CN219297703U - 一种直拉单晶硅的热场结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直拉单晶硅的热场结构，其包括炉体，炉体内由中心向外依次设置有盛料组件、加热器组件和保温筒组件；在炉体内的底部放置有炉底盘；保温筒组件包括由下至上依次连接的下保温筒、中保温筒和上保温筒，下保温筒的内径和上保温筒的内径均小于中保温筒的内径，下保温筒和中保温筒之间垫设有第一环形隔热垫片，中保温筒和上保温筒之间垫设有第二环形隔热垫片；下保温筒的底端筒口边缘卡接在炉底盘上，在上保温筒的顶端通过第一环形保温板连接有位于盛料组件的上方的导流组件。

Description

一种直拉单晶硅的热场结构

技术领域：

本实用新型涉及直拉单晶制造技术领域，具体涉及一种直拉单晶硅的热场结构。

背景技术：

单晶硅多采用直拉法工艺生产：将硅原料放入盛料组件的石英坩埚内，通过加热器组件进行加热熔化，调整热场温度到硅的结晶点附近，将籽晶插入熔硅内，控制温度和籽晶向上提拉的速度(简称：拉速)，使晶体按照提供籽晶的晶向生长，晶体从籽晶长大到目标直径后，提高拉速使晶体保持等直径生长；坩埚中的熔硅快用完时，调整温度和拉速，使晶体直径缩小到一定直径后提断，即完成单晶硅的制备。

现有的用于直拉单晶硅的热场结构为单晶硅生长炉，炉内设有坩埚，坩埚用于放置硅料，坩埚外罩设有加热器组件，如图1所示，加热器组件3包括加热器本体3.1及固定于加热器本体3.1下端面的电极脚3.2，在坩埚和加热器组件外罩设保温筒；采用真空系统通过炉体底部的排气孔对整个炉膛进行抽真空；随后通过炉体顶部送入高纯氩气，氩气经过导流筒到达坩埚口中央，从坩埚口边缘流出；随后跃过坩埚口壁，经过加热器组件，流向坩埚底部，经炉体底部排出，使整个炉膛环境被氩气充满，保护炉膛内部的结构与器件良好。

上述过程中存在如下问题：1、保温筒为等筒径结构，其内部空间较大，加热器组件产生的热量会在保温筒内流动扩散、损耗，热量无法集中在石英坩埚底部，导致因坩埚底部热量不足而出现坩埚内硅料结晶的情况，甚至可能造成单晶断棱，影响产品产量和成品率；2、在晶棒提拉生长过程中，氩气气流直吹加热器组件，致使加热器组件的大部分热量被气流带走而浪费，能量损耗大；3、气流不断吹拂整个加热器组件，加热器组件腐蚀与损伤严重。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种直拉单晶硅的热场结构，解决了现有保温筒为等筒径结构，内部空间较大导致热量流动损耗严重，热量无法集中，最终影响产品产量、成品率的问题。

本实用新型由如下技术方案实施：一种直拉单晶硅的热场结构，其包括炉体，所述炉体内由中心向外依次设置有盛料组件、加热器组件和保温筒组件；在所述炉体内的底部放置有炉底盘；所述保温筒组件包括由下至上依次连接的下保温筒、中保温筒和上保温筒，所述下保温筒的内径和所述上保温筒的内径均小于所述中保温筒的内径，所述下保温筒和所述中保温筒之间垫设有第一环形隔热垫片，所述中保温筒和所述上保温筒之间垫设有第二环形隔热垫片；所述下保温筒的底端筒口边缘卡接在所述炉底盘上，在所述上保温筒的顶端通过第一环形保温板连接有位于所述盛料组件的上方的导流组件。

优选的，所述下保温筒的侧壁沿径向由内向外凸出形成两个对称的突出部，所述突出部的外径与所述中保温筒的外径相同，所述加热器组件的电极脚置于对应的所述突出部内。

优选的，所述第一环形隔热垫片的外径与所述下保温筒的突出部的外径相同，所述第一环形隔热垫片的内边缘开设有与所述突出部相对应的缺口。

优选的，所述炉体为顶部开口的筒状结构，所述炉体的顶部开口处固定有固定环，所述固定环上安装有炉盖，所述炉盖上开设有进气口；在所述炉底盘和所述炉体底部贯通开设有排气孔。

