专利名称：用于连续补给熔料的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于生长空心管状结晶体的设备，尤其涉及用于将固体硅粒在生长过程之前和/或之中输送到生长晶体设备的坩埚中的装置。
众所周知，美国专利US4，544，528披露的那种用以生长空心管状结晶体类型的设备，包括一坩埚，用以盛装熔硅，形成生长晶体的给料。以前，熔料的补给是分批的，而不是可避免对系统造成热冲击从而避免灾难性地中止晶体生长过程的连续补给。看来这样的批料补给方式将硅粒添加到熔体中是相当慢、又是低效率的。
为克服与批料补给有关的问题，改进了一种连续补给熔料的系统。该系统在美国专利US4，661，324(1987年4月28日公开，署名为Sink等)描述了这种系统(下称324专利)。该324专利的系统包括(1)一个管道，它穿过坩埚并收尾于熔炉内侧后加热器内部的拉模顶部之上，以及(2)一个碎屑推进装置，它连到管道与形状不规则的固体硅粒的一来源。把硅粒供给该碎屑推进装置，周期性地迫使一预定体积的颗粒通过管道进入内侧后加热器的内部。然后，在重力的吸引下，使这些碎屑落入熔体中。
可惜，324专利的这种系统有几个问题。第一，因系统的碎屑推进装置部分有大量的机械零部件，以及因该碎屑推进装置总是输送磨料(即形状不规则的固体硅粒)，碎屑推进装置会出故障。第二，这些研磨的硅粒会侵蚀或磨出碎屑推进装置金属零部件的细屑，这些细屑将与硅料一起被送入熔体中。这些金属细屑会沾污熔体。第三，一预定的形状不规则的硅粒体积的重量从一种颗粒体积变成下一个颗粒体积，这依赖于碎屑自身相互间的取向如何，以及因该碎屑推进装置推出一预定的体积(而非重量)的颗粒进入熔炉，所以的确不可能重复地将一预定的重量的碎屑添加到熔炉中去。为把热漂移尽量缩小到所需的水平，以维持基本连续的晶体生长过程，当用形状不规则的硅粒作为进给原料时，总是将预定的重量的颗粒添加到熔体中，是十分重要的。基于上述指明的理由，这种碎屑推进装置系统就不可能重复地将这样的一种形状不规则的颗粒以预定的重量供给到熔体中。
本发明的一个目的在于提供一种用于生长中空、管状结晶体的设备中，能将硅熔料高可靠又不致无意中将污染物加到熔体中的连续补给系统。
本发明的另一个目的在于提供一种用在生长中空、管状结晶体的设备中，在一定程度上不致出现对熔体不可接受的很大热冲击或扰动。
为达到这些以及其他目的，采用一种能将硅熔料连续地补给到晶体熔炉坩埚里的系统，即美国专利US4，544，528中Stormont等所披露的那种类型的系统。对其改进包括一个穿过坩埚并收尾于熔炉内侧后加热器内部的拉模顶端之上的管道。该系统还包括一个容器，用以贮存预定直径的球形固体硅粒，一个与管道及该容器相连的收受室，以及一个也和收受室连接的高压气体喷射管。一个颗粒发放器，它有一个振动器，一个第二高压气体喷管，或一些其它装置，用以造成硅粒从容器到收受室的移动。借助于高压气体喷管，迫使收受室中的硅粒通过管道进入在坩埚正上方的晶体生长炉内侧后加热器的内部。随后，硅粒在重力吸引下落入坩埚盛装的熔体中。为了偏转发射自管道的硅粒，使之以基本上均匀的模式分布于熔体表面，在晶体生长炉中管道上端的正上方最好安装一个转向器，因而使坩埚中出现的液流或热冲击将减至最小。
为了更完全理解本发明的特征和目的，将参照附图作如下的详细描述。
图1是晶体生长炉的剖面侧视图，为与本发明的硅给料系统一起使用而设计。
