[实用新型]一种用于直拉单晶炉热场的加热器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于直拉单晶炉热场系统的部件，尤其涉及一种用于直拉单晶炉热场的加热器。

背景技术

随着半导体硅材料和光伏行业的迅速发展，大直径的硅单晶已成为生产的主导方向。要生长大直径单晶就需要配备大尺寸热系统，以增加装料量和保持的晶体直径与坩埚直径的比值大致为1/3，在获得的晶体生产高效率的同时兼顾晶体氧含量等参数的一致性。

由高纯石墨材料或碳/碳复合材料制作的加热器是单晶炉内热系统的核心部件，现有的加热器的外形呈圆筒状(如图1所示)，切割成对称的数瓣到数十瓣以控制电流方向，任意相邻两瓣所通过的电流方向相反。在晶体生长过程中施加数千安培的电流，在安培效应下加热器0.010～0.005欧姆的直流电阻，将产生几十到数百千瓦的热量，将坩埚中的20～200kg的多晶硅原料熔化，并保持在1420℃硅的熔点以上，以完成晶体的生长过程。

石英坩埚直径的增大、每炉熔化的多晶硅原料重量增加、硅熔体的体积变大，熔体的热对流也明显增强。通过增加热场系统的保温，采用带导流筒的封闭式热场结构，可以减小熔体内部的温度梯度，改善熔体的热对流。最有效的措施是对熔体施加强度几百～几千高斯磁场，在磁场中硅熔体的对流运动时将受到罗伦兹力的作用，其结果是热对流运动受到抑制，相当于增加了硅熔体的动态粘度，能提高晶体氧含量等参数的一致性。

但是配备外加磁场装置增加了设备投资，使用磁场装置时，除了晶体生长消耗的电能外还将消耗额外的电能来维持磁场的运行。维持磁场消耗的电能大约为晶体生长消耗电能的30～50％，增大了电能消耗。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于直拉单晶炉热场的加热器，通电后在满足焦耳定律提供热效应的同时，在其腔体内部形成磁场，有利于抑制硅熔体的对流运动。无需外置磁场装置条件下，采用环形加热器单晶炉具有磁场拉晶的效果，减少了外置磁场的电能消耗。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于直拉单晶炉热场的加热器，该加热器为螺旋管状结构的环形加热器，该加热器上设有三个连接柱，其中两个连接柱位于该加热器沿轴线方向的一端，第三个连接柱位于该加热器沿轴线方向的另一端。

所述加热器的相邻两匝螺旋管之间设有强化结构。

所述强化结构为绝缘支架。

本实用新型的优点在于：

本实用新型采用螺旋管状结构的环形加热器，该加热器通电后，在满足焦耳定律提供热效应的同时，能在其腔体内部形成磁场，有利于抑制硅熔体的对流运动，提高晶体氧含量等参数的一致性。采用环形加热器的单晶炉，在没有配置磁场的单晶炉内可以生长磁场直拉单晶硅(MCZ硅)，减少了外置磁场的电能消耗。

附图说明

图1为现有的加热器的结构示意图。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为本实用新型的填充有强化结构的加热器的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型的一种用于直拉单晶炉热场的加热器，该加热器为螺旋管状结构的环形加热器，由高纯石墨材料或碳/碳复合材料制作而成。该加热器上设有三个连接柱1、2、3，其中连接柱2、3位于该加热器沿轴线方向的一端，起到支撑加热器的作用；连接柱1位于该加热器沿轴线方向的另一端。

该加热器在使用时，连接柱1、3与单晶炉电源相连接，形成电流回路。通电后，该螺旋管状结构的环形加热器满足以下条件：

(1)根据焦耳定律电流的热效应满足：P＝I V＝I²R，其中环形加热器发热功率为P，电压为V，电流为I，加热器的直流电阻R。

(2)根据欧姆定律加热器的直流电阻R与电源匹配，满足：R＝V_max/I_max，其中V_max为单晶炉电源的最大输出电压、I_max为单晶炉电源的最大输出电流。

(3)在满足焦耳定律提供热效应的同时，在螺旋管状结构的环形加热器的腔体内部即石墨坩埚支撑的石英坩埚内部提供磁场，该磁场的磁感应强度B为：

B＝μ₀nI

其中n为螺旋管的螺旋匝数；I为环形加热器中通过的电流。

螺旋管状结构的环形加热器在通电后形成的磁场中，受到磁场力的作用，这种磁场力可能使环形加热器出现断裂，为了解决这个问题加热器的材质优先选择碳/碳复合材料，并在相邻两匝螺旋管之间填充强化结构来增强环形加热器强度。如图3所示，该强化结构可以是填充在相邻两匝螺旋管之间的绝缘支架4，该绝缘支架4的材质可以为高温绝缘材料，优选高温烧结刚玉(Al₂O₃)材质。