CN219808032U - 一种单晶炉用保温结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种单晶炉用保温结构，至少包括第一保温筒和第二保温筒，所述第二保温筒被构置于所述第一保温筒的外侧；所述第一保温筒被构造为阶梯式结构，所述第二保温筒与所述第一保温筒的阶梯段均部分重叠构置；所述第二保温筒被构造为环形密闭的真空腔体结构；所述第一保温筒被构造为非真空腔体结构。本申请一种单晶炉用保温结构，设置在石墨毡远离热场的一侧设置真空保温筒，可有效去除导热介质，并阻断热传导的辐射，以降低单晶生产的功耗；同时，基于热场中温度梯度的特点，优化真空保温筒的结构，设计出具有不同真空导热效果的保温筒结构，可最大限度地提高热场的保温效果。
Description
技术领域
本申请属于直拉单晶生产辅助设备技术领域，尤其是涉及一种单晶炉用保温结构。
背景技术
直拉法是目前单晶硅生产最广泛的应用技术，随着市场竞争加剧，单晶硅生产需要降低单晶硅单公斤生产成本，来提升产品价格优势。单晶硅生产中燃动成本占比较大，降低单晶炉功耗是降低单公斤生产成本的主要途径之一，热场保温是降低能耗中最有效的可控方式。而现有热场中，仅仅通过在石英坩埚与单晶炉之间设置石墨毡进行包裹，来进行保温。由于石墨毡长期在高温热场使用后极易破损，其保温效果越来越差，使得晶棒生产的能耗越来越大。
发明内容
本申请提供一种单晶炉用保温结构，解决了现有拉晶生产过程中热散失较大而导致功耗损失较大的技术问题。
为解决至少一个上述技术问题，本申请采用的技术方案是：
一种单晶炉用保温结构，至少包括第一保温筒和第二保温筒，所述第二保温筒被构置于所述第一保温筒的外侧；
所述第一保温筒被构造为阶梯式结构，所述第二保温筒与所述第一保温筒的阶梯段均部分重叠构置；
所述第二保温筒被构造为环形密闭的真空腔体结构；所述第一保温筒被构造为非真空腔体结构。
进一步的，在所述第一保温筒和所述第二保温筒之间还构置有石墨层，所述石墨层的厚度大于所述第二保温筒的最大厚度；
所述第二保温筒被连接于炉体内壁并与所述炉体内壁有间隙。
进一步的，所述第一保温筒包括上阶梯段和下阶梯段，所述下阶梯段的高度大于所述上阶梯段的高度，且所述下阶梯段的高度至少覆盖石英坩埚的高度；
所述下阶梯段上端面高于置于石英坩埚外侧的加热器的上端面；
所述下阶梯段下端面位于炉体底板上方。
进一步的，所述上阶梯段的厚度与所述下阶梯段的厚度相同；
所述第一保温筒的厚度小于所述第二保温筒的最小厚度。
进一步的，所述第二保温筒的高度大于所述下阶梯段的高度，且其上端面高于所述下阶梯段上端面的位置。
进一步的，所述第二保温筒被构置为筒式结构，其中，
所述第二保温筒的本体中构置有一个所述真空腔体，且所述真空腔体与所述第二保温筒的本体同高构置；
或，所述第二保温筒的本体中构置有若干个真空度互不相同的所述真空腔体，且所有所述真空腔体相邻而置。
进一步的，当所述第二保温筒的本体内构置有若干个所述真空腔体时，所述真空腔体的数量至少为两个；
位于上段的所述真空腔体的高度大于位于下段的所述真空腔室的高度；
且位于上段的所述真空腔体的下端面低于石英坩埚高度的1/3的位置且高于石英坩埚高度的1/2。
进一步的，所述第二保温筒被构造为变径的圆柱体结构，其外壁面为直壁式结构；所述第二保温筒的上段部的厚度大于其下段部的厚度。
进一步的，所述第二保温筒的内壁面为倾斜面结构，且其倾斜角度不大于5°；
或，所述第二保温筒的内壁面为阶梯式结构，其上段部的厚度较下段部厚度的差为2-10mm。
进一步的，所述第二保温筒的上段部的高度大于其下段部的高度，且所述第二保温筒的上段部的下端面低于石英坩埚高度的1/3的位置且高于石英坩埚高度的1/2。
采用本申请设计的一种单晶炉用保温结构，设置在石墨毡远离热场的一侧设置真空保温筒，可有效去除导热介质，并阻断热传导的辐射，以降低单晶生产的功耗；同时，基于热场中温度梯度的特点，优化真空保温筒的结构，设计出具有不同真空导热效果的保温筒结构，可最大限度地提高热场的保温效果。
附图说明
图1是本申请一实施例的一种单晶炉用保温结构的示意图；
图2是本申请一实施例的第一保温筒的立体图；
图3是本申请一实施例的第二保温筒的立体图；
图4是本申请一实施例的第二保温筒的侧视图；
