[發(fā)明專利]一種單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010259098.4
• 申請日: 2010-08-20
• 公開（公告）號: CN101928981A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 施承啟;李海波;胡如權(quán);張永超
• 申請（專利權(quán)）人: 上海卡姆丹克太陽能科技有限公司;卡姆丹克太陽能(江蘇)有限公司
• 主分類號: C30B15/14
• 分類號: C30B15/14
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31227
• 代理人: 季申清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及坩堝法生長晶體爐子裝置的改進機構(gòu)，更具體地說是直拉硅單晶棒生長爐子中加熱器的一種支撐腳改良結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體硅單晶及太陽能硅單晶大部份均用切克勞斯基(Czochralski)法制造。這種方法制取的設(shè)備是單晶爐。單晶爐中按裝一個加熱器，在加熱器的中間按裝石墨坩堝托及內(nèi)裝一個石英坩堝，將多晶硅放入石英坩堝內(nèi)，關(guān)閉爐體抽空、升溫化料，硅料全部熔化，坩堝在加熱器中間轉(zhuǎn)動，保持熔硅溫度均勻，將硅料降溫使熔體中心達(dá)到一定的固冷度，從上軸插入一根與坩堝反方向旋轉(zhuǎn)籽晶(有特定晶向的小單晶體)，通過調(diào)節(jié)熔體溫度和籽晶提升速度，完成細(xì)頸、放肩，轉(zhuǎn)肩，等徑，收尾，拉出一根完整的晶棒。

單晶生長工藝爐的結(jié)構(gòu)為自下而上依次是爐體支架、坩堝軸傳動升降部分、爐底板、下爐筒、中爐筒和爐蓋，爐蓋上方設(shè)置可容納生長出晶體的副室，副室上方是晶體提拉和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，籽晶軸、重錘、籽晶夾頭和籽晶從副室上方中心可一直下降到與石英坩堝內(nèi)硅熔體接觸，通過溫度和各種控制，使硅熔體定向在籽晶下結(jié)晶并不斷長大，達(dá)到晶體生長的目的。

加熱系統(tǒng)是晶體生長爐中核心部件，它主要包括三大部份，安裝在爐底兩電極柱上的石墨電阻加熱器為硅料熔化和晶體生長提供熱量，其二是安裝在加熱器中間的石墨坩堝托及連接爐底坩堝軸的連桿和坩堝托盤，其三是在熱系統(tǒng)的四周及上下進行保溫，形成晶體生長所需的徑向和縱向溫度梯度。

在大單晶爐中，制備8英寸-12英寸硅單晶需要22英寸、24英寸、28英寸坩堝熱系統(tǒng)才能有較佳的生產(chǎn)效率和質(zhì)量保證，通常加熱器做成多瓣開糟的并聯(lián)電路，由石墨材質(zhì)制成，僅22英寸熱場加熱器重量就達(dá)50kg左右，24、28英寸熱場加熱器重量更重，為了保持加熱器高溫時不變形，有一個均稱的熱場，適合于單晶穩(wěn)定生產(chǎn)，一般大單晶爐底部圓周正交部位設(shè)置四個金屬電極，其中在一條直徑上的兩個金屬導(dǎo)電電極通過石墨導(dǎo)電腳與加熱器腳緊密聯(lián)接并通電加熱，另兩個電極通常也通過石墨導(dǎo)電腳與加熱器另兩個腳連接口，但沒有電流通過僅起支撐、平衡作用，加熱器是很沉重，又較脆、代價十分昂貴，如果支撐平衡不好，熱場就變成隨園形，造成熱場溫度均勻性差，影響單晶生長，并且會縮短加熱器使用壽命。

石墨材質(zhì)的導(dǎo)電腳電阻很小，連接金屬電極和加熱器腳讓大電流通過加熱器進行加熱，但是石墨材質(zhì)的導(dǎo)電腳導(dǎo)熱性能也很好(熱導(dǎo)率＞100W/mk)，很容易通過另兩只起支撐作用的導(dǎo)電腳將熱量帶走(金屬電極都是通水冷卻的)，結(jié)果使拉晶功率明顯升高。

經(jīng)調(diào)查和檢索，國內(nèi)外此類設(shè)備的導(dǎo)電腳結(jié)構(gòu)均與此類似。

如前所述，每一臺單晶爐是一件耗電很大的用電器，一般拉一根單晶需耗電達(dá)數(shù)千千瓦，一個企業(yè)一般擁有數(shù)十臺到幾百臺，每月用電量達(dá)到幾百萬到上千萬千瓦，如此規(guī)模巨大的耗電器。目前全球能源緊缺，而氣候由于大量的二氧化碳排放而受到很大的影響，所以節(jié)能減排已成為全世界都在關(guān)心的大事，太陽能是一種取之不盡的清潔能源，倡導(dǎo)推廣使用太陽能，因此硅電池的加工、單晶爐的需求量、使用量是非常巨大的，對其作任何有利的改進都會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，相反，一點一滴的損失浪費集聚后影響也是十分嚴(yán)重的。為了減少能量無謂地向外界釋放、浪費，一般的思維是加厚單晶爐爐體的隔熱層，提高隔熱效果，但是，隨之體積變笨重，材料增加，加溫時的熱量需求也增加，效果并不明顯。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供大單晶硅生長爐加熱器支撐腳的一種改進結(jié)構(gòu)，在保持熱場溫度的均勻性的同時又能對加熱器進行支撐，并能盡量減少和避免無謂、無益、無利的額外能源消耗。

本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種單晶硅生長爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述支撐腳為上、下兩段圓柱段組成，上段為石墨段，且上表面開設(shè)軸向的定位銷孔，下段為絕熱段，且下表面軸向開設(shè)金屬電極孔。

進一步，所述上、下兩段之間以臺階結(jié)構(gòu)連接。

再進一步，所述絕熱段的垂直中心剖面呈U字狀，外側(cè)近似L的為硬質(zhì)支撐裹圈，中央為一圓柱形固化氈墊圈。

進一步，所述絕熱段采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。

進一步，所述絕熱段采用熱導(dǎo)率＜10W/mk的梯度密度碳碳復(fù)合材料。

進一步，所述石墨段和絕熱段(9b)兩段的長度比為0.3-0.7之間。