高溫加熱爐絕熱體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭露一種高溫加熱爐，其包括具有至少一個成型的熱電偶封裝件端口的熱區(qū)絕熱體以降低溫度測量的變化性。該成型的熱電偶封裝件端口具有在該絕熱體中面向熱區(qū)的開口，其大于在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的該開口。本發(fā)明也揭露一種方法，用于在利用具有成型的熱電偶封裝件端口的絕熱體的高溫加熱爐中制造晶錠。
【專利說明】高溫加熱爐絕熱體
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請主張于2011年3月22日提出的美國發(fā)明專利申請案第13/069，027號的權(quán)利，該案的全文合并于本文中作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種包括具有成型的熱電偶封裝件端口(thermocouple assemblyport)的絕熱體的高溫加熱爐(furnace)。
【背景技術(shù)】
[0004]結(jié)晶加熱爐，例如直接固化系統(tǒng)(directionalsolidification system, DSS)以及熱交換法(heat exchanger method, HEM)加熱爐,涉及了在?甘鍋中的原料材料的熔化與受控制的再固化(controlled resolidification)以產(chǎn)生晶錠。從熔化的原料材料進行晶錠制造發(fā)生在許多小時內(nèi)的數(shù)個特定溫度階段以及溫度變率(temperature rate)中。舉例而言，為了以DSS方法制 造硅晶錠，硅原料被加入坩鍋中，通常是容置于一石墨坩鍋盒(graphite crucible box)中，再置入DSS加熱爐里然后加熱至完全熔化該原料。典型地，在進一步加熱數(shù)小時至1550°C之前，從室溫加熱至1200°C是以特定的溫度變率發(fā)生在數(shù)個小時中。在以18個小時施加一溫度梯度以定向固化該熔融物之前，該溫度(遠高于硅的1412°C的熔化溫度)是在該溫度維持數(shù)個小時以完全熔化該硅原料。該溫度隨后降低到低于硅的熔點以對該晶錠退火數(shù)小時，再之后，在移出所形成的晶錠之前，該加熱爐冷卻更多小時。
[0005]在量廣等級的加熱爐中持續(xù)地制造聞品質(zhì)晶淀的挑戰(zhàn)為確保在晶淀成型發(fā)生的該加熱爐熱區(qū)中的該熔化、固化以及退火溫度、溫度變率、以及時間可以被精確且持續(xù)地測量。舉例而言，加熱爐的熱區(qū)一般包括容置有原料的坩鍋以及至少一個加熱組件位于該坩鍋上方或旁邊以熔化原料。絕熱體典型地至少圍繞該坩鍋與加熱組件的頂面與側(cè)面以包圍熱量并定義熱區(qū)，該絕熱體的一側(cè)面向爐殼壁且另一側(cè)面向在該熱區(qū)內(nèi)的加熱組件。至少一個設(shè)置成穿過該絕熱體中的熱電偶封裝件端口并伸入該熱區(qū)中的熱電偶封裝件(thermocouple assembly),典型地用于結(jié)合計算機回饋機制至加熱器電源以在晶錠成長的各種階段測量、控制并保持正確的溫度。傳統(tǒng)地，在絕熱體的面向該爐殼的該側(cè)上的端口開口的尺寸或直徑一般實質(zhì)上等于在絕熱體的面向該加熱組件的該側(cè)上的端口開口的尺寸，形成大致上圓柱形的端口。熱電偶封裝件，典型地包括裝入容納于例如石墨的保護套中的熱保護管的熱電偶傳感器，放入并穿過該圓柱形的端口。
[0006]在以既有制造設(shè)備成長出更大的晶錠的努力中，在熱區(qū)中的空間必須最大化，因此通常要求加熱組件設(shè)在鄰近于熱區(qū)絕熱體處。如此一來，設(shè)置穿過在絕熱體中的傳統(tǒng)端口以監(jiān)控熱區(qū)中的工藝溫度的熱電偶封裝件典型地設(shè)置成接近該加熱組件，舉例而言，小于一英寸(inch)。此鄰近的狀態(tài)使熱電偶封裝件位于一大的溫度梯度區(qū)域內(nèi)，從在絕熱體的加熱組件側(cè)的約1500°C到加熱組件表面的約1600至1700°C。該溫度梯度，通?？缭皆趶慕^熱體到加熱組件表面的小于二英寸內(nèi)，使得熱電偶封裝件的設(shè)置高度易受到潛在的溫度測量變化性的影響。