图2是本发明的硅给料系统的剖面侧视略图。
参看图1和2，本发明指的是系统18，用以把固体硅球粒连续地的供给美国专利US4，544，528(下称528专利)所公开的那种生长空心管形结晶体类型的设备20中的坩埚，这儿本专利已加以引证结合。
设备20包括炉壳22，其中配置有坩埚24，以及内、外侧后加热器26和28。坩埚24同心配置于炉壳22中，为一低矮、中空、上部开口的正棱柱体或正圆筒体。内后加热器26具有一个空心的内侧30和一个密封内后加热器顶端的顶板32。内后加热器26的底部有开口，并直接安装在坩埚24的上方，因此内后加热器的内侧30与该坩埚的内部相连。内后加热器26就位于外后加热器28的内空心部。
设备20还包括一个毛细管拉模34，一个衬托器36以及一个籽晶安装件38，所有这些都装在炉壳22内。最好，毛细管拉模34是坩埚24侧壁整体的一部分。拉模34的端面40的形状与尺寸是经选择的，以能控制晶体生长的形状和大小。衬托器36为一低矮、中空、上部开口的圆筒或棱柱体，尺寸与坩埚24适配。衬托器36可以是拉模/坩埚部件整体的一部分。籽晶安装件38包括一个籽晶夹持器42和一个籽晶44。籽晶安装件38连到提拉机构39上，以适应于轴向将籽晶夹持器42移向或离开拉模34。
设备20还有一个靠近坩埚24环绕炉壳22的射频加热线圈46。加热线圈46将坩埚里的硅保持在熔融状态。
众所周知，通过装着的籽晶44与拉模端面40相接触，而后提拉籽晶离开该拉模端面，以便在籽晶与拉模端面间形成一弯液面而生长结晶体。一旦该籽晶被拉离开拉模端面，最密接于籽晶的弯液面部位就固化。如果籽晶逐渐进一步拉离拉模，由于毛细管作用将驱使新的熔硅吸引到拉模端面上，且熔硅又出现于附着在籽晶已硬化为固态硅的弯液面处，结果是形成一个伸长的结晶体。
在更详细描述设备20的结构与操作方面，可参看528专利。
为达到本发明的目的，经改进了的设备20包括一个具有中心膛62的管道60。管道60依次通过炉壳22衬托器36以及坩埚24的底壁，如图1所示。管道60的内径稍大于由本发明的系统18供给的最大硅粒的外径(如下文所讨论的)最好，管道60由融凝石英制造。管道60配置在坩埚24的中央而尺寸是这样定的，它的顶端64延伸进入内后加热器26的内部30，当坩埚装满时，要稍稍高于坩埚24盛装的熔体的顶面。因此，管道60提供一条从低于设备20的区域向上穿过坩埚24的底壁进入内后加热器的内部30的通路。一种凸圆锥形的转向器66最好固定在顶板32的下表面上，正好在管道60的顶端64上方，使转向器的顶点67与中心膛62共轴对准。
其他方面，图1所示的晶体生长炉与528专利所描述的生长炉一样。
硅给料系统18包括一贮存固体硅颗粒的空心容器70，颗粒72为球形，其外径最好为1mm，偏差±1/2mm。这样一来，各颗粒72的重量和体积大致相等。
容器70有一个开口74，位于容器底部，通过开口将颗粒72从容器中发放出去，而通过顶部开口端76把颗粒72送到容器中。如下文所述，为密闭开口端76，容器70可选用一盖子78(图2中为虚线)。
