CN219099375U - 一种单晶炉用加热器及单晶炉 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种单晶炉用加热器及单晶炉，其中，单晶炉用加热器包括发热区及电极脚板；所述发热区为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；所述电极脚板包括第一电极脚板及第二电极脚板；所述第一电极脚板支撑所述发热区的一侧，并用于与电源的第一电极连接；所述第二电极脚板支撑所述发热区的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；所述电极脚板的电阻率小于所述发热区的电阻率。本申请实施例提供的加热器，可以有效提高发热区的发热量而降低电极脚板的发热量，从而降低所生产晶棒的头部氧含量，且有利于节约缩减成本及现场搬运。

Description

一种单晶炉用加热器及单晶炉

技术领域

本申请涉及晶体硅制造设备技术领域，特别是涉及一种单晶炉用加热器及单晶炉。

背景技术

当前，为了满足太阳能光伏产业对单晶硅棒强烈的产能需求，热场和单晶硅晶棒尺寸不断增大，使得硅晶棒的氧含量不断升高。而晶棒氧含量的升高不仅会导致电池端产生“同心圆”现象，降低电池的效率和寿命，也会提高单晶端的拉晶成本。

针对晶棒头部氧含量过高的问题，现有技术一般采用降低拉晶埚转以及使用降氧加热器，以降低晶棒头部氧含量。

但是，降低埚转会造成拉晶过程中温度波动性增加及断线率提高；而降氧加热器则需要缩短加热器发热区的高度和加厚脚板的厚度，导致发热量过度集中，不仅造成加热器的寿命较短、拉晶成本增加，且由于脚板较厚，使得脚板的制作成本也被迫升高。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种单晶炉用加热器及单晶炉，以解决现有单晶生长过程所使用的加热器，无法有效兼顾晶棒品质与生产成本的问题。

为了解决上述问题，本申请是通过如下技术方案实现的：

本申请提出了一种单晶炉用加热器，其中，包括发热区及电极脚板；

所述发热区为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；

所述电极脚板包括第一电极脚板及第二电极脚板；

所述第一电极脚板支撑所述发热区一侧，并用于与电源的第一电极连接；

所述第二电极脚板支撑所述发热区的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；

所述电极脚板的电阻率小于所述发热区的电阻率。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，所述发热区的电阻率大于等于11μΩ·m，所述电极脚板的电阻率小于等于10μΩ·m。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，所述发热区的电阻率大于等于12μΩ·m，所述电极脚板的电阻率小于等于9μΩ·m。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，所述发热区的径向方向上的厚度为15～30mm；所述发热区的轴向方向上的高度为150～400mm；

所述第一电极脚板及所述第二电极脚板的横截面厚度均为25～40mm，所述第一电极脚板及所述第二电极脚板的横截面宽度均为70～95mm。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，所述发热区包括多个拼接件，由多个所述拼接件围合连接形成所述发热区。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，沿所述发热区的轴线方向，各所述拼接件的投影均呈圆弧形。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，所述圆弧形的圆心角为60～180°。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，各所述拼接件的圆心角相同。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，各所述拼接件的上部减薄，所述拼接件上部减薄区的厚度不小于12mm。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，各所述拼接件的下端至上端逐渐减薄，所述拼接件的最薄厚度不小于12mm。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，所述第一电极脚板与所述第二电极脚板分别固定连接于两相对分布的所述拼接件上。

本申请提出了另一种单晶炉用加热器，其中，包括发热区及电极脚板；

所述发热区为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；

所述电极脚板包括第一电极脚板及第二电极脚板；

所述第一电极脚板支撑所述发热区一侧，并用于与电源的第一电极连接；

所述第二电极脚板支撑所述发热区的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；

所述发热区与所述电极脚板之间的电阻比值为0.85～1：0～0.15。

可选地，所述的单晶炉用加热器中，所述发热区的电阻值的绝对值为25～60mΩ，所述电极脚板的电阻值的绝对值为0～1mΩ。

本申请还提出了一种单晶炉，其中，包括炉体及安装于所述炉体内部的如上所述的单晶炉用加热器。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

