一种新型直拉硅单晶炉底部加热器
技术领域
本实用新型属于直拉硅单晶拉制配件技术领域，尤其是涉及一种新型直拉硅单晶炉底部加热器。
背景技术
直拉法生长单晶硅是目前生产单晶硅最广泛的应用技术，随着市场竞争加剧，成本压力增加，因此现单晶硅制造商通过增加装料量提高理论产能来降低成本。而为了维持单晶正常生长需要增加底部加热器，因此底部加热器成为当前直拉单晶炉的重要系统之一。底部加热器的主要作用是：第一、保证单晶生长所需的温度梯度，维持单晶正常生长，保证单晶成晶率；第二、为石英坩埚底部提供热量，从而降低主加热器功率，延长主加热器使用寿命；第三、与主加热器配合使用，使硅料加热熔化过程中温度更均匀，有效避免了单一主加热器加热过程中局部过热导致石英坩埚变形的问题，因此可有效增加装料量，降低单晶硅生产成本。
中国专利CN205711040U公开的一种单晶硅石墨底部加热器，包括底部加热器本体和电极脚。所述的底部加热器本体包括沿左右方向对称布置的连接板，两个所述的连接板之间设置有沿上下方向对称布置的发热体。所述发热体包括第一蛇形体，和位于两个所述第一蛇形体之间的第二蛇形体，所述的第一蛇形体和第二蛇形体共同形成一个“T”字形。所述的发热体和连接板共同形成了中间具有第一空隙的“十”字结构，且所述第一空隙的内切圆的直径大于所述托盘底部的直径。所述的连接板上通过螺纹连接有电极脚。该结构中靠近中心的第一加热体与第二加热体面积较大，而单晶炉底部排气孔分布在边缘，导致在第一加热体、第二加热体上沉积的氧化物及其他挥发物无法有效通过气流排除，导致加热器打火的概率增加，同时导致单晶生长稳定性差、加热器使用寿命短，生产成本较高。
同时上述专利中，加热器中心部分主要由面积较大的第一加热体与第二加热体组成，边缘部分由面积较小的蛇形体组成，在加热过程中形成中心部分温度高边缘部分温度低的温度分布，进而石英坩埚中的硅溶液的温度分布也呈此分布。该温度分布下，硅溶液从温度高的位置流向温度低的位置，硅溶液呈现从中心流向边缘的状态。同时直拉法生长单晶的过程中石英坩埚一直是旋转的，这样在离心力的作用下，硅溶液也呈现从中心流向边缘的状态。因此，该加热器所产生的温度梯度使硅溶液热对流与石英坩埚旋转产生的强迫对流相一致，加速了硅溶液从中心流向边缘的速度，增加了硅溶液对石英坩埚表面的冲击力，加速了硅溶液与石英坩埚的反应(Si(液)+SiO2(固) ＝2SiO(液))，硅溶液氧含量增加，最终使拉制出的单晶硅氧含量增加，单晶质量下降。
发明内容
本实用新型要解决的问题是提供一种新型直拉硅单晶炉底部加热器，尤其是适用于大投料量、大尺寸单晶硅的拉制，保证底部合适的温度梯度，降低单晶间隙氧含量，提升单晶品质，提高单晶成晶率，降低加热器打火率，降低成本。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
一种新型直拉硅单晶炉底部加热器，包括两组对位设置的第一加热部和第二加热部，所述第一加热部与所述第二加热部串联连接且轴对称设置；所述第一加热部包括串联连接的U型体和分设在所述U型体两侧的W型体，所述W型体位于所述第一加热部外缘处，所述U型体与所述W型体共同形成一体式结构；所述第二加热部包括两组串联对称设置阶梯状弯曲体，所述弯曲体横向宽度从靠近所述第一加热部一端到远离所述第一加热部一端递增；两组所述第一加热部与所述第二加热部内缘共同形成一内切椭圆形空隙。
进一步的，所述U形体、所述W型体和所述弯曲体均为条状加热体，厚度相同。
进一步的，所述第一加热部拐角为第一圆弧；所述第二加热部拐角为第二圆弧。
进一步的，所述第一圆弧与所述第二圆弧直径相同。
进一步的，所述第一加热部与所述第二加热部连接处拐角为第三圆弧，所述第三圆弧直径大于所述第一圆弧直径。
进一步的，还包括电极加热部，所述电极加热部包括支撑体和电极，所述电极固定设置在所述支撑体上方。
进一步的，所述电极加热部与所述第二加热部一体连接，所述电极加热部位于所述第二加热部外端对称轴上。
进一步的，所述支撑体为三角形结构，所述电极设置在所述支撑体轴线顶角处。
进一步的，两组所述第一加热部外缘弧和所述电极加热部外缘弧共同形成一外圆形空隙，所述第一加热部所有外缘弧和所述电极加热部外缘弧均与所述外圆形内切连接。
进一步的，所述外圆形空隙与所述内切椭圆形空隙中心点重合。
本实用新型具有的优点和积极效果是：
1、采用本实用新型设计的加热器，其中心采用条状加热体，可有效减少对气流的阻挡，快速排出所产生的氧化物及其他挥发物，降低加热器打火概率，可使单晶成晶率提高5％，底部加热器打火率降低到0.1％以下，降低生产成本。