图5是本申请另一实施例的第二保温筒的侧视图；
图6是本申请另一实施例的第二保温筒的侧视图；
图7是本申请另一实施例的第二保温筒的侧视图；
图8是本申请另一实施例的第二保温筒的侧视图。
图中：
10、第一保温筒 11、上阶梯段 12、下阶梯段
20、第二保温筒 21、真空腔体一 22、真空腔体二
23、吊环 24、支撑件 30、石墨层
40、石英坩埚 50、加热器 60、导流筒
70、炉体
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细说明。
本实施例提出一种单晶炉用保温结构，如图1所示，在加热器50与炉体70之间至少设有第一保温筒10和第二保温筒20，且在第一保温筒10和第二保温筒20之间还构置有石墨层30。其中，第一保温筒10为实心结构的保温筒，其靠近加热器50一侧设置；第一保温筒10被构造为阶梯式的圆筒柱结构，包括上阶梯段11和下阶梯段12，第二保温筒20与第一保温筒10的阶梯段均部分重叠构置。也就是第二保温筒20横跨上阶梯段11和下阶梯段12的连接处，并分别与上阶梯段11和下阶梯段12均部分重叠构置。
第二保温筒20被构置在第一保温筒10的外侧，石墨层30被夹持在第一保温筒10和第二保温筒20之间；且第二保温筒20与第一保温筒10沿竖直高度方向上分别与上阶梯段11和下阶梯段12部分重叠构置，也就是第二保温筒20与第一保温筒10中的上阶梯段11和下阶梯段12都是上下错位设置，且石墨层30完全被构置在第一保温筒10与第二保温筒20之间的空间内。第二保温筒20被构造为环形密闭的真空腔体结构，就是通过不锈钢制成的真空腔体；并第一保温筒10被构造为非真空腔体结构，也就是实心体。第二保温筒20的设置，可加强炉体70内温度的保温效果，使得炉体70内的热量以加热器50为中心通过热传导方式以石墨层30为导热介质，使热量垂直于石墨层30的壁面进行传递，真空设置的第二保温筒20可去除导热介质阻断热量向外进一步扩散和传播，对于同种晶棒的拉制时，可降低单位能耗量，以提高拉晶成本，降低生产成本。
由于靠近加热器50一侧的温度较高，温度大概在1400℃左右，若直接设置真空结构的第二保温筒20，虽然能降低加热器50向外辐射的温度，使温度直接折射到石英坩埚40一侧，但由于真空腔在持续长时间地在超高温的环境中，会融化其腔体，导致其真空度降低，严重时会产生爆炸。还有，因加热器50自身受热会膨胀，若直接设置真空结构的第二保温筒20于加热器50旁侧，加热器50的变形会撑裂第二保温筒20的壁面，直接会影响炉内保温质量，进而会影响拉晶质量。
进而选择由碳碳材料制成的第一保温筒10紧贴加热器50一侧设置，其不仅耐高温、强度高，而且还具有抗热蠕变能力，吸收加热器50辐射的热应力强，且具有抗热冲击能力高；其可对加热器50进行高温保护，而且还不易变形，还具有一定的抗变形能力，不受向外扩张的加热器50的变形影响。再在第一保温筒10的外侧设置一层石墨层30，可进一步吸收热场的热量，提高对热场温度的保温效果。并将真空结构的第二保温筒20设置到靠近炉体70一侧，不仅可阻挡热量的辐射，而且还能保护炉体70结构，延长炉体70的使用寿命。
如图2所示，第一保温筒10被构造为上下两端的阶梯式的圆筒柱结构，其上端面与导流筒60的上端面平齐，下端面与炉体70底板间隙设置。其中，下阶梯段12的高度大于上阶梯段11的高度，且下阶梯段12的高度是第一保温筒10总体高度的1/2-3/4。下阶梯段12的高度至少覆盖石英坩埚40的高度，且下阶梯段12下端面至炉体70底板有一定距离。下阶梯段12的上端面高于加热器50的上端面，优选地，下阶梯段12的下端面至炉体70底板的距离H1为150-250mm。第一保温筒10的厚度小于第二保温筒20的最小厚度；且石墨层30的厚度大于第二保温筒20的最大厚度。优选地，第一保温筒10的厚度为5-15mm；第二保温筒20的最大厚度为30-40mm，且第二保温筒20的最小厚度为20-35mm。
如图3所示，第二保温筒20为不锈钢制成的腔体结构，第二保温筒20被连接于炉体70的内壁并与炉体70内壁有间隙，其通过支撑件24被固定在炉体70的内壁面上，同时，为了提高第二保温筒20的安装的便捷性以及安全性，在第二保温筒20的顶部还设有若干吊环23。同时，在第二保温筒20的外壁面上设有抽真空的气口，通过管道与外置气泵连接。间隙的设置也便于与第二保温筒20外壁面上的气口连接的管道的布置，保证其内真空度的监控。