优选的，在所述盛料组件下方的所述炉底盘上安装有底部加热器，所述底部加热器通过石墨螺母连接有穿过对应所述炉底盘的第二石墨电极。

优选的，所述盛料组件包括石英坩埚、托盘和托杆，所述石英坩埚安装在所述托盘上，所述托盘的底部与所述托杆的顶端固定连接，所述托杆的底端依次活动穿过所述底部加热器、炉底盘、所述炉体的底部。

优选的，所述导流组件包括内导流筒、外导流筒和水冷屏，所述外导流筒、所述内导流筒均为两端开口的空心柱体结构，所述外导流筒套设在内导流筒外，所述内导流筒内设置有所述水冷屏，所述水冷屏为两端开口的筒状结构，所述水冷屏的进水管、出水管的端部水平穿过所述固定环侧壁置于所述炉体外。

优选的，在所述炉体内壁与所述保温筒组件外壁之间填充有第一保温层；在所述炉体内所述炉底盘上铺设有第二保温层，在所述第二保温层的上方、所述底部加热器的下方安装有炉底护板；所述外导流筒与所述内导流筒之间填充有第三保温层。

优选的，在所述第一环形保温板上方设置有与所述第一保温层顶部贴合的第二环形保温板，所述第二环形保温板的外边缘与所述炉体内壁贴合，在所述第一环形保温板和所述第二环形保温板之间安装有环形固化毡。

优选的，在所述环形固化毡的内边缘与所述导流筒的上部外边缘之间安装有隔离环，所述隔离环的底端延伸至所述第一环形保温板上，所述隔离环的顶端延伸至超过所述第二环形保温板的上表面。

本实用新型的优点：第一，本实用新型通过第一环形隔热垫片、第二环形隔热垫片将上、中、下保温筒隔开，形成不同温度梯度的热场，减少各保温筒内热量相互传递，并且下保温筒和上保温筒的筒径均小于中保温筒的筒径，通过缩小上保温筒、下保温筒的筒径，缩小其内部空间，避免加热器组件产生的热量在各保温筒内流动扩散，保证热量集中在石英坩埚底部，避免因坩埚底部热量不足而出现坩埚内硅料结晶的情况，从而避免单晶断棱，产品产量低、成品率低。

第二，本实用新型的第二环形隔热垫片的内径小于加热器本体的内径，能够避免氩气携带挥发物直吹加热器组件，从而避免加热器组件的大部分热量被气流带走而浪费，降低能量损耗；同时也避免氩气携带挥发物直吹加热器组件对其造成腐蚀，延长加热器组件的使用寿命。

第三，并且通过第一环形保温板、环形固化毡和第二环形保温板能够避免热量向外传递，减少保温筒内热量损失；另外，在炉体内壁与保温筒外壁之间填充有第一保温层，在炉体内炉底盘上铺设有第二保温层，外导流筒与内导流筒之间填充有第三保温层，起到保温效果，减小热量损耗，提高热场保温性能，降低拉晶电耗。

附图说明：

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中所述加热器组件的结构示意图。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为导流组件的结构示意图。

图5为下保温筒的结构示意图。

图6为第一环形隔热垫片的结构示意图。

附图中各部件的标记如下：炉体1、盛料组件2、石英坩埚2.1、托盘2.2、托杆2.3、加热器组件3、加热器本体3.1、电极脚3.2、保温筒组件4、下保温筒4.1、突出部4.1.1、中保温筒4.2、上保温筒4.3、炉底盘5、第一凹槽5.1、固定环6、炉盖7、进气口7.1、排气孔9、石墨螺母10、第一石墨电极11、底部加热器12、第二石墨电极13、第一环形隔热垫片14、缺口14.1、第二环形隔热垫片15、第一环形保温板16、第一保温层17、第二保温层18、炉底护板19、导流组件20、内导流筒20.1、上筒20.1.1、第三延伸部20.1.1.1、下筒20.1.2、第四延伸部20.1.2.1、外导流筒20.2、第一延伸部20.2.1、第二延伸部20.2.2、水冷屏20.3、第三保温层21、第二环形保温板22、环形固化毡23、隔离环24。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图2-图6所示，一种直拉单晶硅的热场结构，其包括炉体1，炉体1内由中心向外依次设置有盛料组件2、加热器组件3和保温筒组件4；在炉体1内的底部放置有炉底盘5，炉底盘5的外边缘与炉体1的内壁贴合，炉底盘5用于放置保温筒组件4；

