一种单晶炉用保温筒结构及单晶炉的制作方法

本实用新型涉及直拉单晶炉技术领域，具体是一种单晶炉用保温筒结构及单晶炉。

背景技术：

直拉单晶炉是一种硅的定向凝固设备，其功能是将单晶硅按照设定工艺经过熔料、引晶、放肩、转肩、等径和收尾几个阶段后成为有一定晶体生长方向的晶棒。直拉单晶炉是一种能耗较高、工时较长的生产设备，在同样的晶体方向及晶体尺寸条件下，缩短工时、减少能耗是希望得到改善的。保温筒作为直拉单晶炉中重要的组成部分，对晶体的生长有很大的影响，其在直拉单晶炉中的主要作用是保温隔热，减少热量散失，以降低能耗。

现有的一种保温筒结构中，为了提高硅单晶等径生长的速度，将上保温筒做的比较薄(约30mm)，虽然可以提高热场纵向的温度梯度，从而提高等径生长的速度，但是在硅料熔料阶段，由于上保温筒保温效果差，热量散失多，使得熔料时间较长，能耗较高。

现有的另一种保温筒结构中，为了减少硅料的熔料时间，以降低能耗，将上保温筒做的比较厚(和中保温筒一样厚，60至80mm)。在熔料阶段虽然可以减少硅料的熔料时间，但是热场纵向的温度梯度小，从而导致等径生长的速度较低，等径生长时间较长，能耗仍较高。

技术实现要素：

本实用新型针对所要解决的技术问题，提供一种新型的单晶炉用保温筒结构及单晶炉，既能在熔料阶段减少熔料时间，降低能耗，又能在等径生长阶段提高热场纵向的温度梯度，减少等径生长时间，降低能耗。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种单晶炉用保温筒结构，包括相互匹配并依次连接的底部高温板、下保温筒、中保温筒、上保温筒以及上保温板，所述上保温筒包括相互平行的上外保温筒和上内保温筒，所述上内保温筒固定于所述中保温筒的顶部，所述上外保温筒固定连接提升机构并能在所述提升机构的驱动作用下相对于所述上内保温筒做上下往复移动。

进一步的，所述提升机构包括一端与所述上外保温筒连接的固定支架，所述固定支架的另一端连接在连接臂的一端，所述连接臂的另一端连接在连接管的一端，所述连接管的另一端连接提升套管的一端，所述提升套管另一端连接到笔形气缸；

提升套管、连接管、连接臂、固定支架在所述笔形气缸的作用下同时上下往复移动。

进一步的，所述上外保温筒和所述上内保温筒的厚度之和大于或等于所述中保温筒的厚度，所述上内保温筒的厚度小于所述中保温筒的厚度。

进一步的，所述上外保温筒和所述上内保温筒相互平行，且二者之间的间隙为1～5mm，进一步优选为3mm。

进一步的，所述上外保温筒的厚度为30～50mm，所述上内保温筒的厚度为30～45mm，由此可知，上保温筒的厚度为60～95mm。

进一步的，所述固定支架与上外保温筒之间通过固定组件固定连接。

进一步的，所述固定组件为采用碳/碳复合材料制作的螺栓螺母。

本实用新型还提供一种单晶炉，包括单晶炉腔体以及内置于所述单晶炉腔体的加热器、托杆轴、埚托、石英坩埚、导流筒以及籽晶拉杆，还包括如上文所述的单晶炉用保温筒结构，所述单晶炉用保温筒结构的外沿贴近所述单晶炉腔体的内壁，所述石英坩埚、托杆轴、埚托相对于所述单晶炉腔体做上下往复移动。

进一步的，所述石英坩埚内放置有硅熔体，所述籽晶拉杆上附着有籽晶，所述硅熔体和籽晶反应生成硅晶体；

在熔料阶段，托杆轴、埚托和石英坩埚处于下段行程，所述单晶炉用保温筒结构的上外保温筒扣合在中保温筒的顶部；

在等径生长阶段，托杆轴、埚托和石英坩埚处于上段行程，所述单晶炉用保温筒结构的上外保温筒被所述提升机构提升至所述上内保温筒上方。

进一步的，所述单晶炉还包括固定在所述单晶炉用保温筒结构的底部保温板上端的反射板。

与现有技术相比，本实用新型的有益之处是：

一、本实用新型提供的单晶炉用保温筒结构通过将上保温筒分为可相对移动的上外保温筒和上内保温筒，在熔料阶段，上外保温筒扣合在中保温筒的顶部，此时上保温筒的厚度大于或等于中保温筒的厚度，从而减少热量的散失，进而减少硅料的熔料时间，降低能耗；在等径生长阶段，上外保温筒在提升机构的作用下向上提升，此时上保温筒的厚度小于中保温筒的厚度，从而降低热场上部的温度，提高热场的纵向温度梯度，进而提高晶体的等径生长速度，降低单晶硅棒生产的能耗。

