单晶炉热场加热器、加热方法及单晶炉

技术领域

本发明涉及单晶炉技术领域，尤其涉及一种单晶炉热场加热器、加热方法及单晶炉。

背景技术

加热器作为单晶炉热场的核心部件，对热场分布及晶体品质的控制起着至关重要的作用。合理的加热器结构，不仅可以提供合适的温度梯度，提高晶体质量，同时还可以提高单晶炉热场的使用寿命，降低设备的成本及风险。

现有技术中，加热器通常为石墨加热器，采用电阻加热原理，但是，采用石墨加热器进行电加热，而电能的产生过程大多会产生二氧化碳的排放，对环境造成污染。

发明内容

本发明提供一种单晶炉热场加热器、加热方法及单晶炉，用以解决现有技术中加热器采用电阻加热原理会造成环境污染的缺陷，通过采用氢能加热组件，整个过程不会产生二氧化碳，有利于环保。

本发明提供一种单晶炉热场加热器，设置于坩埚的外周和底部，包括：氢能加热组件，所述氢能加热组件用于对所述坩埚进行加热。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，所述氢能加热组件包括：

第一辐射组件，设置于所述坩埚的外周侧；

第二辐射组件，设置于所述坩埚的外底侧；

多个氢气直燃燃烧器，所述氢气直燃燃烧器至少与所述第一辐射组件和所述第二辐射组件其中一者连接；且每个所述氢气直燃燃烧器上开设有第一氢气进口和第一水蒸气排出口。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，第一辐射组件为多个第一辐射管，且多个所述第一辐射管均匀分布于所述坩埚的外周侧；且每个所述第一辐射管竖直设置；

所述第二辐射组件为多个第二辐射管，且多个所述第二辐射管均匀分布与所述坩埚的外底侧；且每个所述第二辐射管水平设置。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，连接相邻所述第二辐射管的所述氢气直燃燃烧器位于所述坩埚的异侧。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，所述第一辐射组件为螺旋弯管或圆环型管；所述第二辐射组件为螺旋弯管或圆环型管。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，所述氢能加热组件包括：

第一氢气红外加热板，设置于所述坩埚的外周侧；

第二氢气红外加热板，设置于所述坩埚的底侧；

且所述第一氢气红外加热板和所述第二氢气红外加热板上均设置有第二氢气进口、氧气进口、催化剂进口和第二水蒸气排出口。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，所述第一氢气红外加热板具有多个，且每个所述第一氢气红外加热板设置为弧形，多个所述第一氢气红外加热板围成的形状与所述坩埚的外壁相适配。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，所述第二氢气红外加热板为方形或圆形。

根据本发明提供的一种单晶炉热场加热器，所述第一辐射管和所述第二辐射管为圆形陶瓷管。

本发明还提供一种单晶炉热场加热方法，利用上述的单晶炉热场加热器，通过氢能加热组件对坩埚进行加热。

本发明还提供一种单晶炉，包括如上所述的单晶炉热场加热器。

本发明提供的单晶炉热场加热器，通过氢能加热组件对坩埚进行加热，利用氢能加热，相对于现有技术中的电加热，不产生二氧化碳，有利于环保，而且，氢能加热组件还可以采用红外辐射的方式对单晶炉进行加热，热损耗较小，加热速度快、加热均匀。

本发明还提供一种单晶炉热场加热方法，由于利用如上所述的单晶炉热场加热器，因此具备如上所述的各种优势。

本发明还提供一种单晶炉，由于包括如上所述的单晶炉热场加热器，因此具备如上所述的各种优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本发明提供的单晶炉热场加热器的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的氢气直燃燃烧器的一个实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的单晶炉热场加热器的另一个实施例的结构示意图；

附图标记：

1、坩埚；2、氢能加热组件；

21、第一辐射管；22、第二辐射管；23、氢气直燃燃烧器；

231、第一氢气进口；232、第一水蒸气排出口；233、燃烧口；

24、第一氢气红外加热板；25、第二氢气红外加热板；

251、第二氢气进口；252、氧气进口；253、催化剂进口；254、第二水蒸气排出口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合图1至图3描述本发明的单晶炉热场加热器。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种单晶炉热场加热器，设置于坩埚1的外周和底部，包括氢能加热组件2，氢能加热组件2用于对坩埚1进行加热。氢能加热组件2是利用氢能的清洁能源对坩埚1进行加热，在单晶炉热场加热器领域为新的加热方式，在加热过程中，不会产生二氧化碳，有利于环保。

