專(zhuān)利名稱(chēng)：一種單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及坩堝法生長(zhǎng)晶體爐子裝置的改進(jìn)機(jī)構(gòu)，更具體地說(shuō)是直拉硅單晶 棒生長(zhǎng)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(yáng)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(gè)加熱器，在加熱器的中間按裝石墨坩堝托 及內(nèi)裝一個(gè)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(dòng)，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(guò)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(zhǎng)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(dòng)升降部分、爐底 板、下?tīng)t筒、中爐筒和爐蓋，爐蓋上方設(shè)置可容納生長(zhǎng)出晶體的副室，副室上方是晶體提拉 和旋轉(zhuǎn)機(jī)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(guò)溫度和各種控制，使硅熔體定向在籽晶下結(jié)晶并不斷長(zhǎng)大，達(dá)到晶體生長(zhǎng)的 目的。加熱系統(tǒng)是晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)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(pán)，其三是在熱系統(tǒng)的四周及上下進(jìn)行保溫，形成 晶體生長(zhǎng)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(kāi)糟的并聯(lián)電路，由石墨材 質(zhì)制成，僅22英寸熱場(chǎng)加熱器重量就達(dá)50kg左右，24、28英寸熱場(chǎng)加熱器重量更重，為了 保持加熱器高溫時(shí)不變形，有一個(gè)均稱(chēng)的熱場(chǎng)，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(gè)金屬電極，其中在一條直徑上的兩個(gè)金屬導(dǎo)電電極通過(guò)石墨導(dǎo)電腳與 加熱器腳緊密聯(lián)接并通電加熱，另兩個(gè)電極通常也通過(guò)石墨導(dǎo)電腳與加熱器另兩個(gè)腳連接 口，但沒(méi)有電流通過(guò)僅起支撐、平衡作用，加熱器是很沉重，又較脆、代價(jià)十分昂貴，如果支 撐平衡不好，熱場(chǎng)就變成隨園形，造成熱場(chǎng)溫度均勻性差，影響單晶生長(zhǎng)，并且會(huì)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(guò)加熱器進(jìn)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(guò)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(guó)內(nèi)外此類(lèi)設(shè)備的導(dǎo)電腳結(jié)構(gòu)均與此類(lèi)似。如前所述，每一臺(tái)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(gè)企業(yè)一般擁有數(shù)十臺(tái)到幾百臺(tái)，每月用電量達(dá)到幾百萬(wàn)到上千萬(wàn)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(yáng)能是一種取之不盡的清潔能源，倡導(dǎo)推 廣使用太陽(yáng)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(duì)其作任何有 利的改進(jìn)都會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，相反，一點(diǎn)一滴的損失浪費(fèi)集聚后影響也 是十分嚴(yán)重的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供大單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器支撐腳的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，在保持 熱場(chǎng)溫度的均勻性的同時(shí)又能對(duì)加熱器進(jìn)行支撐，并能盡量減少和避免無(wú)謂、無(wú)益、無(wú)利的 額外能源消耗。本實(shí)用新型的目的由以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種單晶硅生長(zhǎng)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(kāi)設(shè)軸向的定位銷(xiāo)孔，下段為絕熱段，且下表面軸向 開(kāi)設(shè)金屬電極孔。進(jìn)一步，所述上、下兩段之間以臺(tái)階結(jié)構(gòu)連接。再進(jìn)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(jìn)一步，所述絕熱段采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。進(jìn)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(jìn)一步，所述石墨段和絕熱段(9b)兩段的長(zhǎng)度比為0. 3-0. 7之間。采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，支撐腳為圓柱形上、下兩段組成，上段為石墨段，下段為 絕熱段，上、下表面分別開(kāi)設(shè)軸向的定位銷(xiāo)孔和金屬電極孔，在原先位置、與原先相對(duì)應(yīng)的 定位銷(xiāo)和金屬電極進(jìn)行連接安裝，非常方便。然而絕熱段隔絕了加熱器向下傳導(dǎo)的熱量，阻 斷了加熱器長(zhǎng)時(shí)間、高溫度對(duì)外界的熱量傳遞，既減少了加熱器的熱量損失、浪費(fèi)，而且傳 遞到外界并不需要的場(chǎng)合，也是對(duì)工作環(huán)境的負(fù)面影響。本實(shí)用新型所列結(jié)構(gòu)均有利安裝裝配，所取材料也有利隔熱。本實(shí)用新型的有益效果①采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，支撐腳為圓柱形上、下兩段組 成，上段為石墨段，下段為絕熱段，上、下表面分別開(kāi)設(shè)軸向的定位銷(xiāo)孔和金屬電極孔，它既 不影響在原先位置的安裝，不用對(duì)原有設(shè)備作任何改動(dòng)，安裝很穩(wěn)定、通用，技術(shù)改造投入 成本??；②由于增加了支撐腳的絕熱段，隔絕了加熱器通過(guò)支撐腳對(duì)外傳出的熱量，節(jié)約了 設(shè)備運(yùn)行需要的耗電量，經(jīng)過(guò)測(cè)算和試驗(yàn)，采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，單晶硅生長(zhǎng)爐在原有基 礎(chǔ)上節(jié)電達(dá)10%以上，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；③降低單晶爐耗能和提高效率 的渠道有多種，本實(shí)用新型首次發(fā)現(xiàn)了在此不易被人注意，容易忽略的結(jié)構(gòu)、位置上，以一 項(xiàng)相對(duì)最簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)改變，取得了如此巨大的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的進(jìn)步。