本申请中的单晶炉用加热器包括发热区及电极脚板；发热区为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；电极脚板包括第一电极脚板及第二电极脚板；第一电极脚板支撑上述发热区的一侧，并用于与电源的第一电极连接；第二电极脚板支撑上述发热区的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；电极脚板的电阻率小于发热区的电阻率；其中，将加热器的发热区和电极脚板进行电阻率分档，选用低电阻率的胚体料做成电极脚板，高电阻率的胚体做成发热区，无需缩减发热区高度和增加电极脚板厚度，即可以有效提高发热区的发热量而降低电极脚板的发热量，从而降低所生产晶棒的头部氧含量，且有利于节约缩减成本及现场搬运。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1是本申请实施例所提供的单晶炉用加热器结构示意图；

图2是本申请实施例所提供的加热器与现有技术加热器所生长晶棒的氧含量对比图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

单晶炉用加热器主要是通过电阻通电发热的方式产生热量，并利用坩埚传导实现对坩埚内的硅料加热，进而生成用于生长单晶硅的硅液。现有加热器的发热区和电极脚板的电阻率相同，为了降低电极脚板的电阻，则需要降低脚板的高度、加厚电极脚板的厚度，容易导致加热器过低，而加热器的高度过低导致拉晶稳定性变差、断线率提高，且容易因发热量过度集中导致加热器的寿命缩短，增大了热场成本。

针对上述问题，本申请实施例提供的一种单晶炉用加热器10，如图1所示，发热区11及电极脚板12；该发热区11为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；该电极脚板12包括第一电极脚板121及第二电极脚板122；第一电极脚板121支撑上述发热区11的一侧，并用于与电源的第一电极连接；第二电极脚板122支撑上述发热区11的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；电极脚板12的电阻率小于发热区11的电阻率。

本申请所提供的单晶炉用加热器10中，发热区11为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构，也即该发热区11具有用于收容坩埚的容纳空间；而电极脚板12中的第一电极脚板121的两端分别与发热区11的一侧及电源的第一电极连接，电极脚板12中的第二电极脚板122的两端分别与发热区11的另一侧及电源的第二电极连接，因而发热区11可以经由电极脚板12与电源导通发热，实现对发热区11的容纳空间内内部放置的坩埚加热。

其中，将加热器10的发热区11和电极脚板12进行电阻率分档，选用低电阻率的胚体料做成电极脚板12，高电阻率的胚体做成发热区11，无需缩减发热区11高度和增加电极脚板12厚度，即可以有效提高发热区11的发热量而降低电极脚板12的发热量，从而降低所生产晶棒的头部氧含量，且因为无需额外增加电极脚板12的厚度，所以有利于缩减成本及现场搬运。

晶棒中的氧主要来自高温作用下坩埚与熔硅反应生成的氧：SiO₂+Si→SiO，可以看出，高温环境是影响晶棒中氧含量的重要因素。相较于现有技术中加热器的发热区11和电极脚板12的电阻率相同的设计，本申请实施例中，电极脚板12的电阻率小于发热区11的电阻率，使得电极脚板12处的发热量较少，可以减弱坩埚与熔硅的反应，从而降低晶棒的氧含量。

本申请实施例所提供的加热器10具体可以为单晶炉中的主加热器10。通过使用大电阻率的胚体制作上述发热区11，使用低电阻率的胚体制作上述电极脚板12，可以在保持总电阻值不变的情况下，减少电极脚板12的发热量而提高发热区11的发热量，从而有效降低坩埚R部及以下的温度，从而减少熔硅与坩埚的反应速率，降低所生产晶棒氧含量。

本申请实施例所提供的加热器10，在加工制作时，无需缩短加热器10的高度，也无需增大电极脚板12的厚度，即可以在保证常规的发热区11高度、常规的电极脚板12厚度和加热器10总电阻值的前提下，实现降低晶棒氧含量的效果。

其中，因发热区11高度未缩减，因而发热区11的发热量不会过度集中，不会对拉晶稳定性及加热器10的寿命产生影响；另外，因加热器10的高度、薄厚可以与现有单晶炉中常规加热器保持一致，使得本申请实施例中加热器10不仅能实现降低晶棒氧含量的效果，还能保证与常规加热器同样的使用寿命。