需要说明的是，坩埚1通常为两层，两层坩埚相套设设置，且两层坩埚之间具有较小的缝隙，一般设置为25mm左右，内部为石英坩埚，外侧为碳碳坩埚，坩埚的设置为现有技术，在此不再赘述。氢能加热组件2与外侧的碳碳坩埚之间需要保持一定的距离。

具体地，通常来说，坩埚的侧周与氢能加热组件2的距离在25mm左右，若距离过远，热量会在空气中传递导致热量流失，进而降低加热效果，若距离过近，担心有误操作导致氢能加热组件2与坩埚1触碰，增加发生安全事故的风险。

具体地，坩埚1的底侧与氢能加热组件2之间的距离一般在40-45mm，更进一步的，应理解为坩埚的埚托与氢能加热组件2之间的距离，若距离过远，热量会在空气中传递导致热量流失，进而降低加热效果，若距离过近，担心有误操作导致触碰，增加发生安全事故的风险。

如图1所示，优选地，在本发明的一个实施例中，氢能加热组件2为可进行氢气直燃的陶瓷辐射管燃烧器进行加热。具体的，氢能加热组件2可以包括第一辐射组件、第二辐射组件和多个氢气直燃燃烧器23。第一辐射组件设置于坩埚的外周侧，第二辐射组件设置于坩埚的外底侧；每个氢气直燃燃烧器上开设有第一氢气进口231和第一水蒸气排出口232。

其中，第一辐射组件可以为多个第一辐射管21。多个第一辐射管21均匀分布于坩埚1的外周侧，第一辐射管21的高度与坩埚1相持平，以使第一辐射管21在坩埚1的轴向方向上受热均匀，第一辐射管21的内侧与碳碳坩埚的外侧之间的距离通常为25mm左右。

第二辐射组件可以为多个第二辐射管22，且多个第二辐射管22均匀分布于坩埚1的外底侧；第二辐射管22的两端接近坩埚1的侧边缘，以使第二辐射管22在坩埚1的径向方向上的受热均匀，第二辐射管22的顶端与碳碳坩埚的底侧之间的距离通常为40-45mm。由于坩埚1是可升降的，因此，在加热过程中，可将坩埚下降到与第二辐射管22顶端相距40-45mm，避免误操作导致触碰，避免引发安全事故。

每个氢气直燃燃烧器23至少与第一辐射管21和第二辐射管22其中一者连接；可以理解为每个氢气直燃燃烧器23可以仅与第一辐射管21连接，可以仅与第二辐射管22连接，也可以同时与第一辐射管21和第二辐射管22连接。通常来说，氢气直燃燃烧器23连接于第一辐射管21的底部；且每个氢气直燃燃烧器23上开设有第一氢气进口231和第一水蒸气排出口232，第一氢气进口231用于接入氢气气源，第一水蒸气排出口232用于排出氢气反应发生的产物，具体第一水蒸气排出口232可以根据单晶炉的结构自行设置。第一辐射管21的一端与氢气直燃燃烧器23连接，另一端为封闭形式；第二辐射管22的一端与氢气直燃燃烧器23连接，另一端为封闭形式；以确保氢气直燃燃烧器23内的氢气能在第一辐射管21和第二辐射管22内燃烧产生热量。

需要说明的是，当氢气直燃燃烧器23仅与第一辐射管21连接时，氢气直燃燃烧器23则需要开设有一个燃烧口233，燃烧口233用于与第一辐射管21连通，以使氢气气源在第一辐射管21内燃烧释放热量，将热量传递到第一辐射管21。同理，当氢气直燃燃烧器23仅与第二辐射管22连接时，氢气直燃燃烧器23则也需要开设一个燃烧口233，燃烧口233用于与第二辐射管22连通，以使氢气气源在第二辐射管22内燃烧释放热量，将热量传递到第二辐射管22。当氢气直燃燃烧器23同时与第一辐射管21、第二辐射管22连接时，则氢气直燃燃烧器23则需要开设两个燃烧口233，且两个燃烧口233的开口方向分别朝向第一辐射管21和第二辐射管22，也就是燃烧口233的轴线与第一辐射管21、第二辐射管22的轴线重合。

而且，同时与第一辐射管21、第二辐射管22连接的氢气直燃燃烧器23可以相邻设置，也可以间隔设置。即，相邻设置时，同时与第一辐射管21、第二辐射管22连接的氢气直燃燃烧器23位于坩埚的同一侧；间隔设置时，同时与第一辐射管21、第二辐射管22连接的氢气直燃燃烧器23位于坩埚的异侧。

