碳碳复合材料应用单晶炉热场

保温盖、 保温盖、导流筒
保温盖由保温上盖、 保温盖由保温上盖、保温碳 毡和保温下盖组成。 毡和保温下盖组成。即两层 环状石墨之间夹一层石墨碳 毡组成， 毡组成，其内径的大小与导 流筒外径相匹配， 流筒外径相匹配，平稳的放 在保温罩面板上。 在保温罩面板上。 导流筒， 导流筒，由内外筒之间夹一 层石墨碳毡组成。 层石墨碳毡组成。导流筒主 要是为了控制热场的温度梯 度和引导氩气流。 度和引导氩气流。
二、热场的安装与煅烧
(4)煅烧 煅烧 新的热场需要在真空下煅烧，煅烧时间约 小时 新的热场需要在真空下煅烧，煅烧时间约10小时 左右，煅烧3～5次，方能投入使用。使用后，每 左右，煅烧 ～ 次 方能投入使用。使用后， 拉晶4～ 炉后也要煅烧一次 炉后也要煅烧一次。 拉晶 ～8炉后也要煅烧一次。 煅烧功率，不同的热场不一样， 煅烧功率，不同的热场不一样，一般要比引晶温 度高，CZ1#炉子煅烧最高功率一般在 度高， 炉子煅烧最高功率一般在110KW。 。 炉子煅烧最高功率一般在
三、热场的温度梯度
(2)温度梯度的概念 温度梯度的概念 温度 为了描述热场中不同点的温度分布及分布状态，下 为了描述热场中不同点的温度分布及分布状态， 面给大家介绍一个“温度梯度”这个概念。 面给大家介绍一个“温度梯度”这个概念。 温度梯度是指热场中某点A的温度指向周围邻近某 温度梯度是指热场中某点 的温度指向周围邻近某 点B的温度的变化率。也即单位距离内温度的变化 的温度的变化率。也即单位距离内温度的变化 的温度的变化率 率。
热场的概念；温度梯度的概念； 热场的概念；温度梯度的概念； 静态热场的温度分布； 静态热场的温度分布；动平衡态热场的分布 晶体生长的温度梯度：径向温度梯度与纵向温度梯度 晶体生长的温度梯度：
一、热场结构
热场的优劣对单晶硅的质量有很大影响。 热场的优劣对单晶硅的质量有很大影响。合适的热场 能够生长出高质量的单晶。 ，能够生长出高质量的单晶。不好的热场容易使单晶 变成多晶，或者根本无法引晶。 变成多晶，或者根本无法引晶。有的热场虽然能够生 长单晶，但质量较差，有位错和其它结构缺陷。 长单晶，但质量较差，有位错和其它结构缺陷。因此 找到较好的热场条件，配置最佳的热场， ，找到较好的热场条件，配置最佳的热场，是非常重 要的直拉单晶工艺技术。 要的直拉单晶工艺技术。 热场有大有小， 热场有大有小，它是按照所用的石英坩埚的直径大小 来划分的，目前国内热场从￠ 都有， 来划分的，目前国内热场从￠12″～ ￠28 ″都有，但 ～ 都有 居多。 以￠18″～ ￠22″居多。 ～ 居多
一、热场结构
直拉单晶炉的热系统，也就是所谓的热场， 直拉单晶炉的热系统，也就是所谓的热场，是指为了 熔化硅料， 熔化硅料，并使单晶生长保持在一定温度下进行的整 个系统。 个系统。 热场一般包括压环、保温盖、上中下保温罩、 热场一般包括压环、保温盖、上中下保温罩、石墨坩 三瓣埚)、 埚(三瓣埚 、坩埚托杆、坩埚托盘、电极、加热器、导 三瓣埚 坩埚托杆、坩埚托盘、电极、加热器、 流筒、石墨螺栓，且为了防止漏硅，炉底、金属电极 流筒、石墨螺栓，且为了防止漏硅，炉底、 托杆、都设置了保护板、保护套。 、托杆、都设置了保护板、保护套。
保温罩
中、上保温罩的作用也是为了减 少热量的损失。 少热量的损失。只不过保温罩外 面的石墨碳毡的层数不一样，这 面的石墨碳毡的层数不一样， 样使得温度梯度不一样。 样使得温度梯度不一样。