[0007]當熱電偶封裝件必須設(shè)置在加熱爐內(nèi)相對于該加熱組件的一特定距離處，因為所測量到的溫度高度相依于該距離時，引起了確保持續(xù)可重復(fù)的加熱器控制溫度測量的困難。因此，若未準確地設(shè)置于指定位置，設(shè)置在大的溫度梯度區(qū)域內(nèi)的熱電偶封裝件的高度位置敏感度可造成所測量到的溫度的顯著差異，而需要昂貴且耗時的努力來測量并補償所觀察到的差異。
[0008]如此一來，對于更簡單、更可靠以及更具成本效益的方法以在高溫加熱爐中設(shè)置熱電偶封裝件以使所得到的所測量的加熱器控制溫度實質(zhì)上對熱電偶封裝件位置不敏感，在產(chǎn)業(yè)界中有日益增加的需求。本發(fā)明降低了此高位置敏感度并造成高品質(zhì)晶錠成長所需要的更一致且可重復(fù)的加熱器控制溫度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明涉及一種加熱爐，包括爐殼、位于爐殼內(nèi)的熱區(qū)，包含至少一個加熱組件在該熱區(qū)中、圍繞該熱區(qū)的絕熱體，具有面向該爐殼的爐殼側(cè)以及面向該加熱組件的加熱組件側(cè)、以及至少一個熱電偶封裝件，其插入穿過在該絕熱體中的至少一個熱電偶封裝件端口。該熱電偶封裝件端口的尺寸從該絕熱體的該爐殼側(cè)向該絕熱體的該加熱組件側(cè)增加。優(yōu)選地，該熱電偶封裝件端口為埋頭錐孔(countersunk)或埋頭直孔(counterbored)。
[0010]本發(fā)明進一步涉及一種絕熱體，其圍繞一加熱爐的熱區(qū)，其中，該絕熱體具有爐殼側(cè)以及加熱組件側(cè)且包括至少一個熱電偶封裝件端口穿過該絕熱體以插入熱電偶封裝件。該熱電偶封裝件端口是在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上埋頭錐孔或埋頭直孔。該絕熱體可以配置成設(shè)于該加熱爐的爐殼以及該加熱爐的熱區(qū)中的加熱組件之間，以爐殼側(cè)面向該爐殼并以加熱組件側(cè)面向該加熱組件。
[0011]本發(fā)明也涉及一種在包括爐殼及熱區(qū)的加熱爐中制造晶錠的方法，其中，圍繞該熱區(qū)的絕熱體包括成型的熱電偶封裝件端口。該方法包括以下步驟:加熱在該加熱爐的該熱區(qū)中的包含有至少一個原料材料的坩鍋至大于或等于1000°c，其中，該熱區(qū)包含至少一個加熱組件，且絕熱體圍繞該熱區(qū)，該絕熱體是位于該加熱組件以及該加熱爐的該爐殼之間且具有面向該加熱組件的加熱組件側(cè)以及面向該爐殼的爐殼側(cè)；以及以插入穿過在該絕熱體中的熱電偶封裝件端口至位于該加熱組件以及該絕熱體的該加熱組件側(cè)的位置的至少一個熱電偶封裝件來測量在該熱區(qū)中的溫度。該熱電偶封裝件端口的尺寸從該絕熱體的該爐殼側(cè)向該絕熱體的該加熱組件側(cè)增加，且該測量到的溫度對該熱電偶封裝件的位置實質(zhì)上不敏感。
[0012]本發(fā)明又涉及一種降低插入在熱電偶封裝件端口中且置于加熱爐熱區(qū)的熱電偶封裝件的位置性溫度敏感度的方法。該方法包括以下步驟:提供一加熱爐，其包括爐殼、在該爐殼中的熱區(qū)，其中，該熱區(qū)包含至少一個加熱組件在該熱區(qū)中、圍繞該熱區(qū)的絕熱體，其具有面向該爐殼的爐殼側(cè)以及面向該加熱組件的加熱組件側(cè)、至少一個熱電偶封裝件、以及在該絕熱體中的至少一個熱電偶封裝件端口，其中，該熱電偶封裝件端口包含在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的開口以及在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的開口，且在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的該開口大于在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的該開口。 該熱電偶封裝件從該絕熱體的該爐殼側(cè)插入穿過該熱電偶封裝件端口至該加熱組件與該絕熱體的該加熱組件側(cè)之間的位置以測量該熱區(qū)中的溫度。
[0013]應(yīng)知前面的概要說明及后續(xù)的詳細說明均為舉例說明性質(zhì)，且欲提供如權(quán)利要求書所請求的本發(fā)明的進一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為包括由具有成型的熱電偶封裝件端口的絕熱體所圍繞的熱區(qū)的本發(fā)明的高溫加熱爐的剖面示意圖；
[0015]圖2顯示本領(lǐng)域中現(xiàn)有的包括設(shè)置在傳統(tǒng)熱電偶封裝件端口中的熱電偶封裝件的絕熱體的剖面示意圖；