其中，多个第一辐射管21之间的间距可根据需要自行设定，不仅能确保相邻的第一辐射管21之间不会发生干涉，而且相邻的第一辐射管21产生的热量还能够均衡地散发到坩埚1表面。同理，多个第二辐射管22之间的间距也可以根据需要自行设定，不仅能确保相邻的第二辐射管22之间不会发生干涉，而且相邻的第二辐射管22产生的热量还能够给均衡地散发到坩埚底侧面。通常来说，由于第二辐射管22需要与第一辐射管21共用氢气直燃燃烧器23，因此，当相邻第一辐射管21的间距确定以后，第二辐射管22的间距也能够确定。

优选地，在本发明的一个实施例中，第一辐射管21竖直设置，以确保第一辐射管21的热量能够均匀地传递到坩埚1外表面，同理，第二辐射管22水平设置，以确保第二辐射管22的热量能够均匀地传递到坩埚1的底表面。

优选地，在本发明的一个实施例中，连接相邻第二辐射管22的氢气直燃燃烧器23位于坩埚1的异侧，即，相邻第二辐射管22的气源分布于坩埚1的异侧，以能够确保坩埚的底部加热更加均匀。

优选地，在本发明的一个实施例中，第一辐射管21和第二辐射管22为圆形陶瓷管，以使加热更加均匀。当然，第一辐射管21和第二辐射管22的形状和材质均不受限定，只要能实现传递热量的效果均可。形状可以为圆柱，可以为棱柱，材质只要是传热系数高的即可，例如采用金属材质时，可以为铜和铝等，采用非金属材质时，可以为金刚石等，对形状和材质的常规置换均在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，氢气直燃燃烧器23可以为任何结构形式的燃烧器，只要能实现氢气直燃即可，可以理解为，当有氢气气源接入燃烧器后，氢气直燃燃烧器23可以直接实现氢气的燃烧，从而产生热量。氢气直燃燃烧器23本身的结构和功能为现有技术，在此不再赘述。

由此，以上实施例的发明点在于通过氢气直燃燃烧器23、第一辐射管21和第二辐射管22为坩埚1加热，用氢气能源代替传统的电加热，新的受热方式，不产生二氧化碳，减少环境污染(电能虽然本身为清洁能源，但是电能产生大多数还是为火电，即通过利用煤、石油、天然气等固体、液体燃料燃烧所产生的热能转换为动能以生产电能，因此可以认为电能的利用会间接对环境造成污染)。

另外，第一辐射组件还可以为螺旋弯管或圆环型管，第二辐射组件还可以为螺旋弯管或圆环型管，即，第一辐射组件采用环绕式，第一辐射组件环绕于坩埚1的侧外周，第二辐射组件均匀分布于坩埚1的底侧。当第一辐射组件或第二辐射组件为螺旋弯管时，可以采用一个氢气直燃燃烧器23，当第一辐射组件采用多个圆环型管时，多个圆环型管首尾相接时，可以采用一个氢气直燃燃烧器23，多个圆环型管上下平行排列时，可以采用多个氢气直燃燃烧器23与多个圆环型管一一对应连接，在实际使用过程中，根据实际需要自行设定即可。当第二辐射组件采用多个圆环型管时，多个圆环型管相互套设，均匀分布于坩埚1的底侧。当第二辐射组件采用螺旋弯管时，仅采用一个氢气直燃燃烧器即可。第一辐射组件和第二辐射组件在坩埚1外周侧和底侧分布得越均匀，加热效果越好。

如图3所示，优选地，在本发明的一个实施例中，氢能加热组件2包括第一氢气红外加热板24和第二氢气红外加热板25，第一氢气红外加热板24设置于坩埚1的外周侧，第一氢气红外加热板24用于对坩埚的外周侧进行红外加热，为顶部和底部均通透的环状体，第一氢气红外加热板24可以为整体式，也可以为分体式；第二氢气红外加热板25设置于坩埚1的底侧，第二氢气红外加热板25用于对坩埚的底侧进行红外加热；且第一氢气红外加热板24和第二氢气红外加热板25上均设置有第二氢气进口251、氧气进口252、催化剂进口253和第二水蒸气排出口254，第二氢气进口251用于接通氢气气源，氧气进口252用于接通氧气气源，催化剂进口253用于接通催化剂气源，第二水蒸气排出口254用于排出氢气燃烧的产物。

优选地，在本发明的一个实施例中，当第一氢气红外加热板24为分体式时，第一氢气红外加热板24具有多个，且每个第一氢气红外加热板24设置为弧形，多个第一氢气红外加热板24围成的形状与坩埚1的外壁相适配，为了使坩埚的各个部位尽可能地均匀加热，相邻第一氢气红外加热板24之间的缝隙尽可能小。

