用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置的製作方法

2023-05-06 07:28:06

專利名稱：用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種直拉矽單晶爐的配套裝置，特別涉及一種用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置。
背景技術：
目前，採用直拉法每生產一顆長度2米左右的8寸矽單晶等徑用時35_40h，開爐時間長、功耗高，生產效率低。因此，要解決上述問題，主要是提高晶體生長速度，縮短拉晶時間；從根本上講，就是要加大晶體與熔矽之間固液界面的溫度梯度，加快結晶潛熱的釋放， 即提高晶體的冷卻速率。高溫爐體以及熔矽的熱輻射是阻礙晶體有效、快速冷卻的主要原因。通常情況下，直拉矽單晶爐配有等靜壓高純石墨制的熱屏，其具有上下貫通的筒形結構，並且上口大於下口，下口略大於晶棒直徑。拉晶過程中，熱屏沿與坩堝同一軸線安置於坩堝上方，其下沿與熔矽液面保持一定距離，包圍晶體靠近固液界面的一段。熱屏的主要作用為1.阻隔高溫爐體以及熔矽對晶體的熱輻射，起熱屏蔽作用，利於晶體散熱，形成晶體生長所需的溫度梯度，以提高晶體生長速度；2.起導流作用，引導由單晶爐副室下吹的氬氣較為集中地直接噴吹到固液界面附近，更加有利於晶體散熱，加大晶體生長所需的溫度梯度，提高晶體生長速度；3.對高溫矽熔體起保溫作用，節約開爐能耗。進一步提高晶體生長速度，要求晶體更加有效、快速地散熱。更重要的是，隨著矽單晶及其相關產業的日益發展，直拉矽單晶的直徑要求不斷增大。晶體直徑越大，晶體生長時所需釋放的結晶潛熱越多；晶體散熱越困難，越難提高晶體生長速度。傳統的熱屏裝置已不能滿足當前生產要求。 研製開發結構更加科學、合理，原理更加先進，更合適於大直徑直拉矽單晶生長的熱屏裝置成為亟待解決的問題。上海漢虹精密機械有限公司的名稱為「單晶爐裝置」的專利(專利號 201010112330. 1，2010年9月22日公開)中，公開了一種用於直拉矽單晶的單晶爐裝置，其包括了一種熱屏裝置。該熱屏裝置由斷熱材、熱屏罩、反射板組成。斷熱材下部直徑小於上部直徑，其內側和外側分別被內熱屏罩和外熱屏罩覆蓋；內熱屏罩內側放置有反射板。拉晶時，熱屏置於石英坩堝上方，其下底邊與熔矽保持一定距離；反射板環繞晶體。斷熱材對熔矽起保溫作用，降低了電力消耗；反射板將晶體表面的熱輻射向上反射，達到提高晶體冷卻的效果，提高了晶體生長速度。這種熱屏裝置雖然能夠在一定程度上提高晶體生長速度、 降低能耗，但是仍存在以下不足
首先，由反射板向上反射的熱輻射仍有較大部分被晶體吸收，不能最大程度加大晶體散熱。其次，外熱屏罩和內熱屏罩是一體連接的熱屏罩，外熱屏罩與內熱屏罩之間存在直接熱傳遞，不利於內熱屏罩溫度的降低，而內熱屏罩溫度降低有利於與高溫晶體形成大的溫度梯度，加大晶體的散熱
發明內容
鑑於現有技術的現狀，本發明提供一種用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置，以提高生產效率、降低生產成本。本發明為實現上述目的，所採取的技術方案是一種用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置，包括外筒、隔熱層和內筒，其特徵在於還包括熱反射層、隔熱墊I、隔熱墊II，所述熱反射層置於外筒與隔熱層之間；所述隔熱層置於熱反射層與內筒之間；所述隔熱墊I設置在熱屏裝置上端的外筒和內筒之間，隔熱墊I的一端與隔熱層相接緊配合，所述隔熱墊II設置在熱屏裝置底端的外筒和內筒之間，隔熱墊II的一端與隔熱層相接緊配合。