CN101709505A - 用于生长硅单晶的节能热场 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生长硅单晶的节能热场,在炉膛内腔,由上到下依次设置有上保温盖、下保温盖、上保温筒、过渡盘、主保温筒、下保温筒、炉底盘及保温层,上保温盖中连接有热屏,在下保温盖、上保温筒的外侧设置有一保温层,该保温层与上保温筒对应开有通气孔;过渡盘、主保温筒、下保温筒的外侧设置有保温层,上述保温层与炉膛内壁之间保持有间隙,炉膛上设置有氩气排气口;在炉底盘上依次设置有一层保温层和护底压片,穿过保温层、炉底盘、护底压片设置有石墨电极和石墨托杆,石墨电极上安装有加热器,在石墨托杆上依次安装有隔热体、石墨埚托、石墨埚帮及石英坩埚。本发明的热场结构合理,热能利用率显著提高,生产成本降低。
Description
技术领域
本发明属于单晶硅材料制备技术领域,涉及一种用于生长硅单晶的节能热场。
背景技术
随着光伏行业的快速发展,直拉硅单晶已经迈向了产业化的发展轨道,硅单晶是在单晶炉热场中进行生长的,热场装置的优劣对硅单晶的品质及生产效率有很大的影响。寻找好的热场条件,配置最佳热场,是直拉硅单晶生长工艺非常重要的技术,提高热能使用效率,降低生产成本已成为行业的重要和急需解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生长硅单晶的节能热场,解决了现有技术中存在的热能使用效率不高,生产成本较大的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种用于生长硅单晶的节能热场,在炉膛内腔,由上到下依次设置有上保温盖、下保温盖、上保温筒、过渡盘、主保温筒、下保温筒、炉底盘及保温层D,上保温盖的外圆周与炉膛内壁密封连接,上保温盖中连接有热屏,上保温盖的下方连接有下保温盖,在下保温盖与上保温筒的外侧设置有保温层A,保温层A与上保温筒开有联通的通气孔;过渡盘和主保温筒的外侧设置有保温层B;下保温筒的外侧设置有保温层C,保温层A、保温层B、保温层C与炉膛内壁之间保持一定的间隙,炉膛靠近下部的侧壁上设置有氩气排气口,通气孔用于将氩气从热屏下沿处引出到氩气排气口;在炉底盘的上表面依次设置有保温层E和护底压片,穿过保温层D、炉底盘、保温层E和护底压片设置有石墨电极和石墨托杆,石墨电极上安装有加热器,在石墨托杆上从下到上依次安装有隔热体、石墨埚托、石墨埚帮及石英坩埚。
本发明的节能热场,其特征还在于:
所述的上保温盖的截面为圆环型台阶形状。
所述热屏的截面为上小下大的形状,包括内外相套装的热屏外胆和热屏内胆,热屏外胆和热屏内胆之间安装有保温层F。
所述的下保温盖的外径与保温层A的外径差值不小于10mm。
所述的过渡盘的外径与保温层B外径的差值不小于10mm。
所述的石墨埚托下表面边沿设置有凸沿。
所述的加热器的脚板上设置有沉孔。
所述石墨电极的端头形状为蘑菇头状。
所述的保温层A、保温层B及保温层C的厚度为10-200mm。
所述的保温层D和保温层E的厚度为5-200mm。
本发明的有益效果是,热场装置结构更加优化,热能使用效率显著提高,降低了直拉硅单晶的生产成本。
附图说明
图1是本发明的直拉硅单晶生长用热场的结构示意图;
图2是本发明装置中的热屏与上保温盖的装配示意图;
图3是本发明装置中的下保温盖与上保温筒的装配示意图;
图4是本发明装置中的过渡盘与主保温筒的装配示意图;
图5是本发明装置中的石墨埚托的凸沿结构示意图,其中a为圆盘形下凹槽凸沿结构,b为圆环形下凹槽凸沿结构;
图6是本发明装置中的加热器脚板上的沉孔结构示意图。
图中,1.上保温盖,2.热屏外胆,3.保温层F,4.热屏内胆,5.石英坩埚,6.石墨埚帮,7.石墨埚托,8.加热器,9.石墨螺钉,10.氩气流动路线,11.保温层D,12.保温层E,13.护底压片,14.热屏,15.石墨电极,16.炉底盘,17.下保温筒,18.保温层C,19.石墨托杆,20.隔热体,21.主保温筒,22.保温层B,23.过渡盘,24.保温层A,25.上保温筒,26.通气孔,27.下保温盖,28.密封圈,29.炉膛,30.氩气排气口,31.沉孔,32.凸沿。