩埚筒与外层坩埚间形成进料夹层；

针对上述中的相关技术，在拉制晶体时，由于双层坩埚比单层坩埚和熔体接触面积增大了很多，提高了拉制出的晶体含氧量，影响拉制晶体的光电转化效率、使用寿命，进而降低拉制晶体达标率，可使用率。

发明内容

为了降低拉制晶体含氧量，本申请的目的是提供一种连续直拉单晶加料坩埚及单晶炉。

第一方面，本申请提供的连续直拉单晶加料坩埚采用如下的技术方案：

一种连续直拉单晶加料坩埚，包括：

石英坩埚；

石英环，其吊设于石英坩埚内，且直拉单晶时，石英环底端没入石英坩埚内生长液面至少50 mm。

通过采用上述技术方案，通过吊装石英环的设置，并限定石英环底端没入石英坩埚内生长液面的距离，能降低新加入的硅料造成的液面波动的同时，减少内层坩埚（石英环）没入熔体的面积，液面波动的降低能够减少对正在生长的晶体的影响，没入面积的减少降低内层坩埚在高温状态下的氧气释放量，降低直拉单晶的含氧量，以提高制备的直拉单晶的使用率、使用寿命以及光电转化效果；进一步，将加料坩埚分隔为分体设置的石英坩埚和石英环，相比于传统的双层异型坩埚，生产难度降低，良率高，降低成本。

可选的，直拉单晶时，石英环底端没入石英坩埚内生长液面50~100 mm。

通过采用上述技术方案，限定石英环底端没入石英坩埚内生长液面50~100 mm，满足生长液面平稳要求的同时，减少石英环没入熔体的面积。

可选的，石英环底端凹陷具有缺口，缺口远离石英坩埚的加料侧。

通过采用上述技术方案，在远离石英坩埚加料侧设置缺口，满足生长液面平稳要求的同时，进一步，减少石英环没入熔体的面积。

第二方面，本申请提供的单晶炉采用如下的技术方案：

一种单晶炉，包括：

炉体；

导流筒，其可升降支撑设于炉体内，直拉单晶时，导流筒底端距离石英坩埚内生长液面20~30 mm；

连续直拉单晶加料坩埚，石英坩埚可升降支撑设于炉体内，且位于导流筒下方，石英环吊装于导流筒上。

通过采用上述技术方案，石英环通过导流筒吊装，限定导流筒与石英环的相对位置高度差，能够有效满足导流筒底端距离石英坩埚内生长液面20~30 mm时，石英环底端没入石英坩埚内生长液面至少50 mm，提高导流筒、石英环以及生长液面相对位置控制的精准度。

可选的，导流筒远离石英坩埚的一端沿周向吊装多个吊杆，多个吊杆自由端分别与石英环可拆卸连接。

通过采用上述技术方案，通过周向设置的吊杆实现导流筒与石英环之间的吊装，且石英环与吊杆之间可拆卸连接，便于部件的更换。

可选的，每个吊杆的自由端具有公插件，公插件凹陷具有公插槽，贯穿公插件具有至少一组公插孔；

石英环靠近吊杆的一端具有与每个公插槽匹配的母卡部，贯穿母卡部具有与对应公插孔匹配的母插孔；

母卡部插设于公插槽内，且母插孔与匹配的一对公插孔同轴设置，以使公插件与母卡部间通过销轴固定。

通过采用上述技术方案，通过公插件配合母卡部的吊装，提高吊装接触面积，减缓石英环软化变形的概率；进一步，通过销轴可拆卸连接石英环与吊杆，相对于螺纹连接等具有精细连接点的连接方式，避免高温变形影响的拆装不便的问题。

可选的，母卡部凸出于石英环靠近吊杆的一端设置。

通过采用上述技术方案，设定母卡部凸出于石英环靠近吊杆的一端设置，满足吊装需求的同时，降低石英环的吊装重量。

可选的，母卡部构成石英环侧壁一部分。

通过采用上述技术方案，在石英环的环本体上形成母卡部，满足吊装需求的同时，简化石英环的制备工艺。

可选的，多个母卡部沿石英环的周向等间隔设置，每个母卡部两侧突出具有限位条，限位条沿石英环的周向延伸，每个公插件凹陷具有容纳限位条的滑槽，石英环位于相邻两个母卡部间凹陷具有引导槽。