其中，炉体1为顶部开口的筒状结构，炉体1的顶部开口处固定有固定环6，固定环6上安装有炉盖7，炉盖7上开设有进气口7.1，氩气通过进气口7.1进入炉体1内，氩气为惰性气体，可在一定程度上防止氧化，具有保护、冷却及净化的作用，在炉底盘5和炉体1底部贯通开设有排气孔9，设置排气孔9用于将氩气和氩气携带的杂质挥发物、氧化物从炉体1内排出；

在炉底盘5的上方安装有可升降的盛料组件2，盛料组件2包括石英坩埚2.1、托盘2.2和托杆2.3，石英坩埚2.1安装在托盘2.2上，托盘2.2的底部与托杆2.3的顶端固定连接，托杆2.3的底端依次活动穿过炉底盘5、炉体1的底部，石英坩埚2.1用于放置硅料，托盘2.2和托杆2.3用于支撑石英坩埚2.1，通过控制托杆2.3升降使石英坩埚2.1升降配合完成拉晶操作；

加热器本体3.1罩设在石英坩埚2.1外，电极脚3.2通过石墨螺母10连接有第一石墨电极11，第一石墨电极11穿过炉底盘5置于炉体1底部的铜电极上，通过加热器本体3.1对石英坩埚2.1的侧壁进行加热，保证硅料的熔化；在盛料组件2下方的炉底盘5上安装有底部加热器12，托杆2.3的底端同样活动穿过底部加热器12的中部，底部加热器12通过石墨螺母10连接有穿过炉底盘5的第二石墨电极13，第二石墨电极13底端置于炉体1底部对应的铜电极上，通过底部加热器12对石英坩埚2.1的底部进行加热，扩大加热面积，加快了硅料的熔化速度，对硅料的加热更加地均匀，保证了单晶硅的质量；

保温筒组件4包括由下至上依次连接的下保温筒4.1、中保温筒4.2和上保温筒4.3，下保温筒4.1、中保温筒4.2和上保温筒4.3同轴设置，下保温筒4.1的内径和上保温筒4.3的内径均小于中保温筒4.2的内径，通过缩小上保温筒4.3、下保温筒4.1的内径，缩小其内部空间，减少热量损失；下保温筒4.1的侧壁沿径向由内向外凸出形成两个对称的突出部4.1.1，突出部4.1.1的外径与中保温筒4.2的外径相同，并且突出部4.1.1沿下保温筒4.1的中心轴方向延伸至下保温筒4.1的两端，加热器组件3的电极脚3.2置于对应的突出部4.1.1内，设置下保温筒4.1的突出部4.1.1能够在缩小下保温筒4.1内部空间同时避免加热器组件3的电极脚3.2与下保温筒4.1的内壁接触，从而避免安全隐患；炉底盘5上开设有与下保温筒4.1横截面形状相同的第一凹槽5.1，下保温筒4.1的底端筒口边缘卡接在炉底盘5的第一凹槽5.1内，下保温筒4.1和中保温筒4.2之间垫设有第一环形隔热垫片14，第一环形隔热垫片14的外径与下保温筒4.1突出部4.1.1的外径相同，首先，通过第一环形隔热垫片14能够减少下保温筒4.1内热量向上传递，减少热量损失，其次，第一环形隔热垫片14的外径与下保温筒4.1突出部4.1.1的外径相同，有利于中保温筒4.2与下保温筒4.1的中心对准，避免出现热场偏移影响保温筒的寿命，第一环形隔热垫片14的内边缘开设有与突出部4.1.1相对应的缺口14.1，便于加热器组件3的电极脚3.2穿过；在中保温筒4.2和上保温筒4.3之间垫设有第二环形隔热垫片15，并且第二环形隔热垫片15的内径小于加热器本体3.1的内径，首先，通过第二环形隔热垫片15能够减少中保温筒4.2内热量向上传递，减少热量损失，其次，第二环形隔热垫片15的内径小于加热器本体3.1的内径，能够避免氩气携带挥发物直吹加热器组件3对其造成腐蚀，延长加热器组件3的使用寿命；在上保温筒4.3的顶端安装有第一环形保温板16，通过第一环形保温板16能够避免热量向外传递，减少保温筒内热量损失；在炉体1内壁与保温筒组件4外壁之间填充有第一保温层17，在炉体1内炉底盘5上铺设有第二保温层18，第一保温层17、第二保温层18均采用碳毡，起到保温效果，能够减小热量损耗，提高热场保温性能；在第二保温层18的上方、底部加热器12的下方安装有炉底护板19，通过炉底护板19防止第二保温层18与底部加热器12接触，避免安全隐患；

