一种单晶硅生长炉加热器节能支撑脚结构制造技术

本实用新型专利技术涉及坩埚法生长晶体炉子装置的改进机构，一种单晶硅生长炉加热器节能支撑脚结构，所述支撑脚为上、下两段圆柱段组成，上段为石墨段（９ａ），且上表面开设轴向的定位销孔，下段为绝热段（９ｂ），且下表面轴向开设金属电极孔。所述上、下两段之间以台阶结构连接。所述绝热段的垂直中心剖面呈Ｕ字状，外侧近似Ｌ的为硬质支撑裹圈（９ｂ１），中央为一圆柱形固化毡垫圈（９ｂ２）。所述绝热段（９ｂ）采用氧化锆、氧化铝、氮化铝、石英。或梯度密度碳碳复合材料。采用本实用新型专利技术既不影响在原先位置的安装，结构稳定、通用，支撑脚隔绝了加热器通过支撑脚对外传出的热量，节约了设备运行需要的耗电量，节电达１０％以上，经济效益非常巨大。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及坩埚法生长晶体炉子装置的改进机构，更具体地说是直拉硅单晶 棒生长炉子中加热器的一种支撑脚改良结构。
技术介绍
半导体硅单晶及太阳能硅单晶大部份均用切克劳斯基(Czochralski)法制造。这 种方法制取的设备是单晶炉。单晶炉中按装一个加热器，在加热器的中间按装石墨坩埚托 及内装一个石英坩埚，将多晶硅放入石英坩埚内，关闭炉体抽空、升温化料，硅料全部熔化， 坩埚在加热器中间转动，保持熔硅温度均勻，将硅料降温使熔体中心达到一定的固冷度，从 上轴插入一根与坩埚反方向旋转籽晶(有特定晶向的小单晶体)，通过调节熔体温度和籽 晶提升速度，完成细颈、放肩，转肩，等径，收尾，拉出一根完整的晶棒。单晶生长工艺炉的结构为自下而上依次是炉体支架、坩埚轴传动升降部分、炉底 板、下炉筒、中炉筒和炉盖，炉盖上方设置可容纳生长出晶体的副室，副室上方是晶体提拉 和旋转机构，籽晶轴、重锤、籽晶夹头和籽晶从副室上方中心可一直下降到与石英坩埚内硅 熔体接触，通过温度和各种控制，使硅熔体定向在籽晶下结晶并不断长大，达到晶体生长的 目的。加热系统是晶体生长炉中核心部件，它主要包括三大部份，安装在炉底两电极柱 上的石墨电阻加热器为硅料熔化和晶体生长提供热量，其二是安装在加热器中间的石墨坩 埚托及连接炉底坩埚轴的连杆和坩埚托盘，其三是在热系统的四周及上下进行保温，形成 晶体生长所需的径向和纵向温度梯度。在大单晶炉中，制备8英寸-12英寸硅单晶需要22英寸、24英寸、28英寸坩埚热 系统才能有较佳的生产效率和质量保证，通常加热器做成多瓣开糟的并联电路，由石墨材 质制成，仅22英寸热场加热器重量就达50kg左右，24、28英寸热场加热器重量更重，为了 保持加热器高温时不变形，有一个均称的热场，适合于单晶稳定生产，一般大单晶炉底部圆 周正交部位设置四个金属电极，其中在一条直径上的两个金属导电电极通过石墨导电脚与 加热器脚紧密联接并通电加热，另两个电极通常也通过石墨导电脚与加热器另两个脚连接 口，但没有电流通过仅起支撑、平衡作用，加热器是很沉重，又较脆、代价十分昂贵，如果支 撑平衡不好，热场就变成随园形，造成热场温度均勻性差，影响单晶生长，并且会缩短加热 器使用寿命。石墨材质的导电脚电阻很小，连接金属电极和加热器脚让大电流通过加热器进行 加热，但是石墨材质的导电脚导热性能也很好(热导率> 100W/mk)，很容易通过另两只起 支撑作用的导电脚将热量带走(金属电极都是通水冷却的)，结果使拉晶功率明显升高。经调查和检索，国内外此类设备的导电脚结构均与此类似。如前所述，每一台单晶炉是一件耗电很大的用电器，一般拉一根单晶需耗电达数 千千瓦，一个企业一般拥有数十台到几百台，每月用电量达到几百万到上千万千瓦，如此规 模巨大的耗电器。目前全球能源紧缺，而气候由于大量的二氧化碳排放而受到很大的影响，所以节能减排已成为全世界都在关心的大事，太阳能是一种取之不尽的清洁能源，倡导推 广使用太阳能，因此硅电池的加工、单晶炉的需求量、使用量是非常巨大的，对其作任何有 利的改进都会带来巨大的经济效益和社会效益，相反，一点一滴的损失浪费集聚后影响也 是十分严重的。
技术实现思路
