用于直拉单晶炉的石墨加热器的制作方法

本实用新型总体来说涉及一种加热器装置，尤其涉及一种用于直拉单晶炉的石墨加热器。

背景技术：

直拉单晶制造法是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热熔化，再将晶种(籽晶)浸入熔液中。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶棒。

直拉法制备单晶硅时采用惰性气体作为保护气体，在单晶硅生长过程中，须使用石墨加热器对硅料进行加热熔化，并且加热器对于提供晶体生长所需的温度梯度起到至关重要的作用。

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直拉单晶硅研究和生产的主要方向。随着硅单晶直径的增大，投料量必将加大，坩埚直径和热场尺寸也随之相应增大，导致熔体中热对流加剧，导致拉晶难度随之增大，晶体品质参数随之下降。

在现有技术条件下，如图1、2所示为单晶拉制过程中通常使用的加热器，该加热器通常包括加热器本体1和底部支撑脚3。具体地，该加热器在一个环形的石墨体上设置有均匀开槽11’，该均匀开槽11’通常由加热器本体1的顶端向下轴向延伸，或者由加热器本体1的底端向上轴向延伸。该加热器高温区通常在加热器中上部，在单晶拉制过程中，石英坩埚底部不能直接获得热量。在应用更大的热场时，考虑拉晶时热场梯度需要，一般还需要在环形加热器下面再安装一个底部石墨加热器，这样的设置又增加了设备投入，且操作复杂化。

因此在现有技术中应用的石墨加热器普遍存在以下不足：

1、应用加热器时，加热器发热区位置偏上，在熔化硅料过程中，硅料不能完全受热，导致热量不能被充分利用，增加能耗。因此原料熔化时间长，延长了熔硅与石英坩埚的反应时间，导致生长的单晶硅氧含量也增加。

2、在熔化硅料过程中，石英坩埚底部无法直接获得热量，处于加热器发热区的低温区。从而会出现石英坩埚中上部原料比石英坩埚底部原料先熔化，当石英坩埚中上部原料熔化后流向石英坩埚底部，熔硅与未熔原料接触再结晶，极易发生漏硅现象，造成严重损失。

3、熔料过程中，石英坩埚内原料自上而下熔化，中下部原料熔化时产生的挥发物及气泡不能及时排除，导致生长单晶成品率低、品质差。

因此，如何提供一种能够使硅料充分受热且降低能耗的石墨加热器，是亟待解决的技术问题。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本实用新型的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种用于直拉单晶炉的石墨加热器，以在满足硅料受热充分的情况下，降低能耗。

本实用新型的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种直拉单晶炉，以在满足硅料受热充分的情况下，降低能耗。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：

根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于直拉单晶炉的石墨加热器，其特征在于，所述石墨加热器包括加热器本体，所述加热器本体具有中轴线，所述加热器本体包括呈筒形的侧壁，所述侧壁上设置有多个第二开槽；所述第二开槽从所述加热器本体的底端向上轴向延伸，沿所述顶端向所述底端延伸的方向，所述第二开槽的宽度逐渐增大。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述加热器本体还包括多个第一开槽；所述第一开槽从所述侧壁的顶端向下轴向延伸，沿轴向方向所述第一开槽的宽度相同；所述石墨加热器还包括底部支撑脚，所述底部支撑脚设置于所述加热器本体下方以支撑所述加热器本体。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述第二开槽的夹角为大于0°且小于或等于15°。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述第二开槽的夹角为大于0°且小于或等于5°。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述第二开槽的夹角为大于或等于1°且小于或等于2°。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述加热器本体还包括内腔延伸部，所述内腔延伸部由所述侧壁的下端部向所述加热器本体的中轴线方向延伸。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述内腔延伸部具有沿所述石墨加热器周向延伸的宽度和沿所述石墨加热器径向延伸的厚度，沿所述石墨加热器的径向方向从外向内，所述宽度逐渐变小和/或所述厚度逐渐变小。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述内腔延伸部向所述中轴线方向延伸的距离小于或等于所述底部支撑脚向所述中轴线方向延伸的距离。