系统18进一步包括一个与容器70相连的颗粒发放器80，用以造成贮存于容器内的硅粒72经开口74排出容器。更为可取的是，颗粒发放器80包括一个增压流体源，如氩气，加压于容器70的内部，以迫使颗粒72从开口74处出来。当颗粒发放器80由一增压流体源构成时，容器70应有盖子78或其它设计好的部件，以便容许对容器的内部适当加压。换个办法，颗粒发放器80可以包括一个振动器，用以引起容器70的振动，使颗粒72移向开口74处，由于相邻颗粒的吸力和重量的综合作用，颗粒就通过了开口74。如本领域普通技术人员容易理解的，颗粒发放器80还可包含其它引起颗粒72经开口74排出容器70的装置。
系统18还包括一个中空收受室82。后者有一个顶部通孔84、一个下通孔86以及一个侧口88。收受室82在顶部通孔处与管道60固定，使中心膛62与收受室的内部相连通。管道60的下端最好向下伸入收受室82，如图所示。收受室82的位置与容器70相对固定，其侧口88的位置要适当低于容器开口74一段距离(下面加以讨论)。更可取的是，收受室82的底部朝下通孔向中心逐渐变细，以便收受室中存在的硅粒72汇集于下通孔86处。收受室82最好由非金属材料制造，例如塑料，该材料不易被硅粒72侵蚀或磨损。
系统18有一个空心管90，其开口74被固定到容器70上，其侧口88也被固定到收受室82上，以提供一条从容器70内部，经开口74，管路90及侧口88进入收受室82内的连续通道。容器70高于收受室82一段可选定的距离，使管路90向下倾斜一个相当陡的角度，例如从容器70到收受室82与水平成45°。管路90最好由不易受粒子72侵蚀的非金属材料制造。
系统18还包括进气通道96，通向与收受室82的下通孔86相连的管子94，以便与收受室的内部相通，进气通道96连到增压流体源(未示出)，例如加压下的氩气源。管子94导引增压流体的气流向上经下通孔86进入收受室82内。理想的是根据管子94的尺寸在收受室82的下通孔86的正下方设置一个节流孔98，以提高流体射入收受室82的速度。
经由通道96进入的气体的容积流量率，节流孔98(若设置的话)的尺寸，收受室82下通孔86与管道60的顶端64之间的垂直距离，以及管道60的顶端64和转向器66的顶点67间的垂直距是经选择的，以保证收受室82中的颗粒72(由上文知道，各颗粒有着基本一致的已知重量)被管子94所供的气流所携带，并被驱赶向上通过管道60，以足够的力量碰触安置在内后加热器26的内部30上的转向器66。当然，这些参数会随颗粒72的重量与直径的变化而改变，也随参数的一项或多项的变化而改变其它参数。系统18在使用的实施例中，从气源供给的氩气，其气压约为20磅/平方吋，流过进气管道96容积流量率为5升/分STP(即温度为℃及大气压为760mmHg)，节流孔98内径为0.031吋，管道60的顶端64至收受室82的下通孔86的垂直距离约为17吋，以及顶端64安装在转向器66的顶点67下约1.73吋。作为原料使用的球形硅粒的外径为1mm+/-1/2mm。
关于本发明熔料补给系统18的使用，通过容器70顶部的开口76，将大量球形固体硅粒72，最好外径约1+/-1/2mm的硅粒放入容器70。然后，使增压流体的气流，如氩气流过进气通道96和管子94，向上通过下通孔86进入收受室82。其时由于颗粒发放器80起作用，使硅粒72从容器70经它的开口74被发送出去。当颗粒发放器80包括增压流体源时，应在该颗粒发放器起作用前，将盖板78固定到容器70上。通过开口74发送的颗粒72进入管路90并向下滑行，在重力吸引下，通过管路与侧口88进入收受室82。
