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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ofen zum Züchten von Silicium-Vielkristallen, insbesondere einen Kristallzüchtungsofen mit einer Struktur zur Verbesserung der Erwärmung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Wie aus 1 ersichtlich, einer schematischen Darstellung eines herkömmlichen Kristallzüchtungsofens, ist ein Heizraum 90 im Inneren des Ofens 9 vorgesehen, wobei eine Tischplatte 91 und ein Tiegel 92 im Inneren des Heizraums 90 angeordnet sind, und wobei der Tiegel 92 feuerflüssige Siliciumschmelze enthält. Drei Stützpfosten 93 sind an einem unteren Körper 94 des Kristallzüchtungsofens 9 befestigt und sind stützend unterhalb der Tischplatte 91 und des Tiegels 92 angeordnet.
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Wie in 1 dargestellt, sind Heizelemente 95 um den Tiegel 92 herum angeordnet, um die Siliciumschmelze durch Strahlungswärme zu erwärmen. Dennoch können die Oberseite und die Unterseite des Tiegels 92 nicht gleichmäßig erwärmt werden. Darüber hinaus muss die Tischplatte 91 sehr dick ausgebildet sein, um für den Tiegel 92 eine feste und stabile Stütze zu bieten, was bedeutet, dass die Tischplatte 91 eine höhere Wärmekapazität hat. Somit muss viel Wärme von der durch drei Stützpfosten 93 getragenen Tischplatte 91 absorbiert werden, um allmählich eine vorherbestimmte Temperatur zu erreichen. Während des Abkühlungsprozesses für die Kristallzüchtung ist außerdem das Abkühlen für die Tischplatte 91 schwierig. Somit wird eine große Menge an Energie und Zeit sowohl für das Erwärmen als auch für den Abkühlungsprozess in dem Kristallzüchtungsofen verschwendet.
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Da es nicht leicht ist, die Tischplatte 91 abzukühlen, kann auch die Siliciumschmelze in dem Tiegel 92 an den unteren und oberen Bereichen des Tiegels 92 nicht gleichmäßig gekühlt werden, und innere Spannungen treten auf, nachdem die Schmelze erstarrt ist und zu Kristallblöcken gemacht wurde, was zu einer unerwünscht schlechten Qualität der Produkte führt.
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Aus der
DE 10 2008 026 144 A1 ist ein Kristallzüchtungsofen mit Konvektionskühlungsstruktur bekannt. Zur Abkühlung von Siliciumschmelze wird ein kühlender Gasstrom durch eine Öffnung in einen unteren Bereich des Heizraumes eingeleitet, während eine obere Öffnung im Ofenkörper geöffnet wird, um die erwärmten Gase abzuführen. Zur besonders effektiven Beheizung von Siliciummaterial gibt diese Schrift jedoch keine Anregung.
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Die
DE 10 2008 025 828 A1 beschreibt eine Schmelzdrainagekanalstruktur für einen Kristallzüchtungsofen. Durch geeignet geformte und angeordnete Ableitbleche wird eventuell überlaufende Siliciumschmelze gezielt in eine Aufnahmepfanne im unteren Bereich des Ofenkörpers geleitet, wobei gleichzeitig Kontakt mit den den Tiegel tragenden Stützpfosten vermieden wird. Auch diese Schrift enthält keine Anregungen zur besonders effizienten Erhitzung des Siliciummaterials.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung soll einen Kristallzüchtungsofen mit einer Struktur zur Verbesserung der Erwärmung schaffen, mit einem Ofenkörper, einem Auflagetisch, einem oberen Heizelement und einem unteren Heizelement. Der Ofenkörper weist einen oberen Körper und einen unteren Körper auf, wobei der untere Körper so an der Unterseite des oberen Körpers befestigt ist, dass sie zusammen eine geschlossene Ofenkammer bilden. Der Auflagetisch ist im Inneren der geschlossenen Ofenkammer angeordnet und weist eine Tischplatte und mehrere Stützpfosten auf, wobei die Tischplatte durch die Stützpfosten an dem unteren Körper des Kristallzüchtungsofens befestigt ist und von diesem gestützt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das obere Heizelement im Inneren der Ofenkammer angeordnet und ist entsprechend über der Tischplatte positioniert. Das obere Heizelement weist ein Heizelement auf einem ersten Niveau und mindestens ein Heizelement auf einem zweiten Niveau auf, die hängend am oberen Körper befestigt sind. Das Heizelement auf dem ersten Niveau liegt höher als das Heizelement auf dem zweiten Niveau, wobei der Umfang des Heizelements auf dem zweiten Niveau größer ist als der des Heizelements auf dem ersten Niveau, und wobei das Heizelement auf dem ersten Niveau und das Heizelement auf dem zweiten Niveau zusammen eine Pyramidenform bilden. Das untere Heizelement ist mit der Tischplatte des Auflagetisches zusammengesetzt.
