热场是多晶硅铸钻炉的心心脏,其内装石墨加热器、隔热层、坩埚和硅料等。多晶硅工艺生产过程必须通过加热室的调整来实现,因此,多晶硅铸锭炉加热室的结构设计显得至关重要。
1 加热方式分析
为使硅料熔融,必须采用合适的加热方式。从加热的效果而言,感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。如果采用感应加热的方式,由于磁场是贯穿硅料进行加热,在硅料内部内部很难形成稳定的温度梯度,破坏晶体生产的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度,因此我们优先采用辐射加热的方式。
2 加热器的设计
多晶硅铸锭炉加热器的加热能力必须超过1650℃,同时材料不能和硅材料反应,不对硅料造成污染,能在真空及惰性气氛中长期使用。符合使用条件可供选择的加热器有金属钨、钼和非金属石墨等。由于钨、钼价格昂贵,加工困难,而石墨来源广泛,可加工成各种形状。另外,石墨具有热惯性小、可以快速加热,耐高温、耐热冲击性好,辐射面积大、加热效率高、且基本性能稳定等特点,因此我们采用高纯石墨作为加热材料。根据盛装硅料坩埚的特点,加热器设计为如图2形状。
2.1石墨加热器的设计计算 该炉基本参数: 额定功率:165 KVA: 最大线电流:3800A: 最大输出电压:25V。 加热器的接线方式(见图3)。
由I线=3800A,可得:I相=3800/ √3=2194A
则每个电阻的电流:IR =2194/2=1097
每个电阻的阻值:R=25/1097=0.0228欧
该加热器由4块加热板组成,则每块加热板电阻:
R板=R*4/6=0.0228*4/6=0.0342欧
功率校核:P总=6V2/103R
代入得:P总=165KVA,符合额定功率指标。
2.2加热器表面负荷校核 由总功率可求出每块石墨加热板之功率为: P每块=165/4=41.25 KW 每块石墨加热板表面积: S=(21.2X47.0+5.8X4.8X2-9.6X36.4-0.5X3.14X4.8X4.8)X 3X2=3998.8cm2 石墨加热板实际表面负荷: W=41.25X1000/3998.8=10.32W/cm2 1600℃时,石墨加热器允许表面功率W=25W/cm
加热器设计符合要求。
2.3石墨加热器的应力校核
石墨在低温导热性良好,在高温时导热性下降,造成其表面与心部温度差使断面伸长不一致。产生热应力,从而导致石墨加热器损坏,故应计算其产生的热应力。
对于宽度比厚度大得多的板状电热元件:
W为电热元件表面负荷,此处W=10.32W/cm2;
b为板状电热元件厚度,此处b=0.02m;
为石墨导热系数,查石墨物理特性表,得376.8 KJ/(m·h·℃)
将各值代入,得:
t中心=1540.285℃
3 隔热材料的设计
对于铸锭工艺而言,为了提高生产效率,要求设备的升温速度尽可能快;由于采用真空工艺,要求炉内温度的放气量尽可能少,缩短真空排气的时间;同时硅料中温度梯度的形成还需要隔热层的精确提升实现,隔热层的质量要尽可能轻,以减少升降时的惯性而影响控制精度。综上所述对于隔热材料的选择要求是:耐高温、密度低、导热小、蓄热量少、隔热效果好、放气量少、质量轻、膨胀系数小,在众多的耐火保温材料中,以高纯碳毡最为理想,因此我们采用高纯固化碳毡作为隔热材料。
确定隔热层固化碳毡的厚度:
间歇生产的真空电炉,通常隔热层外壁面温度为200~300℃,水冷炉壳内温度为100-150℃,隔热层外表面的辐射换热系数可由下式计算:
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