排气的方式有上排气和下排气。 排气的方式有上排气和下排气。 CZ1#厂房现在使用的比较多的是 厂房现在使用的比较多的是 上排气。这样， 上排气。这样，上保温罩上面就 存在几个排气孔，这些排气孔保 存在几个排气孔， 证在高温下蒸发的气体的排出。 证在高温下蒸发的气体的排出。
石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘 石墨坩埚、
坩埚托杆、坩埚托盘共同构成了 坩埚托杆、坩埚托盘共同构成了 石墨坩埚的支撑体， 石墨坩埚的支撑体，要求和下轴 结合牢固，对中性良好， 结合牢固，对中性良好，在下轴 转动时， 转动时，托杆及托盘的偏摆度 ≤0.5mm。 。
支撑体的高度是可以调节的， 支撑体的高度是可以调节的，这 样可以保证熔料时， 样可以保证熔料时， 埚跟随动行程。
二、热场的安装与煅烧
石墨环、 安装电极→炉底碳毡→反射底板→下保温罩→石墨环、石英环→加热器
→中保温罩→石墨托杆→石墨托盘→装三瓣埚→下降主炉室→上保温罩 →导气孔→保温盖板→装导流筒→压环
热场安装顺序示意图
二、热场的安装与煅烧
(3)对中顺序 对中顺序 在整个安装过程中，要求整个热系统对中良好，同心度高， 在整个安装过程中，要求整个热系统对中良好，同心度高，需 要严格对中： 要严格对中： 坩埚轴与加热器的对中。 ① 坩埚轴与加热器的对中。将 托杆稳定的装在下轴上， 托杆稳定的装在下轴上，将 下轴转动，目测是否偏摆。 下轴转动，目测是否偏摆。 然后将钢板尺平放在坩埚轴 观察两者之间的间隙， 上，观察两者之间的间隙， 间隙是否保持不变， 间隙是否保持不变，加热器 圆心是否对中。接着装托盘 圆心是否对中。接着装托盘 ，托盘的中心也要跟加热器 对中。 对中。
三、热场的温度梯度
如下图所示， 点到 点的温度变化为T 点到B点的温度变化为 如下图所示，A点到 点的温度变化为 1-T2 ，距离变化为 r1-r2 。那么 点到 点的温度梯度是： 那么A点到 点的温度梯度是： 点到B点的温度梯度是
∆T T1 − T2 = ∆r r1 − r2
dT 方向上的变化率。 通常用 表示在 r 方向上的变化率。 dr
(1)安装前 安装前 安装热场前，尤其是新热场，应仔细擦拭干净， 安装热场前，尤其是新热场，应仔细擦拭干净，去除 表面浮尘土，检查部件的质量， 表面浮尘土，检查部件的质量，整个炉室在进行安装 热场前也必须擦拭完毕。 热场前也必须擦拭完毕。 (2)安装 安装 安装顺序一般是由下而上，由内到外。 安装顺序一般是由下而上，由内到外。 由下而上 石墨电极安装时，左右对齐，处在同一水平面上， 石墨电极安装时，左右对齐，处在同一水平面上，不 可倾斜，同时要和托杆对中。 可倾斜，同时要和托杆对中。 放上加热器之后， 放上加热器之后，加热器的电极孔要与下面的电极板 的两孔对准。 的两孔对准。
三、热场的温度梯度
显然两点间的温度差越大， 越大， 显然两点间的温度差越大，则 越大，则温度梯度越 反之，两点间温度差越小， 大，反之，两点间温度差越小，则 dT 越小，则温度梯 dr 度越小， 度越小，如果
压环
压环， 压环，由几截弧形环构成的 一个圆形环状石墨件， 一个圆形环状石墨件，它放 置在盖板与炉壁接触处， 置在盖板与炉壁接触处，是 为了防止热量和气体从炉壁 与盖板的缝隙间通过。 与盖板的缝隙间通过。 右上图是压环， 右上图是压环，右下图为安 装后的效果图。 装后的效果图。