在上保温筒4.3的顶端通过第一环形保温板16连接有位于盛料组件2的上方的导流组件20，氩气通过导流组件20引流进入石英坩埚2.1内，与硅熔液的液面接触，石英坩埚2.1内的氩气在泵的抽力作用下，经过石英坩埚2.1外壁与各保温筒内壁的间隙，从炉体1底部的排气孔9排出炉外，流经硅液面的氩气会将单晶硅生长过程中产生的杂质挥发物、氧化物一并带出炉外；导流组件20包括内导流筒20.1、外导流筒20.2和水冷屏20.3，内导流筒20.1用于引导氩气流，水冷屏20.3的工作原理主要是通过热量交换方法快速带走晶体根部的热量，从而加快晶体的生长速度，外导流筒20.2、内导流筒20.1均为两端开口的空心柱体结构，外导流筒20.2套设在内导流筒20.1外，外导流筒20.2的顶端向外延伸形成第一延伸部20.2.1，第一环形保温板16的内边缘设有阶梯，外导流筒20.2的第一延伸部20.2.1搭接在第一环形保温板16的阶梯上，外导流筒20.2的底端向内延伸形成第二延伸部20.2.2；内导流筒20.1包括上筒20.1.1和下筒20.1.2，上筒20.1.1的顶端向外延伸形成第三延伸部20.1.1.1，第三延伸部20.1.1.1搭接在第一延伸部20.2.1上，以实现对上筒20.1.1的承托，下筒20.1.2的顶端向外延伸形成第四延伸部20.1.2.1，第四延伸部20.1.2.1搭接在外导流筒20.2的第二延伸部20.2.2上，以实现对下筒20.1.2的承托，上筒20.1.1的下端面与下筒20.1.2的第四延伸部20.1.2.1相抵接，进一步实现对上筒20.1.1的承托；

内导流筒20.1内设置有水冷屏20.3，水冷屏20.3为现有设备，具体结构此处不再赘述，水冷屏20.3的进水管、出水管的端部水平穿过固定环6侧壁置于炉体1外；外导流筒20.2与内导流筒20.1之间填充有第三保温层21，第三保温层21采用碳毡，起到隔热效果，能够很大程度减小导流筒内外冷热交换，保证已成晶的晶棒尽快冷却，提升成晶效率。

在第一环形保温板16上方设置有与第一保温层17顶部贴合的第二环形保温板22，第二环形保温板22的外边缘与炉体1内壁贴合，在第一环形保温板16和第二环形保温板22之间安装有环形固化毡23，通过第二环形保温板22和环形固化毡23进一步提升保温效果，在环形固化毡23的内边缘与导流筒的上部外边缘之间安装有隔离环24，隔离环24的底端延伸至第一环形保温板16上，隔离环24的顶端延伸至超过第二环形保温板22的上表面，通过隔离环24将环形固化毡23与内部环境隔离开，避免环形固化毡23的毛屑掉入硅溶液内导致制晶失败。

