一种加热器及单晶炉的制作方法

1.本技术实施例涉及太阳能光伏技术领域，特别涉及一种加热器及单晶炉。


背景技术：

2.随着世界经济的不断发展，现代化建设对高效能源需求不断增长。光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的一种主要能源，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。单晶硅片作为光伏发电的一种基础材料，拥有广泛的市场需求。直拉单晶硅生长方法是一种常见的单晶生长方法，其生长过程是在单晶炉中，将籽晶浸入硅融液，依次实施引晶、放肩、转肩、等径及收尾过程，最后获得单晶硅棒。在单晶硅棒的拉制过程中，单晶炉中的热场结构对于提供晶体生长所需的温度梯度起到至关重要的作用。
3.现有的单晶炉的加热器通常由大小一致的加热片沿周向排布围成一筒状结构，由于加热片尺寸一致，加热片上下温度一致，炉内纵向温度梯度过于稳定，难以达成纵向温差实现降氧效果，因此无法抑制单晶黑心的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种加热器及单晶炉，解决炉内纵向温度梯度过于稳定，难以达成纵向温差从而起到降氧效果的问题。
5.为解决上述问题，本技术实施例提供一种加热器，包括沿周向排布的多个加热组件，相邻的加热组件依次连接围成筒状结构，筒状结构具有上端开口和下端开口；加热组件包括第一加热部和第二加热部，第一加热部和第二加热部均具有靠近上端开口的第一端以及靠近下端开口的第二端；相邻的第一加热部的第一端和第二加热部的第一端连接；在筒状结构的轴线方向上，第一加热部的第二端凸出于第二加热部的第二端，第一加热部包括第一开口部和位于第一开口部两侧的第一折弯部；第一开口部的开口朝向第一端；在筒状结构的圆周方向上，第一开口部靠近第二端的宽度大于或等于第一开口部靠近第一端的宽度。
6.另外，在第一端朝向第二端的延伸方向上，第一开口部的宽度逐渐增大；位于第一开口部两侧的第一折弯部关于第一开口部的中轴线对称。
7.另外，在筒状结构的轴线方向上，第二加热部包括第二开口部以及位于第二开口部两侧的第二折弯部，第二折弯部与第一折弯部连接形成第三开口部；第二开口部与第一开口部的开口朝向一致，第三开口部与第一开口部的开口朝向相反；在筒状结构的圆周方向上，第二开口部靠近第二端的宽度大于或等于第二开口部靠近第一端的宽度；第三开口部靠近第二端的宽度小于或等于第三开口部靠近第一端的宽度。
8.另外，在第一端朝向第二端的延伸方向上，第二开口部的宽度逐渐增大，第三开口部的宽度逐渐减小；位于第二开口部两侧的第二折弯部关于第二开口部的中轴线对称，且第二开口部两侧的第三开口部关于第二开口部的中轴线对称。
9.另外，在筒状结构的圆周方向上，第三开口部顶端的宽度小于或等于第二开口部
底端的宽度。
10.另外，在筒状结构的圆周方向上，第二开口部顶端的宽度小于或等于第一开口部顶端的宽度，且第二开口部底端的宽度小于或等于第一开口部底端的宽度。
11.另外，在筒状结构展开的平面上，第一开口部呈梯形，和/或在筒状结构展开的平面上，第二开口部呈梯形。
12.另外，在筒状结构展开的平面上，第二开口部的底端与第一开口部的底端的垂直距离大于或等于第二开口部高度的三分之一。
13.另外，第一折弯部包括第一子折弯部和与第一子折弯部底端连接的第二子折弯部，第一子折弯部和第二子折弯部共同构成第一折弯部；沿筒状结构的径向方向，第一子折弯部靠近第一端的厚度大于第一子折弯部靠近第二端的厚度，且第二子折弯部靠近第一端的厚度小于第二子折弯部靠近第二端的厚度；和/或第二折弯部包括第三子折弯部和与第三子折弯部底端连接的第四子折弯部，第三子折弯部和第四子折弯部共同构成第二折弯部；沿筒状结构的径向方向，第三子折弯部靠近第一端的厚度大于第三子折弯部靠近第二端的厚度，且第四子折弯部靠近第一端的厚度小于第四子折弯部靠近第二端的厚度。
14.本技术实施例还提供一种单晶炉，包括：热场以及如上述加热器，热场环绕设置于加热器的外部。
15.与现有技术相比，本技术实施例提供的技术方案具有以下优点：