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Der Tiegel wird jeweils durch die oberen und unteren Heizelemente gleichzeitig an der Oberseite und an der Unterseite erwärmt, um die Effizienz beim Schmelzen des Siliciummaterials in dem Tiegel zu verbessern. Abgesehen davon sind gemäß der vorliegenden Erfindung das Heizelement auf dem ersten Niveau und das Heizelement auf dem zweiten Niveau des oberen Heizelements in Übereinstimmung mit dem Siliciummaterial angeordnet und arrangiert, das pyramidenförmig aufgestapelt und geformt ist, so dass das Heizelement auf dem ersten Niveau und das Heizelement auf dem zweiten Niveau näher an das Siliciummaterial herankommen und dem Siliciummaterial helfen, bereits im Anfangsstadium Energie zu absorbieren. Wenn das Siliciummaterial um den Umfang der Pyramidenform herum geschmolzen ist, fließt die feuerflüssige Siliciumschmelze direkt in den Zwischenraum zwischen den Teilchen des Siliciummaterials. Dies beschleunigt die Absorption von Energie im inneren Teil des Siliciummaterials. Folglich wird ein wünschenswerter Zyklus geschaffen, um das Schmelzen des gesamten Siliciummaterials in dem Tiegel zu beschleunigen und damit den Energie- und Zeitaufwand zu verringern.
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Da außerdem sowohl das obere Heizelement als auch das untere Heizelement einfach in ihrer geometrischen Ausführung sind, und da die Heizelemente symmetrisch zueinander sind, kann der Tiegel gleichmäßig erwärmt werden. Dies spart nicht nur Energie und erleichtert die Tätigkeit des Erwärmens, sondern verringert auch die Herstellungskosten.
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Der Kristallzüchtungsofen weist einen Heizraum auf, der im Inneren der Ofenkammer des Ofenkörpers angeordnet ist, und im Inneren des Heizraums ist ein innerer Raum vorgesehen, der zumindest die Tischplatte des Auflagetisches, das obere Heizelement und das untere Heizelement aufnimmt. Abgesehen davon hat der Heizraum eine Doppelschichtstruktur mit einer inneren Isolierschicht und einer äußeren Wärmedämmschicht, so dass die innere Isolierschicht dazu dient, zu verhindern, dass Wärme aus dem Heizraum austritt, während die äußere Wärmedämmschicht die Wirksamkeit der Wärmedämmung verbessern kann, um den Zweck der Energieeinsparung zu erfüllen.
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Darüber hinaus weist der Heizraum eine obere Abdeckung und ein unteres Trennelement auf, wobei die obere Abdeckung das untere Trennelement abdeckt, um zusammen den inneren Raum zu bilden und diesen zu umschließen. Das untere Trennelement des Heizraums ist am unteren Körper befestigt und ist mit mehreren Durchgangslöchern versehen, wobei mehrere Hülsen jeweils durch die mehreren Durchgangslöcher führen, und wobei die mehreren Stützpfosten in den mehreren Hülsen aufgenommen und am unteren Körper befestigt sind. Die obere Abdeckung des Heizraums weist ein oberes Trennelement und mehrere seitliche Trennelemente auf, wobei die mehreren seitlichen Trennelemente regelmäßig zueinander und unterhalb des oberen Trennelements um dieses herum angeordnet sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Heizelement auf dem ersten Niveau des oberen Heizelements einen umlaufenden Widerstand und zwei Graphitelektroden auf, wobei die beiden Graphitelektroden jeweils mit dem umlaufenden Widerstand verbunden sind, um das Heizelement auf dem ersten Niveau zum Zweck des Erwärmens mit elektrischer Energie zu versorgen. Darüber hinaus kann ein Heizelement auf einem dritten Niveau vorgesehen sein, das einen größeren Umfang hat als das Heizelement auf dem zweiten Niveau, oder es kann sogar ein Heizelement auf einem vierten oder fünften Niveau vorgesehen sein, das einen größeren Umfang hat, so dass sie zusammen eine Pyramidenform bilden. Die Heizelemente können als Polygon oder ringförmig in Reihe verbunden sein, um an verschiedene Formen des Tiegels angepasst zu sein.