本实用新型通过第一环形隔热垫片14、第二环形隔热垫片15将上、中、下保温筒4.1隔开，形成不同温度梯度的热场，减少各保温筒内热量相互传递，并且下保温筒4.1和上保温筒4.3的筒径均小于中保温筒4.2的筒径，通过缩小上保温筒4.3、下保温筒4.1的筒径，缩小其内部空间，减少加热器组件3产生的热量在各保温筒内流动扩散，保证热量集中在石英坩埚2.1底部，避免因坩埚底部热量不足而出现坩埚内硅料结晶的情况，从而避免单晶断棱导致产品产量低。并且第二环形隔热垫片15的内径小于加热器本体3.1的内径，能够避免氩气携带挥发物直吹加热器组件3，从而避免加热器组件3的大部分热量被气流带走而浪费，降低能量损耗；同时也避免氩气携带挥发物直吹加热器组件3对其造成腐蚀，延长加热器组件3的使用寿命。另外，通过第一环形保温板16、环形固化毡23和第二环形保温板22能够避免热量向外传递，减少保温筒内热量损失；另外，在炉体1内壁与保温筒外壁之间填充有第一保温层17，在炉体1内炉底盘5上铺设有第二保温层18，外导流筒20.2与内导流筒20.1之间填充有第三保温层21，起到保温效果，减小热量损耗，提高热场保温性能，降低拉晶电耗。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直拉单晶硅的热场结构，其包括炉体，所述炉体内由中心向外依次设置有盛料组件、加热器组件和保温筒组件；在所述炉体内的底部放置有炉底盘；其特征在于，所述保温筒组件包括由下至上依次连接的下保温筒、中保温筒和上保温筒，所述下保温筒的内径和所述上保温筒的内径均小于所述中保温筒的内径，所述下保温筒和所述中保温筒之间垫设有第一环形隔热垫片，所述中保温筒和所述上保温筒之间垫设有第二环形隔热垫片；所述下保温筒的底端筒口边缘卡接在所述炉底盘上，在所述上保温筒的顶端通过第一环形保温板连接有位于所述盛料组件的上方的导流组件。

2.根据权利要求1所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，所述下保温筒的侧壁沿径向由内向外凸出形成两个对称的突出部，所述突出部的外径与所述中保温筒的外径相同，所述加热器组件的电极脚置于对应的所述突出部内。

3.根据权利要求2所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，所述第一环形隔热垫片的外径与所述下保温筒的突出部的外径相同，所述第一环形隔热垫片的内边缘开设有与所述突出部相对应的缺口。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，所述炉体为顶部开口的筒状结构，所述炉体的顶部开口处固定有固定环，所述固定环上安装有炉盖，所述炉盖上开设有进气口；在所述炉底盘和所述炉体底部贯通开设有排气孔。

5.根据权利要求4所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，在所述盛料组件下方的所述炉底盘上安装有底部加热器，所述底部加热器通过石墨螺母连接有穿过所述炉底盘的第二石墨电极。

6.根据权利要求5所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，所述盛料组件包括石英坩埚、托盘和托杆，所述石英坩埚安装在所述托盘上，所述托盘的底部与所述托杆的顶端固定连接，所述托杆的底端依次活动穿过所述底部加热器、所述炉底盘、所述炉体的底部。

7.根据权利要求6所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，所述导流组件包括内导流筒、外导流筒和水冷屏，所述外导流筒、所述内导流筒均为两端开口的空心柱体结构，所述外导流筒套设在内导流筒外，所述内导流筒内设置有所述水冷屏，所述水冷屏为两端开口的筒状结构，所述水冷屏的进水管、出水管的端部水平穿过所述固定环侧壁置于所述炉体外。

8.根据权利要求7所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，在所述炉体内壁与所述保温筒组件外壁之间填充有第一保温层；在所述炉体内所述炉底盘上铺设有第二保温层，在所述第二保温层的上方、所述底部加热器的下方安装有炉底护板；所述外导流筒与所述内导流筒之间填充有第三保温层。

9.根据权利要求8所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，在所述第一环形保温板上方设置有与所述第一保温层顶部贴合的第二环形保温板，所述第二环形保温板的外边缘与所述炉体内壁贴合，在所述第一环形保温板和所述第二环形保温板之间安装有环形固化毡。

10.根据权利要求9所述的一种直拉单晶硅的热场结构，其特征在于，在所述环形固化毡的内边缘与所述导流筒的上部外边缘之间安装有隔离环，所述隔离环的底端延伸至所述第一环形保温板上，所述隔离环的顶端延伸至超过所述第二环形保温板的上表面。

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