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1,本发明的热场结构是,在炉膛29内腔,由上到下依次设置有上保温盖1、下保温盖27、上保温筒25、过渡盘23、主保温筒21、下保温筒17、炉底盘16及保温层D11,上保温盖1的外圆周与炉膛29内壁密封连接,上保温盖1中连接有热屏14,上保温盖1的下方连接有下保温盖27,在下保温盖27与上保温筒25的外侧设置有保温层A24,保温层A24与上保温筒25开有联通的通气孔26;过渡盘23和主保温筒21的外侧设置有保温层B22;下保温筒17的外侧设置有保温层C18,保温层A24、保温层B22、保温层C18与炉膛29内壁之间保持一定的间隙,便于氩气通过,炉膛29靠近下部的侧壁上设置有氩气排气口30,通气孔26用于将氩气从热屏14下沿处引出到氩气排气口30;
在炉底盘16的上表面设置有一层保温层E12,保温层E12的上表面设置有护底压片13,保温层D11、炉底盘16、保温层E12和护底压片13构成保温底板,该保温底板中穿入一组(或两组)石墨电极15和一根石墨托杆19,石墨电极15上各自通过石墨螺钉9安装有一加热器8;在石墨托杆19上从下到上依次安装有隔热体20、石墨埚托7、石墨埚帮6及石英坩埚5。
热屏14的下沿与石墨坩埚5中的液面保持间隙。
保温层A24与上保温筒25对应开有2~20个通气孔26,每个通气孔26面积不小于30mm2。上保温筒25内径的大小,介于主保温筒21内径与石墨埚帮6外径之间。
上述的保温层A24、保温层B22、保温层C18、保温层D11、保温层E12、保温层F3均选用石墨软毡或耐高温的复合材料。其中保温层D11和保温层E12的厚度为5-200mm,保温层A24、保温层B22、保温层C18的厚度为10-200mm。
本发明装置中,上保温盖1与炉膛29内壁之间密封连接,或者还可以通过设置的密封圈28保持密封连接,保证两者的接触面密封牢靠,堵住气体通路,阻止氩气由此向下流动,从而按照图1所示的虚线路径,氩气从热屏14的下沿与石墨坩埚5中的液面间隙通过,再经过保温层A24与上保温筒25联通的通气孔26,沿炉膛29内壁从氩气排气口30排出。
如图2,上保温盖1采用保温性良好的复合材料,取代常规的石墨上保温盖,采用覆盖式的圆环型台阶结构,从热屏14安装边的上方和圆周侧面两个方向对热屏14进行覆盖。热屏14包括套接在一起的热屏外胆2和热屏内胆4,热屏外胆2和热屏内胆4之间安装有保温层F3,保温层F3的形状为上小下大,因此热屏14的形状称为“大肚”形状。其优点在于,第一是其内外胆之间有更大的空间填充保温层,保温层F3的最厚处厚度大于20mm;第二是呈“大肚子”形状,靠近液面需要更好的保温需要,该形状更加适应单晶炉内的热场技术要求。
如图3,下保温盖27外径Φ2小于保温层A24的外径Φ1。Φ2与上保温筒25的外径一致,或者Φ2介于上保温筒25外径与保温层A24外径之间,且Φ1-Φ2≥10mm。
如图4,过渡盘23的外径Φ4小于保温层B22的外径Φ3。Φ4与主保温筒21的外径一致,或者Φ4介于主保温筒21的外径与保温层B22的外径之间,且Φ3-Φ4≥10mm。
如图5,在石墨埚托5下表面边沿,设置有一个具有引流作用的凸沿32,其中图a为圆盘形下凹槽结构,图b为圆环形下凹槽结构。该凸沿32可以防止石墨坩埚5溢出的熔液沿石墨埚托5下表面流到石墨托杆19上,造成损坏,影响设备的正常使用;而是引导溢出的熔液沿凸沿32边缘掉到石墨电极15上,通过石墨电极15上的报警装置及时报警。
如图6,本发明装置中,在加热器8的脚板上设置有沉孔31,该沉孔31可将石墨螺钉9的螺栓头大部分隐埋在加热器8的脚板中,使得石英坩埚5增大下降量,提高装料量,增加石英坩埚5的利用率。另外将石墨电极15与加热器8的接触端设置为蘑菇头状的加大直径端头,可以保证石墨电极15与加热器8之间增大接触面,杜绝打火现象。
本发明热场的优点表现在:
1)、氩气流从上保温筒25的排气孔26通过,经由炉膛29的内壁与保温层之间的空隙流向单晶炉的抽气口,如图1中的虚线10所示,这种排气方式减少了主炉室内温度的变化程度,大大延长了加热器等石墨件和主真空泵的寿命。本发明的热场,改变了拉晶时氩气的流动方向,使氩气从上保温罩的通气孔沿炉膛排出,延长加热器等石墨件及真空设备的寿命。
