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QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Offenbarung beansprucht Priorität für die chinesische Patentanmeldung Nr.
202210705520.7 , die am 21. Juni 2022 in China eingereicht wurde und deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das technische Gebiet der Herstellung von Siliziumprodukten, insbesondere auf eine Heizvorrichtung und eine Einkristall-Ziehvorrichtung (single crystal puller).
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HINTERGRUND
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Die Czochralski-Methode ist derzeit die wichtigste Methode zur Herstellung von einkristallinem Silizium über die letzten Jahre. Das Heißzonen-System ist eine der wichtigsten Bedingungen für die Kristallisation von Siliziummaterialien. Die Temperaturgradientenverteilung des thermischen Feldes wirkt sich direkt darauf aus, ob die Einkristalle erfolgreich gezüchtet werden können und beeinflusst die Qualität der Einkristalle. Insbesondere bei der Züchtung von einkristallinen Siliziumwerkstoffen in Einkristall-Ziehvorrichtungen nach der Czochralski-Methode wird in der Regel eine heiße Graphitzone verwendet, um die Wachstumstemperatur, den Gradienten usw. zu steuern. Bei diesem Verfahren werden polykristalline Materialien in einer Niedrigvakuumumgebung unter Inertgas geschmolzen, und einkristalline Materialien werden durch den Kontakt zwischen einem Keim und der Schmelze sowie durch das Drehen und Anheben des Keims hergestellt. Die Wärmequelle kommt hauptsächlich von einem Graphitheizer. Bei der herkömmlichen Heißzonenstruktur ist der Heizer im Allgemeinen ein feststehender Heizer, der sich am Rand des Tiegels befindet. Der Heizer erzeugt Wärmeenergie, um den Tiegel und das Siliziummaterial darin in Form von Strahlung zu erhitzen. Bei diesem Heizverfahren handelt es sich um eine indirekte Beheizung mit geringer Heizleistung.
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ÜBERBLICK
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Um die oben genannten technischen Probleme zu lösen, bietet die vorliegende Offenbarung eine Heizanordnung und eine Einkristall-Ziehvorrichtung, um das Problem der geringen Effizienz der indirekten Heizung zu lösen.
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Um den obigen Zweck zu erreichen, sehen die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vor: eine Heizanordnung für eine Einkristall-Ziehvorrichtung, wobei die Einkristall-Ziehvorrichtung einen Ziehkörper umfasst, wobei eine Tiegelanordnung in dem Ziehkörper angeordnet ist, ein Boden der Tiegelanordnung durch eine Tragstruktur gestützt wird, die Tragstruktur eine Tragwelle umfasst, die Tiegelanordnung durch die Tragwelle angetrieben wird, um sich zu drehen, und die Heizanordnung umfasst:
- ein Heizteil, das eine Außenfläche der Tiegelanordnung bedeckt, wobei das Heizteil in der Lage ist, sich mit der Tiegelanordnung synchron zu drehen, wobei das Heizteil eine Vielzahl von Anschlusselektroden umfasst;
- ein leitendes Teil, das auf der Tragwelle angeordnet ist, wobei das leitende Teil eine Vielzahl von ringförmigen leitenden Elementen, die jeweils mit der Vielzahl von Anschlusselektroden verbunden sind, und äußere Elektroden, die jeweils mit der Vielzahl von ringförmigen leitenden Elementen verbunden sind, umfasst, wobei die Anschlusselektroden in der Lage sind, sich entlang der ringförmigen leitenden Elemente zu drehen, und die äußeren Elektroden mit einer externen Stromquelle verbunden sind.
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Optional umfasst das leitende Teil ein zylindrisches Gehäuse, das mit einer Hülse auf der Tragwelle befestigt ist, und eine Vielzahl von ringförmigen Vorsprüngen sind an einer Innenwand des zylindrischen Gehäuses in Abständen entlang einer Umfangsrichtung des zylindrischen Gehäuses angeordnet, um als ringförmige leitende Elemente zu dienen, und die äußeren Elektroden sind an einer Außenwand des zylindrischen Gehäuses angeordnet und jeweils mit den ringförmigen Vorsprüngen verbunden.
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Optional ist das zylindrische Gehäuse aus einem isolierenden Material gefertigt.
