石墨夹头结构及还原炉的制作方法

1.本实用新型涉及多晶硅生产技术领域，尤其涉及一种石墨夹头结构及还原炉。


背景技术：

2.在生产多晶硅的生产技术中，目前改良西门子法为主要的生产方法。在进行多晶硅还原反应时，将硅芯插在石墨件上，石墨件套在铜电极上，硅芯按照一定的电极连接方式进行安装，安装完成后，按照工艺程序进行置换、击穿、进料并进而发生气相沉积反应，反应产生的晶粒沉积在硅芯上，经过一定时间生长后形成多晶硅棒。硅芯表面沉积硅，而夹头锥度部分顶端表面温度达到1000度以上高温，表面沉积硅，将夹头锥度部分包裹，和硅芯直径同步变大。
3.石墨夹头是还原炉生产多晶硅的核心材料，关系到还原炉生产稳定性，决定还原炉多晶硅的产能和质量。石墨夹头是多晶硅还原炉中用于安装硅芯、导电的设备，同时也起到硅芯与电极之间的热传导作用。由于电极与底盘有绝缘保护，电极有冷却水进行冷却，硅芯开始生长时是高温，而石墨夹头就是连接高温与低温的关键部件，热传导过快过慢都会影响硅棒根部的生长，从而影响硅棒能否正常生产，甚至发生倒炉；尤其在生产切割原生棒时，由于硅棒生长更致密，刚性更强，容易倒炉。
4.现有的石墨夹头结构，首先，石墨夹头与硅棒结合处沉积的多晶硅不足，结合处抗折强度不够；硅棒生长到后期承受的重量越来越重；容易发生硅棒倒棒。其次，已有夹头在生产切割原生原料棒时，由于石墨夹头径向太大，热流失太快造成硅芯与夹头接合部温度低生长慢，接合部直径太小，无法承载过高电流而出现局部高温亮环，造成中前期倒炉。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种石墨夹头结构及还原炉，主要目的是避免石墨夹头传热太快导致的在夹头与硅棒结合处沉积的多晶硅量不足，出现的电流过载,局部高温熔融而倒棒的问题。
6.为达到上述目的，本实用新型主要提供如下技术方案：
7.一方面，本实用新型提供了一种石墨夹头结构，其包括：底座和夹头体；
8.所述底座设有下端凹槽和上端凹槽，所述底座位于所述下端凹槽和所述上端凹槽之间的部分设有贯通孔道，用于连通所述下端凹槽和所述上端凹槽，所述底座通过所述下端凹槽套接于底盘电极，所述底座的轴侧设有环形槽；
9.所述夹头体的下端插接于所述上端凹槽，所述夹头体的上端设有硅芯孔槽，所述夹头体位于所述硅芯孔槽下方的部分设有中心孔道，所述中心孔道对应于所述贯通孔道。
10.本实用新型的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
11.可选的，所述夹头体的上端轴侧面为第一圆锥面，所述夹头体的下端轴侧面为第二圆锥面，所述第二圆锥面吻合于所述上端凹槽的内侧面。
12.可选的，所述夹头体设有第一径向孔道，所述底座设有第二径向孔道。
13.可选的，所述第二径向孔道的一端连通于所述环形槽，另一端连通于所述贯通孔道。
14.可选的，所述硅芯孔槽设有内环形台。
15.可选的，所述第一圆锥面所在锥体的锥度小于所述第二圆锥面所在锥体的锥度。
16.另一方面，本实用新型还提供了一种还原炉，其包括：钟罩、底盘和如前所述的石墨夹头结构。
17.借由上述技术方案，本实用新型至少具有下列优点：
18.使用本石墨夹头结构时，用底座的下端凹槽罩住底盘电极，然后将夹头体的下端插接于上端凹槽内，然后将硅芯棒的下端插接于硅芯孔槽，然后将钟罩罩设于底盘上，并用螺栓固定。