二、本实用新型提供的单晶炉采用了本实用新型所述的单晶炉用保温筒结构，在熔料阶段能减少热量的散失，减少硅料的熔料时间，降低能耗；在在等径生长阶段能降低热场上部的温度，提高热场的纵向温度梯度，提高晶体的等径生长速度，降低单晶硅棒生产的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

图1是本实用新型所述单晶炉用保温筒结构处于熔料阶段的全剖视图；

图2是本实用新型所述单晶炉用保温筒结构处于等径生长阶段的全剖视图；

图3是本实用新型所述单晶炉处于熔料阶段的全剖视图；

图4是本实用新型所述单晶炉处于等径生长阶段的全剖视图；

1、底部保温板；2、下保温筒；3、中保温筒；4、上保温筒；5、上保温板；6、提升机构；7、固定组件；8、加热器；9、石英坩埚；10、硅熔体；11、导流筒；12、硅晶体；13、籽晶；14、籽晶拉杆；15、托杆轴；16、单晶炉腔体；17、埚托；18、反射板；41、上外保温筒；42、上内保温筒；61、固定支架；62、连接臂；63、连接管；64、提升套管；65、笔形气缸。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例一

如图1至图2所示的一种单晶炉用保温筒结构，主要用于在单晶炉起到保温隔热，减少热量散失，降低能耗的作用；自下而上包括相互匹配并依次连接的底部高温板1、下保温筒2、中保温筒3、上保温筒4以及上保温板5；具体的，所述底部高温板1固定于单晶炉的底部，所述下保温筒2固定安装在底部高温板1上，所述中保温筒3密封扣合在下保温筒2上，所述上保温筒4密封扣合在中保温筒3上，所述上保温板5固定安装在上保温筒4上端，各组成部分可以通过螺栓组件固定，也可以通过卡扣组件固定；连接后的整体形成一个地步密封顶部开口的空腔。

作为优选，所述上保温筒4包括相互平行的上外保温筒41和上内保温筒42，所述上内保温筒42固定于所述中保温筒3的顶部，所述上外保温筒41固定连接提升机构6并能在所述提升机构6的驱动作用下相对于所述上内保温筒42做上下往复移动，当上外保温筒41处于下段行程时，上外保温筒41与上内保温筒42处于重叠的状态，当上外保温筒41处于上段行程时，上外保温筒41与上内保温筒42处于错开的状态。在本实施例中，所述上外保温筒41和上内保温筒42的厚度之和大于所述中保温筒3的厚度，所述上内保温筒42的厚度小于所述中保温筒3的厚度。

在本实用新型的另一个实施例中，所述上外保温筒41和上内保温筒42的厚度之和等于所述中保温筒3的厚度。

更具体的，所述提升机构6包括一端与所述上外保温筒41连接的固定支架61，所述固定支架61的另一端连接在连接臂62的一端，所述连接臂62的另一端连接在连接管63的一端，所述连接管63的另一端连接提升套管64的一端，所述提升套管64另一端连接到笔形气缸65，所述笔形气缸65连接到外部电源；所述固定支架61与上外保温筒41之间通过固定组件7固定连接；所述固定支架61、连接臂62、连接管63和提升套管64可以在所述笔形气缸65的驱动作用下实现升降，从而带动上外保温筒41的上下往复移动。

作为优选，所述固定组件7为采用碳/碳复合材料制作的螺栓螺母，所述碳/碳复合材料的密度≥1.3g/cm3，抗弯强度≥80mpa，是碳纤维增强碳基体的高性能复合材料，以满足工作强度和单晶炉内的环境。

在本实施例中，所述上外保温筒41和所述上内保温筒42之间的间隙为1mm，确保在所述提升机构6提升上外保温筒41的顺利进行。

作为优选，所述上外保温筒41的厚度大于或等于上内保温筒42的厚度，以确保在等径生长阶段尽量提高热场的纵向温度梯度；在本实施例中，所述上外保温筒41的厚度为30mm，所述上内保温筒42的厚度为30mm。