可选地，作为本申请实施例之一，上述发热区11的电阻率大于11μΩ·m，电极脚板12的电阻率小于等于10μΩ·m。也即使用电阻率大于等于11μΩ·m的胚体材料制作上述发热区11，而利用电阻率小于等于10μΩ·m的胚体材料制作上述电极脚板12。

优选地，作为本申请实施例之一，上述发热区11的电阻率大于等于12μΩ·m，电极脚板12的电阻率小于等于9μΩ·m。也即使用电阻率大于等于12μΩ·m的胚体材料制作上述发热区11，而利用电阻率小于等于9μΩ·m的胚体材料制作上述电极脚板12。

在实际应用中，本申请实施例所提供的加热器10，其材料可以为石墨和/或碳碳复合材料，也即由石墨和/或碳碳复合材料制作上述加热器10。其中，可以是上述发热区11由石墨制成而电极脚板12由碳碳复合材料制成，也可以是上述发热区11由碳碳复合材料制成而电极脚板12由石墨材料制成，也可以是上述发热区11及电极脚板12均由碳碳复合材料和/或石墨材料制成，仅需保证发热区11的电阻率大于等于12μΩ·m，而电极脚板12的电阻率小于等于9μΩ·m即可。

本申请实施例所提供的加热器10中，发热区11呈筒状结构，可以环绕坩埚加热，发热区11的横截面尺寸与坩埚相匹配，也即其容纳空间大小可以根据坩埚大小进行调整。

本申请实施例中，第一电极脚板121及第二电极脚板122均无需加厚处理，有利于节约缩减成本及现场搬运。其中，第一电极脚板121与第二电极脚板122的形状及尺寸相同，也即第一电极脚板121与第二电极脚板122的高度、横截面厚度及横截面宽度均相同。

可选地，在一种实施方式中，第一电极脚板121及第二电极脚板122的横截面厚度均为25～40mm，第一电极脚板121及第二电极脚板122的横截面宽度均为70～95mm，可以有效保证加热器10整体的安装强度；而第一电极脚板121及第二电极脚板122的高度则可以确保将上述发热区11抬升至与单晶炉中坩埚的位置相对。

本申请实施例中，发热区11的径向方向上各位置的厚宽度相同，发热区11的轴向方向上各位置的高度相同，使得发热区11各区域产热更为均匀，从而更合理地对坩埚加热。

可选地，在一种实施方式中，发热区11的径向方向上的厚度为15～30mm；所述发热区11的轴向方向上的高度为150～400mm。

可选地，本申请实施例中加热器10的上述发热区11包括多个拼接件111，由多个上述拼接件111围合连接形成上述发热区11。其中，各拼接件111设置由多个拼接件111围合连接形成上述呈筒状结构的发热区11，便于实际加工制作及规模化生成。在实际应用中，各拼接件111中相邻拼接件111之间可以通过石墨胶粘接为整体，也可以通过螺栓连接固定，还可以通过连接板固定。

可选地，在一种实施方式中，沿发热区11的轴线方向，各拼接件111的投影均呈圆弧形，则由上述各拼接件111围合连接形成上述发热区11为圆筒状，使得发热区11各区域产热均一、稳定。

可选地，在一种具体实施方式中，第一电极脚板121与第二电极脚板122分别固定连接于两相对分布的拼接件上，进一步保证结构稳定性及发热均匀性。在实际应用中，第一电极脚板121通过石墨胶粘和/或螺栓固定在第一拼接件上，而第二电极脚板122通过石墨胶粘和/或螺栓固定在第二拼接件上，其中，第一拼接件及第二拼接件为上述两相对分布的拼接件111。

可选地，在一种实施方式中，各拼接件111的上部减薄。该实施方式中，通过对拼接件111上段进行减薄处理，增大各拼接件111的电阻，进一步提升发热区的发热量。其中，因边缘过薄会影响拼接件的结构强度，使得拼接件111的端部容易在搬运、使用过程中被磕坏，因而设置拼接件111上部减薄区的厚度不小于12mm。