2)、上保温盖1采用复合保温层,其结构呈覆盖式台阶形;缩小了上保温筒25的内径;过渡盘23和下保温盖27的外径分别收小到与主保温筒21、上保温筒25一致,以便减少过渡盘23和下保温盖27导致的热量损失,上述方法综合起来加强了热场的整体保温,有利于节能。
3)、热屏14截面制作为上小下大的“大肚子”状,加强了其隔热效果,增大热场的纵向温度梯度,有利于提高拉速。
4)、在石墨埚托7的下方边缘设置了一个具有引流作用的凸沿32,能够
在漏料时,防止液体流向石墨托杆19,同时触发电器报警功能,有效降低了事故损失,提高了安全性。
5)、将加热器8脚板上用于连接的孔设计为沉孔31,增加了石墨埚帮6的下行空间,有利于提升装料量。
本发明的热场结构,经试验,拉晶的平均功率降低30%-40%、平均拉速提高10%,装料量提高10%,成晶稳定。
本发明的热场尺寸以石英坩埚直径为准在18-24时之间,不仅适用于直拉法生长硅单晶,同样适用于外加磁场的磁场直拉法生长硅单晶,适用于拉制掺硼、掺镓、掺铟、掺磷、掺砷、掺锑的硅单晶。
Claims (10)
1.一种用于生长硅单晶的节能热场,其特征在于:在炉膛(29)内腔,由上到下依次设置有上保温盖(1)、下保温盖(27)、上保温筒(25)、过渡盘(23)、主保温筒(21)、下保温筒(17)、炉底盘(16)及保温层D(11),上保温盖(1)的外圆周与炉膛(29)内壁密封连接,上保温盖(1)中连接有热屏(14),上保温盖(1)的下方连接有下保温盖(27),在下保温盖(27)与上保温筒(25)的外侧设置有保温层A(24),保温层A(24)与上保温筒(25)开有联通的通气孔(26);过渡盘(23)和主保温筒(21)的外侧设置有保温层B(22);下保温筒(17)的外侧设置有保温层C(18),保温层A(24)、保温层B(22)、保温层C(18)与炉膛(29)内壁之间保持一定的间隙,炉膛(29)靠近下部的侧壁上设置有氩气排气口(30),通气孔(26)用于将氩气从热屏(14)下沿处引出到氩气排气口(30);
在炉底盘(16)的上表面依次设置有保温层E(12)和护底压片(13),穿过保温层D(11)、炉底盘(16)、保温层E(12)和护底压片(13)设置有石墨电极(15)和石墨托杆(19),石墨电极(15)上安装有加热器(8),在石墨托杆(19)上从下到上依次安装有隔热体(20)、石墨埚托(7)、石墨埚帮(6)及石英坩埚(5)。
2.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述的上保温盖(1)的截面为圆环型台阶形状。
3.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述热屏(14)的截面为上小下大的形状,包括内外相套装的热屏外胆(2)和热屏内胆(4),热屏外胆(2)和热屏内胆(4)之间安装有保温层F(3)。
4.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述的下保温盖(27)的外径与保温层A(24)的外径差值满足关系:Ф1-Ф2>10mm。
5.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述的过渡盘(23)的外径与保温层B(22)的外径的差值满足关系:Ф3-Ф4>10mm。
6.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述的石墨埚托(5)下表面边沿设置有凸沿(32)。
7.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述的加热器(8)的脚板上设置有沉孔(31)。
8.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述石墨电极(15)的端头形状为蘑菇头状。
9.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述的保温层A(24)、保温层B(22)及保温层C(18)的厚度为10-200mm。
10.根据权利要求1所述的节能热场,其特征在于:所述的保温层D(11)和保温层E(12)的厚度为5-200mm。
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