TWI812506B - 加熱器元件和單晶爐 - Google Patents
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Abstract
本發明有關一種加熱器元件和單晶爐，單晶爐包括爐體，爐體內設置有坩堝，坩堝的底部通過支撐結構支撐，支撐結構包括支撐軸，坩堝能夠在支撐軸的帶動下旋轉，加熱器元件包括：包覆在坩堝的外表面上的加熱部，加熱部能夠與坩堝同步旋轉，加熱部包括多個連接電極；設置於支撐軸上的導電部，導電部包括與連接電極一一對應連接的多個環形導電件，以及與多個環形導電件一一對應連接的外接電極，連接電極可沿著環形導電件旋轉，外接電極與外部電源連接。
Description
本發明屬於矽產品製作技術領域，尤指一種加熱器元件和單晶爐。
直拉法生產單晶矽是目前製備單晶矽的最主要方法，熱場系統是矽材料成晶的最重要的條件之一，熱場的溫度梯度分佈直接影響著是否能順利的拉出單晶和控制單晶的品質好壞，特別是通過直拉法單晶爐生長單晶矽材料的過程中，通常利用石墨熱場提供生長溫度，梯度控制等。具體過程中，是在低真空度且伴有惰性氣體環境中進行多晶原料的熔化，通過籽晶的接觸，旋轉提升製備得到單晶材料，其中熱源主要來自於石墨加熱器。傳統熱場結構中，加熱器普遍以位於坩堝外周的固定加熱器為主，加熱器產生熱能以輻射的形式對坩堝以及內部矽料進行加熱，這種加熱方式為間接加熱，加熱效率較低。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種加熱器元件和單晶爐，解決間接加熱的方式效率低的問題。
為了達到上述目的，本發明實施例採用的技術方案是：一種用於單晶爐的加熱器元件，單晶爐包括爐體，爐體內設置有坩堝，坩堝的底部通過支撐結構支撐，支撐結構包括支撐軸，坩堝能夠在支撐軸的帶動下旋轉，加熱器元件包括：
包覆在坩堝的外表面上的加熱部，加熱部能夠與坩堝同步旋轉，加熱部包括多個連接電極；設置於支撐軸上的導電部，導電部包括與連接電極一一對應連接的多個環形導電件，以及與多個環形導電件一一對應連接的外接電極，連接電極可沿著環形導電件旋轉，外接電極與外部電源連接。
可選的，導電部包括套設在支撐軸上的筒狀殼體，殼體的內壁上沿其周向間隔設置有多個環形凸起作為環形導電件，殼體的外壁上設置有與環形凸起一一對應連接的外接電極。
可選的，殼體採用絕緣材料製成。
可選的，支撐結構包括支撐於坩堝的底部的支撐托盤，支撐軸支撐於支撐托盤遠離坩堝的一側，連接電極包括第一子電極和第二子電極，第一子電極與加熱部連接，第二子電極的一端與第一子電極連接，第二子電極的另一端通過穿過支撐托盤固定於支撐軸上的導體與導電部連接。
可選的，導體遠離坩堝的一端具有與環形凸起配合的連接凸起，連接凸起可沿著環形凸起移動。
可選的，加熱部包括呈S狀分佈於坩堝的外部的條形加熱件，條形加熱件的至少兩個端部延伸至坩堝的底部，並連接相應的第一子電極。
可選的，加熱部和坩堝之間設置有絕緣導熱層。
可選的，加熱部遠離坩堝的一側罩設有隔熱保護罩。
本發明實施例還提供一種單晶爐，包括上述的加熱器元件。
本發明的有益效果是：將加熱部包覆於坩堝的外部，從而使得熱量直接通過熱傳導對坩堝以及內部矽料進行加熱，提高效率。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整的描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於所描述的本發明的實施例，本領域具通常知識者所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