16.本技术实施例的加热器通过设置高低起伏的第一加热部和第二加热部，改变炉内温度梯度；同时第一加热部的第一开口部靠近第二端的宽度大于或等于第一开口部靠近第一端的宽度，以改变加热组件上端和下端的温度均匀性，形成纵向温差，实现降氧的目的。本技术实施例的第一加热部和第二加热部，在保证供给足够热量到成晶液面的前提下，降低了对坩埚底部的热辐射，形成自上而下逐渐衰弱的温度梯度，从而达到了底部热场降温效果。同时，通过高低起伏的第一加热部和第二加热部的设置，改变了加热器的加热部整体密度，节约了加热器的材料成本。
附图说明
17.图1为一种加热器的局部结构示意图；
18.图2为本技术一实施例提供的一种加热器的局部结构示意图；
19.图3为本技术另一实施例提供的一种加热器的局部结构示意图；
20.图4为本技术另一实施例提供的一种加热器的局部结构示意图；
21.图5为图2中a处的放大图；
22.图6为图2中b处的放大图；
23.图7为本技术一实施例提供的第一折弯部的截面图；
24.图8为本技术一实施例提供的第二折弯部的截面图。
具体实施方式
25.由背景技术可知，单晶炉中的热场结构对于提供晶体生长所需的温度梯度至关重要。
26.为了改善加热片上下温度一致的问题，形成炉内纵向温度梯度，相关技术提出一
种加热器结构，参考图1，加热器包括多个依次连接的加热器主体10，加热器主体10包括第一加热片101和第二加热片102，第一加热片101的底部与第二加热片102的底部存在间距，且第二加热片102的底部凸出于第一加热片101的底部。如此设置，实际加热时第一加热片101在第一加热片101的横向中心线l1处的温度最高，第二加热片102在第二加热片102的横向中心线l2处的温度最高，使得加热器温度不均匀，这样会产生热对流，会对坩埚侧壁造成冲刷，从而影响晶棒质量。尤其是在拉制大直径的晶棒时，加热器尺寸较大时，温度不均匀的情况更为明显，由此会造成加热器下部温度过低，而上部及固液界面处温度过高，在结晶界面处无法形成较好的纵向温度梯度，不利于单晶的生长。
27.为了解决上述问题，改善晶体生长所需的温度梯度，参考图2，本技术实施例提供一种加热器，包括沿周向排布的多个加热组件20，相邻的加热组件20依次连接围成筒状结构，筒状结构具有上端开口和下端开口；加热组件20包括第一加热部201和第二加热部202，第一加热部201和第二加热部202均具有靠近上端开口的第一端20a以及靠近下端开口的第二端20b；相邻的第一加热部201的第一端20a和第二加热部202的第一端20a连接；在筒状结构的轴线方向上，第一加热部201的第二端20b凸出于第二加热部202的第二端20b，第一加热部201包括第一开口部2011和位于第一开口部2011两侧的第一折弯部2012；第一开口部2011的开口朝向第一端20a；在筒状结构的圆周方向上，第一开口部2011靠近第二端20b的宽度大于或等于第一开口部2011靠近第一端20a的宽度。
28.请继续参考图2，图2示出了加热器的加热组件20展开的局部示意图。加热组件20包括相连接的第一加热部201和第二加热部202，若干加热组件20沿圆周方向依次连接并围成筒状结构，形成加热器。第一加热部201的第一端20a(顶端)与第二加热部202的第一端20a(顶端)连接，且第一加热部201的顶端与第二加热部202的顶端连接齐平。第一加热部201的第二端20b(底端)凸出于第二加热部202的第二端20b(底端)，相邻的加热组件20连接形成的加热器的底端呈高度起伏状，有利于降低加热组件20下部的温度，减小纵向温度梯度，达到降氧的目的。
29.此外，第一加热部201包括第一开口部2011和位于第一开口部2011两侧的第一折弯部2012；第一开口部2011的开口朝向第一端20a(顶端)；在筒状结构的圆周方向上，第一开口部2011靠近第二端20b(底端)的宽度大于或等于第一开口部2011靠近第一端20a(顶端)的宽度。图2示出了第一开口部2011底端的宽度大于第一开口部2011顶端的宽度的情形。如图2所示，在第一方向上，第一开口部2011底端的宽度大于第一开口部2011顶端的宽度，且第一开口部2011顶端的宽度通常小于或等于第一开口部2011底端宽度的二分之一。