二、热场的安装与煅烧
电 极 图
石 墨 螺 栓
石墨坩埚、坩埚托杆和坩埚托盘 石墨坩埚、
石墨坩埚，也就是所谓的三瓣 石墨坩埚，也就是所谓的三瓣 埚，主要是用来盛放石英坩埚 。它的内径加工尺寸与石英坩 埚的外形尺寸相配合，同时， 埚的外形尺寸相配合，同时， 石墨坩埚本身也需要具有一定 的强度， 的强度，来承受硅料和坩埚的 重量。 重量。 石墨坩埚，有单体， 石墨坩埚，有单体，两瓣合体 以及CZ1#所使用的三瓣合体 ，以及 所使用的三瓣合体 等不同形状。 等不同形状。它们从节约成本 使用方便来比较各有所长。 、使用方便来比较各有所长。 右图为三瓣埚的实物图。 右图为三瓣埚的实物图。
保温罩
保温罩分为上保温罩、 保温罩分为上保温罩、中保 温罩和下保温罩。 温罩和下保温罩。 保温罩是由一个保温筒外面 包裹石墨碳毡而成。 石墨碳毡而成 包裹石墨碳毡而成。石墨碳 毡的包裹层数视情况而定。 毡的包裹层数视情况而定。 下保温罩组成了底部的保温 系统， 系统，它的作用是加强埚底 保温，提高埚底温度， 保温，提高埚底温度，减少 热量损失。 热量损失。
三、热场的温度梯度
(1)热场的概念 热场的概念 热场也称温度场。热系统内的温度分布状态叫热场。 热场 热场也称温度场。热系统内的温度分布状态叫热场。 煅烧时，热系统内的温度分布相对稳定，称为静态 煅烧时，热系统内的温度分布相对稳定，称为静态 热场。在单晶生长过程中，热场是会发生变化， 热场。在单晶生长过程中，热场是会发生变化，称 动态热场。 为动态热场。 单晶生长时，由于不断发生物相的转化 液相转化为 单晶生长时，由于不断发生物相的转化(液相转化为 固相)，不断放出固相潜热，同时，晶体越拉越长， 固相 ，不断放出固相潜热，同时，晶体越拉越长， 熔体液面不断下降，热量的传导、 熔体液面不断下降，热量的传导、辐射等情况都在 发生变化，所以热场是变化的，称为动态热场。 发生变化，所以热场是变化的，称为动态热场。
石墨电极
石墨电极的作用， 石墨电极的作用，一是平稳的 加热器， 固定加热器 固定加热器，二是通过它对加 热器输送电流 输送电流， 热器输送电流，因此要求电极 厚重，结实耐用， 厚重，结实耐用，它与金属电 极和加热器的接触面要光滑、 极和加热器的接触面要光滑、 平稳，保证接触良好， 平稳，保证接触良好，通电时 不打火。 不打火。石墨电极也是有高纯 石墨加工而成。 石墨加工而成。 右上图为石墨电极示意图、 右上图为石墨电极示意图、右 下图为连接石墨电极和加热器 石墨螺栓。 的石墨螺栓。
热 场 示 意 图
加热器
加热器是热场中很重要的部件 加热器是热场中很重要的部件 是直接的发热体， ，是直接的发热体，温度最高 的时候可以达到1600℃以上。 的时候可以达到 ℃以上。 常见的加热器有三种形状，筒 常见的加热器有三种形状， 杯状、螺旋状。 状、杯状、螺旋状。目前绝大 多数加热器为筒状， 多数加热器为筒状，硅单晶分 厂房使用的是直筒式 厂CZ1#厂房使用的是直筒式形 厂房使用的是直筒式形 状的加热器。右图为加热器。 状的加热器。右图为加热器。
二、热场的安装与煅烧
②加热器与石墨坩埚的对中 转动托碗，调整埚位， ：转动托碗，调整埚位， 让石墨坩埚与加热器口水 平（此时的埚位成为平口 埚位）， ），再稍许移动加热 埚位），再稍许移动加热 器电极，与托碗对中， 器电极，与托碗对中，这 时石墨坩埚和加热器口之 间的间隙四周都一致。 间的间隙四周都一致。