[0016]圖3A、圖3B、圖3C與圖3D為本發(fā)明的絕熱體的實施例的剖面示意圖，該絕熱體具有錐形的熱電偶封裝件端口，其中，該端口在該絕熱體的加熱組件側(cè)以對稱的角度與不對稱的角度埋頭錐孔；
[0017]圖4A與圖4B為本發(fā)明的絕熱體的實施例的剖面示意圖，該絕熱體具有成型的熱電偶封裝件端口，其中，該端口為埋頭直孔；
[0018]圖5A、圖5B與圖5C為本發(fā)明的絕熱體的實施例的剖面示意圖，該絕熱體具有成型的熱電偶封裝件端口以及在該絕熱體的爐殼側(cè)的絕熱體凸緣；
[0019]圖6為通過埋頭錐孔及埋頭直孔所制造的混合的成型的熱電偶封裝件端口的實施例的剖面示意圖；以及
[0020]圖7圖示地比較關(guān)聯(lián)于在穿過傳統(tǒng)絕熱體的傳統(tǒng)熱電偶封裝件端口內(nèi)以及在穿過本發(fā)明的絕熱體的錐形熱電偶`封裝件端口內(nèi)的熱電偶封裝件拉回(retraction)的溫度改變。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明涉及一種加熱爐、包括加熱組件的位于該加熱爐內(nèi)的熱區(qū)、具有成型的熱電偶封裝件端口的圍繞且定義該熱區(qū)的絕熱體，并涉及一種使用此加熱爐及絕熱體制造晶錠的方法。
[0022]本發(fā)明的加熱爐包括爐殼以及位于爐殼內(nèi)的熱區(qū)。該爐殼可為本領(lǐng)域中用于高溫結(jié)晶加熱爐的任何現(xiàn)有技術(shù)，包含不銹鋼爐殼，其包括定義用于例如水的冷卻流體循環(huán)的冷卻流道的外壁與內(nèi)壁。該加熱爐的熱區(qū)，包括至少一個加熱組件，其由絕熱體圍繞并定義。該絕熱體將于以下更詳細地描述。此外，該加熱爐的熱區(qū)進一步可包括位于坩鍋支撐塊上的坩鍋支撐盒中的坩鍋。在一實施例中，該熱區(qū)包括一頂部加熱組件，設(shè)于該坩鍋上方的該熱區(qū)的上層區(qū)域中，以及至少一個側(cè)面加熱組件，設(shè)于該頂部加熱組件下方并沿著該熱區(qū)及該坩鍋的側(cè)面?？梢允褂萌魏伪绢I(lǐng)域中現(xiàn)有的坩鍋。該坩鍋可以各種耐熱材料來制作，舉例而言，石英、氧化硅、石墨或鑰，形狀可以是圓柱形或方形或是錐形，且選擇性地，可以進行涂層以避免晶錠在固化后破裂。坩鍋支撐盒及坩鍋支撐塊典型地以石墨制作。
[0023]容納有原料材料的坩鍋是由在該熱區(qū)中的至少一個加熱組件加熱。優(yōu)選地是通過管理該至少一個加熱組件的電源來控制該原料材料的熔化。通過增加損失至該水冷室的輻射熱(例如，通過該熱區(qū)的底部)來通過從該坩鍋的受控制的熱量抽取(heat extraction)以達成該熔融物的定向固化(directional solidification)。舉例而言,其可以通過移除相對于該i甘鍋的絕熱體從而不擾亂成長中晶錠的固液接口(solid-to-liquid interface)而達成。
[0024]圍繞并定義本發(fā)明的加熱爐的熱區(qū)的絕熱體可以由本領(lǐng)域中現(xiàn)有的擁有低導(dǎo)熱性并能夠抵抗在該加熱爐中的溫度及環(huán)境的任何材料來制作，包含，例如石墨。當使用方形坩鍋時，舉例而言，該絕熱體可以包括平板，然而也可以使用其它絕熱體尺寸以與其它加熱爐熱區(qū)形狀同標準，例如，圓柱形熱區(qū)。該絕熱體典型地在該坩鍋的上方及全部四個側(cè)面，圍繞充滿原料材料的坩鍋及至少一個加熱組件。絕熱體也可以被使用在該坩鍋下方，舉例而言，在該坩鍋支撐塊下方。該絕熱體具有面向該爐殼的爐殼側(cè)以及面向該熱區(qū)的熱區(qū)側(cè)。優(yōu)選地，絕熱板的形狀及尺寸符合所使用的坩鍋的形狀與尺寸。舉例而言，使用給定尺寸的方形坩鍋來熔化原料材料時，則使用至少與該坩鍋頂部與側(cè)面相同大小的方形絕熱板。在一實施例中，該絕熱體包含頂面與側(cè)面絕熱板，且優(yōu)選地，該側(cè)面絕熱板配置成在該熱區(qū)內(nèi)相對于該坩鍋垂直地移動。
[0025]在本發(fā)明的另一實施例中，熱交換器可被使用在加熱爐中，沿著或是結(jié)合該絕熱體而設(shè)置成能相對于該坩鍋移動，以控制熱量抽取。一氣冷熱交換器，例如，氦氣冷卻熱交換器，可設(shè)于該坩鍋旁以促進熔化的原料材料的固化。