30.参考图3，图3示出了加热器的侧视局部结构示意图。如图3所示，第一加热部201包括第一开口部2011和位于第一开口部2011两侧的第一折弯部2012，且两侧的第一折弯部2012关于第一开口部2011的纵向中轴线对称。第一开口部2011的开口朝向第一端20a(顶端)；在筒状结构的圆周方向上，第一开口部2011靠近第二端20b(底端)的宽度大于或等于第一开口部2011靠近第一端20a(顶端)的宽度，第一开口部2011的截面为正梯形结构。
31.上述实施例均是以在第一开口部2011靠近第二端20b的宽度大于第一开口部2011靠近第一端20a的宽度的情况下对加热器的结构解释说明。在第一开口部2011靠近第二端20b的宽度等于第一开口部2011靠近第一端20a的宽度的情况下，如图4所示，在第一方向上，第一开口部2011底端的宽度等于第一开口部2011顶端的宽度，第一开口部2011的截面
为矩形。
32.在一些实施例中，在第一端20a朝向第二端20b的延伸方向上，第一开口部2011的宽度逐渐增大；位于第一开口部2011两侧的第一折弯部2012关于第一开口部2011的中轴线对称。
33.请继续参考图2和图3，自第一端20a指向第二端20b的方向上，第一开口部2011的宽度逐渐递增且第一开口部2011两侧的第一折弯部2012呈对称结构，有利于加热器组件的温度由上至下逐渐降低，纵向温度梯度逐渐减小，达到降氧的效果。
34.在一些实施例中，在筒状结构的轴线方向上，第二加热部202包括第二开口部2021以及位于第二开口部2021两侧的第二折弯部2022，第二折弯部2022与第一折弯部2012连接形成第三开口部2031；第二开口部2021与第一开口部2011的开口朝向一致，第三开口部2031与第一开口部2011的开口朝向相反；在筒状结构的圆周方向上，第二开口部2021靠近第二端20b的宽度大于或等于第二开口部2021靠近第一端20a的宽度；第三开口部2031靠近第二端20b的宽度小于或等于第三开口部2031靠近第一端20a的宽度。
35.参考图5，第三开口部2031由第一折弯部2012和第二折弯部2022连接形成，且在第一开口部2011底端的宽度大于第一开口部2011顶端的宽度的情况下，第三开口部2031的顶端的宽度大于第三开口部2031底端的宽度，即第三开口部2031的截面呈倒梯形结构。如此设置，进一步改变热场结构，降低单晶炉底部的温度，减小纵向温度梯度，从而实现降氧的目的。
36.需要说明的是，由于第一加热部201的底端凸出于第二加热部202的底端，因此形成第三开口部2031的第一折弯部2012和第二折弯部2022呈非对称结构，也就是说，第三开口部2031的左右侧壁呈对称结构；第一折弯部2012的底端凸出于第二折弯部2022的底端，以降低单晶炉底部的温度，降低了对坩埚底部的热辐射。
37.在一些实施例中，在第一端20a朝向第二端20b的延伸方向上，第二开口部2021的宽度逐渐增大，第三开口部2031的宽度逐渐减小；位于第二开口部2021两侧的第二折弯部2022关于第二开口部2021的中轴线对称，且第二开口部2021两侧的第三开口部2031关于第二开口部2021的中轴线对称。
38.参考图6，第二开口部2021的截面呈正梯形结构，第三开口部2031的截面呈倒梯形结构，有利于纵向温度梯度的形成。第二开口部2021两侧的两个第二折弯部2022关于第二开口部2021的纵向中轴线l3对称，且第二开口部2021两侧的两个第三开口部2031关于第二开口部2021的中轴线l3对称，这样有利于相邻的加热组件20在圆周方向上的热量规律变化，保证热场温度变化的稳定性。
39.在一些实施例中，在筒状结构的圆周方向上，第三开口部2031顶端的宽度小于或等于第二开口部2021底端的宽度。