颗粒72一进入收受室82，就沿着收受室82下部的向中心变细的器壁朝下滑向下通孔86。一旦颗粒72接近下通孔86，就会被带入由管子94进来的增压液体的气流中，从而该气流携带着颗粒向上进入并穿过管道60的中心膛62，再由管道的顶端64穿出。于是，颗粒72在内后加热器26之中继续向上行进直至接触弹离转向器66(若设置转向器的话)，再落入熔体中。转向器66使颗粒72均匀散布，基本上遍布整个熔体表面而进入熔体。因此，可将在熔体中能造成对流与热冲击的局部冷却区，灾难性地中断晶体生长过程的现象减至最小程度。若不设置转向器46，颗粒72仅仅弹离平板32的底面就落入熔体中。在某种情况下，不用转向器66也能取得满意的结果。
虽然意在熔料补给系统18要用球形硅珠来工作，但本系统也能用有特殊轮廓特点的不规则形状的硅粒来工作。特别是，参数L/D约从1～1.2范围的硅粒，常可满意的用在本系统18中。参数L/D是指沿硅粒的长轴测量其长度，除以垂直于长轴伸延的轴测得的颗粒直径。很清楚，对球形颗粒来说，参数L/D等于1，然而细长的颗粒，该参数L/D可能等于5或更大。
本发明熔料补给系统的重要优点在于，利用与本系统相结合的晶体生长设备能生长相当长的结晶体，是因结晶体生长的长度不受晶体生长设备的坩埚中所装熔硅多少的限制之缘故。与此关连，本熔料补给系统还因能对熔体形成热冲击为最小的方式向熔体添加硅粒，便于生长很长的结晶体。如所周知，造成灾难性的晶体生长过程中断的那样幅度的热冲击的几率会随生长晶体长度而增大。出于成本和制造效率来考虑，生长比较长的结晶体是所希望的。
鉴于，在不脱离本发明包含的范围内，可对上述设备和方法作出某些改变，这意味着，上述的说明或附图所示包含的所有技术主题只是为了作出直观阐述，而不是一种限制。
权利要求
1.一种将固体硅粒送入用来生长空心管状结晶体设备的系统，该设备包括一个盛装硅熔体的坩埚，所说的坩埚有一个底壁，本系统包括用于贮存固体硅粒的贮料装置；管道装置，它连到所说的贮料装置和所说的坩埚，以提供一条从所说的贮料装置到所说的坩埚的通路，沿着该通路将在所说的贮料装置中贮存的硅粒从所说的贮料装置输送到坩埚；以及给料装置，用以将所说的贮料装置中贮存的固体硅粒发送到所说的管道装置并给所说的管道装置，提供增压流体气流，以便借助于所说的增压流体，使所说的管道装置中的硅粒送入所说的坩埚中。
2.一种按照权利要求1所说的系统，其特征在于，所说的管道装置包括一个用以承受固体硅粒的收受室一个第一管道，它将所说贮料装置与所说收受室相连;以及一个第二管道，它连到所说收受室并可与所说的坩埚连通。
3.一种按照权利要求2所说的系统，其特征在于，所说的收受室包括一径向向中心变细的底部和一个在所说的底部把所说的收受室与所说给料装置相连通的开口。
4.一种按照权利要求2所说的系统，其特征在于，贮料装置高于所说的收受室，且所说的第一管道从所说的贮料装置向下倾斜伸向收受室。
5.一种按照权利要求2所说的系统，其特征在于，所说的第二管道具有一个顶端，所说的第二管道的尺寸是这样定的，使所说的第二管道可固定在所说的坩埚上，向上延伸穿过所说的坩埚的内部，使所说的第二管道的顶端位于所说坩埚盛装的熔硅的表面之上。
6.一种按照权利要求1所说的系统，其特征在于，所说的给料装置包括用于对所说贮料装置加压的装置，促使所说的贮料装置中贮存的固体硅粒进入所说的管道装置中。
7.一种按照权利要求1所说的系统，其特征在于，所说的给料装置还包括与所说的贮料装置相连的振动装置，用以造成所说的贮料装置的振动，以便引起所说贮料装置中贮存的固体硅粒移进所说的管道装置。