[0026]本發(fā)明的加熱爐進一步包括至少一個插入穿過在該絕熱體中的至少一個熱電偶封裝件端口的熱電偶封裝件，其將于以下更詳細地描述。該熱電偶封裝件可包括裝入容納于例如石墨所制作的保護套中的熱保護管的熱電偶封裝件傳感器。該熱電偶封裝件是使用來測量由該加熱爐的絕熱體所圍繞與定義的熱區(qū)中的溫度，且可為本領(lǐng)域中現(xiàn)有的用于測量典型地關(guān)聯(lián)于原料材料的加熱、熔化及再固化的高溫的任何熱電偶封裝件。至少一個熱電偶封裝件是使用于本發(fā)明的一實施例中以測量在該坩鍋上方的加熱組件附近的熱區(qū)的溫度，于此處原料材料是熔化并再固化以形成晶錠。
[0027]熱電偶封裝件插入穿過其以測量該熱區(qū)中的溫度的本發(fā)明的該絕熱體中的熱電偶封裝件端口的尺寸從該絕熱體 的該爐殼側(cè)向該絕熱體的該加熱組件側(cè)增加。在該爐殼側(cè)上的端口開口塑形并依尺寸制成以符合該熱電偶封裝件。熱電偶封裝件端口配置在該絕熱體中的至少該坩鍋的上方及側(cè)面。至少一個端口配置在本發(fā)明的加熱爐的絕熱體的頂面以測量使用來熔化該坩鍋中的原料材料的頂部加熱組件附近的溫度。在該絕熱體的加熱組件側(cè)上的熱電偶封裝件端口開口在本發(fā)明中被擴大以使更多熱電偶封裝件的表面積曝露于熱中。該成型的熱電偶封裝件端口的特定實施例顯示于圖1以及圖3A至圖6中并于以下描述。
[0028]圖1顯示本發(fā)明的加熱爐的剖面示意圖，包括爐殼I以及由具有成型的熱電偶封裝件端口 13的絕熱體15所圍繞并定義的熱區(qū)2，其中，在該絕熱體的該加熱組件側(cè)17上的端口開口的尺寸大于在該絕熱體的該爐殼側(cè)16上的端口開口的尺寸。熱電偶封裝件10插入該熱電偶封裝件端口 13穿過該絕熱體15的爐殼側(cè)16且超出該絕熱體15的加熱組件側(cè)17以接近加熱組件18來測量在原料材料(舉例而言，硅或氧化鋁基(aluminaoxide-based)的原料材料)熔化及再固化期間該熱區(qū)中的溫度，以分別制造結(jié)晶硅或藍寶石(sapphire)晶錠。如本發(fā)明的加熱爐的本實施例所示，至少一加熱組件設(shè)于坩鍋支撐塊14上方的坩鍋盒12中的坩鍋11的上方及沿著側(cè)面，以熔化在坩鍋中的原料材料。[0029]圖2顯示本領(lǐng)域中現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱電偶封裝件及熱電偶封裝件端口形狀。結(jié)構(gòu)上，熱電偶封裝件20通常包括典型由石墨制作的外部熱保護套24，包覆熱保護管21，其進一步地封住并隔離熱電偶傳感器22。熱電偶封裝件20典型地插入穿過大致設(shè)置成該熱電偶封裝件的大小并置于加熱組件28附近的熱電偶封裝件端口 23。一般而言，在絕熱體25的爐殼側(cè)26的端口開口的尺寸或直徑一般等于該端口在加熱組件側(cè)27上的開口的尺寸。因為絕熱體25包括例如石墨的低導(dǎo)熱性材料，從在絕熱體25的加熱組件側(cè)27 (約1500°C )到加熱組件28表面(約1600至1700°C )存在跨越溫度梯度區(qū)域29的大溫度梯度。此跨越一短距離的大溫度梯度使得熱電偶封裝件20對熱電偶封裝件端口 23的位置高度敏感，其可導(dǎo)致大的變化量以及降低測量到的溫度的重復(fù)性。
[0030]歸因于在大溫度梯度中的不一致的熱電偶封裝件配置的大的變化量可以令人驚訝地使用具有成型的熱電偶封裝件端口的本發(fā)明的絕熱體來最小化。圖3A、圖3B、圖3C與圖3D顯示本發(fā)明的實施例，其中，熱電偶封裝件30為圓錐形，以將更多熱電偶封裝件30的表面積曝露于熱區(qū)的高溫中，并通過擴展溫度梯度區(qū)域39以降低其對熱電偶封裝件端口33的位置改變的敏感度。參照圖3A，在絕熱體35的爐殼側(cè)36上的熱電偶封裝件端口的開口配置成用以接收標準尺寸的熱電偶封裝件30，其雖然可以使用任何直徑，典型地約為直徑一英寸。該熱電偶封裝件端口 33具有在絕熱體35的加熱組件側(cè)37上的開口，其大于在絕熱體35的爐殼側(cè)36上的開口?？梢酝ㄟ^對該開口埋頭錐孔來擴大該熱電偶封裝件端口，以形成圓錐形，其將更多熱電偶封裝件30曝露于加熱組件38所產(chǎn)生的熱中而不顯著的損失絕熱體或絕熱能力。因此，如圖3A所示，在絕熱體35的加熱組件側(cè)37的熱電偶封裝件端口 33的擴大的、圓錐形開口導(dǎo)致更多熱電偶封裝件30的表面積曝露于高溫下，因此沿熱電偶封裝件30的長度方向(從該熱電偶封裝件30的尖端至絕熱體35與熱電偶封裝件30會合的點)擴展了溫度梯度區(qū)域39。