通过采用上述技术方案，通过限位条和滑槽的适配设置，提高吊装的稳固性，同步，配合引导槽，便于组装，且降低石英环的吊装重量，降低吊装变形概率。

可选的，导流筒包括：

筒本体，其侧壁中空，筒本体顶端向外扩张形成裙边，导流筒顶端贯穿具有环状的灌装孔；

封堵盖，其封堵灌装孔；

其中，吊杆远离石英环的一端关于吊杆中轴线对称设置有一对抵接杆，吊杆侧壁与一对抵接杆间隔具有压接块，一对抵接杆的延伸方向垂直于对应公插件侧壁所在平面；

裙边、封堵盖贯穿具有使吊杆及一对抵接杆穿过的通孔，当压接块与裙边抵接，且公插件与母卡部对接时，对应的一对抵接杆与封堵盖顶端抵接。

通过采用上述技术方案，导流筒通过封堵盖配合灌装孔实现隔温填装及更换；进一步，通过吊杆上抵接杆、压接块的设置，配合抵接杆与公插件的方位限定，实现封堵盖通过吊杆的快速可拆卸装配和限位，且避免精细部件使用造成的变形锁死的问题。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.在减少与熔体接触面积的同时能降低新加入的硅料造成的液面波动和液面热对流的影响，降低对正在生长的晶体的波及，即在保证生长的晶体周围液面平稳、温度稳定的前提下，尽可能降低石英坩埚材料向熔体内溶解氧离子，避免晶棒中的含氧量增高，而达到连续拉棒的同时而尽可能不降低晶棒品质的目的。

2.石英环通过导流筒吊装，限定导流筒与石英环的相对位置高度差，能够有效满足导流筒、石英环相对于液面的高度要求，提高导流筒、石英环以及生长液面相对位置控制的精准度。

3.通过吊杆上抵接杆、压接块的设置，配合抵接杆与公插件的方位限定，实现封堵盖通过吊杆的快速可拆卸装配和限位，且避免精细部件使用造成的变形锁死的问题。

附图说明

图1是本申请实施例的展示连续直拉单晶加料坩埚位于炉体内的断开剖视图；

图2是本申请实施例中石英环的结构示意图；

图3是本申请实施例的单晶炉的断开剖视图；

图4是图3中A部分的放大图；

图5是本申请实施例中展示加料坩埚及导流筒吊装关系的爆炸结构示意图。

附图标记说明：1、加料坩埚；10、石英坩埚；11、石英环；12、缺口；13、引导槽；2、炉体；3、导流筒；30、筒本体；300、内筒；301、外筒；31、裙边；32、灌装孔；33、封堵盖；330、通孔；4、支撑坩埚；5、坩埚锅托；6、吊杆；60、公插件；601、公插槽；602、公插孔；61、抵接杆；62、压接块；7、母卡部；70、母插孔；71、限位条；8、销轴；80、插接件；81、定位件；82、挡块。

具体实施方式

以下结合附图1-附图5，对本申请作进一步详细说明。

本申请公开一种连续直拉单晶加料坩埚，参照图1，连续直拉单晶加料坩埚包括石英坩埚10和石英环11，石英坩埚10构成外层坩埚，石英环11吊设于石英坩埚10内，具体吊装可以依托单晶炉的炉体2设置，也可以依托导流筒3安装，直拉单晶时，控制石英环11底端没入石英坩埚10内生长液面至少50 mm，可选择性的，至多不超过100 mm，即满足对加料波动的隔挡，同时，相对于传统的双层坩埚，减少内层坩埚没入液面的面积，降低拉制晶体含氧量，提高拉制晶体的光电转化效率、使用寿命，进而提高拉制晶体达标率，可使用率；进一步，示例性的，直拉单晶时，石英环11底端没入石英坩埚10内生长液面50~100 mm