进一步的，第二保温筒20的高度大于第一保温筒10中下阶梯段12的高度，且第二保温筒20的上端面高于第一保温筒10中下阶梯段12的上端面构置。优选地，第一保温筒10中下阶梯段12的高度为700-1100mm，第二保温筒20的高度为1000-1500mm。也就是，第二保温筒20与第一保温筒10中下阶梯段12部分重叠构置，其重叠的位置主要位于固液界面附近，就是晶棒长晶生长的位置段，且横跨石英坩埚40的上段部。目的是保持加热器50主要加热位置段的温度，降低此处温度的散热，以提高保温效果。且第二保温筒20也与上阶梯段11部分重叠，主要是设计导流筒60的中部和下段部。第二保温筒20较下阶梯段12的上端面凸出的距离为H3，优选地，H3的范围为100-250mm，可选择100mm、150mm、200mm、250mm等值。
本申请中的其中一个实施例，如图4所示，第二保温筒20被构置为直筒式结构，其中，第二保温筒20包括空置的本体，本体为真空腔体，且真空腔体与第二保温筒20的本体同高构置。也就是，第二保温筒20为一个壁厚均匀设置的真空腔体，其内为一个整体的空置腔，直接通过气泵空置其内的真空度，以保证其内所有真空气压均衡。此时，第二保温筒20的厚度为30-40mm；该结构简单且易于加工，在保证有效去除导热介质并阻断热传导的辐射的基础上，还可提高其自身结构的强度，以延长其整体使用的寿命。
本申请中的其中一个实施例，如图5-7所示，第二保温筒20的本体中构置有若干个真空度互不相同的真空腔体，且所有真空腔体相邻而置，并每个真空腔体设有一个气口，分别与不同的气泵连通，以使不同腔体内的真空度不同。优选地，第二保温筒20的本体内至少构置有两个真空腔体，分别是位于上段部的真空腔体一21和位于下段部的真空腔体二22。
如图5所示，真空腔体一21的真空度大于真空腔体二22的真空度。此时，第二保温筒20中的厚度相同且为30-40mm，对于同种厚度的腔体，真空度越大，其腔内的导热介质越少，从而可降低热传递的辐射，进而可提高其保温效果。而对于第二保温筒20所在的位置，真空腔体一21处于固液界面附近，真空度越大越有利于该位置处的保温效果。而位于下段部真空腔体二22靠近石英坩埚40的下段，因石英坩埚40中的上段的温度较其底部的温度高，故需要降低导热介质，从而可提高其保温效果，进而可有利于晶棒的生长拉制。
优选地，真空腔体一21的高度H5大于真空腔室二22的高度H6，且真空腔体一21的下端面低于石英坩埚40高度H4的1/3的位置且高于石英坩埚40高度H4的1/2。
如图6所示，第二保温筒20被构造为变径的圆柱体结构，其内外壁面均为直壁式结构。在本实施例中，真空腔体一21的真空度大于真空腔体二22的真空度，且上段部的真空腔体一21的厚度大于下段部的真空腔室二22的厚度。优选地，上段部的真空腔体一21的厚度较其下段部的真空腔室二22的厚度大2-10mm，厚度的增加亦可提高真空腔体一21所在位置范围内加热器50的保温效果。
如图7所示，亦可以设定真空腔体一21的真空度与真空强第二22的真空度相同，此时，第二保温筒20的内壁面为阶梯式结构，其上段部的真空腔体一21的厚度较下段部真空强第二22的厚度的大2-10mm。由于真空腔体一21的厚度大于真空腔室二22的厚度，对于同种真空条件下的真空腔体，厚度越大其保温的效果越好；进而，基于热场中温度梯度的特点，亦可在有效去除导热介质并阻断热传导的辐射的基础上，提高真空腔体一21所在位置范围内加热器50的保温效果，最大限度地提高热场的保温质量。
如图8所示，第二保温筒20的外壁为直壁式结构且其内壁面为倾斜面结构，且倾斜角度θ不大于5°，此时，上段部的真空腔体一21的厚度较下段部真空强第二22的厚度的大2-10mm；亦可在有效去除导热介质并阻断热传导的辐射的基础上，提高真空腔体一21所在位置范围内加热器50的保温效果，最大限度地提高热场的保温质量。
无论真空腔体一21和真空腔体二22的结构如何设计，真空腔体一21的高度大于真空腔体二22的高度，在第二保温筒20中，真空腔体一21的下端面低于石英坩埚40高度H4的1/3的位置且高于石英坩埚40高度H4的1/2。