[0031]可以各種本領(lǐng)域中現(xiàn)有的方法在絕熱體35中創(chuàng)造圓錐形狀，舉例而言，以埋頭錐孔工具埋頭錐孔。在絕熱體35的加熱組件側(cè)37上的熱電偶封裝件端口 33的圓錐形開口的截面積可以依據(jù)想要的埋頭錐孔端口的角度與深度而變化。舉例而言，該端口可以埋頭錐孔至穿過該絕熱體的至少約一半的厚度，然而其它深度也可考慮。再者，可使用各種埋頭錐孔角度。舉例而言，該端口可以至少約60°、至少約90°、或至少約120°，例如由約60°至約120°，來埋頭錐孔。特定埋頭錐孔角度的范例顯示于圖3Α(α =60° )、圖3Β(β=90° )以及圖3C(y=120° )中。只要其使更多熱電偶封裝件30的表面積曝露于加熱環(huán)境下，以沿熱電偶封裝件30的長度方向形成擴展的溫度梯度區(qū)域39，也可考慮其它角度。再者，雖然顯示在圖3A、圖3B以及圖3C中的熱電偶封裝件端口開口在熱電偶封裝件中心軸的各側(cè)上為對稱的，但該圓錐形也可以關(guān)于熱電偶封裝件的中心軸為角度上不對稱的。舉例而言，如圖3D所示，該熱電偶封裝件端口可以具備擁有二不同埋頭錐孔角度的開口，例如α=60°以及β =90° (顯示一半的此些角度)。[0032]圖4Α與圖4Β顯示本發(fā)明的其它實施例，其中，熱電偶封裝件端口 43在絕熱體45的加熱組件側(cè)47上埋頭直孔以使更多熱電偶封裝件40的表面積曝露于由加熱組件48所產(chǎn)生的熱下，并擴展熱電偶封裝件40存在其中的溫度梯度區(qū)域49的尺寸?？梢愿鞣N本領(lǐng)域中現(xiàn)有的方法中創(chuàng)造埋頭直孔形狀，包含，例如以圓形埋頭直孔工具在絕熱體45的加熱組件側(cè)47上埋頭直孔的熱電偶封裝件端口 43，從而形成圓柱形端口開口而沒有顯著損失絕熱能力。該埋頭直孔的寬度可以變化，分別如圖4A與圖4B中的d以及d’所示。該端口也可以埋頭直孔至各種深度，例如，穿過該絕熱體的至少約一半的厚度，然而本發(fā)明也可考慮其它深度。本發(fā)明也可考慮其它埋頭直孔形狀，包含但不限于，方形及其它多邊形，其可切入絕熱體45的加熱組件側(cè)47或使用多層的絕熱體來產(chǎn)生?？梢允褂帽绢I(lǐng)域中現(xiàn)有的各種切割方法來創(chuàng)造其它形狀。在顯示于圖6中的另一實施例中，可形成混合熱電偶封裝件端口，其中，該熱電偶封裝件端口首先以例如寬度d在絕熱體的加熱組件側(cè)上埋頭直孔，然后以本文中所考慮的各種角度埋頭錐孔。因此，只要其造成更多熱電偶封裝件40表面積曝露于高溫下，因此沿熱電偶封裝件40的長度方向(從該熱電偶封裝件40的尖端至絕熱體45與熱電偶封裝件40會合的點)擴展溫度梯度區(qū)域49，本發(fā)明可以考慮各種埋頭直孔形狀、寬度及深度。
[0033]圖5A、圖5B及圖5C顯示本發(fā)明的其它實施例，其中，絕熱體55的加熱組件側(cè)57埋頭錐孔(圖5A及圖5C)或埋頭直孔(圖5B)至實質(zhì)上大于該絕熱體55的一半的厚度的深度，以將其更多的總表面積曝露于加熱組件58所產(chǎn)生的熱下。特別是，圖5A顯示一圓錐形熱電偶封裝件端口 53，其從絕熱體55的加熱組件側(cè)57以90°角(β =90° )埋頭錐孔，并擴張穿過絕熱體的爐殼側(cè)56,使在爐殼側(cè)56上的端口開口與熱電偶封裝件50的直徑一致。可以各種本領(lǐng)域中現(xiàn)有的方法創(chuàng)造該圓錐形狀，舉例而言，以埋頭錐孔工具。只要其造成更多熱電偶封裝件50的表面積曝露于加熱組件58所產(chǎn)生的熱下，因此沿熱電偶封裝件50的長度方向(從該熱電偶封裝件50的尖端至絕熱體55與熱電偶封裝件50會合的點)擴展溫度梯度區(qū)域59的尺寸，本發(fā)明可以考慮其它角度。
[0034]因為圖5Α的埋頭錐孔端口完全延伸穿過絕熱體55，本發(fā)明也考慮使用絕熱體凸緣60以提供其它結(jié)構(gòu)支撐給在絕熱體的爐殼側(cè)56的熱電偶封裝件50，并最小化從該熱區(qū)到該加熱爐腔室的熱泄 漏，從而維持絕熱能力。熱體凸緣60典型地包括與用于加熱爐絕熱體相同的材料，包含，例如石墨，但可以由本領(lǐng)域中現(xiàn)有的擁有低導(dǎo)熱性并能夠抵抗在該加熱爐中的溫度及環(huán)境的任何材料來制作。只要其足夠支撐該熱電偶封裝件并最小化從該熱區(qū)的熱泄漏，該凸緣可具有各種形狀、尺寸與厚度。舉例而言，該絕熱體凸緣可以是平的并且是該絕熱體至少一半的厚度。該凸緣可以各種本領(lǐng)域中現(xiàn)有的方法附加于絕熱體55的爐殼側(cè)56，或者該熱電偶封裝件50置于直接在坩鍋上方的絕熱體中，該凸緣可安置于該絕熱體的爐殼側(cè)56的表面上。本發(fā)明的圖5Β也考慮平的絕熱體凸緣60以結(jié)構(gòu)性地支撐該熱電偶封裝件，并最小化從該熱區(qū)的熱泄漏，該熱區(qū)中，熱電偶封裝件端口以寬度d埋頭直孔直到大于該絕熱體一半厚度的深度。在本發(fā)明的另一實施例中，圖5C顯示可以使用實心、圓錐形絕熱凸緣60結(jié)合埋頭錐孔的熱電偶封裝件端口以提供結(jié)構(gòu)支撐給該熱電偶封裝件50，并最小化從該熱區(qū)的熱泄漏，然而也可考慮使用埋頭直孔或其它成型的熱電偶封裝件端口形狀。