2、加热器中心加热体面积小于边缘加热体面积，在加热过程中形成中心部分温度低边缘部分温度高的温度分布，进而石英坩埚中的硅溶液的温度分布也呈此分布。该温度分布下，硅溶液从温度高的位置流向温度低的位置，硅溶液呈现从边缘流向中心的状态，这样就有效抵消了由于离心力而使硅溶液从中心流向边缘的速度，减小了对石英坩埚表面的冲击，进而降低了硅溶液与石英坩埚的反应，使硅溶液氧含量降低，最终降低了单晶硅氧含量，提高了单晶硅品质。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的一种新型直拉硅单晶炉底部加热器的结构示意图；
图2是本实用新型一实施例的加热器与硅溶液的热对流示意图。
图中：
1、第一加热部 101、U型体 102、W型体
103、第一圆弧 2、第二加热部201、U型体
202、S型体203、U型体 204、第二圆弧
3、电极加热部 301、支撑体302、电极
4、第三圆弧 5、空隙6、空隙
7、支撑托盘 8、石英坩埚9、硅溶液
具体实施方式
本实用新型提出一种新型直拉硅单晶炉底部加热器，如图1所示，包括两组对位设置的第一加热部1和第二加热部2，第一加热部1与第二加热部 2是串联连接。两组第一加热部1与两组第二加热部2一体连接，其内缘共同形成一内切椭圆形空隙5，第一加热部1与第二加热部2以通过空隙5圆心的轴线对称设置。第一加热部1包括串联连接的U型体101和分别对称设置在U型体101两侧的W型体102，W型体102与U型体101一体式连接，且W型体102位于第一加热部1的外缘处，两个串联的U型体1与两个对称设置的W型体102共同形成一体式结构的第一加热部1。
第二加热部2包括两组对称设置的阶梯状弯曲体，所述弯曲体包括U型体201、S型体202和U型体203，U型体201、S型体202和U型体203依次一体性连接。U型体201靠近第一加热部1设置，U型体203远离第一加热部1设置，S型体202位于U型体201和U型体203之间设置，且U型体 201的宽度、S型体202的宽度和U型体203的宽度依次增大。
在本实施例中，第一加热部1中的拐角处仅包括一种第一圆弧103，第一圆弧103的开口水平朝内或朝外设置，第二加热部2中的拐角处仅包括一种第二圆弧204，第二圆弧204的开口水平朝内或朝外设置，且第一圆弧103 直径与第二圆弧204直径相同。第一加热部1与第二加热部2的连接拐角处为第三圆弧4，第三圆弧4的直径大于第一圆弧103直径。U形体101、W型体102、U型体201、S型体202和U型体203均为条状加热体，厚度相同。这一设计使得在加工第一加热部1和第二加热部2一体连接的结构上仅有两种尺寸的拐角圆弧，其它均为直线，结构简单，便于加工，简化了加工工序，提高了生产效率。
进一步的，本实用新型设计的加热器还包括电极加热部3，电极加热部 3包括支撑体301和电极302，电极302固定设置在支撑体301的上方，支撑体301与电极302的固定方式，是本领域的常规手段，在这里不做限制。电极加热部1与第二加热部2一体连接，且位于第二加热部2最外端的对称轴上。支撑体301为三角形结构，电极302设置在支撑体301的轴线顶角处。
两组第一加热部1的外缘弧和两组电极加热部3的外缘弧共同形成一外圆形空隙6，第一加热部1的所有外缘弧和电极加热部3的外缘弧均与外圆形空隙6内切连接，且外圆形空隙6与内切椭圆形空隙5的中心点重合。
在生产过程中，在加热器与硅溶液9的热对流示图，如图2所示，石英坩埚8的下方固定设有支撑托盘7，支撑托盘7的轴穿过加热器中椭圆形空隙5，底部加热器固定在单晶炉炉底内，支撑托盘7旋转带动石英坩埚8旋转，置于石英坩埚8中的硅溶液9随石英坩埚8的旋转而旋转，旋转速度为ω。由于离心力的作用，石英坩埚8底部中心部分的硅溶液9流向石英坩埚 8底部边缘位置，其流动速度为f2。同时，一体式结构的第一加热部1和阶梯型结构的第二加热部2共同组合形成底部加热器，在加热过程中，底部加热器的中心部分温度低于边缘部分，在温度梯度的驱动下，致使石英坩埚8 底部边缘部分的硅溶液9趋于流向石英坩埚8底部中心位置，其流动速度为 f1。f1与f2的流动方向相反，f1可有效抵消硅溶液9在旋转过程中受离心力作用向石英坩埚8内壁边缘流动方向的速度f2，进而可有效降低硅溶液9与石英坩埚8的冲击力，进而可有效减少硅溶液9与石英坩埚8的反应，进而降低了硅熔体的氧含量，提高单晶品质。用本实用新型设计的底部加热器，投入生产后，可使单晶间隙氧含量降低，单晶成晶率提高5％，底部加热器打火率降低到0.1％以下，大大降低了生产成本。
以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。