可选地，在一种具体实施方式中，各拼接件111的下端至上端逐渐减薄，使得拼接件111在通电产生热量时，其表面温度自下而上均匀增加，既避免局部过热导致加热器的寿命缩短，也实现对坩埚更为合理地加热；各拼接件的最薄厚度不小于12mm。

可选地，在一种实施方式中，上述多个拼接件111共包括多个U型发热瓣112，U型发热瓣112由拼接件111上相邻两个第一沟槽113之间的部分构成，且在相邻两个第一沟槽113的中间位置还设置第二沟槽114，使得上述拼接件111呈连续弯曲的蛇形结构；其中，第一沟槽113为自发热区11的一端向另一端延伸的沟槽，第二沟槽114为自发热区11的另一端向发热区11的一端延伸的沟槽。其中，上述各沟槽的宽度相同，各沟槽的宽度为10mm～50mm。

可选地，在一种具体实施方式中，上述多个U型发热瓣112的瓣数为28～48瓣，也即上述发热区11由28～48个U型发热瓣112拼接围合而成。

本申请实施例所提供的加热器10中，各拼接件111对应的圆心角相同或不同，上述拼接件111的个数可以为2个、3个、4个、5个、6个等，仅需保证各拼接件111的圆心角之和为360°，即可合为连接形成圆筒状的发热区11。

可选地，上述圆弧形的圆心角为60～180°，便于各拼接件111的加工生产。

可选地，在一种具体实施方式中，上述拼接件111为4个，则上述各拼接件111对应的圆心角为90°。

本申请实施例还提供了另一种单晶炉用加热器10，如图1所示，发热区11及电极脚板12；该发热区11为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；该电极脚板12包括第一电极脚板121及第二电极脚板122；第一电极脚板121支撑上述发热区11的一侧，并用于与电源的第一电极连接；第二电极脚板122支撑上述发热区11的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；发热区11与电极脚板12之间的电阻比值为0.85～1：0～0.15。

其中，因为在加热器10总电阻不变的情况下，发热区11电阻率越大且电极脚板12电阻率越低，则越有利于拉晶生产及实现降氧效果。本申请实施例通过设置上述发热区11与电极脚板12之间的电阻比值为0.85～1：0～0.15，也即设置发热区11电阻占加热器10总电阻的百分数大于等于85％且小于100％，而设置电极脚板12电阻占加热器10总电阻的百分数小于等于15％，使得电极脚板12发热量远低于发热区11的发热量，因而无需缩短加热器10的高度，也无需增加电极脚板12的厚度，即可以在保证常规的发热区11高度、常规的电极脚板12厚度和加热器10总电阻值的前提下，实现降低晶棒氧含量的效果。

可选地，在一种实施方法中，上述发热区11的电阻值的绝对值为25～60mΩ，而电极脚板12的电阻值的绝对值为0～1mΩ，即控制电极脚板12的阻值不断减小至接近于0，能够在保证加热器10能够按坩埚加热需求产热的前提下，缩减电极脚板12的产热量，更为有效地降低坩埚R部及以下的温度。

可选地，在一种实施方法中，电极脚板12的电阻率小于发热区11的电阻率。其中，将加热器10的发热区11和电极脚板12进行电阻率分档，选用低电阻率的胚体料做成电阻值的绝对值为0～1mΩ的电极脚板12，高电阻率的胚体做成电阻值的绝对值为25～60mΩ的发热区11，无需缩减发热区11高度和增加电极脚板12厚度，即可以有效提高发热区11的发热量而降低电极脚板12的发热量，从而降低所生产晶棒的头部氧含量，且因为无需额外增加电极脚板12的厚度，所以有利于缩减成本及现场搬运。

本申请实施例所提供的加热器10，从晶棒中的氧的生成原理出发，通过优化单晶炉用加热器10的结构，使用低电阻率的胚体料制作电极脚板12，使用高电阻率的胚体制作发热区11，无需缩减发热区11高度和增加电极脚板12厚度，即可以有效提高发热区11的发热量而降低电极脚板12的发热量，从而降低所生产晶棒的头部氧含量。

分别采用包括现有加热器A的单晶炉和包括本申请实施例所提供的加热器B的单晶炉进行8次装料拉晶，采用同样的拉晶工艺分别连续生长了RCZ1～RCZ8共8根晶棒，各晶棒头氧值如图2所示。