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Das Heizelement auf dem zweiten Niveau des oberen Heizelements weist einen umlaufenden Widerstand und zwei Graphitelektroden auf, wobei die beiden Graphitelektroden jeweils mit dem umlaufenden Widerstand verbunden sind, um das Heizelement auf dem zweiten Niveau zum Zweck des Erwärmens mit elektrischer Energie zu versorgen. Das untere Heizelement weist mehrere gebogene Widerstandsstreifen auf, die jeweils unterhalb der Tischplatte des Auflagetisches angeordnet sind. Jeder der Stützpfosten weist einen Graphit-Elektrodenpfosten auf, um unterhalb eines der Widerstandsstreifen stützend zu wirken und eine elektrische Verbindung mit diesem herzustellen. Zwischen der Tischplatte des Auflagetisches und den mehreren gebogenen Widerstandsstreifen sind mehrere Isolierlagen angeordnet. Darüber hinaus weist jeder der Stützpfosten eine Stellmutter auf. Die Graphit-Elektrodenpfosten sind jeweils an der Oberseite mit einem Außengewinde versehen, so dass die Stellmuttern mit dem jeweiligen Außengewinde in Eingriff gebracht werden können und somit an den gebogenen Widerstandsstreifen stützend anliegen. Hierdurch wird nicht nur die elektrische Kontaktfläche vergrößert, sondern auch die Stabilität der Abstützung der Tischplatte verbessert. Die Stellmutter besteht aus Graphit.
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Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Kristallzüchtungsofens;
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2 eine Schnittansicht eines Kristallzüchtungsofens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines oberen Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines unteren Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine perspektivische Darstellung des unteren Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie aus 2 ersichtlich – einer Schnittansicht eines Kristallzüchtungsofens –, weist der Kristallzüchtungsofen einen Ofenkörper 1, einen Auflagetisch 2, ein oberes Heizelement 3 und ein unteres Heizelement 4 auf.
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Der Ofenkörper 1 weist einen oberen Körper 11 und einen unteren Körper 12 auf, wobei der untere Körper 12 so an der Unterseite des oberen Körpers 11 befestigt ist, dass sie zusammen eine geschlossene Ofenkammer 10 bilden. Der Auflagetisch 2 weist eine Tischplatte 21 und acht Stützpfosten 22 auf, wobei die Tischplatte 21 durch die Stützpfosten 22 an dem unteren Körper 12 des Kristallzüchtungsofens befestigt ist und von diesem gestützt wird.
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Wie in 2 dargestellt, ist ein Heizraum 5 im Inneren der Ofenkammer 10 des Ofenkörpers 1 angeordnet und weist eine obere Abdeckung 51 und ein unteres Trennelement 52 auf. Die obere Abdeckung 51 ist an der Innenseite des oberen Körpers 11 befestigt, und das untere Trennelement 52 ist an der Innenseite des unteren Körpers 12 befestigt, so dass die obere Abdeckung 51 das untere Trennelement 52 so abdeckt, dass sie zusammen einen inneren Raum 50 bilden und umschließen. Der innere Raum 50 nimmt zumindest die Tischplatte 21 des Auflagetisches 2, das obere Heizelement 3 und das untere Heizelement 4 auf.
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Außerdem ist das untere Trennelement 52 des Heizraums 5 mit acht Durchgangslöchern 521 versehen, wobei acht Hülsen 522 jeweils durch die acht Durchgangslöcher 521 führen, und wobei die acht Stützpfosten 22 in den acht Hülsen 522 aufgenommen werden und an dem unteren Körper 12 befestigt sind. Die obere Abdeckung 51 des Heizraums 5 weist ein oberes Trennelement 511 und vier seitliche Trennelemente 512 auf, wobei die seitlichen Trennelemente 512 regelmäßig zueinander und unterhalb des oberen Trennelements 511 um dieses herum angeordnet sind. Das obere Trennelement 511 ist mit vier Durchgangslöchern 513 versehen, wobei vier Hülsen 322 jeweils durch die vier Durchgangslöcher 513 führen und wobei vier Graphitelektroden 310, 320 in den vier Hülsen 322 aufgenommen werden und an der Innenseite des oberen Körpers 11 befestigt sind.