8.一种按照权利要求1所说的系统，其特征在于，将管道装置设计成与所说的坩埚联结，使所说的通路伸到所说的坩埚中盛装的熔体表面之上的一选定的位置为止。
9.一种按照权利要求8所说的系统，其特征在于，给料装置促成所说的管道中的硅粒被输送到高于所选定位置的地方。
10.一种按照权利要求9所说的系统，其特征在于，所说的系统进一步包括转向装置，用以偏转输送到所选定位置上方的所说地方的硅粒，使所说的硅粒进入所说的熔体，以便将对所说的熔体的热冲击减至最小。
11.一种按照权利要求1所说的系统，其特征在于，所说的增压流体的气流是一种惰性气体的气流。
12.一种按照权利要求1所说的系统，其特征在于，所说的贮料装置包括一个具有底壁和内腔的罐，用于贮存所说的固体硅粒，所说的罐还包括一个将所说内膛同靠近与管道装置相连的所说的底壁的开口。
13.一种将固体硅粒送入用来生长空心管状结晶体设备的系统，该设备包括一个用来盛装硅熔体的坩埚，所说的坩埚有一个底壁，该系统包括贮存固体硅粒的贮料装置，所说贮料装置包括一个具有底壁和内腔的罐，用于贮存所说的固体硅粒，所说的罐还包括一个靠近所说底壁的开口，经此开口能将所说的罐中贮存的硅粒从所说的罐中发送出去。管道系统，用以提供一条从所说贮料装置到所说坩埚的通路，沿着此通路可把在所说贮料装置中贮存的固体硅粒从所说的贮料装置输送到所说的坩埚中，所说的管道装置包括(a)一个收受室，用以承受固体硅粒，(b)一个将所说贮料装置与所说的收受室相连的第一管道，以及(c)一个即连到所说的收受室又连到所说的坩埚的第二管道，所说的收受室位置低于所说的罐，使得所说的第一管道从所说的窗口向下倾斜地伸向所说的收受室，所说的第二管道还包括一个位于所说的坩埚盛装的熔体表面之上的选定位置的顶端;与所说容器的内腔相连的发放装置，促使所说的容器中的硅粒通过所说的开口并进入所说的第一管道，所说的发放装置有一个增压气体源;用于给所说的收受室提供增压气体气流的给料装置，在所说的收受室中气体携带着固体硅粒，并将所说的被携带的硅粒运送进入并穿过所说的第二管道;以及在所说第二管道的顶端之上安装的转向装置，用以偏转被所说增压气体气流所携带而通过所说的第二管道顶端的硅粒，以便使所说的硅粒能大体均匀地遍布于该坩埚盛装的熔体的整个表面。
14.一种将固体硅粒送入用来生长空心管状结晶体设备的系统，该设备包括一具有盛装硅熔体的内腔的坩埚，该系统包括一个具有内腔和开口的罐，其内腔用于贮存固体硅粒，经其开口可从所说的罐中将其所贮存的硅粒发放出去。一个具有与所说的罐相连通的中空内部的管道，使所说的罐的内腔与所说的管道的空心内部相连通，所说的管道还可连到所说的坩埚，使所说的坩埚的内腔与所说管道的空心内部相连通，后者具有这样的形体，当所说的管道固定于所说的坩埚上时，使它能延伸到所说的坩埚的内腔中;一个与所说的罐相连通的第一增压气体源，使所说罐的所说内腔增压，一个与所说管道相连通的第二增压气体源，使之在所说管道中产生加压气体的气流。
15.一种生长管状、空心结晶体的系统，该系统包括一台用于生长管状、空心结晶体的设备，所说的设备包括一个坩埚，该坩埚具有(a)用以盛装熔硅的内腔，(b)一个顶端，以及(c)一个底端，所说的设备还包括从所说的底端下方，穿过所说的内腔，延伸到所说的坩埚的顶端之上为止的空心管;贮存固体硅粒的贮料装置;连通到所说的空心管和所说的贮料装置的管道装置，用以提供一条从所说的贮料装置到所说的空心管的通路，沿着此通路能将所说的贮料装置中贮存的固体硅粒从所说的贮料装置输送到所说的空心管;以及送料装置，用以促使所说的贮料装置中贮存的固体硅粒进入所说的管道装置，并且用以在所说的管道装置中提供增压流体气流，以便造成由所说的增压流体的气流将所说管道装置中的固体硅粒送入并通过所说空心管。