參考圖1，相關技術中，單晶爐包括爐體5，爐體5內設置有坩堝，坩堝通過支撐結構2支撐，加熱器11普遍以位於坩堝包括石英坩堝通過支撐結構2支撐，加熱器11普遍以位於坩堝包括石英坩堝通過支撐結構2支撐，加熱器11普遍以位於坩堝，坩堝通過支撐結構2支撐，加熱器11普遍以位於坩堝(坩堝包括石英坩堝和套設在石英坩堝外部的石墨坩堝1)外周的固定為主，加熱器11與坩堝之間是具有一定的距離的，加熱器11通過設置於爐體底部的電極12與外部電源連接。加熱器產生熱能以輻射的形式對坩堝以及內部矽料進行加熱，這種加熱方式為間接加熱，加熱效率較低。針對該問題本實施例提供一種用於單晶爐的加熱器元件，參考圖2-圖5，單晶爐包括爐體5，爐體5內設置有坩堝，坩堝的底部通過支撐結構2支撐，支撐結構2包括支撐軸21，坩堝能夠在支撐軸21的帶動下旋轉，加熱器元件包括：包覆在坩堝的外表面上的加熱部101，加熱部101能夠與坩堝同步旋轉，加熱部101包括多個連接電極；設置於支撐軸21上的導電部203，導電部203包括與連接電極一一對應連接的多個環形導電件2031，以及與多個環形導電件2031一一對應連接的外接電極2032，連接電極可沿著環形導電件2031旋轉，外接電極2032與外部電源連接。
本實施例中，加熱部101包覆在坩堝的外表面上，即加熱部101與坩堝直接接觸，得熱量直接通過熱傳導對坩堝以及內部矽料進行加熱，提高效率。但是，在實際製作過程中，坩堝需要進行旋轉，以保證晶體的形狀以及熔體的對流控制，因此為了保證在坩堝的旋轉過程中，加熱部101保持通電狀態，本實施例中設置了導電部203，導電部203包括與連接電極一一對應連接的多個環形導電件2031，以及與多個環形導電件2031一一對應連接的外接電極2032，加熱部101所包括的多個連接電極可沿著環形導電件2031旋轉，即在加熱部101隨著坩堝同步旋轉的過程中，連接電極沿著對應的環形導電件2031旋轉，且連接電極始終是與對應的環形導電件2031接觸的，這樣通過環形導電件2031對應連接的外接電極2032，保證加熱部101與外部電源保持連通狀態。
綜上，本實施例的加熱器元件解決了加熱部101在轉動的過程中的電源連接問題，同時實現了傳統熱場加熱過程從熱輻射到固體間熱傳導的方式轉變，極大的提高了熱場以及設備的熱效率，降低了熱損耗；其次，這種複合型結構設計大大節省了爐體5內熱場空間，有利於減小設備尺寸或者增大設備投料量（增大坩堝體積）。
需要說明的是，坩堝包括套設在一起的石墨坩堝1和石英坩堝3，加熱部101包覆在石墨坩堝1的外部。
參考圖4，在示例性的實施方式中，導電部203包括套設在支撐軸21上的筒狀殼體，殼體的內壁上沿其周向間隔設置有多個環形凸起作為環形導電件2031，殼體的外壁上設置有與環形凸起一一對應連接的外接電極2032。
示例性的，殼體採用絕緣材料製成，避免相鄰環形導電件2031之間短路。
示例性的實施方式中，殼體與爐體5固定連接。
示例性的實施方式中，支撐結構2包括支撐於坩堝的底部的支撐托盤，支撐軸21支撐於支撐托盤遠離坩堝的一側，連接電極包括第一子電極和第二子電極201，第一子電極與加熱部101連接，第二子電極201的一端與第一子電極連接，第二子電極201的另一端通過穿過支撐托盤固定於支撐軸21上的導體202與導電部203連接。
將連接電極劃分為分體設置的第一子電極和第二子電極201，利於坩堝、加熱部101、支撐結構2的組裝。
示例性的，第二子電極201為螺栓電極，但並不以此為限。
示例性的，支撐托盤中間區域和圍設在中間區域週邊的邊緣區域，中間區域內凹形成凹槽，坩堝的底部為與凹槽配合的凸部。第二子電極201設置於邊緣區域。
第二子電極201採用螺栓電極，邊緣區域設置沿支撐軸21的軸向貫穿邊緣區域的螺栓孔，螺栓電極螺旋安裝於螺栓孔內，螺栓電極的一端與第一子電極連接，另一端通過導體202與導電部203連接。
參考圖3，示例性的實施方式中，導體202遠離坩堝的一端具有與環形凸起配合的連接凸起2021，連接凸起2021可沿著環形凸起移動。
導體202沿支撐軸21的軸向分佈於支撐軸21的外表面上，導體202可以為導線，導線外露於殼體的部分的外部罩設有絕緣保護罩。
示例性的，在支撐軸21的軸向方向上，連接凸起2021的高度小於相鄰兩個環形導電件2031之間的距離，避免短路。
示例性的，導體202通過黏結層固定於支撐軸21上。連接凸起2021通過黏結層固定於支撐軸21上。
參考圖5，示例性的實施方式中，加熱部101包括呈S狀分佈於坩堝的外部的條形加熱件，條形加熱件的至少兩個端部延伸至坩堝的底部，並連接相應的第一子電極。
