CN202744655U - 一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器，包括形成加热系统的加热器本体（1）、设置在加热器本体（1）侧壁的侧壁发热体（2）、以及设置在加热器本体（1）底部用于支撑石墨坩埚的底部支撑脚（3），所述的侧壁发热体（2）向下和向内延伸形成弧形的底部发热体（4）。本实用新型所述石墨加热器设计上引进新型发热布局理念，使得在维持传统加热器性能的基础下具有热态分布合理、热能利用率高、拉制大尺寸单晶成品率高等特点。

Description

一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器

技术领域

本实用新型涉及一种加热器装置，更具体的说，是涉及一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器。

背景技术

当前制备单晶硅主要由两种技术，根据晶体生长方式不同，可以分为区熔单晶硅和直拉单晶硅。直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。

直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固液界面处，藉由熔体温度下降，将产生由液体转换成固态的相变化。为了生长质量合格（硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分布、碳含量、金属杂质含量、缺陷等）的单晶硅棒，在采用直拉法生长时，必须考虑以下问题。首先是根据技术要求，选择使用合适的单晶生长设备，其次是要掌握一整套单晶硅的制备工艺、技术，包括：（1）单晶硅系统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；（2）单晶硅生长1系统内的氩气气体系统设计；（3）单晶硅挟持技术系统的设计；（4）为了提高生产效率的连续加料系统的设计；（5）单晶硅制备工艺的过程控制。

热的传输靠三种主要模式，亦即辐射、对流及热传导。由于晶体的生长是在高温下进行，所以这三种模式都存在于系统中。在直拉法里，熔体是藉由石墨加热器的辐射热而被加热，而熔体内部的热传导则是主要靠着对流，晶棒内部的热传输主要靠着传导。另外，从液面及晶棒表面散失到外围的热则是藉由辐射作用。系统内的温度分布对晶体生长质量有很大的影响。包括缺陷的密度与分布、氧的析出物生成等。

直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是将原料多硅晶块放入适应坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（籽晶）浸入熔液中。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。

目前单晶炉大都采用石墨加热器对适应坩埚内的多晶原料进行加热熔化。普通石墨加热器，如图1和图2所示，为一个环形的石墨上进行均匀开槽，然后再电极腿上通电加热，一般电压小于60VDC，22英寸热场最大加热功率在165kw。这种加热器轴向电阻均匀，发热功率轴向均匀，大的热场考虑拉晶时热场梯度需要，在环形加热器下面再安装一个底部石墨加热器，参见图3，如24英寸热场热场底部施加最大20kw的底部加热功率。目前国内22英寸热场都是单加热器结构，24英寸及以上热场是双加热器结构。这样的设置增加了设备投入，且操作复杂化。

CN101580962A提供了一种直拉单晶炉的石墨加热器的改进结构。该加热器包括在轴向方向上布置了交互且均匀开槽的环形石墨加热器，在环形石墨加热器上设置一个减薄加热段，减薄加热段的径向横截面积为加热器其余部位的径向横截面积的2/3～3/4；所述减薄加热段是指从加热器的底部起至总高度处的1/5～1/4部分。本发明使得加热功率在加热器的减薄处增加，轴向分布得到改变，间接在环形加热器底部形成一个附加的底部加热器功能，从而通过单个石墨加热器的结构设计但能达到原有技术中环形石墨加热器加底部加热器的两个加热器的效果。这样的设置其加热主要发生在靠近环形石墨加热器的环形壁上，而环形石墨加热器的底部很难受热，热态分布不均衡。

而且，对于制备单晶硅的市场，其需求往拉制大直径单晶发展，而大直径单晶的生长随着热系统尺寸的加大，就需要更均衡的热态分布，更稳定的温度控制，而且控制能耗也成了必须考虑的问题。传统的加热器在拉制大尺寸单晶时已经力不从心，在拉制9寸以上单晶时，都需要对单晶炉增加底部加热或保温，而装底部加热器需要更改炉底盘，多加两根电极和水冷，增加了成本且难度技术较大。而上述直拉单晶炉的石墨加热器的改进结构也显然无法满足上述需求。

实用新型内容

为克服上述，本实用新型的目的在于提供一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器，该石墨加热器在无需改造单晶炉设备的情况下，实现底部加热器效果。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器，包括形成加热系统的加热器本体、设置在加热器本体侧壁的侧壁发热体、以及设置在加热器本体底部用于支撑石墨坩埚的底部支撑脚，其中：所述的侧壁发热体向下和向内延伸形成弧形的底部发热体。