本發明的特點是首先，鉬片熱反射層與碳氈隔熱層形成的雙層結構可更徹底地隔斷高溫爐體及熔矽對晶體的熱輻射，同時有效防止鉬片熱反射層反射的熱輻射對晶體的作用，更大程度加大了晶體的散熱，提高了晶體生長速度。其次，石墨外筒與內筒之間無直接接觸，由隔熱碳氈、碳氈隔熱墊隔斷，實現了對熔矽更強的保溫，進一步降低了開爐功耗，節省了生產成本。再次，本發明熱屏裝置的石墨外筒、內筒由傳統方法製造，其他部分無特殊加工要求，成本低廉、容易實現。


圖1為本發明的結構示意圖。圖中1、外筒，2、熱反射層，3、隔熱層，4、隔熱墊1，5、隔熱墊11，6、內筒。
具體實施例方式如圖1所示，一種用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置，包括外筒1、隔熱層3和內筒6， 還包括熱反射層2、隔熱墊14、隔熱墊115，熱反射層2置於外筒1與隔熱層3之間；隔熱層 3置於熱反射層2與內筒6之間；隔熱墊14設置在熱屏裝置上端的外筒1和內筒6之間， 隔熱墊14的一端與隔熱層3相接緊配合，隔熱墊115設置在熱屏裝置低端的外筒1和內筒 6之間，隔熱墊115的一端與隔熱層3相接緊配合。隔熱墊14、隔熱墊115形狀相同，為中空的環狀體。由等靜壓高純石墨製成外筒，其上部約四分之一高度略呈錐型敞口，其餘下部為空心圓柱外形，頂端有向外水平延伸的邊沿，底端有向內水平延伸的邊沿。將0. 5mm厚冷軋鉬片剪裁成矩形，其長等於外筒內壁周長，寬略小於外筒高；上部約四分之一高度按外筒錐型敞口煨彎；將此矩形鉬片緊貼外筒內壁彎曲鋪設，形成熱反射層。該鉬片熱反射層可以反射高溫爐體以及熔矽對晶體的大部分熱輻射，進一步加大晶體與熔矽之間固液界面的溫度梯度，加快結晶潛熱的釋放，提高晶體的冷卻速率，加快晶體生長速度。將碳氈沿鉬片熱反射層內表面(與鉬片和外筒接觸面相對的面)鋪設，厚度一定， 形成隔熱層。該碳氈隔熱層的作用為隔斷鉬片熱反射層與內筒之間的熱傳導，利於晶體散熱。有利於形成適於晶體生長的溫度梯度。將碳氈剪裁成相應圓環形即隔熱墊I、隔熱墊II，分別放置於外筒頂端、底端邊沿，作為隔熱墊。由等靜壓高純石墨製成內筒，其呈倒置空心錐臺，錐角；大端有向外水平延伸的邊沿；小端有「"1 」形邊沿；整體壁厚均勻；此內筒沿與外筒同一軸線放入順序鋪設了鉬片熱反射層、碳氈隔熱層的外筒，形成完整的熱屏裝置。拉晶操作中，熱屏裝置沿與坩堝相同軸線安置於坩堝上方，其下底面與熔矽保持一定距離。外筒頂端邊沿外徑等於內筒大端邊沿外徑；外筒底端邊沿內徑等於內筒小端外徑。外筒頂端邊沿與內筒大端邊沿之間，外筒底端邊沿與內筒小端底邊之間均由碳氈隔熱墊隔開。該隔熱墊隔斷外筒與內筒之間的熱交換，利於晶體散熱，進一步加快晶體生長速度。上述熱屏裝置各組成部分之間不設緊固、連接部，以便於安裝、拆卸、清理及部件更換。上述熱屏裝置的外形尺寸根據具體爐臺及熱場確定。另外，為更便於鉬片熱反射層製造，也可將0. 5mm厚冷軋鉬片剪裁成若干寬度相等小矩形，其長略小於外筒高，此小矩形鉬片緊貼外筒內壁、長邊相鄰、相鄰鉬片之間無間隔均勻放置，同樣可達到本發明目的。實施例1