[0035]本發(fā)明的加熱爐，包括絕熱體中的成型的熱電偶封裝件端口，其尺寸從該絕熱體的該爐殼側(cè)向該絕熱體的該加熱組件側(cè)增加，令人驚訝地降低了插入穿過具有傳統(tǒng)熱電偶封裝件端口的加熱爐中的絕熱體的熱電偶封裝件典型觀測到的高度位置性的溫度測量敏感度。因此，離起始位置的小的熱電偶封裝件的位置移動導(dǎo)致最小的所測量溫度的變化。圖7圖標地比較對于具有標準熱電偶封裝件端口的傳統(tǒng)絕熱體以及具有成型的埋頭錐孔端口(90°角)的本發(fā)明的絕熱體在頂部接置絕熱體(top insulation-mounted)的熱電偶封裝件(TC)的垂直位置上所記錄的溫度測量的變化的效應(yīng)。在各端口中，該熱電偶封裝件的尖端置于離該頂部加熱組件約0.5英寸的起始位置，且該加熱組件開啟電源直到達到并維持在約1560°C的溫度。之后，TC被拉回0.125英寸的增量且測量各位置的溫度。圖7顯示，在該TC的尖端從其起始位置拉回約0.625英寸的增量之后，對比于TC的尖端通過本發(fā)明的絕熱體中成型的熱電偶封裝件端口拉回相同距離時所觀測到的溫度中小于10°C的降低，對于具有標準熱電偶封裝件端口的絕熱體觀測到的溫度持續(xù)降了近40°C。此結(jié)果令人驚訝地顯示相較于典型地用于本領(lǐng)域中的具有熱電偶封裝件端口的傳統(tǒng)絕熱體，成型的熱電偶封裝件端口最小化了所測量到的溫度關(guān)聯(lián)于熱電偶封裝件的高度位置敏感度的變化。 [0036]本發(fā)明進一步涉及一種圍繞加熱爐熱區(qū)的絕熱體。該絕熱體配置成設(shè)于該加熱爐爐殼壁以及加熱爐熱區(qū)中的至少一個加熱組件之間，且包括爐殼側(cè)與加熱組件側(cè)以及至少一個熱電偶封裝件端口以容置熱電偶封裝件。該熱電偶封裝件端口的開口的截面積在絕熱體的加熱組件側(cè)上是大于在爐殼側(cè)，且可以如前詳述的任何一者。舉例而言，該開口在加熱組件側(cè)的表面上的形狀可為圓形、方形或多邊形，且為埋頭錐孔或埋頭直孔以形成截面積的圓錐形或圓柱形直到該絕熱體的至少一半的厚度。
[0037]本發(fā)明也涉及一種在包括爐殼、熱區(qū)及圍繞與定義該熱區(qū)的絕熱體的加熱爐中制造晶錠的方法，其中，該絕熱體具有至少一個成型的熱電偶封裝件端口。該方法包括以下步驟:加熱在該加熱爐的該熱區(qū)中的包含有至少一個原料材料的坩鍋至大于或等于1000°c的溫度。該熱區(qū)包含至少一個加熱組件，且絕熱體圍繞與定義該熱區(qū)，該絕熱體是位于該至少一個加熱組件以及該加熱爐的該爐殼之間且該絕熱體具有面向該加熱組件的加熱組件側(cè)以及面向該爐殼的爐殼側(cè)。該方法進一步包括以插入穿過在該絕熱體中的熱電偶封裝件端口的至少一個熱電偶封裝件來測量在該熱區(qū)中的溫度，其中，在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的截面積大于該絕熱體的該爐殼側(cè)。該測量到的溫度對該熱電偶封裝件的位置實質(zhì)上不敏感。
[0038]本發(fā)明也涉及一種用于降低關(guān)于加熱爐的絕熱體中的熱電偶封裝件端口中的熱電偶封裝件的位置的熱電偶封裝件對溫度測量變化性的敏感度的方法。該方法包括以下步驟:提供一加熱爐、爐殼、在該爐殼中的熱區(qū)，其中，該熱區(qū)包含至少一個加熱組件在該熱區(qū)中、圍繞該熱區(qū)的絕熱體，其具有面向該爐殼的爐殼側(cè)以及面向該加熱組件的加熱組件側(cè)、至少一個熱電偶封裝件、以及在該絕熱體中的至少一個熱電偶封裝件端口，其中，該熱電偶封裝件端口包含在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的開口以及在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的開口，且在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的該開口大于在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的該開口。該方法進一步包括將熱電偶封裝件從該絕熱體的爐殼側(cè)插入穿過該熱電偶封裝件端口至位于該加熱組件及該絕熱體的加熱組件側(cè)之間的位置以測量該熱區(qū)中的溫度。