本实用新型在石墨加热器设计上引进新型发热布局理念，通过将侧壁发热体向下和向内延伸形成弧形的底部发热体的结构设计，不仅能达到原有技术中环形石墨加热器加底部加热器的两个加热器的效果，而且相比之前的设计，底部更容易受热，在维持传统加热器性能的基础下具有热态分布合理、热能利用率高、拉制大尺寸单晶成品率高等特点。

本实用新型中，设置的侧壁发热体的个数即为发热器的瓣数，可根据实际情况，设置成16瓣、20瓣、24瓣、28瓣、36瓣。底部发热体与侧壁发热体具有相同的瓣数。

本实用新型中，所述的底部支撑脚支撑石墨坩埚的上表面高于底部发热体的末端所在的水平面。

本实用新型中，所述的底部发热体向内延伸的距离小于底部支撑脚向内延伸的距离。

如果底部发热体向内延伸的距离大于底部支撑脚向内延伸的距离，则拉晶时石墨坩埚降到最下限位置时，底部发热体可能就会碰到石墨坩埚，造成事故。采用本实用新型的设计，可以防止事故的发生，保证拉晶过程的安全。

本实用新型中，所述的底部发热体的弧形宽度沿径向方向由外向里逐渐减小。

本实用新型中通过逐渐减小底部发热体的弧形宽度，可以防止每瓣底部发热体越靠越近最后碰在一起，更重要的是可以增大电阻，增加底部发热体的发热量。

本实用新型中，所述的底部发热体与侧壁发热体形成弧形对接。

本实用新型中，所述的加热器本体呈圆筒状。

本实用新型中，在加热器本体的圆筒壁的轴向方向上均匀设有布置侧壁发热体的开槽。

本实用新型中，所述的侧壁发热体内充填有细条状石墨。

本实用新型中，所述的底部发热体内充填有石墨。

本实用新型中，所述的底部发热体与侧壁发热体内充填的石墨的厚度一致。

制备单晶硅的市场需求往拉制大直径单晶发展，而大直径单晶的生长随着热系统尺寸的加大，就需要更均衡的热态分布，更稳定的温度控制，而且控制能耗也成了必须考虑的问题。传统的加热器在拉制大尺寸单晶时已经力不从心，在拉制9寸以上单晶时，都需要对单晶炉增加底部加热或保温，而装底部加热器需要更改炉底盘，多加两根电极和水冷，增加了成本且难度技术较大。本实用新型的带底部加热器功能的一体化圆筒状加热器改变以往的完全直筒加热器形状，增加了底部向圆筒内部延伸的底部发热体，拉制大直径单晶时无需底部加热器。

采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

（1）本实用新型在无需改造单晶炉设备的情况下，实现底部加热器效果，节约技术升级成本；

（2）同等尺寸的本实用新型的石墨加热器对比传统的圆筒石墨加热器，具有热能利用率高的特点，节能4%～8%；

（3）在拉制大于9寸的单晶时，温度控制稳定，硅溶液热对流小，成晶率提高2%～4%。

附图说明

图1为现有标准的环形石墨加热器结构示意图；

图2为图1中环形石墨加热器的俯视图；

图3是与图1的环形石墨加热器配合使用的底部加热器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1的直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器的侧视图；

图5为本实用新型实施例1的直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器的俯视图；

其中，

1——加热器本体，2——侧壁发热体，3——底部支撑脚，4——底部发热体，5——开槽。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进行进一步详细的说明。

实施例1

如图4和图5所示的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器，包括形成加热系统的加热器本体1、设置在加热器本体1侧壁的侧壁发热体2、以及设置在加热器本体1底部用于支撑石墨坩埚的底部支撑脚3，所述的侧壁发热体2向下和向内延伸形成弧形的底部发热体4。

本实用新型在石墨加热器设计上引进新型发热布局理念，通过将侧壁发热体向下和向内延伸形成弧形的底部发热体的结构设计，不仅能达到原有技术中环形石墨加热器加底部加热器的两个加热器的效果，而且相比之前的设计，底部更容易受热，在维持传统加热器性能的基础下具有热态分布合理、热能利用率高、拉制大尺寸单晶成品率高等特点。