19.在还原炉运行之前，使用氮气置换还原炉内部空间的空气和水分，然后向还原炉通入原料气体，电极通电。在还原炉运行的过程中，电极发热，热量通过底座和夹头体传导至硅芯棒。在上述过程中，由于底座的轴侧设有环形槽，底座在环形槽处的实体直径相对较小，即环形槽处热量流通介质的直径变小，所以环形槽的设置间接减缓了热传导的速度，以使热传导的速度与多晶硅颗粒在夹头体和硅芯棒的结合处沉积的速度相匹配，从而解决多晶硅颗粒在夹头体和硅芯棒的结合处沉积量不足的问题。
20.而且，在上述还原炉运行的过程中，底座和夹头体受热时，贯通孔道为底座提供了内部受热膨胀的空间，中心孔道为夹头体提供了内部受热膨胀的空间。
21.而且，下端凹槽、贯通孔道、中心孔道和硅芯孔槽依次贯通，通电电极处因受热产生的气体可以沿该贯通通道上升。
22.而且本石墨夹头结构由底座和夹头体相互插接而成，安装简单。
附图说明
23.图1为本实用新型实施例提供的一种石墨夹头结构的侧视剖面图；
24.图2为底座的结构示意图；
25.图3为夹头体的结构示意图；
26.图4为石墨夹头结构和硅芯棒的位置关系图；
27.图5为石墨夹头结构和原生棒的位置关系图。
28.说明书附图中的附图标记包括：底座1、夹头体2、下端凹槽3、上端凹槽4、贯通孔道5、环形槽6、硅芯孔槽7、中心孔道8、第一圆锥面9、第二圆锥面10、第一径向孔道11、第二径向孔道12、硅芯棒13、预留空间14。
具体实施方式
29.为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
30.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
31.如图1、图2、图3和图4所示，一方面，本实用新型的一个实施例提供的一种石墨夹
头结构，其包括：底座1和夹头体2；
32.所述底座1设有下端凹槽3和上端凹槽4，所述底座1位于所述下端凹槽3和所述上端凹槽4之间的部分设有贯通孔道5，用于连通所述下端凹槽3和所述上端凹槽4，所述底座1通过所述下端凹槽3套接于底盘电极，所述底座1的轴侧设有环形槽6；
33.所述夹头体2的下端插接于所述上端凹槽4，所述夹头体2的上端设有硅芯孔槽7，所述夹头体2位于所述硅芯孔槽7下方的部分设有中心孔道8，所述中心孔道8对应于所述贯通孔道5。
34.石墨夹头结构工作过程如下:
35.使用本石墨夹头结构时，用底座1的下端凹槽3罩住底盘电极，然后将夹头体2的下端插接于上端凹槽4内，然后将硅芯棒13的下端插接于硅芯孔槽7，然后将钟罩罩设于底盘上，并用螺栓固定。
36.在还原炉运行之前，使用氮气置换还原炉内部空间的空气和水分，然后向还原炉通入原料气体，电极通电。在还原炉运行的过程中，电极发热，热量通过底座1和夹头体2传导至硅芯棒13。在上述过程中，由于底座1的轴侧设有环形槽6，底座1在环形槽6处的实体直径相对较小，即环形槽6处热量流通介质的直径变小，所以环形槽6的设置间接减缓了热传导的速度，以使热传导的速度与多晶硅颗粒在夹头体2和硅芯棒13的结合处沉积的速度相匹配，从而解决多晶硅颗粒在夹头体2和硅芯棒13的结合处沉积量不足的问题。
37.而且，在上述还原炉运行的过程中，底座1和夹头体2受热时，贯通孔道5为底座1提供了内部受热膨胀的空间，中心孔道8为夹头体2提供了内部受热膨胀的空间。
38.而且，下端凹槽3、贯通孔道5、中心孔道8和硅芯孔槽7依次贯通，通电电极处因受热产生的气体可以沿该贯通通道上升。
39.而且本石墨夹头结构由底座1和夹头体2相互插接而成，安装简单。
40.如图4和图5所示，在本实用新型的技术方案中，底座1的轴侧设有环形槽6，减小了热量向上传导的介质的径向截面的面积，从而间接减缓了热传导的速度。而底座1的上端面还是一个面积相对较大的平面，伴随多晶颗粒的沉积，原生棒直径逐渐增大，底座1的上端面还能够为增粗后的原生棒提供支撑力。