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Optional umfasst die Tragstruktur eine Tragschale, die den Boden der Tiegelanordnung trägt, die Tragwelle ist an einer von der Tiegelanordnung abgewandten Seite der Tragschale angeordnet, die Anschlusselektroden umfassen eine erste Teilelektrode und eine zweite Teilelektrode, die erste Teilelektrode ist mit dem Heizteil verbunden, ein Ende der zweiten Teilelektrode ist mit der ersten Teilelektrode verbunden, und das andere Ende der zweiten Teilelektrode ist mit dem leitenden Teil durch einen Leiter verbunden, der durch die Tragschale verläuft und an der Tragwelle befestigt ist.
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Optional befindet sich ein mit dem ringförmigen Vorsprung zusammenwirkender Verbindungsvorsprung an einem von der Tiegelanordnung entfernten Ende des Leiters, und der Verbindungsvorsprung kann sich entlang des ringförmigen Vorsprungs bewegen.
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Optional umfasst das Heizteil ein streifenförmiges Heizelement, das S-förmig an der Außenseite der Tiegelanordnung angeordnet ist, wobei mindestens zwei Enden des streifenförmigen Heizelements bis zum Boden der Tiegelanordnung reichen und entsprechend mit der ersten Teilelektrode verbunden sind.
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Optional ist eine isolierende, wärmeleitende Schicht zwischen dem Heizteil und der Tiegelanordnung angeordnet.
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Optional deckt eine wärmeisolierende Schutzabdeckung eine von der Tiegelanordnung abgewandte Seite des Heizteils ab.
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Die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt auch eine Einkristall-Ziehvorrichtung zur Verfügung, die die oben beschriebene Heizanordnung enthält.
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Die vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass das Heizteil derart an der Außenseite der Tiegelanordnung beschichtet ist, dass die Wärme die Tiegelanordnung und das darin befindliche Siliziummaterial durch Wärmeleitung direkt erwärmen kann, wodurch die Effizienz verbessert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer Heizanordnung aus dem Stand der Technik;
- 2 ist eine schematische Ansicht einer Heizanordnung in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine schematische Ansicht eines Leiters in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ist eine schematische Ansicht eines leitenden Teils in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 5 ist eine schematische Ansicht eines Heizteils in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Um den Zweck, die technischen Lösungen und die Vorteile der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung deutlicher zu machen, werden die technischen Lösungen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Folgenden in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung klar und vollständig beschrieben. Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsformen ein Teil der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, jedoch nicht alle Ausführungsformen. Ausgehend von den beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung fallen alle anderen Ausführungsformen, die von Fachleuten mit normalen Kenntnissen erhalten werden können, in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung.
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Bei der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist zu beachten, dass die Begriffe „Mitte“, „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „vertikal“, „horizontal“, „innen“, „außen“ usw. Die angegebene Ausrichtung oder Lagebeziehung basiert auf der in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausrichtung oder Lagebeziehung. Sie dienen lediglich der einfacheren Beschreibung der vorliegenden Offenbarung und der Vereinfachung der Beschreibung. Dies bedeutet nicht, dass die Vorrichtung oder das Element, auf das Bezug genommen wird, eine bestimmte Ausrichtung haben oder in einer bestimmten Ausrichtung geformt und betrieben werden muss, und sollte daher nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung verstanden werden. Darüber hinaus werden die Begriffe „erste“, „zweite“ und „dritte“ nur zu beschreibenden Zwecken verwendet und sind nicht so auszulegen, dass sie eine relative Bedeutung anzeigen oder implizieren.