如图3所示，当第一氢气红外加热板24为两个时，第一氢气红外加热板24则为U型加热板，也就是第一氢气红外加热板的俯视图为半圆形。

其中，第一氢气红外加热板24上的第二氢气进口251、氧气进口252、催化剂进口253和第二水蒸气排出口254位于第一氢气红外加热板24的一端时，为了保证第一氢气红外加热板24重心的平稳，另一端可以设置支撑结构。当然，还可以用额外的连接结构将相邻的第一氢气红外加热板24连接起来，只要能保证第一氢气红外加热板24重心的平稳即可。

优选地，在本发明的一个实施例中，第二氢气红外加热板25为方形或圆形，当第二氢气红外加热板25的形状可以根据实际需求自行设定，尽可能地分布于坩埚1的各个角落即可。

由此，以上实施例的发明点在于采用氢气的氧化反应辐射发热，采用辐射的方式加热，热损耗较小，加热速度快，加热均匀。

综上，本发明实施例提供一种单晶炉热场加热器，通过将氢能加热组件2设置于坩埚1的四周和底部，通过氢能加热组件2对坩埚1进行加热，用氢气代替现有技术中的电能作为加热器的能源，新的加热方式，不产生二氧化碳，减少了污染物的排放，有利于环境的保护。

其中，氢能加热组件2可以采用氢气直燃释放热量，也可以采用氢气氧化反应释放热量。

当氢能加热组件2采用氢气直燃释放热量时，氢能加热组件2包括第一辐射管21、第二辐射管22和氢气直燃燃烧器23，第一辐射管21、第二辐射管22均与氢气直燃燃烧器23连接，第一辐射管21设置于坩埚1的四周，第二辐射管22设置于坩埚1的底部，第一辐射管21和第二辐射管22均具有多个，且均匀分布，以确保第一辐射管21和第二辐射管22的热量能够均匀分布。

当氢能加热组件2采用氢气氧化反应释放热量时，氢能加热组件2包括第一氢气红外加热板24和第二氢气红外加热板25，第一氢气红外加热板24设置于坩埚1的四周，第二氢气红外加热板25设置于坩埚1的底部，第一氢气红外加热板24和第二氢气红外加热板25上分别设置有第二氢气进口251、氧气进口252、催化剂进口253和第二水蒸气排出口254，采用辐射的方式加热，热损耗较小，加热速度快、加热均匀。

下面对本发明提供的单晶炉热场加热方法进行描述，下文描述的单晶炉热场加热方法与上文描述的单晶炉热场加热器可相互对应参照。

本发明的第二方面实施例还在于提供了一种单晶炉热场加热方法，利用上述的单晶炉热场加热器，通过氢能加热组件2对坩埚1进行加热，用氢气代替电能作为加热器的能源，新的加热方式，不会产生二氧化碳，有利于环保。

其中，氢能加热组件可以采用氢气直燃燃烧器，也可以采用氢气触媒氧化反应的红外加热管，当采用氢气触媒氧化反应的红外加热管，采用辐射的方式加热，热损耗小，加热速度快，加热均匀。

本发明提供的单晶炉热场加热方法，一方面，采用氢气代替电能作为加热器的能源，新的加热方式，不产生二氧化碳，能够减少环境污染，有利于环保，另一方面，当氢能加热组件2设置为氢气红外加热时，采用辐射方式，热损耗小，加热速度快，加热均匀。

下面对本发明提供的单晶炉进行描述，下文描述的单晶炉与上文描述的单晶炉热场加热器可相互对应参照。

本发明的第三方面实施例还在于提供了一种单晶炉，包括上述所述的单晶炉热场加热器。

本发明第三方面实施例提供的单晶炉，由于包括如上所述的单晶炉热场加热器，采用氢能加热组件2对坩埚1进行加热，采用氢气作为加热器的能源，新的加热方式，在加热过程中不产生二氧化碳，有利于环保。

而且，单晶炉中的氢能加热组件可以采用氢气直燃的第一辐射管21和第二辐射管22、氢气直燃燃烧器23进行加热，也可以采用可进行氢气触媒氧化反应的第一氢气红外加热板24和第二氢气红外加热板25进行加热，当采用氢气触媒氧化反应的第一氢气红外加热板24和第二氢气红外加热板25进行加热时，采用辐射的方式加热，热损耗小，加热速度快，加热均匀，提高了加热效率。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。