示例性的，加熱部101為條形結構且縱向分佈於坩堝的外部，縱向分佈的加熱部101可以通過加熱部101的結構分佈以及功率控制保證熔體的熱對流以及熱分佈，進一步優化晶體生長過程中的熱梯度，以更好控制長晶的品質及良率。
示例性的，條形結構在坩堝的徑向方向上的厚度為2-3cm，但並不以此為限。
示例性的實施方式中，加熱部101和坩堝之間設置有絕緣導熱層。絕緣導熱層可以採用石墨或陶瓷等材料製成。
坩堝採用石墨材料製成，坩堝的壁厚為1-2cm，但並不以此為限。
示例性的實施方式中，加熱部101遠離坩堝的一側罩設有隔熱保護罩102。隔熱保護罩102可將加熱部101整體包覆，一方面可避免製作過程中生成的氧化物沉積在加熱部101表面，影響加熱效果，另一方面也可避免加熱部101向外熱輻射，維持加熱穩定，降低功耗。
本發明實施例還提供一種單晶爐，包括上述的加熱器元件。
單晶爐包括爐體5，爐體5內設置有坩堝（包括石墨坩堝1和石英坩堝3），坩堝内容納有矽熔體6，晶棒7，坩堝的外部把包覆有加熱部101，加熱部101的外部罩設有隔熱保護罩102，支撐結構2上設置有與加熱部101連接的第二子電極201，第二子電極201通過導體202與導電部203連接，爐體5的內側部還設置有保溫層4。
可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域具通常知識者而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
1:石墨坩堝
11:加熱器
12:電極
101:加熱部
102:隔熱保護罩
2:支撐結構
21:支撐軸
201:第二子電極
202:導體
2021:連接凸起
203:導電部
2031:環形導電件
2032:外接電極
3:石英坩堝
4:保溫層
5:爐體
6:矽熔體
7:晶棒
圖1表示相關技術中的加熱器元件的結構示意圖；
圖2表示本發明實施例中的加熱器元件的結構示意圖；
圖3表示本發明實施例中的導體的結構示意圖；
圖4表示本發明實施例中的導電部的結構示意圖；
圖5表示本發明實施例中的加熱部的結構示意圖。
1:石墨坩堝
101:加熱部
102:隔熱保護罩
2:支撐結構
201:第二子電極
202:導體
203:導電部
3:石英坩堝
4:保溫層
5:爐體
6:矽熔體
7:晶棒
Claims (9)
- 一種用於單晶爐的加熱器元件，該單晶爐包括爐體，該爐體內設置有坩堝，該坩堝的底部通過支撐結構支撐，該支撐結構包括支撐軸，該坩堝能夠在該支撐軸的帶動下旋轉，該加熱器元件包括： 包覆在該坩堝的外表面上的加熱部，該加熱部能夠與該坩堝同步旋轉，該加熱部包括多個連接電極； 設置於該支撐軸上的導電部，該導電部包括與該等連接電極一一對應連接的多個環形導電件，以及與該等環形導電件一一對應連接的外接電極，該等連接電極可沿著該等環形導電件旋轉，該等外接電極與外部電源連接。
- 如請求項1所述的加熱器元件，其中該導電部包括套設在該支撐軸上的筒狀殼體，該殼體的內壁上沿其周向間隔設置有多個環形凸起作為該等環形導電件，該殼體的外壁上設置有與該等環形凸起一一對應連接的該等外接電極。
- 如請求項2所述的加熱器元件，其中該殼體採用絕緣材料製成。
- 如請求項2所述的加熱器元件，其中該支撐結構包括支撐於該坩堝底部的支撐托盤，該支撐軸支撐於該支撐托盤遠離該坩堝的一側，該等連接電極包括第一子電極和第二子電極，該第一子電極與該加熱部連接，該第二子電極的一端與該第一子電極連接，該第二子電極的另一端通過穿過該支撐托盤固定於該支撐軸上的導體與該導電部連接。
- 如請求項4所述的加熱器元件，其中該導體遠離該坩堝的一端具有與該等環形凸起配合的連接凸起，該連接凸起可沿著該等環形凸起移動。
- 如請求項4所述的加熱器元件，其中該加熱部包括呈S狀分佈於該坩堝的外部的條形加熱件，該等條形加熱件的至少兩個端部延伸至該坩堝的底部，並連接相應的該第一子電極。
- 如請求項1所述的加熱器元件，其中該加熱部和該坩堝之間設置有絕緣導熱層。
- 如請求項1所述的加熱器元件，其中該加熱部遠離該坩堝的一側罩設有隔熱保護罩。
- 一種單晶爐，包括如請求項1至8項中任一項所述的加熱器元件。
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