專利名稱：石墨梯度發(fā)熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨梯度發(fā)熱器，特別是多晶硅熔煉提純?cè)O(shè)備中的石 墨電阻發(fā)熱器。
技術(shù)背景多晶硅的提純是通過(guò)原料硅在坩堝內(nèi)高溫熔煉、然后降溫，使融熔的硅液冷卻凝固；根據(jù)分凝系數(shù)原理，在降溫階段，控制溫度沿晶體生長(zhǎng)方 向呈梯度變化，使硅液自下至上逐步凝固成錠，實(shí)現(xiàn)定向的晶體生長(zhǎng)和凝 固過(guò)程，多晶硅中的雜質(zhì)主要濃集在鑄錠的尾端，切割后得到高純度的多 晶硅。當(dāng)然，根據(jù)純度要求，可采用多次熔煉、梯度凝固、切割操作，得 到高純度多晶硅。因此，熔融液的定向連續(xù)地梯度凝固效果，關(guān)系到多晶 硅的純度和收率。目前，多晶硅定向凝固多通過(guò)升降機(jī)構(gòu)，采用保溫材料的定向緩慢移 動(dòng)，依靠熱量的散失來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的梯度分布，這是在很多行業(yè)采用的動(dòng)態(tài) 方法。在保溫材料移動(dòng)過(guò)程中，保溫材料制作要非常精確，移動(dòng)速度需要 非常穩(wěn)定，對(duì)相關(guān)的制作工藝和控制技術(shù)要求非常高。因?yàn)楸夭牧现饕?造成的是兩個(gè)截然不同的環(huán)境條件，雖然在大的趨勢(shì)上，存在一個(gè)溫度梯 度分布，但在整個(gè)工藝過(guò)程中的溫度分布曲線是嚴(yán)重不平滑的。而且保溫 材料在移動(dòng)過(guò)程中，難免會(huì)造成設(shè)備的輕微振動(dòng)，嚴(yán)重影響晶體的定向生 長(zhǎng)或凝固效果，使得該方法的應(yīng)用受到許多限制。也有采用多段組合發(fā)熱元件實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的梯度熱場(chǎng)，主要是在高溫條件 下的應(yīng)用，需通過(guò)每一段單獨(dú)的功率控制，實(shí)現(xiàn)溫度的梯度分布。但受到 空間和材料的限制，不可能無(wú)限的增加發(fā)熱元件的數(shù)量，換言之，這種傳 統(tǒng)的發(fā)熱器實(shí)際上不可能作到連續(xù)的溫度梯度分布，無(wú)法在高精度的溫度 梯度工藝中應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的上述不足，提供一種石墨梯度紫執(zhí)惡.東靜杰下.勞執(zhí)幾太烏可w定孤自好的溫麼條麼公右的執(zhí)楊—本發(fā)明發(fā)熱器含有石墨本體，該石墨本體是一個(gè)縱向開口的非閉合環(huán)狀體，且環(huán)狀石墨的壁厚自下至上梯度減小，即橫截?cái)嗝嫣荻葴p?。画h(huán)狀石墨體分布有互相平行的軸向切割縫隙，各切割縫隙交錯(cuò)地以環(huán)狀石墨體 的上端或下端為切口的始端并向另一端延伸一定距離，石墨體形成連續(xù)的 環(huán)形布置的石墨條，以相鄰于縱向開口的兩側(cè)石墨條的端部為連接電源的 電極端，組成完整的電流回路。所說(shuō)發(fā)熱器電極的電源連接端處位于環(huán)狀底部。石墨本體采用普通石墨或高純石墨，可以是圓環(huán)形、方環(huán)形或多塊組 合而成的非閉合環(huán)狀體。本發(fā)熱器在外加電源的情況下，任何一處石墨條流過(guò)的電流強(qiáng)度相同。 根據(jù)在電流強(qiáng)度相同的情況下，導(dǎo)體的發(fā)熱量與電阻成正比，而電阻的大 小與導(dǎo)體的橫截面積成反比的規(guī)律，由于石墨發(fā)熱體的厚度梯度變化，即 石墨條橫截面積由下向上梯度減小，致使電阻值自下向上呈梯度增大，相 應(yīng)地，發(fā)熱量也就自下向上呈現(xiàn)梯度增大的分布，造成一個(gè)連續(xù)分布的溫 度梯度熱場(chǎng)。眾所周知，石墨材料具有耐受高溫的優(yōu)良性能，可以應(yīng)用于需要高溫處理的材料；石墨也具有良好的可加工性質(zhì)，可以根據(jù)實(shí)際需要加工成各種結(jié)構(gòu)形式。在不同的溫度條件下，具有完全相對(duì)應(yīng)的電阻率，相應(yīng)的電 源功率可以獲得一個(gè)發(fā)熱量。根據(jù)應(yīng)用工藝的不同需要，建立一個(gè)可操作 的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明只需要一個(gè)電路控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)石墨發(fā)熱器溫度的 梯度變化，在靜態(tài)和簡(jiǎn)單控制下，形成一個(gè)溫度梯度分布的平滑曲線熱場(chǎng)。 用于需高溫熔煉并精確控制晶體生長(zhǎng)或定向凝固的多晶硅的生產(chǎn)中，達(dá)到 良好的應(yīng)用工藝效果。