40.请继续参考图2和图3，在筒状结构的圆周方向上，第三开口部2031靠近第一端20a的宽度小于或等于第二开口部2021靠近第二端20b的宽度。在第三开口部2031靠近第一端20a的宽度等于第二开口部2021靠近第二端20b的宽度的情况下，如图2所示，在第二开口部2021和第三开口部2031展开的平面上，第三开口部2031沿第一方向的宽度的最大值等于第二开口部2021沿第一方向的宽度的最大值。如此设置，使得第二开口部2021和第三开口部2031的截面积大致相等，有利于改变热场结构，形成自上而下逐渐衰弱的温度梯度，达到底
部热场降氧的效果。
41.在第三开口部2031靠近第一端20a的宽度小于第二开口部2021靠近第二端20b的宽度的情况下，如图3所示，在第二开口部2021和第三开口部2031展开的平面上，第三开口部2031沿第一方向的宽度的最大值小于第二开口部2021沿第一方向的宽度的最大值。如此设置，使得第二开口部2021的底端的长度大于第三开口部2031的顶端的长度，第二开口部2021的截面积大于第三开口部2031的截面积，有利于降低加热器的材料成本。
42.在一些实施例中，在筒状结构的圆周方向上，第二开口部2021顶端的宽度小于或等于第一开口部2011顶端的宽度，且第二开口部2021底端的宽度小于或等于第一开口部2011底端的宽度。
43.在第二开口部2021顶端的宽度小于第一开口部2011顶端的宽度，且第二开口部2021底端的宽度小于第一开口部2011底端的宽度的情况下，加热器的展开平面的局部结构如图3所示，第一开口部2011和第二开口部2021的开口方向均朝向加热器的第一端20a，且第二开口部2021的截面积小于第一开口部2011的截面积。每两个第一开口部2011之间设有一个第二开口部2021和两个第三开口部2031，通过设置高低起伏的第一加热部201和第二加热部202，本技术实施例的加热器在保证供给足够热量到成晶液面的前提下，降低了对坩埚底部的热辐射，形成自上而下逐渐衰弱的温度梯度，从而达到了底部热场降温效果。
44.在第二开口部2021顶端的宽度等于第一开口部2011顶端的宽度，且第二开口部2021底端的宽度等于第一开口部2011底端的宽度的情况下，加热器的展开平面的局部结构如图4所示，同样能够降低对坩埚底部的热辐射，达到降氧的目的。
45.在一些实施例中，在筒状结构展开的平面上，第一开口部2011呈梯形，和/或在筒状结构展开的平面上，第二开口部2021呈梯形。
46.如图3所示，在第一开口部2011顶端宽度小于第一开口部2011的底端宽度的情况下，在筒状结构展开的平面上，第一开口部2011的截面呈正梯形结构。在第二开口部2021顶端的宽度小于第二开口部2021底端的宽度，在筒状结构展开的平面上，第二开口部2021的截面呈正梯形结构。
47.在一些实施例中，在筒状结构展开的平面上，第二开口部2021的底端与第一开口部2011的底端的垂直距离大于或等于第二开口部2021高度的三分之一。
48.在一些实施例中，第一折弯部2012包括第一子折弯部2012a和与第一子折弯部2012a底端连接的第二子折弯部2012b，第一子折弯部2012a和第二子折弯部2012b共同构成第一折弯部2012；沿筒状结构的径向方向，第一子折弯部2012a靠近第一端20a的厚度大于第一子折弯部2012a靠近第二端20b的厚度，且第二子折弯部2012b靠近第一端20a的厚度小于第二子折弯部2012b靠近第二端20b的厚度；和/或第二折弯部2022包括第三子折弯部2022a和与第三子折弯部2022a底端连接的第四子折弯部2022b，第三子折弯部2022a和第四子折弯部2022b共同构成第二折弯部2022；沿筒状结构的径向方向，第三子折弯部2022a靠近第一端20a的厚度大于第三子折弯部2022a靠近第二端20b的厚度，且第四子折弯部2022b靠近第一端20a的厚度小于第四子折弯部2022b靠近第二端20b的厚度。
49.参考图7，图7为第一折弯部2012沿第一端20a指向第二端20b的方向，且沿第一折弯部2012的长度方向切割第一折弯部2012得到截面图。从图7中可以看出，第一折弯部2012呈中间薄、两端厚的厚度变化趋势。第一子折弯部2012a靠近顶端的厚度大于第一子折弯部