由于朝向石英坩埚10和石英环11构成的间隔空间加料时，通常加料点固定，即石英坩埚10对应加料点有固定的加料侧，在加料侧的加料波动大于非加料侧，为了进一步的提高隔挡效果，同步减少内层坩埚没入液面的面积，在其他实施方式中，参照图1和图2，石英环11底端凹陷具有缺口12，可选择性的，缺口12平滑过渡的扇形，缺口12远离石英坩埚10的加料侧，示例性的，当石英坩埚10具有一个加料侧时，缺口12为一个，一个缺口12与加料侧相对设置；当石英坩埚10具有相对设置的两个加料侧时，缺口12为两个，两个缺口12分设于石英坩埚10位于一对加料侧间。

本申请连续直拉单晶加料坩埚的实施原理为：直拉前，确定生长液面高度，调节石英环11和石英坩埚10的相对高度，然后向石英坩埚10内加料，熔化，硅棒直拉生长，同步向石英环11与石英坩埚10构成的承接来料空间内加料。

本申请还公开一种单晶炉，参照图3，单晶炉包括炉体2，炉体2内支撑设有导流筒3和上述连续直拉单晶加料坩埚1，以及其他配套的装置，例如加料装置、加热装置、保温装置、籽晶提拉机构（图示未示出）等，共同作用实现连续直拉单晶；

导流筒3位于连续直拉单晶加料坩埚1上方，其可升降设于炉体2内，即导流筒3相对于炉体2的高度可调，目的在于调节拉晶时，导流筒3底端相对于生长液面的高度，示例性的，直拉单晶时，导流筒3底端距离石英坩埚10内生长液面20~30 mm；

连续直拉单晶加料坩埚1可升降设置，目的在于拉晶时，控制石英坩埚10位于预定高度位置，当拉晶进行至结尾阶段，通过加料坩埚1的抬升，利于坩埚内剩余物料的利用；具体设置时，石英坩埚10的外周设置支撑坩埚4，支撑坩埚4的材质可为耐高温的石墨、碳碳材质，石英坩埚10在达到硅料的熔融温度时，已经处于软化状态，需要支撑坩埚4形成对石英坩埚10的支撑，支撑坩埚4的下端连接有坩埚锅托5，坩埚锅托5可升降的相对于炉体2设置，以实现石英坩埚10的升降设置；

为了有效控制石英环11、导流筒3与石英坩埚10内生长液面的相对位置，石英环11吊装于导流筒3上，即石英环11通过导流筒3吊装，导流筒3远离石英坩埚10的一端沿周向吊装多个吊杆6，吊杆6的材质可为钼材质，钼材质能够避免高温烘烤脆化问题，提高吊装的稳定性；多个吊杆6的数量可以为3个，也可以为4个，也可以为5个，但凡所设置的数量能达到吊装石英环11的作用即可,在本申请实施例中设置为4个，可选择的，多个吊杆6沿所示导流筒3等间隔设置，多个吊杆6自由端（远离与导流筒3连接的一端）分别与石英环11可拆卸连接，参照图3和图4，可拆卸连接的方式具体可为：每个吊杆6的自由端具有公插件60，公插件60具体可为板状，公插件60朝向石英环11的一端凹陷具有公插槽601，公插槽601沿导流筒3周向的两侧贯穿设置，使公插件60具有相对设置的一对侧壁，贯穿公插件60相对设置的一对侧壁具有至少一组公插孔602，每组公插孔602包括分设于一对侧壁上的一个，一组公插孔602同轴设置，至少一组公插孔602的数量可以为1组或2组，但凡所设置的数量能达到插接吊装石英环11的作用即可；