[0039]基于闡釋及說明的目的，已呈現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的上述說明。但這并非意欲將本發(fā)明窮究或局限于所揭示的精確形式。根據(jù)上述教示，或者從本發(fā)明的實踐中獲得，其仍可實行許多修飾及變動。以上的實施例是經(jīng)選擇及描述以闡明本發(fā)明的原理及其實務(wù)上的應(yīng)用，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能以各種不同實施例及適當于可預(yù)期的特殊用途的各種不同修飾例來利用本發(fā)明。本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求書及其等同方案所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種加熱爐，包括: 爐殼； 熱區(qū)，其位于該爐殼內(nèi)，該熱區(qū)包含至少一個加熱組件在該熱區(qū)中； 絕熱體，其圍繞該熱區(qū)，具有面向該爐殼的爐殼側(cè)以及面向該加熱組件的加熱組件側(cè)；以及 至少一個熱電偶封裝件，其插入穿過在該絕熱體中的至少一個熱電偶封裝件端口，其中，該熱電偶封裝件端口的尺寸從該絕熱體的該爐殼側(cè)向該絕熱體的該加熱組件側(cè)增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口包含在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的開口以及在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的開口，且其中，在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的該開口大于在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的該開口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上埋頭錐孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是以至少60°的角度埋頭錐孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是以至少90°的角度埋頭錐孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是以約60°到約120°的角度埋頭錐孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述`的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是穿過至少一半的該絕熱體而埋頭錐孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是穿過該絕熱體而埋頭錐孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加熱爐，其中，該絕熱體進一步包含圍繞該絕熱體的該爐殼側(cè)上的該開口的絕熱體凸緣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加熱爐，其中，該絕熱體凸緣為該絕熱體的至少約一半的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上埋頭直孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是穿過至少一半的該絕熱體而埋頭直孔。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的加熱爐，其中，該熱電偶封裝件端口是以在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的該熱電偶封裝件端口的直徑的至少兩倍的直徑而埋頭直孔。