本实施例的具体使用过程是：

首先将下保温筒2固定安装在底部高温板1上、中保温筒3密封扣合在下保温筒2上、上保温筒4密封扣合在中保温筒3上、上保温板5固定安装在上保温筒4上端，完成本实施例的组装，再将本实施例整体安装至单晶炉内，底部高温板1固定于单晶炉底部；在熔料阶段，所述上外保温筒41扣合在中保温筒3的顶部，即与所述上内保温筒42处于重叠状态，此时上保温筒4的厚度即上外保温筒41和上内保温筒42的厚度之和大于中保温筒3的厚度，从而减少热量的散失，进而减少硅料的熔料时间，降低能耗；在等径生长阶段，所述上外保温筒41被所述提升机构6提升至所述上内保温筒42上方，即与所述上内保温筒42处于错开的状态，此时上保温筒4的厚度上外保温筒41和上内保温筒42的厚度之和小于中保温筒3的厚度，从而降低热场上部的温度，提高热场的纵向温度梯度，进而提高晶体的等径生长速度，降低单晶硅棒生产的能耗。

实施例二

如图1至图2所示的另一种单晶炉用保温筒结构，包括相互匹配并依次连接的底部高温板1、下保温筒2、中保温筒3、上保温筒4以及上保温板5，所述上保温筒4包括上外保温筒41和上内保温筒42，所述上外保温筒41固定连接提升机构6并能在所述提升机构6的驱动作用下相对于所述上内保温筒42做上下往复移动，其中，所述上外保温筒41和上内保温筒42的厚度之和大于或等于所述中保温筒3的厚度，所述上内保温筒42的厚度小于所述中保温筒3的厚度。

具体的，所述提升机构6包括一端与所述上外保温筒41连接的固定支架61，所述固定支架61的另一端连接连接臂62的一端，所述连接臂62的另一端连接管63的一端，所述连接管63的另一端连接提升套管64的一端，所述提升套管64另一端连接到笔形气缸65；其中，固定支架61与连接臂62之间、连接臂62与连接管63之间、连接管63与提升套管64之间均采用螺栓组件固定连接。

与实施例一不同的是：在本实施例中，所述上外保温筒41和上内保温筒42相互平行，且二者之间的间隙为5mm；所述上外保温筒41的厚度为50mm，所述上内保温筒42的厚度为45mm。其余部分与使用过程与实施例一相同。

实施例三

如图3至图4所示的一种单晶炉，包括单晶炉腔体16以及内置于所述单晶炉腔体16的加热器8、托杆轴15、埚托17、石英坩埚9、导流筒11、籽晶拉杆14以及反射板18，还包括如实施例一或实施例二所述的单晶炉用保温筒结构，所述单晶炉用保温筒结构的外沿贴近所述单晶炉腔体16的内壁，所述石英坩埚9、托杆轴15、埚托17相对于所述单晶炉腔体16做上下往复移动；所述石英坩埚9内放置有硅熔体10，所述籽晶拉杆14上附着有籽晶13，所述硅熔体10和籽晶13反应生成硅晶体12。

更具体的，所述反射板18固定于单晶炉腔体16的底部，所述加热器8通过螺栓组件固定安装在反射板18的上方，所述托杆轴15一端从单晶炉腔体16的底部伸出、另一端从下而上依次穿过单晶炉腔体16底板、底部保温板1、反射板18连接埚托17，所述石英坩埚9固定放置于埚托17上，所述导流筒11置于石英坩埚9上方，其顶部通过螺栓组件固定于上保温板5上。

在熔料阶段，托杆轴15、埚托17和石英坩埚9处于下段行程，所述单晶炉用保温筒结构的上外保温筒41扣合在中保温筒3的顶部；

在等径生长阶段，托杆轴15、埚托17和石英坩埚9处于上段行程，所述单晶炉用保温筒结构的上外保温筒41被所述提升机构6提升至所述上内保温筒42上方。

具体使用时，单晶炉用保温筒结构的使用方法参照实施例一，其余部分与现有技术的使用方法相同，在此不作赘述。经生产实验证明，采用本实用新型提供的单晶炉在熔料阶段可以减少时间1～3小时，降低能耗20％～30％；在等径生长阶段，晶体的等径生长速度从原来的0.8～1.0mm/min提高至1.2～1.4mm/min，等径生长时间平均30～33h减少至23～27h，明显提高了拉晶的生产效率，降低了生产能耗400～650kw·h。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。