16.一种向生长着空心结晶体设备的坩埚中补给硅熔料的方法，本方法包括下列工艺步骤(1)提供一台生长空心管状结晶体的设备，所说的设备包括一个坩埚和空心管，所说的坩埚具有一盛装硅熔体的内腔，所说的空心管具有一位于所说的坩埚之下的下端，其中部延伸穿过所说的坩埚的内腔，而顶端位于所说的坩埚中盛装的熔硅的顶面之上;(2)提供一个系统，用来把固体、球状的硅珠补给在所说的坩埚中的熔体，本系统包括(a)贮料装置，用于贮存固体球状硅珠;(b)管道装置，连到所说贮料装置且可连到所说的空心管，用以提供一条从所说贮料装置到所说空心管的通路，沿此通路，能将在所说的贮料装置中贮存的固体球状硅珠从所说的贮料装置输送到所说的空心管，以及(c)给料装置，用来将所说的贮料装置中贮存的固体硅粒发放到所说的管道装置以及用来在所说管道装置中提供增压气体的气流，以便在所说的管道装置中携带固体硅粒以及把所说的被携带的硅粒，当所说的管道装置与所说的空心管相连通时，运载进入并穿过所说的空心管;(3)所说的管道装置的一端与所说的空心管的下端相连通;(4)将预定直径的固体球状硅珠添加到所说的贮料装置中;(5)在所说的管道装置中提供预定压力的增压气体的气流喷向所说的管道装置的一端;(6)将所说硅珠发放进入所说的管道装置;(7)在所说增压气体的气流中携带所说硅珠，并把被所说的气流携带的硅珠运载进入并穿过所说的空心管，而后将所说硅珠从所说的空心管的顶端口喷出，让所说的硅珠落入所说的坩埚盛装的所说熔体中。
17.一种按照权利要求16所说的方法，其中所说的步骤(6)包括对所说的贮料装置加压，以迫使在所说的贮料装置中盛装的所说的硅珠进入所说的管道装置中。
18.一种按照权利要求16所说的方法，其中所说的步骤(7)包括偏转所说的从所说的空心管的顶端口喷出的硅珠，使所说的硅珠进入所说的熔体的方式对所说熔体形成的热冲击将减到最小。
19.一种按照权利要求16所说的方法，其中所说的按步骤(4)加进所说贮料装置的所说硅珠的预定直径与为1mm+/-1/2mm。
20.一种按照权利要求16所说的方法还包括步骤，接着所说步骤(6)，通过所说的管道装置输送从所说的贮料装置发放来的所说硅珠，使之与所说增压气体的气流相接触。
全文摘要
一种将固体硅粒连续供给生长空心管状结晶体设备的系统，本系统包括贮存固体硅粒的容器，振动的、气动的或其它装置造成该颗粒通过容器下部开口排出；收受室与容器相连通，用来接收自容器发放来的颗粒；以及为在收受室提供增压流体射流的装置。后者与晶体生长设备的坩埚相连通，由一管道向上延伸通过坩埚的中心。操作时，硅粒从容器中被发放出来，进入收受室，在此增压流体的射流携带硅粒，并把硅粒推出收受室，经管道而进入晶体生长炉，得落到坩埚盛装的熔硅中。
文档编号C30B15/34GK1047541SQ90104389
公开日1990年12月5日 申请日期1990年5月23日 优先权日1989年5月24日
发明者加里·M·弗里德曼, 劳伦斯·L·佩列茨, 约翰·G·韦里斯 申请人:无比太阳能公司