圖1為本實(shí)用新型支撐腳部件配置在單晶硅生長(zhǎng)爐中的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本實(shí)用新型支撐腳部件配置在單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器上的結(jié)構(gòu)示意主視圖；圖3為圖2的俯視圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)支撐腳部件配置在單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器上的結(jié)構(gòu)示意剖視4[0024]圖5為本實(shí)用新型支撐腳部件配置在單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器上的結(jié)構(gòu)示意剖視圖；圖6為本實(shí)用新型單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器支撐腳部件的剖視圖；圖7為現(xiàn)有技術(shù)單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器支撐腳部件的剖視圖。圖中，1是爐蓋、2是石墨坩堝、3是加熱器、4是中爐筒、5是下保溫層、6是下?tīng)t筒、 7是反射板、8是下?tīng)t筒底部保溫層、9是支撐腳、9a是石墨段、9b絕熱段、9bl是支撐裹圈、 9b2是固化氈墊圈、9b3是石英墊圈、10是金屬電極、G是晶體。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)。一種單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，所述支撐腳為上、下兩段圓柱段組成， 上段為石墨段9a，且上表面開(kāi)設(shè)軸向的定位銷(xiāo)孔，下段為絕熱段％，且下表面軸向開(kāi)設(shè)金 屬電極孔。本實(shí)用新型與原安裝要求相符，裝配方便，不額外增加改造費(fèi)用，定位的穩(wěn)固、平 衡條件均能滿(mǎn)足，同時(shí)，主要的熱量傳遞的通路被隔絕，大大節(jié)約了熱量浪費(fèi)的消耗費(fèi)用。所述上、下兩段之間以臺(tái)階結(jié)構(gòu)連接。即一段的軸心部分突起，一段的軸心部分凹 入，兩者容易對(duì)接，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接穩(wěn)固。所述絕熱段的垂直剖面呈U字狀，外側(cè)近似L的為硬質(zhì)支撐裹圈％1，中央為一圓 柱形固化氈墊圈％2 ；在同一段絕熱段中分成內(nèi)、外兩者，外圈的硬質(zhì)支撐裹圈9bl增加剛 性和強(qiáng)度，確保其穩(wěn)固性，中央的圓柱形固化氈墊圈％2，更加突出其隔熱效果，而對(duì)其硬度 不必要求，隔熱效果更加好。所述絕熱段9b采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。選擇此類(lèi)耐熱、隔熱材料，均能 起到很好的隔熱效果。所述絕熱段9b采用熱導(dǎo)率< 10W/mk的梯度密度碳碳復(fù)合材料?？蓛?yōu)先選擇此類(lèi) 材質(zhì)，價(jià)格便宜，效果相近，經(jīng)濟(jì)性好。在所述絕熱段9b的下部，墊入石英墊圈％3。增加石英墊圈9b3后隔熱效果更加 明顯。所述石墨段9a和絕熱段9b兩段的長(zhǎng)度比為0. 3-0. 7之間。兩者長(zhǎng)度之比在此范 圍內(nèi)，能確保達(dá)到節(jié)能10%的效果，按加工、工藝情況選擇此范圍中的值。
權(quán)利要求一種單晶硅生長(zhǎng)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(9a)，且上表面開(kāi)設(shè)軸向的定位銷(xiāo)孔，下段為絕熱段(9b)，且下表面軸向開(kāi)設(shè)金屬電極孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上、下 兩段之間以臺(tái)階結(jié)構(gòu)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，其特征在于所述絕 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(9bl)，中央為一圓柱形固化 氈墊圈(9b2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，其特征在于所述絕熱段 (9b)采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，其特征在于所述絕熱段 (9b)采用熱導(dǎo)率< 10W/mk的梯度密度碳碳復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，其特征在于所述石 墨段(9a)和絕熱段(9b)兩段的長(zhǎng)度比為0. 3-0. 7之間。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及坩堝法生長(zhǎng)晶體爐子裝置的改進(jìn)機(jī)構(gòu)，一種單晶硅生長(zhǎng)爐加熱器節(jié)能支撐腳結(jié)構(gòu)，所述支撐腳為上、下兩段圓柱段組成，上段為石墨段(9a)，且上表面開(kāi)設(shè)軸向的定位銷(xiāo)孔，下段為絕熱段(9b)，且下表面軸向開(kāi)設(shè)金屬電極孔。所述上、下兩段之間以臺(tái)階結(jié)構(gòu)連接。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(9b1)，中央為一圓柱形固化氈墊圈(9b2)。所述絕熱段(9b)采用氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、石英。或梯度密度碳碳復(fù)合材料。采用本實(shí)用新型既不影響在原先位置的安裝，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、通用，支撐腳隔絕了加熱器通過(guò)支撐腳對(duì)外傳出的熱量，節(jié)約了設(shè)備運(yùn)行需要的耗電量，節(jié)電達(dá)10％以上，經(jīng)濟(jì)效益非常巨大。
文檔編號(hào)C30B15/00GK201738033SQ201020500309
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者施承啟, 李海波, 胡如權(quán) 申請(qǐng)人:上海卡姆丹克太陽(yáng)能科技有限公司;卡姆丹克太陽(yáng)能(江蘇)有限公司