圖1和圖2是本發(fā)明石墨發(fā)熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A剖 視圖。圖中，l一環(huán)形石墨體，2—電源連接處，3—縱向切割縫隙，4—縱向 開口。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1下面給合

本石墨梯度發(fā)熱器的結(jié)構(gòu)。石墨梯度發(fā)熱器結(jié)構(gòu)圖1和圖2所示石墨體1設(shè)有一個(gè)上下貫通的 縱向開口4，從而形成非閉合的環(huán)形石墨發(fā)熱體；如圖2，環(huán)形墨體l由下 到上厚度漸減，即橫截面梯度減小；其規(guī)格為石墨梯度發(fā)熱器的內(nèi)徑為 240mm;低端壁厚llmm，上端壁厚9mm,外徑由下向上梯度減??；高為 270mm;縱向切割縫寬3mm，切割縫深240mm，總電阻為0.52Q。環(huán)狀石墨體分布有平行的縱向切割縫隙3，各切割縫隙3交錯(cuò)地以上端 或下端為切口并向另一端延伸而不使其斷開，從而使其形成連續(xù)的環(huán)形布 置的石墨條。相鄰于縱向開口 4的兩側(cè)石墨條的下端為連接電源處2，使連 續(xù)石墨條組成完整回路。實(shí)施例2將實(shí)施例1的石墨梯度發(fā)熱器用于金屬硅的定向凝固試驗(yàn)。 坩堝采用石墨襯石英材料，高240mm，內(nèi)裝硅料量5Kg。 加熱電源為可控硅晶閘管。 使用經(jīng)預(yù)處理的金屬硅為原料。將石墨梯度發(fā)熱器裝入真空爐體內(nèi)，坩堝中裝入待處理的硅原料，并 將坩堝放入石墨梯度發(fā)熱器的環(huán)內(nèi)，裝配好爐體。開啟真空機(jī)組，爐內(nèi)真 空度控制在L33Xl(TPa。開啟電源，設(shè)定工藝運(yùn)行程序，升溫到155(TC后 保持恒溫，使金屬硅完全熔化。然后適當(dāng)降低溫度至接近并略高于硅的熔 點(diǎn)，此時(shí)按0.3'C/min的速度降溫，促使瑢融硅以非常緩慢的速度進(jìn)行自下而上的定向凝固，固液界面緩慢地向上移動(dòng)直到完成定向凝固，分凝系 數(shù)小的雜質(zhì)帶到硅錠的頂部。坩堝內(nèi)的硅完全結(jié)晶以后，降溫到一定的階段，保持恒溫一段時(shí)間， 進(jìn)行晶體的退火，以消化應(yīng)力。進(jìn)一步降溫到預(yù)定的溫度，出料。將冷卻 后硅錠縱向剖開，從剖面可以看到柱狀晶體具有比較均勻的寬度，顯示出 良好的定向凝固效果。切除硅錠的上部雜質(zhì)富集的硅料，得到經(jīng)過(guò)提純之 后的高純多晶硅料。采用本多晶硅靜態(tài)溫梯定向凝固提純爐的精煉后，得到的多晶硅電阻率達(dá)到3 Q cm。溫度記錄儀顯示，在定向凝固階段，自下自上各測(cè)定溫度點(diǎn)呈現(xiàn)非常 平滑的降溫曲線。
權(quán)利要求
1.石墨梯度發(fā)熱器，其特征在于，含有石墨本體，該石墨本體是一個(gè)縱向開口的非閉合環(huán)狀體，且環(huán)狀石墨的壁厚呈軸向梯度減??；環(huán)狀石墨體分布有互相平行的軸向切割縫隙，各切割縫隙交錯(cuò)地以環(huán)狀石墨體的上端或下端為切口的始端并向另一端延伸一定距離，石墨體形成連續(xù)的環(huán)形布置的石墨條，以相鄰于縱向開口的兩側(cè)石墨條的端部為連接電源的電極端，組成完整的電流回路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨梯度發(fā)熱器，其特征在于，石墨本體采 用普通石墨或高純石墨。
3、 根據(jù)據(jù)權(quán)利要求2所述的石墨梯度發(fā)熱器，其特征在于，石墨本體 是圓形、方形或多塊組合而成的非閉合環(huán)狀體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的石墨梯度發(fā)熱器，其特征在于，石 墨本體的壁厚由下向上梯度減小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)溫度梯度的石墨梯度發(fā)熱器。含有石墨本體，該石墨本體是一個(gè)縱向開口的非閉合環(huán)狀體，且環(huán)狀石墨的壁厚呈軸向梯度減??；環(huán)狀石墨體分布有互相平行的軸向切割縫隙，各切割縫隙交錯(cuò)地以環(huán)狀石墨體的上端或下端為切口的始端并向另一端延伸一定距離，石墨體形成連續(xù)的環(huán)形布置的石墨條，以相鄰于縱向開口的兩側(cè)石墨條的端部為連接電源的電極端，組成完整的電流回路。本發(fā)熱器只需要一個(gè)電路控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)石墨發(fā)熱器溫度的梯度變化，在靜態(tài)和簡(jiǎn)單控制下，形成一個(gè)溫度梯度分布熱場(chǎng)，用于需高溫熔煉并精確控制晶體生長(zhǎng)或定向凝固的多晶硅的生產(chǎn)中，達(dá)到良好的效果。
文檔編號(hào)H05B3/62GK101404831SQ20081023483
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者羅建平, 評(píng) 陳 申請(qǐng)人:陳 評(píng);羅建平