專利名稱：一種單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及坩堝法生長晶體爐子裝置的改進機構，更具體地說是直拉硅單晶棒生 長爐子中加熱器的一種支撐腳改良結構。
背景技術：
半導體硅單晶及太陽能硅單晶大部份均用切克勞斯基(Czochralski)法制造。這 種方法制取的設備是單晶爐。單晶爐中按裝一個加熱器，在加熱器的中間按裝石墨坩堝托 及內裝一個石英坩堝，將多晶硅放入石英坩堝內，關閉爐體抽空、升溫化料，硅料全部熔化， 坩堝在加熱器中間轉動，保持熔硅溫度均勻，將硅料降溫使熔體中心達到一定的固冷度，從 上軸插入一根與坩堝反方向旋轉籽晶(有特定晶向的小單晶體)，通過調節(jié)熔體溫度和籽 晶提升速度，完成細頸、放肩，轉肩，等徑，收尾，拉出一根完整的晶棒。單晶生長工藝爐的結構為自下而上依次是爐體支架、坩堝軸傳動升降部分、爐底 板、下爐筒、中爐筒和爐蓋，爐蓋上方設置可容納生長出晶體的副室，副室上方是晶體提拉 和旋轉機構，籽晶軸、重錘、籽晶夾頭和籽晶從副室上方中心可一直下降到與石英坩堝內硅 熔體接觸，通過溫度和各種控制，使硅熔體定向在籽晶下結晶并不斷長大，達到晶體生長的 目的。加熱系統(tǒng)是晶體生長爐中核心部件，它主要包括三大部份，安裝在爐底兩電極柱 上的石墨電阻加熱器為硅料熔化和晶體生長提供熱量，其二是安裝在加熱器中間的石墨坩 堝托及連接爐底坩堝軸的連桿和坩堝托盤，其三是在熱系統(tǒng)的四周及上下進行保溫，形成 晶體生長所需的徑向和縱向溫度梯度。在大單晶爐中，制備8英寸-12英寸硅單晶需要22英寸、24英寸、28英寸坩堝熱 系統(tǒng)才能有較佳的生產效率和質量保證，通常加熱器做成多瓣開糟的并聯(lián)電路，由石墨材 質制成，僅22英寸熱場加熱器重量就達50kg左右，24、28英寸熱場加熱器重量更重，為了 保持加熱器高溫時不變形，有一個均稱的熱場，適合于單晶穩(wěn)定生產，一般大單晶爐底部圓 周正交部位設置四個金屬電極，其中在一條直徑上的兩個金屬導電電極通過石墨導電腳與 加熱器腳緊密聯(lián)接并通電加熱，另兩個電極通常也通過石墨導電腳與加熱器另兩個腳連接 口，但沒有電流通過僅起支撐、平衡作用，加熱器是很沉重，又較脆、代價十分昂貴，如果支 撐平衡不好，熱場就變成隨園形，造成熱場溫度均勻性差，影響單晶生長，并且會縮短加熱 器使用壽命。石墨材質的導電腳電阻很小，連接金屬電極和加熱器腳讓大電流通過加熱器進行 加熱，但是石墨材質的導電腳導熱性能也很好(熱導率> 100W/mk)，很容易通過另兩只起 支撐作用的導電腳將熱量帶走(金屬電極都是通水冷卻的)，結果使拉晶功率明顯升高。經(jīng)調查和檢索，國內外此類設備的導電腳結構均與此類似。如前所述，每一臺單晶爐是一件耗電很大的用電器，一般拉一根單晶需耗電達數(shù) 千千瓦，一個企業(yè)一般擁有數(shù)十臺到幾百臺，每月用電量達到幾百萬到上千萬千瓦，如此規(guī) 模巨大的耗電器。目前全球能源緊缺，而氣候由于大量的二氧化碳排放而受到很大的影響，
3所以節(jié)能減排已成為全世界都在關心的大事，太陽能是一種取之不盡的清潔能源，倡導推 廣使用太陽能，因此硅電池的加工、單晶爐的需求量、使用量是非常巨大的，對其作任何有 利的改進都會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，相反，一點一滴的損失浪費集聚后影響也 是十分嚴重的。為了減少能量無謂地向外界釋放、浪費，一般的思維是加厚單晶爐爐體的隔 熱層，提高隔熱效果，但是，隨之體積變笨重，材料增加，加溫時的熱量需求也增加，效果并 不明顯。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供大單晶硅生長爐加熱器支撐腳的一種改進結構，在保持熱場 溫度的均勻性的同時又能對加熱器進行支撐，并能盡量減少和避免無謂、無益、無利的額外 能源消耗。