本技术的目的是提供大单晶硅生长炉加热器支撑脚的一种改进结构，在保持 热场温度的均勻性的同时又能对加热器进行支撑，并能尽量减少和避免无谓、无益、无利的 额外能源消耗。本技术的目的由以下技术方案予以实现一种单晶硅生长炉加热器节能支撑脚结构，其特征在于所述支撑脚为上、下两段 圆柱段组成，上段为石墨段，且上表面开设轴向的定位销孔，下段为绝热段，且下表面轴向 开设金属电极孔。进一步，所述上、下两段之间以台阶结构连接。再进一步，所述绝热段的垂直中心剖面呈U字状，外侧近似L的为硬质支撑裹圈， 中央为一圆柱形固化毡垫圈。进一步，所述绝热段采用氧化锆、氧化铝、氮化铝、石英。进一步，所述绝热段采用热导率< 10W/mk的梯度密度碳碳复合材料。进一步，所述石墨段和绝热段(9b)两段的长度比为0. 3-0. 7之间。采用本技术的结构，支撑脚为圆柱形上、下两段组成，上段为石墨段，下段为 绝热段，上、下表面分别开设轴向的定位销孔和金属电极孔，在原先位置、与原先相对应的 定位销和金属电极进行连接安装，非常方便。然而绝热段隔绝了加热器向下传导的热量，阻 断了加热器长时间、高温度对外界的热量传递，既减少了加热器的热量损失、浪费，而且传 递到外界并不需要的场合，也是对工作环境的负面影响。本技术所列结构均有利安装装配，所取材料也有利隔热。本技术的有益效果①采用本技术的结构，支撑脚为圆柱形上、下两段组 成，上段为石墨段，下段为绝热段，上、下表面分别开设轴向的定位销孔和金属电极孔，它既 不影响在原先位置的安装，不用对原有设备作任何改动，安装很稳定、通用，技术改造投入 成本小；②由于增加了支撑脚的绝热段，隔绝了加热器通过支撑脚对外传出的热量，节约了 设备运行需要的耗电量，经过测算和试验，采用本技术的结构，单晶硅生长炉在原有基 础上节电达10%以上，将产生巨大的经济效益和社会效益；③降低单晶炉耗能和提高效率 的渠道有多种，本技术首次发现了在此不易被人注意，容易忽略的结构、位置上，以一 项相对最简易的结构改变，取得了如此巨大的经济效益和显著的进步。附图说明图1为本技术支撑脚部件配置在单晶硅生长炉中的结构示意图；图2本技术支撑脚部件配置在单晶硅生长炉加热器上的结构示意主视图；图3为图2的俯视图；图4为现有技术支撑脚部件配置在单晶硅生长炉加热器上的结构示意剖视4图5为本技术支撑脚部件配置在单晶硅生长炉加热器上的结构示意剖视图；图6为本技术单晶硅生长炉加热器支撑脚部件的剖视图；图7为现有技术单晶硅生长炉加热器支撑脚部件的剖视图。图中，1是炉盖、2是石墨坩埚、3是加热器、4是中炉筒、5是下保温层、6是下炉筒、 7是反射板、8是下炉筒底部保温层、9是支撑脚、9a是石墨段、9b绝热段、9bl是支撑裹圈、 9b2是固化毡垫圈、9b3是石英垫圈、10是金属电极、G是晶体。具体实施方式以下结合附图进一步详细说明本技术的结构。一种单晶硅生长炉加热器节能支撑脚结构，所述支撑脚为上、下两段圆柱段组成， 上段为石墨段9a，且上表面开设轴向的定位销孔，下段为绝热段％，且下表面轴向开设金 属电极孔。本技术与原安装要求相符，装配方便，不额外增加改造费用，定位的稳固、平 衡条件均能满足，同时，主要的热量传递的通路被隔绝，大大节约了热量浪费的消耗费用。所述上、下两段之间以台阶结构连接。即一段的轴心部分突起，一段的轴心部分凹 入，两者容易对接，且结构简单，连接稳固。所述绝热段的垂直剖面呈U字状，外侧近似L的为硬质支撑裹圈％1，中央为一圆 柱形固化毡垫圈％2 ；在同一段绝热段中分成内、外两者，外圈的硬质支撑裹圈9bl增加刚 性和强度，确保其稳固性，中央的圆柱形固化毡垫圈％2，更加突出其隔热效果，而对其硬度 不必要求，隔热效果更加好。所述绝热段9b采用氧化锆、氧化铝、氮化铝、石英。选择此类耐热、隔热材料，均能 起到很好的隔热效果。所述绝热段9b采用热导率< 10W/mk的梯度密度碳碳复合材料。可优先本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶硅生长炉加热器节能支撑脚结构，其特征在于：所述支撑脚为上、下两段圆柱段组成，上段为石墨段（９ａ），且上表面开设轴向的定位销孔，下段为绝热段（９ｂ），且下表面轴向开设金属电极孔。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：施承启，胡如权，李海波，
申请(专利权)人：上海卡姆丹克太阳能科技有限公司，卡姆丹克太阳能江苏有限公司，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]