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Wie aus 1 hervorgeht, umfasst eine Einkristall-Ziehvorrichtung im Stand der Technik einen Ziehkörper 5. In dem Ziehkörper 5 ist eine Tiegelanordnung angeordnet. Die Tiegelanordnung wird von einer Tragstruktur 2 getragen. Ein Heizelement 11 ist im Allgemeinen um die Tiegelanordnung herum befestigt (die Tiegelanordnung umfasst einen Quarz-Tiegel und einen Graphit-Tiegel, der außerhalb des Quarz-Tiegels ummantelt ist). Zwischen dem Heizelement 11 und der Tiegelanordnung besteht ein gewisser Abstand. Das Heizelement 11 ist über die Elektrode 12, die sich an der Unterseite des Ziehkörpers befindet, an die externe Stromversorgung angeschlossen. Das Heizelement erzeugt Wärmeenergie, um die Tiegelanordnung und das darin befindliche Siliziummaterial in Form von Strahlung zu erhitzen. Bei diesem Heizverfahren handelt es sich um eine indirekte Heizung mit geringer Heizleistung. Um dieses Problem zu lösen, bietet die vorliegende Ausführungsform eine Heizvorrichtung für eine Einkristall-Ziehvorrichtung. Wie aus den 2 bis 5 hervorgeht, umfasst die Einkristall-Ziehvorrichtung einen Ziehkörper 5 und eine Tiegelanordnung, die in dem Ziehkörper 5 angeordnet ist. Der Boden der Tiegelanordnung wird von einer Tragstruktur 2 getragen, die eine Tragwelle 21 umfasst. Die Tiegelanordnung kann von der Tragwelle 21 in Drehung versetzt werden. Die Heizanordnung umfasst:
- ein Heizteil 101, das eine Außenfläche der Tiegelanordnung bedeckt, wobei das Heizteil 101 in der Lage ist, sich synchron mit der Tiegelanordnung zu drehen, wobei das Heizteil 101 eine Vielzahl von Anschlusselektroden umfasst;
- ein leitendes Teil 203, das auf der Tragwelle 21 angeordnet ist, wobei das leitende Teil 203 eine Vielzahl von ringförmigen leitenden Elementen 2031, die jeweils mit der Vielzahl von Anschlusselektroden verbunden sind, und äußere Elektroden 2032, die jeweils mit der Vielzahl von ringförmigen leitenden Elementen 2031 verbunden sind, umfasst, wobei die Anschlusselektroden in der Lage sind, sich entlang der ringförmigen leitenden Elemente 2031 zu drehen, und die äußeren Elektroden 2032 mit einer externen Stromquelle verbunden sind.
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In dieser Ausführungsform bedeckt das Heizteil 101 die Außenfläche der Tiegelanordnung, d. h. das Heizteil 101 steht derart in direktem Kontakt mit der Tiegelanordnung, dass die Wärmeenergie die Tiegeleinheit und das darin befindliche Siliziummaterial durch Wärmeleitung direkt erwärmt, wodurch die Heizeffizienz verbessert wird. Im eigentlichen Prozess muss die Tiegelanordnung jedoch gedreht werden, um die Form des Kristalls und die Konvektionssteuerung der Schmelze zu gewährleisten. Um daher sicherzustellen, dass das Heizteil 101 während der Drehung der Tiegelanordnung unter Strom steht, sieht diese Ausführungsform das leitende Teil 203 vor, das eine Vielzahl von ringförmigen leitenden Elementen 2031, die jeweils mit der Vielzahl von Anschlusselektroden verbunden sind, und äußere Elektroden 2032, die jeweils mit der Vielzahl von ringförmigen leitenden Elementen 2031 verbunden sind, umfasst. Eine Vielzahl von Anschlusselektroden, die in dem Heizteil 101 enthalten sind, sind in der Lage, sich entlang des ringförmigen leitfähigen Elements 2031 zu drehen, d.h. während der synchronen Drehung des Heizteils 101 mit der Tiegelanordnung dreht sich die Anschlusselektrode entsprechend entlang des ringförmigen leitfähigen Elements 2031, und die Anschlusselektrode ist immer in Kontakt mit dem entsprechenden ringförmigen leitfähigen Element 2031, wodurch sichergestellt wird, dass das Heizteil 101 über die äußere Elektrode 2032, die entsprechend mit dem ringförmigen leitfähigen Element 2031 verbunden ist, mit der externen Stromversorgung verbunden bleibt.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Heizanordnung dieser Ausführungsform das Problem des Stromversorgungsanschlusses des Heizteils 101 während der Drehung löst und gleichzeitig die Umwandlung des traditionellen Heizzonenerwärmungsprozesses von Wärmestrahlung in Wärmeleitung von Festkörper zu Festkörper realisiert, was die Heizeffizienz der Heizzone und der Ausrüstung erheblich verbessert und den Wärmeverlust reduziert. Darüber hinaus spart diese zusammengesetzte Struktur den Raum für die heiße Zone im Ziehkörper 5 ein, was zur Verringerung der Größe der Ausrüstung oder zur Erhöhung der Zuführungsmenge an Ausrüstung (Vergrößerung des Volumens der Tiegelanordnung) beiträgt.