由图2可知，采用现有加热器A所生长的晶棒头氧均值为14.9ppma，而采用了本申请实施例所提供的加热器B所生长的晶棒头氧均值为13.3ppma，降氧效果显著，且拉晶的稳定性，在使用过程中未出现其他异常和波动现象。

另外，本申请还提出了一种单晶炉，其中，包括炉体及安装于所述炉体内部的如上述的单晶炉用加热器10。

对于上述单晶炉实施例而言，其包括上述单晶炉用加热器10，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述，相关之处参见单晶炉用加热器10实施例的部分说明即可。

综上，在本实施例中，本申请中的单晶炉用加热器10包括发热区11及电极脚板12；发热区11为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；电极脚板12包括第一电极脚板121及第二电极脚板122；第一电极脚板121支撑上述发热区11的一侧，并用于与电源的第一电极连接；第二电极脚板122支撑上述发热区11的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；电极脚板12的电阻率小于发热区11的电阻率；其中，将加热器10的发热区11和电极脚板12进行电阻率分档，选用低电阻率的胚体料做成电极脚板12，高电阻率的胚体做成发热区11，无需缩减发热区11高度和增加电极脚板12厚度，即可以有效提高发热区11的发热量而降低电极脚板12的发热量，从而降低所生产晶棒的头部氧含量，且因为无需额外增加电极脚板12的厚度，有利于缩减脚板的成本，也有利于现场搬运。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本申请实施例的可选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括可选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的原理及实现方式，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (13)

1.一种单晶炉用加热器，其特征在于，包括发热区及电极脚板；

所述发热区为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；

所述电极脚板包括第一电极脚板及第二电极脚板；

所述第一电极脚板支撑所述发热区的一侧，并用于与电源的第一电极连接；

所述第二电极脚板支撑所述发热区的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；

所述电极脚板的电阻率小于所述发热区的电阻率。

2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述发热区的电阻率大于等于11μΩ·m，所述电极脚板的电阻率小于等于10μΩ·m。

3.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述发热区的电阻率大于等于12μΩ·m，所述电极脚板的电阻率小于等于9μΩ·m。

4.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述发热区的径向方向上的厚度为15～30mm；所述发热区的轴向方向上的高度为150～400mm；

所述第一电极脚板及所述第二电极脚板的横截面厚度均为25～40mm，所述第一电极脚板及所述第二电极脚板的横截面宽度均为70～95mm。

5.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述发热区包括多个拼接件，多个所述拼接件围合连接形成所述发热区。

6.根据权利要求5所述的加热器，其特征在于，沿所述发热区的轴线方向，各所述拼接件的投影均呈圆弧形。

7.根据权利要求6所述的加热器，其特征在于，所述圆弧形的圆心角为60～180°。

8.根据权利要求5所述的加热器，其特征在于，各所述拼接件的上部减薄，所述拼接件上部减薄区的厚度不小于12mm。

9.根据权利要求5所述的加热器，其特征在于，各所述拼接件，从下端至上端逐渐减薄，所述拼接件的最薄厚度不小于12mm。

10.根据权利要求5所述的加热器，其特征在于，所述第一电极脚板与所述第二电极脚板分别固定连接于两相对分布的所述拼接件上。

11.一种单晶炉用加热器，其特征在于，包括发热区及电极脚板；

所述发热区为环绕单晶炉中坩埚设置的筒状结构；

所述电极脚板包括第一电极脚板及第二电极脚板；

所述第一电极脚板支撑所述发热区的一侧，并用于与电源的第一电极连接；

所述第二电极脚板支撑所述发热区的另一侧，并用于与电源的第二电极连接；所述发热区与所述电极脚板之间的电阻比值为0.85～1：0～0.15。

12.根据权利要求11所述的加热器，其特征在于，所述发热区的电阻值的绝对值为25～60mΩ，所述电极脚板的电阻值的绝对值为0～1mΩ。

13.一种单晶炉，其特征在于，包括炉体及安装于所述炉体内部的如权利要求1～12任意一项所述的单晶炉用加热器。

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