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Der Heizraum 5 hat eine Doppelschichtstruktur mit einer inneren Isolierschicht (beispielsweise aus einem Graphit-Isoliermaterial) und einer äußeren Wärmedämmschicht (beispielsweise aus Aluminiumoxidfasern) auf, so dass die innere Isolierschicht dazu dient, zu verhindern, dass Wärme aus dem Heizraum 5 austritt, während die äußere Wärmedämmschicht die Wirksamkeit der Wärmedämmung verbessern kann, um den Zweck der Energieeinsparung zu erfüllen.
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Wie in 2 dargestellt, ist ein Laderahmen 6 auf der Tischplatte 21 des Auflagetisches 2 angeordnet und weist eine untere Platte 61 und vier seitliche Platten 62 auf, wobei die seitlichen Platten 62 auf der unteren Platte 61 stehen und diese umgeben, so dass sie zusammen einen inneren Raum bilden und diesen umschließen, um darin einen Tiegel 7 aufzunehmen.
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Das obere Heizelement 3 ist im inneren des Heizraums 5 der Ofenkammer 10 angeordnet und ist entsprechend über der Tischplatte 21 positioniert. Das obere Heizelement 3 hat eine Heizstruktur mit mindestens zwei Niveaus; es weist nämlich ein Heizelement auf einem ersten Niveau 31 und ein Heizelement auf einem zweiten Niveau 32 auf, die hängend an dem oberen Körper 11 befestigt sind. Das Heizelement auf dem ersten Niveau 31 liegt höher als das Heizelement auf dem zweiten Niveau 32, wobei sowohl das Heizelement auf dem ersten Niveau 31 als auch das Heizelement auf dem zweiten Niveau 32 als hohler Rahmen ausgebildet sind, und wobei der Umfang des Heizelements auf dem zweiten Niveau 32 größer ist als der des Heizelements auf dem ersten Niveau 31, so dass beide zusammen eine Pyramidenform bilden. Das untere Heizelement 4 ist mit der Tischplatte 21 des Auflagetisches zusammengesetzt.
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Wie nun aus 3 ersichtlich ist – einer schematischen Darstellung des oberen Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung –, weist das Heizelement auf dem ersten Niveau 31 des oberen Heizelements 3 einen umlaufenden Widerstand und zwei Graphitelektroden 310 auf, wobei der umlaufende Widerstand vier Widerstandsplatten 311 aufweist, die zu einer quadratischen Form in Reihe verbunden sind, um mit dem Tiegel 7 übereinzustimmen, der quadratisch ist. Die beiden Graphitelektroden 310 sind jeweils mit dem umlaufenden Widerstand verbunden, um das Heizelement auf dem ersten Niveau 31 zum Zweck der Erwärmung mit elektrischer Energie zu versorgen. Darüber hinaus weist das Heizelement auf dem zweiten Niveau 32 des oberen Heizelements 3 einen umlaufenden Widerstand und zwei Graphitelektroden 320 auf, wobei der umlaufende Widerstand vier längere Widerstandsplatten 321 aufweist, die zu einer quadratischen Form in Reihe verbunden sind, um mit der Form des Tiegels 7 übereinzustimmen. Die beiden Graphitelektroden 320 sind jeweils mit dem umlaufenden Widerstand verbunden, um das Heizelement auf dem zweiten Niveau 32 zum Zweck der Erwärmung mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Gemäß 4, einer schematischen Darstellung eines unteren Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung, und auch gemäß 2 weist außerdem das untere Heizelement 4 vier gebogene Widerstandsstreifen 41 auf, die jeweils unterhalb der Tischplatte 21 des Auflagetisches 2 angeordnet sind. Jeder der Stützpfosten 22 weist einen Graphit-Elektrodenpfosten 221 auf, um unterhalb des Widerstandsstreifens 41 stützend zu wirken und eine elektrische Verbindung mit diesem herzustellen, so dass elektrische Energie durch die Graphit-Elektrodenpfosten 221 zugeführt werden kann, um die Widerstandsstreifen 41 zu erwärmen. Wie in 2 dargestellt, sind zwischen der Tischplatte 21 des Auflagetisches 2 und den vier gebogenen Widerstandsstreifen 41 mehrere Isolierlagen 23 angeordnet.