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱爐，其中，在該加熱組件側(cè)上的該開口為圓形、方形或多邊形的形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱爐，其中，該絕熱體包含頂面與側(cè)面絕熱板。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的加熱爐，其中，該側(cè)面絕熱板配置成在垂直方向上相對于該坩鍋移動。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱爐，進一步包括熱交換器，其在該熱區(qū)中用于控制熱量抽取。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱爐，進一步包括坩鍋，其位于該熱區(qū)中的坩鍋支撐塊的頂面上，該坩鍋配置成用以接收至少原料材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的加熱爐，其中，該加熱組件加熱并熔化在該坩鍋中的該原料材料以產(chǎn)生晶錠。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的加熱爐，其中，該原料材料包含多晶硅。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的加熱爐，其中，該原料材料包含氧化鋁。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的加熱爐，其中，該氧化鋁進一步包含鈦。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的加熱爐，其中，該晶錠包含多晶硅。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的加熱爐，其中，該晶錠包含單晶硅。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的加熱爐，其中，該晶錠包含藍寶石。
26.一種絕熱體，其圍繞一加熱爐的熱區(qū)，其中: 該絕熱體具有爐殼側(cè)以及加熱組件側(cè)且包括至少一個熱電偶封裝件端口穿過該絕熱體以插入熱電偶封裝件，且其中，該熱電偶封裝件端口是在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上埋頭錐孔或埋頭直孔。
27.—種在包括爐殼及熱區(qū)的加熱爐中制造晶錠的方法，該方法包括以下步驟: 加熱在該加熱爐的該熱區(qū)中 的包含有至少一個原料材料的坩鍋至大于或等于1000°C的溫度，其中，該熱區(qū)包含至少一個加熱組件，且絕熱體圍繞該熱區(qū)，該絕熱體是位于該加熱組件以及該加熱爐的該爐殼之間且具有面向該加熱組件的加熱組件側(cè)以及面向該爐殼的爐殼側(cè)；以及 以插入穿過在該絕熱體中的熱電偶封裝件端口至位于該加熱組件以及該絕熱體的該加熱組件側(cè)的位置的至少一個熱電偶封裝件來測量在該熱區(qū)中的溫度，其中，該熱電偶封裝件端口的尺寸從該絕熱體的該爐殼側(cè)向該絕熱體的該加熱組件側(cè)增加，且其中，該測量到的溫度對該熱電偶封裝件的位置實質(zhì)上不敏感。
28.—種降低插入在熱電偶封裝件端口中的熱電偶封裝件的位置性溫度敏感度的方法，包括以下步驟: 提供一加熱爐，其包括爐殼、在該爐殼中的熱區(qū)，其中，該熱區(qū)包含至少一個加熱組件在該熱區(qū)中、圍繞該熱區(qū)的絕熱體，其具有面向該爐殼的爐殼側(cè)以及面向該加熱組件的加熱組件側(cè)、至少一個熱電偶封裝件、以及在該絕熱體中的至少一個熱電偶封裝件端口，其中，該熱電偶封裝件端口包含在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的開口以及在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的開口，且在該絕熱體的該加熱組件側(cè)上的該開口大于在該絕熱體的該爐殼側(cè)上的該開口。
【文檔編號】C30B11/00GK103608499SQ201280024487
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月22日
【發(fā)明者】N·端木, D·C·斯凱爾頓, M·洛伊, D·D·阮 申請人:Gtat公司