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Die Tiegelanordnung besteht aus einem Graphittiegel 1 und einem Quarztiegel 3, die ineinander verschachtelt sind, und der Heizteil 101 ist um die Außenseite des Graphittiegels 1 herum abgedeckt.
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Bezug nehmend auf 4 umfasst das leitende Teil 203 in einer beispielhaften Ausführungsform ein zylindrisches Gehäuse, das auf die Tragwelle 21 aufgeschoben ist, und eine Vielzahl von ringförmigen Vorsprüngen sind an einer Innenwand des zylindrischen Gehäuses in Abständen entlang einer Umfangsrichtung des zylindrischen Gehäuses angeordnet, um als die ringförmigen leitenden Elemente 2031 zu dienen, und die äußeren Elektroden 2032 sind an einer Außenwand des zylindrischen Gehäuses angeordnet und jeweils mit den ringförmigen Vorsprüngen verbunden.
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Das zylindrische Gehäuse besteht beispielsweise aus isolierendem Material, um Kurzschlüsse zwischen benachbarten ringförmigen leitenden Elementen 2031 zu vermeiden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist das zylindrische Gehäuse fest mit dem Ziehkörper 5 verbunden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Tragstruktur 2 eine Tragschale, die den Boden der Tiegelanordnung trägt, die Tragwelle 21 ist an einer von der Tiegelanordnung abgewandten Seite der Tragschale angeordnet, die Verbindungselektrode umfasst eine erste Teilelektrode und eine zweite Teilelektrode 201, die erste Teilelektrode ist mit dem Heizteil 101 verbunden, ein Ende der zweiten Teilelektrode 201 ist mit der ersten Teilelektrode verbunden, und das andere Ende der zweiten Teilelektrode 201 ist mit dem leitenden Teil 203 durch einen Leiter 202 verbunden, der durch die Tragschale verläuft und an der Tragwelle 21 befestigt ist.
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Die Verbindungselektrode ist in eine erste Teilelektrode und eine zweite Teilelektrode 201 unterteilt, die separat angeordnet sind, um den Zusammenbau der Tiegelanordnung, des Heizteils 101 und der Tragstruktur 2 zu erleichtern.
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Bei der zweiten Teilelektrode 201 handelt es sich um eine Bolzenelektrode, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Beispielhaft ist die Tragschale mit einem zentralen (mittleren) Bereich und einem Randbereich, der den zentralen Bereich umgibt, versehen. Der zentrale Bereich ist konkav, um eine Rille zu bilden, und der Boden der Tiegelanordnung ist ein konvexer Teil, der in die Rille passt. Die zweite Teilelektrode 201 ist im Randbereich angeordnet.
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Die zweite Teilelektrode 201 ist eine Bolzenelektrode. Der Randbereich ist mit einem Bolzenloch versehen, das den Randbereich entlang der axialen Richtung der Tragwelle 21 durchdringt. Die Bolzenelektrode ist spiralförmig in das Bolzenloch eingebaut. Ein Ende der Bolzenelektrode ist mit der ersten Teilelektrode verbunden, und ihr anderes Ende ist über den Leiter 202 mit dem leitenden Teil 203 verbunden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform (siehe 3) weist ein von der Tiegelanordnung entferntes Ende des Leiters 202 einen Verbindungsvorsprung 2021 auf, der mit dem ringförmigen Vorsprung zusammenwirkt, und der Verbindungsvorsprung 2021 kann sich entlang des ringförmigen Vorsprungs bewegen.
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Der Leiter 202 ist auf der Außenfläche der Tragwelle 21 entlang der axialen Richtung der Tragwelle 21 verteilt. Der Leiter 202 kann ein Draht sein, und der Teil des Drahtes, der aus dem zylindrischen Gehäuse herausragt, ist mit einer isolierenden Schutzhülle versehen.