根据本实用新型的一种实施方式，其中所述内腔延伸部的内侧面为圆弧形面，多个所述圆弧形面的圆心相同。

由上述技术方案可知，本实用新型的用于直拉单晶炉的石墨加热器的优点和积极效果在于：本实用新型提供的用于直拉单晶炉的石墨加热器包括第二开槽，沿所述顶端向所述底端延伸的方向，该第二开槽的宽度逐渐增大，使该石墨加热器的高温区域下移，从而使石英坩埚下部能够充分获得热量，提高了能量的利用率，在满足硅料充分受热的情况下，降低能耗。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施例的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是现有技术的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的剖面图。

图2是现有技术的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的俯视图。

图3是根据一示例性实施方式示出的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的剖面图。

图4是根据一示例性实施方式示出的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的俯视图。

图5是根据一示例性实施方式示出的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的局部剖面图。

其中，附图标记说明如下：

1、加热器本体； 2、内腔延伸部； 3、底部支撑脚；

11、第一开槽； 12、第二开槽； a、夹角；

11’、均匀开槽。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在没有相反指示的情况下，本实用新型描述的“顶端”、“底端”“上端部”以及“下端部”是相对石墨加热器在使用过程中的方位而定义的，只是用来更好地说明本实用新型；本实用新型描述的“内部”和“外部”是相对石墨加热器的自身而定义的，由石墨加热器围成的空间称为内部，其他空间称为外部。

图3是根据一示例性实施方式示出的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的剖面图。图4是根据一示例性实施方式示出的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的俯视图。图5是根据一示例性实施方式示出的一种用于直拉单晶炉的石墨加热器的局部剖面图。

参照图3至图5，作为本实用新型的一个方面，提供了一种用于直拉单晶炉的石墨加热器，其中，石墨加热器包括加热器本体1和底部支撑脚3，底部支撑脚3设置于加热器本体1下方以支撑加热器本体1。加热器本体1的侧壁上设置有第一开槽11和第二开槽12；第一开槽11从加热器本体1的顶端向下轴向延伸，沿轴向方向第一开槽11的宽度相同；第二开槽12从加热器本体1的底端向上轴向延伸，沿顶端向底端延伸的方向，第二开槽12的宽度逐渐增大。

可以理解的是，第一开槽11和第二开槽12可以分别沿所述加热器本体1的周向均匀布置。由于第二开槽12的宽度从加热器本体1向底端延伸的方向逐渐变宽，从而使加热器本体1的高温区向底端方向移动，在应用时使得加热功率沿着加热器本体1的轴向方向逐渐增加，从而使加热器本体1沿轴向方向的加热温度更加均匀，增大了加热器本体1的热量辐射面积，尤其使石英坩埚底部能够获得充足的热量，如此，在没有增加加热器本体1的整体加热功率的情况下，满足了石英坩埚的温度要求，节能环保。另一方面，也减少了设备的投入，降低了石墨加热器的制造成本。

第一开槽11与第二开槽12的长度可以相同也可以不同，第一开槽11与第二开槽12的长度大于加热器侧壁高度的2/3，但不以此为限，本领域技术人员根据生产情况的需要可以做任意调整，优选的长度大于加热器侧壁高度的4/5。

可以理解的是，为了能够使石墨加热器保持平衡，底部支撑脚3的底端可以位于同一平面内，如图3所示。

本实用新型提供的用于直拉单晶炉的石墨加热器包括第二开槽12，沿顶端向底端延伸的方向，该第二开槽12的宽度逐渐增大，从而可以使该石墨加热器的高温区域下移，使石英坩埚底部能够充分获得热量，提高了能量的利用率，在满足硅料充分受热的情况下，降低能耗。

作为本实用新型的一实施方式，其中第二开槽12的夹角a为大于0°且小于或者等于15°。例如但不限于夹角a可以为1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、10°、12°等整数，也可以为小数，例如但不限于1.5°、2.5°、3.5°、4.5°等，都在本实用新型的保护范围内。