采用本申请设计的一种单晶炉用保温结构，设置在石墨毡远离热场的一侧设置真空保温筒，可有效去除导热介质，并阻断热传导的辐射，以降低单晶生产的功耗；同时，基于热场中温度梯度的特点，优化真空保温筒的结构，设计出具有不同真空导热效果的保温筒结构，可最大限度地提高热场的保温效果。
以上对本申请的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本申请的较佳实施例，不能被认为用于限定本申请的实施范围。凡依本申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本申请的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种单晶炉用保温结构，其特征在于，至少包括第一保温筒和第二保温筒，所述第二保温筒被构置于所述第一保温筒的外侧；
所述第一保温筒被构造为阶梯式结构，所述第二保温筒与所述第一保温筒的阶梯段均部分重叠构置；
所述第二保温筒被构造为环形密闭的真空腔体结构；所述第一保温筒被构造为非真空腔体结构。
2.根据权利要求1所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，在所述第一保温筒和所述第二保温筒之间还构置有石墨层，所述石墨层的厚度大于所述第二保温筒的最大厚度；
所述第二保温筒被连接于炉体内壁并与所述炉体内壁有间隙。
3.根据权利要求1或2所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，所述第一保温筒包括上阶梯段和下阶梯段，所述下阶梯段的高度大于所述上阶梯段的高度，且所述下阶梯段的高度至少覆盖石英坩埚的高度；
所述下阶梯段上端面高于置于石英坩埚外侧的加热器的上端面；
所述下阶梯段下端面位于炉体底板上方。
4.根据权利要求3所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，所述上阶梯段的厚度与所述下阶梯段的厚度相同；
所述第一保温筒的厚度小于所述第二保温筒的最小厚度。
5.根据权利要求4所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，所述第二保温筒的高度大于所述下阶梯段的高度，且其上端面高于所述下阶梯段上端面的位置。
6.根据权利要求1-2、4-5任一项所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，所述第二保温筒被构置为筒式结构，其中，
所述第二保温筒的本体中构置有一个所述真空腔体，且所述真空腔体与所述第二保温筒的本体同高构置；
或，所述第二保温筒的本体中构置有若干个真空度互不相同的所述真空腔体，且所有所述真空腔体相邻而置。
7.根据权利要求6所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，当所述第二保温筒的本体内构置有若干个所述真空腔体时，所述真空腔体的数量至少为两个；
位于上段的所述真空腔体的高度大于位于下段的所述真空腔室的高度；
且位于上段的所述真空腔体的下端面低于石英坩埚高度的1/3的位置且高于石英坩埚高度的1/2。
8.根据权利要求6所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，所述第二保温筒被构造为变径的圆柱体结构，其外壁面为直壁式结构；所述第二保温筒的上段部的厚度大于其下段部的厚度。
9.根据权利要求8所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，所述第二保温筒的内壁面为倾斜面结构，且其倾斜角度不大于5°；
或，所述第二保温筒的内壁面为阶梯式结构，其上段部的厚度较下段部厚度的差为2-10mm。
10.根据权利要求8或9所述的一种单晶炉用保温结构，其特征在于，所述第二保温筒的上段部的高度大于其下段部的高度，且所述第二保温筒的上段部的下端面低于石英坩埚高度的1/3的位置且高于石英坩埚高度的1/2。
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