CN105586634B - 用于直拉单晶炉热场的加热器及使用方法 - Google Patents
用于直拉单晶炉热场的加热器及使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于直拉单晶炉热场的加热器，包括加热器主体(5)；所述加热器主体(5)可翻转；所述加热器主体(5)的叶片端面上设置有加热器脚(6)；所述加热器主体(5)的叶片两端均设置有螺纹孔(7)；所述加热器脚(6)上相对于螺纹孔(7)设置有通孔(10)；所述加热器脚(6)通过螺钉经通孔(10)和螺纹孔(7)进行固定。
Description
技术领域
本发明涉及直拉单晶炉热场技术领域，特别是涉及一种用于直拉单晶炉热场的加热器及使用方法。
背景技术
直拉单晶炉是在惰性气体(氩气为主)环境中，使用加热器将多晶硅等多晶材料熔化，并采用直拉法生长无位错单晶的设备。加热器是单晶炉热场的核心部件，提供多晶熔化长晶的热能，其结构的设计不仅直接影响着是否能顺利长晶以及单晶的质量，而且作为主要耗材之一，直接影响到单晶的制造成本。
硅单晶生长过程中以惰性气体氩气作为保护气体，减压状态下流动的氩气会带走熔硅与石英坩埚反应(见式1)产生的一氧化硅蒸气。加热器的形状通常为圆筒鸟笼状，侧面进行开槽，形成多个叶片。当被带走的一氧化硅蒸气流经加热器时，会与加热器表面(碳)发生反应(见式2和式3)，在不同温度下会形成碳化硅和硅，因此从上至下不同温区的加热器叶片表面呈现出不同的形貌，见图1。部位1从加热器顶端往下，叶片表面黄色碳化硅逐渐增多，部位2叶片表面黄色碳化硅均匀分布，而部位3从加热器叶片中间往下，叶片表面主要是硅和碳化硅的混合粘结，部位4则主要是硅的沉积粘结。这种情况下形成的碳化硅的粘结强度和硬度都不是很高，冷却后很小的摩擦就能掉落，因此每一炉停炉后都要对其进行清洁，避免下一炉扬尘污染原料。这样多次清洁后，加热器叶片就会逐渐损耗减薄，尤其以固液界面附近的部位2损耗最大。而硅的粘结强度是比较高的，因此部位3由于混合粘结硅对表面的保护，叶片损耗是比较小的，部位4叶片的损耗更是非常小。由于部位2叶片损耗变得越薄，局部电阻值会变得越大，局部发热就越厉害，损耗也在不断加剧，最终导致部位2叶片太薄甚至断裂而无法继续使用加热器。这种叶片损耗不均匀的情况，不仅大大缩短了加热器的寿命，而且严重影响了加热器的发热情况，使得固液界面的温度梯度逐渐发生变化，影响了单晶的生长和品质。
目前直拉单晶炉热场使用最多的加热器是圆筒鸟笼状加热器，底部一般有二个或四个连接电极的脚。专利201220313158.0(授权公告日2013.01.02)公布了一种单晶炉热场加热器，其加热器主体和加热器脚可拆卸地连接，当加热器脚损坏时，只需要将加热器脚从加热器主体上拆除，并更换新的加热器脚即可，无需更换整个加热器主体，降低了维修成本。专利201320531088.0(授权公告日2014.03.05)公布了一种用于直拉单晶炉的分体加热器，即加热筒和电极脚为分体结构，在发生因粘硅或者电极脚拉弧不能继续使用的情况下，可通过直接更换电极脚完成设备的维修更换，从而大大增强了加热器主体部分的抗风险能力，进而降低了生产成本。然而，在加热器的正常使用中，只要使用得当，不发生拉弧打火的情况，加热器的脚一般不会发生损坏，而叶片损耗却是每一炉都在发生，因此加热器的使用寿命长短通常是由叶片损耗减薄的快慢决定的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种叶片损耗慢，使用寿命长的直拉单晶炉热场的加热器及其使用方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种用于直拉单晶炉热场的加热器，包括加热器主体；所述加热器主体可翻转。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器的改进：所述加热器主体的叶片端面上设置有加热器脚。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器的进一步改进：所述加热器主体的叶片两端均设置有螺纹孔；所述加热器脚上相对于螺纹孔设置有通孔；所述加热器脚通过螺钉经通孔和螺纹孔进行固定。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器的进一步改进：所述叶片的端面的螺纹孔的数量为2的整数倍；所述叶片两端的螺纹孔数量相同。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器的进一步改进：所述加热器主体中设有螺纹孔的叶片的转角部位相对其他叶片的相应转角部位缩进一定距离；该一定距离为加热器脚与加热器主体相互连接部位的长度。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器的进一步改进：所述螺纹孔绕加热器主体环形排列；所述加热器主体两端的螺纹孔的数量均为8个。