更加优选地，作为本实用新型的一实施方式，其中第二开槽12的夹角a为大于0°且小于或者等于5°。

更进一步优选地，作为本实用新型的一实施方式，其中第二开槽12的夹角a为大于或者等于1°且小于或者等于2°。

为了进一步提高石墨加热器的能量利用率，可以对加热器本体1进行加长，从而使加热器本体1的高温区相对于石英坩埚底部下移，参照图3至图5，作为本实用新型的一实施方式，其中加热器本体1包括内腔延伸部2，内腔延伸部2由加热器本体1的底端向下并向由加热器本体1围成的腔体的内部延伸。

可以理解的是，在生产使用的情况下，通常在石墨加热器和石英坩埚之间设置有石墨坩埚，即石英坩埚通常嵌套在石墨坩埚的内部，以延长石英坩埚的使用寿命。具体地，该内腔延伸部2可以沿着石墨坩埚的外壁面延伸，并延伸到石墨坩埚底部的下方，在使用时，位于石墨坩埚底部下方的内腔延伸部2对石墨坩埚的底部加热，该石墨坩埚将热量传递给石英坩埚，于是可以使石英坩埚底部的硅料受热先熔化，在该过程中产生的挥发物及气泡可以向上运动，并从硅料间隙中排除，能够同时提高硅单晶的成品率和质量。在使用该石墨加热器时，该内腔延伸部2以及加热器本体1协同加热，较现有技术中的普通加热器本体1，增大了石英坩埚的底部热量辐射面积，降低了化料所需时间。该内腔延伸部2增加了加热器底部的温度，减小了传统加热器上部与底部的温差，使硅料熔化过程更加节能。

更进一步地，由于化料时间缩短，从而减少了熔体硅与石英坩埚壁面的反应时间，从而降低了单晶硅内的氧含量。更进一步地，避免了石英坩埚中部和上部的硅料熔化后流向石英坩埚底部，导致熔体硅与底部未熔硅料接触后再结晶，从而导致撑破石英坩埚被撑破，最终导致产生漏硅的风险。

为了防止内腔延伸部2的底端相互接触，参考图2，作为本实用新型的一实施方式，其中内腔延伸部2具有沿石墨加热器周向延伸的宽度和沿石墨加热器径向延伸的厚度，沿石墨加热器的径向方向从外向内，宽度逐渐变小，厚度逐渐变小。如此设计可以避免位于石英坩埚底部的多个内腔延伸部2相互交接，从而使相邻的内腔延伸部2之间留有合适的空间。该内腔延伸部2的存在增加了加热器底部的温度，减小了传统加热器上部与底部的温差，使硅料熔化过程更加节能；并且由于化料时间缩短，从而减少了熔体硅与石英坩埚壁面的反应时间，从而降低了单晶硅内的氧含量。

内腔延伸部2可以与加热器本体1一体形成，参照图2和图3，作为本实用新型的一实施方式，其中内腔延伸部2与加热器本体1形成弧形对接，但不以此为限。内腔延伸部2与加热器本体1的弧形过度，有利于热量的均匀扩散。当然，可以理解的是，内腔延伸部2与加热器本体1可以分别为独立件，在使用时将两者进行组装，也在本实用新型的保护范围内。

为了提高石墨加热器的安全性，作为本实用新型的一实施方式，其中内腔延伸部2向腔体的内部延伸的距离小于等于底部支撑脚3向腔体的内部延伸的距离。

为了更好地与石墨坩埚贴合，内腔延伸部2的内侧面可以设计为弧形面，参照图4和图5，作为本实用新型的一实施方式，其中内腔延伸部2的内侧面为圆弧形面，多个圆弧形面的圆心相同。可以理解的是，根据需要将内腔延伸部2设置为与石墨坩埚匹配，即形状、尺寸等均匹配，都在本实用新型的保护范围内。

本实用新型所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型的各方面。