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Zum Beispiel ist die Höhe des Verbindungsvorsprungs 2021 in axialer Richtung der Tragwelle 21 geringer als der Abstand zwischen zwei benachbarten ringförmigen leitenden Elementen 2031, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
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Der Leiter 202 ist beispielsweise durch eine Klebeschicht auf der Trägerwelle 21 befestigt. Der Verbindungsvorsprung 2021 ist durch eine Klebeschicht auf der Tragwelle 21 befestigt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform (siehe 5) umfasst das Heizteil 101 ein streifenförmiges Heizelement, das S-förmig an der Außenseite der Tiegelanordnung angeordnet ist, wobei sich mindestens zwei Enden des streifenförmigen Heizelements bis zum Boden der Tiegelanordnung erstrecken und entsprechend mit der ersten Teilelektrode verbunden sind.
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Das Heizteil 101 hat beispielsweise eine Streifenstruktur und ist in Längsrichtung an der Außenseite der Tiegelanordnung verteilt. Das längs verteilte Heizteil 101 ist in der Lage, die Wärmekonvektion und die Wärmeverteilung der Schmelze durch die strukturelle Verteilung und die Leistungssteuerung des Heizteils 101 zu gewährleisten und dadurch den Wärmegradienten während des Kristallzüchtungsprozesses weiter zu optimieren, um die Qualität und den Ertrag der gezüchteten Kristalle im Vergleich zur verwandten Technologie besser zu steuern.
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Die Dicke der Streifenstruktur in radialer Richtung der Tiegelanordnung beträgt beispielsweise 2-3 cm, ist aber nicht darauf beschränkt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist zwischen dem Heizteil 101 und der Tiegelanordnung eine isolierende, wärmeleitende Schicht angeordnet. Die isolierende, wärmeleitende Schicht kann aus Materialien wie Graphit oder Keramik hergestellt werden.
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Die Tiegelanordnung besteht aus Graphitmaterial, und die Wandstärke der Tiegelanordnung beträgt 1-2 cm, ist aber nicht darauf beschränkt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine wärmeisolierende Schutzabdeckung 102 an der von der Tiegelanordnung abgewandten Seite des Heizteils 101 angeordnet. Die wärmeisolierende Schutzabdeckung 102 kann das Heizteil 101 als Ganzes abdecken. Einerseits kann sie die Ablagerung von Oxiden verhindern, die während des Prozesses auf der Oberfläche des Heizteils 101 entstehen und die Heizwirkung beeinträchtigen. Andererseits kann sie auch die Wärmestrahlung des Heizteils 101 nach außen verhindern, wodurch die Heizstabilität aufrechterhalten und der Stromverbrauch reduziert wird.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sieht ferner eine Einkristall-Ziehvorrichtung vor, die die oben erwähnte Heizvorrichtung enthält.
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Die Einkristall-Ziehvorrichtung umfasst einen Ziehkörper 5 und eine Tiegelanordnung (einschließlich eines Graphittiegels 1 und eines Quarztiegels 3), die in dem Ziehkörper 5 angeordnet ist. Die Siliziumschmelze 6 ist in der Tiegelanordnung enthalten, und die Ziffer 7 ist ein Kristallbarren. Das Heizteil 101 ist an der Außenseite der Tiegelanordnung abgedeckt, die wärmeisolierende Schutzabdeckung 102 ist an der Außenseite des Heizteils 101 abgedeckt. Die Tragstruktur 2 ist mit einer zweiten Teilelektrode 201 versehen, die mit dem Heizteil 101 verbunden ist. Die zweite Teilelektrode 201 ist über einen Leiter 202 mit dem leitenden Teil 203 verbunden, der innere Teil des Ziehkörpers 5 ist ebenfalls mit einer Isolierschicht 4 versehen.
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Es versteht sich, dass die obigen Ausführungsformen lediglich beispielhafte Ausführungsformen sind, die zur Veranschaulichung der Grundsätze der vorliegenden Offenbarung angenommen wurden, jedoch ist die vorliegende Offenbarung darauf nicht beschränkt. Fachleute können verschiedene Änderungen und Verbesserungen vornehmen, ohne vom Geist und Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, und diese Änderungen und Verbesserungen werden ebenfalls als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegend angesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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