2012a靠近底端的厚度，且第二子折弯部2012b靠近顶端的厚度小于第二子折弯部2012b靠近底端的厚度，进一步降低加热器底部的温度，减小纵向温度梯度，从而实现降氧的目的。此外，在第一折弯部2012的截面图上，第一折弯部2012的长度为c，第一折弯部2012的厚度变化呈平滑过渡趋势，有利于保证热场温度变化的稳定性。
50.参考图8，图8为第二折弯部2022沿第一端20a指向第二端20b的方向，且沿第二折弯部2022的长度方向切割第二折弯部2022得到截面图。同样的，从图8中可以看出，第二折弯部2022呈中间薄、两端厚的厚度变化趋势。第三子折弯部2022a靠近顶端的厚度大于第三子折弯部2022a靠近底端的厚度，且第四子折弯部2022b靠近顶端的厚度小于第四子折弯部2022b靠近底端的厚度；第二折弯部2022与第一折弯部2012的厚度变化趋势相同，第二折弯部2022的厚度变化同样呈平滑过渡趋势，不仅能够减少加热器石墨用量，同时还能够大幅度改变炉内纵向温度梯度，从而形成炉内上下温差，加热器底部的温度，减小纵向温度梯度，从而实现降氧的目的。
51.需要说明的是，如图8所示，在第二折弯部2022的截面图上，第二折弯部2022的长度为d，通常第二开口部2021的底端与第一开口部2011的底端的垂直距离大于或等于第二开口部2021高度的三分之一，那么第一折弯部2012的长度与第二折弯部2022的长度之差大于等于第二折弯部2022的长度的三分之一，即c-d≥1/3d。
52.在一些实施例中，加热器通常通过加热器脚板固定在炉内，在单晶硅棒的拉制过程中，由于加热器设置在坩埚外围，将加热器散发热量的区域称为发热区；坩埚底部位于加热器脚板围成的区域内，由于坩埚底部的温度低于坩埚中部和上部的温度，因此将坩埚底部的区域称为低温区。本技术实施例通过提供高低起伏的热场结构，使得坩埚处于低温区温度更低，更低的温度能够降低硅与坩埚表面二氧化硅反应速率，从而降低一氧化硅产出数量，从而实现氧含量降低，提高生产质量。
53.本技术实施例还提供一种单晶炉，包括：热场以及如上述加热器，热场环绕设置于加热器的外部。
54.在一些实施例中，热场包括底盘、保温筒和保温毡，保温筒设置在底盘的上方，保温毡设置在保温筒的外部，通常保温毡采用保温效果较好的固化毡。
55.通常，单晶炉包括机架、坩埚驱动装置、主炉室、籽晶提升机构、加热装置、液压驱动装置、真空系统、冲氩气系统以及水冷系统。机架由底盘、上立柱和下立柱组成，对单晶炉起到支撑作用。坩埚驱动装置、主炉室和加热装置均安装在底盘上，主炉室由保温筒、导流筒和炉盖组成；加热装置包括加热器和底部加热器，坩埚驱动装置与主炉室通过波纹管密封连接，液压驱动装置中的提升油缸安装在下立柱上。真空系统、冲氩气系统及水冷系统均固定在机架上，单晶炉热场位于单晶炉的主炉室内。
56.在一些实施例中，单晶炉还包括设置在底盘上的底部固化毡，底部固化毡的上方设有压片，压片、底部固化毡、底盘的中心位置均开设有用于安装坩埚轴的通孔。
57.为了降低氧含量，起到较好的降氧效果，通常设置加热器与炉底的压片之间的距离为350mm～600mm，不仅有利于降低加热器底部的温度，更有利于位于加热器下方的保温筒的保温，增强保温效果。
58.由以上技术方案，本技术实施例的加热器通过设置高低起伏的第一加热部201和第二加热部202，改变炉内温度梯度；同时第一加热部201的第一开口部2011靠近第二端20b
的宽度大于或等于第一开口部2011靠近第一端20a的宽度，以改变加热组件20上端和下端的温度均匀性，形成纵向温差，实现降氧的目的。本技术实施例的第一加热部201和第二加热部202，在保证供给足够热量到成晶液面的前提下，降低了对坩埚底部的热辐射，形成自上而下逐渐衰弱的温度梯度，从而达到了底部热场降温效果。同时，通过高低起伏的第一加热部201和第二加热部202的设置，改变了加热器的加热部整体密度，节约了加热器的材料成本。
59.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本技术的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。