为了保证拉晶过程的安全，并充分实现底部加热功能，本实用新型所述的底部支撑脚3支撑石墨坩埚的上表面高于底部发热体4的末端所在的水平面。如图4所示。

为进一步保证拉晶过程的安全性，本实用新型所述的底部发热体4向内延伸的距离小于底部支撑脚3向内延伸的距离。这样可以防止拉晶时石墨坩埚降到最下限位置时底部发热体碰到石墨坩埚，从而防止事故的发生。

本实用新型中，所述的底部发热体4的弧形宽度沿径向方向由外向里逐渐减小。参见图5。本实用新型中通过逐渐减小底部发热体的弧形宽度，可以防止每瓣底部发热体越靠越近最后碰在一起，更重要的是可以增大电阻，增加底部发热体的发热量。

本实用新型中，所述的底部发热体4与侧壁发热体2形成弧形对接。

本实用新型中，所述的加热器本体1呈圆筒状。在加热器本体1的圆筒壁的轴向方向上均匀设有布置侧壁发热体2的开槽5。所述的侧壁发热体2内充填有细条状石墨。所述的底部发热体4内充填有石墨。所述的底部发热体4与侧壁发热体2内充填的石墨的厚度一致。

本实用新型中，可针对石墨材料不同的电阻率及单晶炉发热要求设计石墨加热器的壁厚和瓣数。如针对22寸热场加热器，加热器本体的壁厚为20mm～24mm，加热器的瓣数为32瓣，设计4个底部支撑脚，其中2个底部电极脚、2个用于支撑石墨坩埚的底部支撑脚，呈对称分布；每两瓣侧壁发热体两两相连，向加热器本体的圆筒内部弯进，向下高度与底部支撑脚一致，向内弯进距离为50mm～100mm；底部发热体部分与侧壁发热体形成弧形对接；底部发热体部分本身呈圆弧形设计。

实施例2

调整加热器的瓣数为16瓣、20瓣、24瓣、28瓣、36瓣，根据石墨材料不同的电阻率及单晶炉发热要求决定。

其他同实施例1。

实施例3

针对不同尺寸的石墨热场系统（20寸、24寸、26寸、28寸、30寸、32寸），改变发热体、电极脚、支撑脚的长度与高度以达到增加底部加热功能的目的。

实施例4

根据配套使用的其他石墨件及单晶炉的架构，可适当改变底部发热体相对于底部支撑脚的尺寸。

采用本实用新型所提供的石墨加热器可以在无需改造单晶炉设备的情况下，实现底部加热器效果，节约技术升级成本；同等尺寸的本实用新型的石墨加热器对比传统的圆筒石墨加热器，具有热能利用率高的特点，节能4%～8%；在拉制大于9寸的单晶时，温度控制稳定，硅溶液热对流小，成晶率提高2%～4%。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本实用新型的优选实施例进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨加热器，包括形成加热系统的加热器本体（1）、设置在加热器本体（1）侧壁的侧壁发热体（2）、以及设置在加热器本体（1）底部用于支撑石墨坩埚的底部支撑脚（3），其特征在于：所述的侧壁发热体（2）向下和向内延伸形成弧形的底部发热体（4）。

2.根据权利要求1所述的石墨加热器，其特征在于，所述的底部支撑脚（3）支撑石墨坩埚的上表面高于底部发热体（4）的末端所在的水平面。

3.根据权利要求2所述的石墨加热器，其特征在于，所述的底部发热体（4）向内延伸的距离小于底部支撑脚（3）向内延伸的距离。

4.根据权利要求3所述的石墨加热器，其特征在于，所述的底部发热体（4）的弧形宽度沿径向方向由外向里逐渐减小。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的石墨加热器，其特征在于，所述的底部发热体（4）与侧壁发热体（2）形成弧形对接。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的石墨加热器，其特征在于，所述的加热器本体（1）呈圆筒状。

7.根据权利要求6所述的石墨加热器，其特征在于，在加热器本体（1）的圆筒壁的轴向方向上均匀设有布置侧壁发热体（2）的开槽（5）。

8.根据权利要求7所述的石墨加热器，其特征在于，所述的侧壁发热体（2）内充填有细条状石墨。

9.根据权利要求8所述的石墨加热器，其特征在于，所述的底部发热体（4）内充填有石墨。

10.根据权利要求9所述的石墨加热器，其特征在于，所述的底部发热体（4）与侧壁发热体（2）内充填的石墨的厚度一致。

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