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Gemäß 2 werden die Stützpfosten 22 derart an der Wand des unteren Körpers 11 befestigt, dass zunächst Verankerungsmittel 223 mit der Wand des unteren Körpers 11 verschweißt werden und dann die Verankerungsmittel 223, die Graphit-Elektrodenpfosten 221 und Metallpfosten 222 miteinander verschraubt werden und elektrisch angeschlossen werden.
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Gemäß 5, einer perspektivischen Darstellung des unteren Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung, weist außerdem jeder Stützpfosten 22 eine Stellmutter 220 auf, die aus Graphit besteht. Die Graphit-Elektrodenpfosten 221 sind jeweils an ihrer Oberseite mit einem Außengewinde versehen, so dass die Stellmuttern 220 mit den Außengewinden in Eingriff gebracht werden können und somit an den gebogenen Widerstandsstreifen 41 stützend anliegen. Hierdurch wird nicht nur die elektrische Kontaktfläche vergrößert, sondern auch die Stabilität der Abstützung der Tischplatte 21 verbessert.
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Wie oben erwähnt, wird der Tiegel 7 jeweils durch die oberen und unteren Heizelemente 3, 4 gleichzeitig an der Oberseite und an der Unterseite erwärmt, um den Wirkungsgrad beim Schmelzen des Siliciummaterials in dem Tiegel 7 zu verbessern. Abgesehen davon sind gemäß der vorliegenden Erfindung das Heizelement auf dem ersten Niveau 31 und das Heizelement auf dem zweiten Niveau 32 so angeordnet und arrangiert, dass sie mit dem Siliciummaterial 32 übereinstimmen, welches so aufgestapelt ist, dass es eine Pyramidenform bildet, so dass das Heizelement auf dem ersten Niveau 31 und das Heizelement auf dem zweiten Niveau 32 näher an das Siliciummaterial herankommen und dazu beitragen, dass das Siliciummaterial bereits in einem Anfangsstadium Energie absorbieren kann. Wenn das Siliciummaterial um die Außenfläche der Pyramidenform herum geschmolzen wird, fließt feuerflüssige Siliciumschmelze direkt in den Zwischenraum zwischen Teilchen des Siliciummaterials. Hierdurch wird die Aufnahme von Energie durch den inneren Teil des Siliciummaterials beschleunigt. Folglich wird ein wünschenswerter Zyklus geschaffen, um das Schmelzen des gesamten Siliciummaterials in dem Tiegel 7 zu beschleunigen und damit den Energie- und Zeitaufwand zu verringern.
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Da gemäß 3 und 4 sowohl das obere Heizelement als auch das untere Heizelement 3, 4 einfach in ihrer geometrischen Ausführung sind, und da die Heizelemente symmetrisch zueinander sind, kann der Tiegel 7 gleichmäßig erwärmt werden. Dies spart nicht nur Energie und erleichtert die Tätigkeit des Erwärmens, sondern verringert auch die Herstellungskosten.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, versteht es sich, dass noch viele andere Modifikationen und Änderungen möglich sind, ohne vom Umfang der nachfolgend beanspruchten Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ofenkörper
- 2
- Auflagetisch
- 3
- oberes Heizelement
- 4
- unteres Heizelement
- 5
- Heizraum
- 6
- Laderahmen
- 7
- Tiegel
- 10
- Ofenkammer
- 11
- oberer Körper
- 12
- unterer Körper
- 21
- Tischplatte
- 22
- Stützpfosten
- 23
- Isolierlagen
- 31
- erstes Niveau
- 32
- zweites Niveau
- 41
- Widerstandsstreifen
- 50
- innerer Raum
- 51
- obere Abdeckung
- 52
- unteres Trennelement
- 61
- untere Platte
- 62
- seitliche Platte
- 220
- Stellmutter
- 221
- Graphitelektrodenpfosten
- 222
- Metallpfosten
- 223
- Verankerungsmittel
- 310
- Graphitelektrode
- 311
- Widerstansplatte
- 320
- Graphitelektrode
- 322
- Hülse
- 511
- oberes Trennelement
- 512
- seitliches Trennelement
- 513
- Durchgangsloch
- 521
- Durchgangsloch
- 522
- Hülse