本發(fā)明的目的由以下技術方案予以實現(xiàn)一種單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，其特征在于所述支撐腳為上、下兩段 圓柱段組成，上段為石墨段，且上表面開設軸向的定位銷孔，下段為絕熱段，且下表面軸向 開設金屬電極孔。進一步，所述上、下兩段之間以臺階結構連接。再進一步，所述絕熱段的垂直中心剖面呈U字狀，外側近似L的為硬質支撐裹圈， 中央為一圓柱形固化氈墊圈。進一步，所述絕熱段采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。進一步，所述絕熱段采用熱導率< 10W/mk的梯度密度碳碳復合材料。進一步，所述石墨段和絕熱段(9b)兩段的長度比為0. 3-0. 7之間。采用本發(fā)明的結構，支撐腳為圓柱形上、下兩段組成，上段為石墨段，下段為絕熱 段，上、下表面分別開設軸向的定位銷孔和金屬電極孔，在原先位置、與原先相對應的定位 銷和金屬電極進行連接安裝，非常方便。然而絕熱段隔絕了加熱器向下傳導的熱量，阻斷了 加熱器長時間、高溫度對外界的熱量傳遞，既減少了加熱器的熱量損失、浪費，而且傳遞到 外界并不需要的場合，也是對工作環(huán)境的負面影響。本發(fā)明所列結構均有利安裝裝配，所取材料也有利隔熱。本發(fā)明的有益效果①采用本發(fā)明的結構，支撐腳為圓柱形上、下兩段組成，上段 為石墨段，下段為絕熱段，上、下表面分別開設軸向的定位銷孔和金屬電極孔，它既不影響 在原先位置的安裝，不用對原有設備作任何改動，安裝很穩(wěn)定、通用，技術改造投入成本??； ②由于增加了支撐腳的絕熱段，隔絕了加熱器通過支撐腳對外傳出的熱量，節(jié)約了設備運 行需要的耗電量，經(jīng)過測算和試驗，采用本發(fā)明的結構，單晶硅生長爐在原有基礎上節(jié)電達 10%以上，將產生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益；③降低單晶爐耗能和提高效率的渠道有多 種，本發(fā)明克服了本專業(yè)人士的常規(guī)思維，不采用加厚隔熱層的技術方案，首次發(fā)現(xiàn)了此不 易被人注意，容易忽略的結構、位置，以一項相對最簡易的結構改變，取得了如此巨大的經(jīng) 濟效益和顯著的進步。


圖1為本發(fā)明支撐腳部件配置在單晶硅生長爐中的結構示意圖2本發(fā)明支撐腳部件配置在單晶硅生長爐加熱器上的結構示意主視圖；圖3為圖2的俯視圖；圖4為現(xiàn)有技術支撐腳部件配置在單晶硅生長爐加熱器上的結構示意剖視圖；圖5為本發(fā)明支撐腳部件配置在單晶硅生長爐加熱器上的結構示意剖視圖；圖6為本發(fā)明單晶硅生長爐加熱器支撐腳部件的剖視圖；圖7為現(xiàn)有技術單晶硅生長爐加熱器支撐腳部件的剖視圖。圖中，1是爐蓋、2是石墨坩堝、3是加熱器、4是中爐筒、5是下保溫層、6是下爐筒、 7是反射板、8是下爐筒底部保溫層、9是支撐腳、9a是石墨段、9b絕熱段、9bl是支撐裹圈、 9b2是固化氈墊圈、9b3是石英墊圈、10是金屬電極、G是晶體。
具體實施例方式以下結合附圖進一步詳細說明本發(fā)明的結構。一種單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，所述支撐腳為上、下兩段圓柱段組成， 上段為石墨段9a，且上表面開設軸向的定位銷孔，下段為絕熱段％，且下表面軸向開設金 屬電極孔。本發(fā)明與原安裝要求相符，裝配方便，不額外增加改造費用，定位的穩(wěn)固、平衡條 件均能滿足，同時，主要的熱量傳遞的通路被隔絕，大大節(jié)約了熱量浪費的消耗費用。所述上、下兩段之間以臺階結構連接。即一段的軸心部分突起，一段的軸心部分凹 入，兩者容易對接，且結構簡單，連接穩(wěn)固。