一种用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法：将加热器主体使用一定炉数后，加热器主体的部位3和部位4形成一层硅和碳化硅的混合沉积层；将此加热器主体进行翻转，转换原先带有沉积层的部位处于原部位2和部位1的温区范围；再次进行相同数量炉数后，再次翻转加热器主体，以此循环翻转加热器主体。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法的改进：所述加热器主体一端的带螺纹孔的叶片通过螺钉连接加热器脚后使用；在加热器主体使用一定炉数后，其翻转步骤为：将加热器脚与加热器主体另外一端的相应位置进行连接后使用；重复以上步骤对加热器主体进行倒置或者翻转。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法的进一步改进：所述的加热器主体进行倒置或翻转时的使用炉数为1～50。
作为本发明所述的用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法的进一步改进：所述的加热器主体进行倒置或翻转时的使用炉数为10。
本发明具有的优点和有益效果是：采用上述技术方案的单晶炉热场加热器，在使用一定炉数后，部位3和部位4会形成一层硅和碳化硅的混合沉积层，此时将加热器主体倒置，带有沉积层的部位会处于原部位2和部位1的温区范围，由于沉积层的高温抗氧化性非常好，有效地隔绝了一氧化硅蒸气对加热器叶片的腐蚀和损耗，不仅大大延长了加热器的使用寿命，而且大大提升了热场温度梯度的稳定性。
附图说明
图1为直拉单晶炉热场使用最多的常规加热器的主视图；
图2为本发明的用于直拉单晶炉热场的加热器主体的主视图；
图3为本发明的用于直拉单晶炉热场的加热器脚的主视图及右视图；
图4为本发明的用于直拉单晶炉热场的加热器主体与加热器脚相联接的主视图；
图5为直拉单晶炉热场的常规加热器的使用炉数与长晶功率的变化关系图；
图6为本发明的用于直拉单晶炉热场的加热器使用炉数与长晶率的变化关系图。
具体实施方式
实施例1、如图2～图4所示，本发明给出一种用于直拉单晶炉热场的加热器，包括加热器主体5和加热器脚6；加热器主体5的叶片两端均设置了4对(即8个)呈圆周对称分布的螺纹孔7，加热器主体5中设有螺纹孔7的叶片的转角部位8往叶片中间移动，移动距离为L形台阶9的壁面高度，从而保证叶片转角部位8的电阻值正常，而加热器脚6的底部设置有L形台阶9，通过L形台阶9与加热器主体5固定连接，而L形台阶9上相对于螺纹孔7设置有相应的通孔10，需要连接的时候，通过将通孔10与相应的螺纹孔7一一对应，之后用螺钉进行固定即可。
上述加热器主体5结合加热器脚6的组合在使用了10炉，高温时间约600个小时之后，拆卸加热器主体5和加热器脚6，倒置加热器主体5，通过加热器主体5的另外一端螺纹孔7与加热器脚6进行联接固定，以使用炉数10炉为一个周期，重复倒置加热器主体5进行使用。
本发明的直拉单晶炉热场的加热器利用了使用过程中产生的硅和碳化硅的混合沉积层对加热器自身的保护，由于沉积层的高温抗氧化性非常好，有效地隔绝了一氧化硅蒸气对加热器叶片的腐蚀和损耗，大大延长了加热器的使用寿命。加热器叶片的损耗变小，而且不存在局部损耗过大的情况，因此加热器的发热是比较稳定的，而且硅和碳化硅的热导率都比较高，不会影响到加热器的发热，因此热场温度梯度的稳定性得到了大大提升，从而提升了单晶生长和品质的稳定性。
试验例1
使用上述直拉单晶炉热场的加热器，使用方法按照上面所述实施，使用寿命对比如下表所示：
| 名称 | 使用寿命 |
| 原加热器 | 100～150炉 |
| 实施例1加热器 | >250炉 |
如图5和图6所示，分别使用常规加热器和本发明的加热器，晶体生长功率随加热器使用炉数增加的变化情况，可以看出，常规加热器在使用时，由于叶片的局部减薄，该位置发热会增强，导致晶体生长功率发生变化，影响了熔体的温度梯度，从而影响了晶体生长和品质的稳定性。而本发明的加热器，由于叶片的均匀减薄，尽管整体电阻值会逐渐增大，晶体生长功率却未发生明显变化，保证了晶体生长和品质的稳定性。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (4)
1.一种用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法，其特征是：用于直拉单晶炉热场的加热器包括加热器主体(5)，所述加热器主体(5)可翻转；
使用方法为将加热器主体(5)使用一定炉数后，加热器主体(5)的部位(3)和部位(4)形成一层硅和碳化硅的混合沉积层；
将此加热器主体(5)进行翻转，转换原先带有沉积层的部位处于原部位(2)和部位(1)的温区范围；
再次进行相同数量炉数后，再次翻转加热器主体(5)，以此循环翻转加热器主体(5)。
2.根据权利要求1所述的用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法，其特征是：所述加热器主体(5)一端的带螺纹孔(7)的叶片通过螺钉连接加热器脚(6)后使用；
在加热器主体(5)使用一定炉数后，其翻转步骤为：
将加热器脚(6)与加热器主体(5)另外一端的相应位置进行连接后使用；
重复以上步骤对加热器主体(5)进行倒置或者翻转。
3.根据权利要求2所述的用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法，其特征是：所述的加热器主体(5)进行倒置或翻转时的使用炉数为1～50。
4.根据权利要求3所述的用于直拉单晶炉热场的加热器使用方法，其特征是：所述的加热器主体(5)进行倒置或翻转时的使用炉数为10。
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