石英环11靠近吊杆6的一端具有与每个公插槽601匹配的母卡部7，贯穿母卡部7具有与对应公插孔602匹配的母插孔70，当母卡部7插设于公插槽601内时，母插孔70与匹配的一对公插孔602同轴设置，以使公插件60与母卡部7间通过销轴固定，销轴的材质可为钼材质，参照图4，销轴具体包括插接件、与插接件一端转动连接的定位件，插接件远离定位件的一端设置挡块82，固定时，定位件依次穿过同轴设置的公插孔602、母插孔70后，带动插接件通过对应的公插孔602、母插孔70穿设在插接的公插件60和母卡部7上，且控制挡块82与公插件60的一侧抵接，转动定位件垂直于插接件设置，此时，定位件与公插件60的另一侧接触，实现定位固定。

参照图1，母卡部7可设置为凸出于石英环11靠近吊杆6的一端，即在石英环11的上端面形成吊耳；为了降低拉晶时高温对石英环11吊耳的影响，降低石英环11变形概率，参照图2，母卡部7构成石英环11侧壁一部分，即石英环11顶端水平设置；

再进一步，为同步提高吊装稳定性，在多个吊杆6沿所示导流筒3等间隔设置的基础上，参照图5，每个母卡部7两侧突出具有限位条71，限位条71沿石英环11的周向延伸，每个公插件60的一对侧壁相对的壁面凹陷具有容纳限位条71的滑槽，石英环11位于相邻两个母卡部7间凹陷具有引导槽13，装配时，多个公插件60分别位于引导槽13内，并相对旋转至与对应的母卡部7插接，同时对应的限位条71限位至对应的滑槽内；

石英坩埚10外部有加热器，直拉单晶过程中晶棒所处的空间一直是高温空间，导流筒3的目的在于分隔晶棒和外部高温空间，产生温度梯度，让晶棒冷却，快速生长，即降低外部辐射热对其造成的影响，同步导流筒3内可对应设置水冷机构，为提高隔绝效果，导流筒3的材质可设置为石墨材质，导流筒3包括由内筒300和外筒301一体构成的筒本体30，内外通间隔设置以使筒本体30的侧壁中空，筒本体30顶端向外扩张形成裙边31，裙边31内也中空设置，以使裙边31与筒本体30间构成连通的空间，导流筒3顶端（裙边31和筒本体30的顶端共同构成）贯穿具有环状的灌装孔32，灌装孔32的侧壁具有安装台阶，封堵盖33通过安装台阶封堵灌装孔32，使用时，导流筒3内通过灌装孔32填装石墨碳毡，由于石墨碳毡易受高温影响老化，老化时，可通过灌装孔32进行更换；

为简化封堵盖33的固定和石英环11的吊装，吊杆6远离石英环11的一端关于吊杆6中轴线对称设置有一对抵接杆61，抵接杆61的材质可为钼材质，可选择性的，抵接杆61沿垂直于其长度方向的截面可为圆形、多边形等中的一种，当其为多边形时，多边形的其中一边与裙边31的顶面平行设置；吊杆6侧壁与一对抵接杆61间隔具有压接块62，压接块62的材质可为钼材质，可选择性的，一对抵接杆61的延伸方向垂直于对应公插件60侧壁所在平面；

裙边31、封堵盖33贯穿具有使吊杆6及一对抵接杆61穿过的通孔330，装配时，各吊杆6的顶端携带抵接杆61依次穿过通孔330，并使压接块62与裙边31抵接，此时抵接杆61穿出封堵盖33顶端，旋转吊杆6，抵接杆61与封堵盖33顶端抵接。

本申请单晶炉的实施原理为：装配过程中，包括以下步骤：将各吊杆6的顶端和抵接杆61依次穿过裙边31和封堵盖33的通孔330，并使压接块62与裙边31抵接，抵接杆61穿出封堵盖33顶端，旋转吊杆6，抵接杆61与封堵盖33顶端抵接；通过吊杆6底端与石英环11吊装；装配石英坩埚10后，装配具有石英环11的导流筒3，并调节石英坩埚10与导流筒3间的相对位置；装配其他产品完成单晶炉的装配。

生产过程中，包括以下步骤：将初始硅料放置到石英坩埚10内进行加热熔融后，进行单晶拉伸，在进行单晶拉伸的过程中，通过加料装置石英坩埚10与石英环11之间的进料夹层内加料，补充内由于单晶拉伸减少的硅液。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。