41.具体的,底座1和夹头体2分别采用石墨材质。
42.如图1、图2、图3和图4所示，在具体实施方式中，所述夹头体2的上端轴侧面为第一圆锥面9，所述夹头体2的下端轴侧面为第二圆锥面10，所述第二圆锥面10吻合于所述上端凹槽4的内侧面。
43.在本实施方式中，具体的，上端凹槽4的内侧面也为圆锥面，用于和第二圆锥面10相吻合，起到使夹头体2在上端凹槽4内定位、定心的作用，以稳固夹头体2和底座1的相对位置。
44.如图1、图2、图3和图4所示，在具体实施方式中，所述夹头体2设有第一径向孔道11，所述底座1设有第二径向孔道12。
45.在本实施方式中，具体的，第一径向孔道11的一端连通于中心孔道8，另一端延伸至夹头体2的轴侧外围，第一径向孔道11垂直于中心孔道8；第二径向孔道12的一端连通于贯通孔道5，另一端延伸至底座1的轴侧外围，第二径向孔道12垂直于贯通孔道5。
46.具体的，在还原炉运行之前，使用氮气置换时，下端凹槽3、贯通孔道5和中心孔道8
内的空气和水蒸气可以通过第一径向孔道11和第二径向孔道12排出，并最终排出还原炉。
47.如图1、图2、图3和图4所示，在具体实施方式中，所述第二径向孔道12的一端连通于所述环形槽6，另一端连通于所述贯通孔道5。
48.具体的，如果第二径向孔道12的一端直接延伸至底座1的轴侧外围，第二径向孔道12的长度就等于底座1的径向半径。而本实施方式中的第二径向孔道12的长度相对减小(环形槽6代替了部分第二径向孔道12)，底座1的实心部分体积相对较大，底座1的承重性能相对较强，还达到通过第二径向孔道12排气的作用。
49.如图1、图3所示，在具体实施方式中，所述硅芯孔槽7设有内环形台。
50.在本实施方式中，具体的，将硅芯棒13的下端加工成环形台阶状，以使硅芯棒13的下端吻合硅芯孔槽7，这样将硅芯棒13的下端插入硅芯孔槽7内以后，硅芯孔槽7对硅芯棒13形成阶梯状的多段限位，提高了硅芯棒13的稳定性。
51.具体的，硅芯孔槽7的下部预留空间14，即硅芯棒13的下端面接触硅芯孔槽7的底面之前，硅芯棒13的轴侧面已经和第一圆锥面9对接完毕，同时，也便于硅芯棒13的下端受热时，向预留空间14内膨胀。
52.如图1和图3所示，在具体实施方式中，所述第一圆锥面9所在锥体的锥度小于所述第二圆锥面10所在锥体的锥度。
53.在本实施方式中，具体的，(锥体的锥度等于锥体的底面直径与锥体的高度之比)，第一圆锥的底面直径和第二圆锥的底面直径相同，而所述第一圆锥面9所在锥体的锥度小于所述第二圆锥面10所在锥体的锥度，这样加工出来的夹头体2的上半部分较夹头体2的下半部分更加纤细，进一步避免通过夹头体2热流失太快，从而避免夹头体2和硅芯棒13的结合部位温度太低，从而避免硅棒下端截面生长过慢，从而避免避免硅棒无法承载过高电流而出现的局部高温亮环，从而避免还原炉沉积反应中前期的倒棒现象。
54.另一方面，本实用新型的另一个实施例还提供了一种还原炉，其包括：钟罩、底盘和如前所述的石墨夹头结构。
55.在本实施方式中，具体的，石墨夹头结构的底座1套接于底盘电极，硅芯棒13插接于硅芯孔槽7，钟罩固定于底盘上。通过在底座1的轴侧设置环形槽6，减小底座1在环形槽6处的径向直径，降低底座1在单位时间内向上热传导的量，从而避免夹头体2热传导速度过快，从而保证了硅棒的正常生产，避免倒棒现象的发生。
56.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。