採用22寸熱場，135kg投料量，拉制8寸太陽能級矽單晶。上述熱屏裝置沿與坩堝相同軸線安置於坩堝上方。控制氬氣流量為30-80slm，爐內壓力維持在15-20 T。坩堝轉速為 6-10轉/分，晶轉速度為8-12轉/分。按照常規直拉法工藝進行引晶、放肩、轉肩、等徑、收尾。其中，引晶堝位控制導流筒距離熔矽液面15-35mm，頭部拉速設定為75_80mm/h ；隨著晶體長度增加，拉速逐漸減小，中部生長速度控制在65-70mm/h。使用本方法可將現有22寸熱場矽單晶生長的平均速度從0. 9mm/h提高到1. 23mm/h,提高了生產效率，降低了生產成本。 說明本發明直拉矽單晶爐熱屏裝置適於大直徑直拉矽單晶的生產。實施例2
由等靜壓高純石墨製成外筒，其上部約四分之一高度略呈錐型敞口，其餘下部為空心圓柱外形，頂端有向外水平延伸的邊沿，底端有向內水平延伸的邊沿。將0. 5mm厚冷軋鉬片剪裁成若干寬度相等小矩形，其長略小於外筒高，此小矩形鉬片緊貼外筒內壁、長邊相鄰、相鄰鉬片之間無間隔均勻放置，形成熱反射層。將碳氈沿鉬片熱反射層內表面(與鉬片和外筒接觸面相對的面)鋪設，厚度一定， 形成隔熱層。將碳氈剪裁成相應圓環形，放置於外筒頂端、底端邊沿，作為隔熱墊。由等靜壓高純石墨製成內筒，其呈倒置空心錐臺，錐角；大端有向外水平延伸的邊沿；小端有「"1 」形邊沿；整體壁厚均勻；此內筒沿與外筒同一軸線放入順序鋪設了鉬片熱反射層、碳氈隔熱層的外筒，形成完整的熱屏裝置。外筒頂端邊沿外徑等於內筒大端邊沿外徑；外筒底端邊沿內徑等於內筒小端內徑。外筒頂端邊沿與內筒大端邊沿之間，外筒底端邊沿與內筒小端底邊之間均由碳氈隔熱墊隔開。採用20寸熱場，95-100kg投料量，拉制6. 5太陽能級矽單晶。上述熱屏裝置沿與坩堝相同軸線安置於坩堝上方。按照常規直拉法工藝進行引晶、放肩、轉肩、等徑、收尾。其中，引晶堝位控制導流筒距離熔矽液面30-35mm，使用本方法可將現有20寸熱場矽單晶生長的平均速度從1. 22mm/h提高到1. 35mm/h，提高了生產效率，降低了生產成本。
權利要求
1.一種用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置，包括外筒(1)、隔熱層(3)和內筒(6)，其特徵在於還包括熱反射層(2)、隔熱墊I (4)、隔熱墊II (5)，所述熱反射層(2)置於外筒(1)與隔熱層(3)之間；所述隔熱層(3)置於熱反射層(2)與內筒(6)之間；所述隔熱墊I (4)設置在熱屏裝置上端的外筒(1)和內筒(6)之間，隔熱墊I (4)的一端與隔熱層(3)相接緊配合，所述隔熱墊II (5)設置在熱屏裝置底端的外筒(1)和內筒(6)之間，隔熱墊II (5)的一端與隔熱層(3)相接緊配合。
2.根據權利要求1所述的用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置，其特徵在於所述隔熱墊I (4)、隔熱墊II (5)形狀相同，為中空的環狀體。
全文摘要
本發明涉及一種用於直拉矽單晶爐的熱屏裝置，包括外筒、隔熱層和內筒，還包括熱反射層、隔熱墊I、隔熱墊II，熱反射層置於外筒與隔熱層之間；隔熱層置於熱反射層與內筒之間；隔熱墊I設置在熱屏裝置上端的外筒和內筒之間，隔熱墊I的一端與隔熱層相接緊配合，隔熱墊II設置在熱屏裝置底端的外筒和內筒之間，隔熱墊II的一端與隔熱層相接緊配合。本發明的特點是有效防止鉬片熱反射層反射的熱輻射對晶體的作用，更大程度加大了晶體的散熱，提高了晶體生長速度。實現了對熔矽更強的保溫，進一步降低了開爐功耗，節省了生產成本。成本低廉、容易實現。
文檔編號C30B15/00GK102352530SQ201110351048
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者尚偉澤, 梁山, 沈浩平, 王軍磊, 谷守偉, 高樹良, 高潤飛 申請人:內蒙古中環光伏材料有限公司