所述絕熱段的垂直剖面呈U字狀，外側近似L的為硬質支撐裹圈％1，中央為一圓 柱形固化氈墊圈％2 ；在同一段絕熱段中分成內、外兩者，外圈的硬質支撐裹圈9bl增加剛 性和強度，確保其穩(wěn)固性，中央的圓柱形固化氈墊圈％2，更加突出其隔熱效果，而對其硬度 不必要求，隔熱效果更加好。所述絕熱段9b采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。選擇此類耐熱、隔熱材料，均能 起到很好的隔熱效果。所述絕熱段9b采用熱導率< 10W/mk的梯度密度碳碳復合材料?？蓛?yōu)先選擇此類 材質，價格便宜，效果相近，經(jīng)濟性好。在所述絕熱段9b的下部，墊入石英墊圈％3。增加石英墊圈9b3后隔熱效果更加 明顯。所述石墨段9a和絕熱段9b兩段的長度比為0. 3-0. 7之間。兩者長度之比在此范 圍內，能確保達到節(jié)能10%的效果，按加工、工藝情況選擇此范圍中的值。
權利要求
一種單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，其特征在于所述支撐腳為上、下兩段圓柱段組成，上段為石墨段(9a)，且上表面開設軸向的定位銷孔，下段為絕熱段(9b)，且下表面軸向開設金屬電極孔。
2.根據(jù)權利要求1所述單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，其特征在于所述上、下 兩段之間以臺階結構連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，其特征在于所述絕 熱段的垂直中心剖面呈U字狀，外側近似L的為硬質支撐裹圈(9bl)，中央為一圓柱形固化 氈墊圈(9b2)。
4.根據(jù)權利要求1所述單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，其特征在于所述絕熱段 (9b)采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。
5.根據(jù)權利要求1所述單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，其特征在于所述絕熱段 (9b)采用熱導率< 10W/mk的梯度密度碳碳復合材料。
6.根據(jù)權利要求1或2所述單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，其特征在于所述石 墨段(9a)和絕熱段(9b)兩段的長度比為0. 3-0. 7之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及坩堝法生長晶體爐子裝置的改進機構，一種單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結構，所述支撐腳為上、下兩段圓柱段組成，上段為石墨段(9a)，且上表面開設軸向的定位銷孔，下段為絕熱段(9b)，且下表面軸向開設金屬電極孔。所述上、下兩段之間以臺階結構連接。所述絕熱段的垂直中心剖面呈U字狀，外側近似L的為硬質支撐裹圈(9b1)，中央為一圓柱形固化氈墊圈(9b2)。所述絕熱段(9b)采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。或梯度密度碳碳復合材料。采用本發(fā)明既不影響在原先位置的安裝，結構穩(wěn)定、通用，支撐腳隔絕了加熱器通過支撐腳對外傳出的熱量，節(jié)約了設備運行需要的耗電量，節(jié)電達10％以上，經(jīng)濟效益非常巨大。
文檔編號C30B15/14GK101928981SQ201010259098
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權日2010年8月20日
發(fā)明者張永超, 施承啟, 李海波, 胡如權 申請人:上海卡姆丹克太陽能科技有限公司;卡姆丹克太陽能(江蘇)有限公司