CN103305901B - 一种晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构 - Google Patents
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Abstract
一种晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，涉及一种晶体材料的生长设备，包括下轴(12)、管路(13)和附加管(19)，在下轴(12)的内壁或外壁设有附加管(19)，所述附加管(19)与下轴(12)的内壁或外壁之间具有间隙(20)；管路(13)间隔设置在下轴(12)内附加管(19)的内孔(21)内或管路(13)间隔设置在附加管(19)包裹的下轴(12)内；本发明通过在下轴的外部或内部添加附加管，由附加管形成对坩埚下部空间的低温影响得到减小，有效地使热能散失问题得到控制，实现了热能温度的最大化利用的目的。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种晶体材料的生长设备，具体地说本发明涉及一种晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构。
【背景技术】
在多晶硅、单晶硅或蓝宝石等晶体材料生长过程中，其中多晶硅碎料在坩埚中生长成为多晶硅锭以及多晶硅转换为单晶硅时，通过对坩埚的加热温度控制，并利用设置在坩埚底部的籽晶，使融化并围绕籽晶新生长的晶体按照籽晶的晶粒排列方式进行排列：其中籽晶为单晶时，新生长晶体的硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，这些晶核长成与籽晶晶面取向相同的晶粒，则新生长的晶体就是单晶硅；若籽晶为多晶时，这些晶核长成与籽晶晶面取向不同的晶粒，则新生长的晶体就是多晶硅；但是这个过程必须是在一个密闭的炉体内完成的。
在新晶体生长的过程中，炉室内的坩埚需要形成下低上高的温度梯度，为了形成温度梯度，传统设备通过改变坩埚的下部保温效果，增加热量的散失以便形成坩埚所需的下低上高的温度梯度。
也有技术是通过在下轴内通入液氦等低温流体，由低温流体实现带走坩埚下部热量的目的，使籽晶的温度略低于碎料熔体温度5～10℃；从而形成坩埚内的上下温度差“温度梯度”的效果；
下轴在使用时，所述下轴与坩埚的底部需要紧密连接，形成下轴与坩埚底部的温度导体；
另一种是在坩埚外围设置套筒，下轴与坩埚不接触，通过套筒的隔热效果，由下轴使得坩埚的下部形成低温区域，实现坩埚内的上下温度差“温度梯度”的效果；
结合附图1的结构“附图1为本发明人在先申请的发明专利，{一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置及其方法，申请号、201210020279.0，申请日2012年1月10日)”，坩埚(7)设置在炉室(2)内保温罩(1)中下轴(12)的上端，在坩埚(7)内的底部放入籽晶(8)，在籽晶(8)上放置晶体材料(6)，将坩埚(7)下部处于套筒内“所述套筒可以是多层的或单层的，但是在使用多层套筒时，套筒外筒(9)与套筒内筒(10)上端之间或通过上连接环(4)；或通过盖环(3)封闭，防止套筒外筒(9)失去保低温的作用，套筒内筒(10)下部或不与炉室底板或底部保温层(16)接触，也就是套筒内筒(10)下部设置的中部筒底(14)”通过套筒固定套(15)固定在下轴(12)中部”，套筒的外部设有发热体(5)，所述发热体(5)分别连接电源的正负极，发热体(5)对套筒辐射加热，同步也对坩埚(7)上部的晶体材料(6)加热，这一过程中坩埚(7)上部的所述晶体材料(6)受益最大，加热速度也明显快于坩埚(7)下部的晶体材料(6)和籽晶(8)，套筒将热量传递给坩埚(7)，同时所述下轴(12)内管路(13)通入冷却介质，下轴(12)与坩埚(7)的底部为接触或非接触的，接触时可使用坩埚固定套(11)将下轴(12)与坩埚(7)连接固定，所述下轴(12)四周的内筒(10)中形成低温区，所述套筒发挥作用；一是使下轴(12)四周形成的低温区内低温尽可能少的扩散；二是使坩埚(7)内上部的晶体材料(6)融化，并尽快并逐渐向下融化，当所述坩埚(7)内的晶体材料(6)全部融化时，所述籽晶(8)的上端头部也开始部分融化，由于下轴(12)内冷却介质的作用，籽晶(8)融化明显晚于籽晶(8)上部的晶体材料(6)融化的速度；而后降低发热体(5)的温度，低温区的低温传递给坩埚(7)，使所述坩埚(7)由底部开始至上部缓慢均匀降温，形成温度梯度，坩埚(7)内融化的晶体材料(6)由底部籽晶(8)处开始生长结晶，获取晶体材料块。
结合附图2，也有不使用套筒的，下轴(12)上端与坩埚(7)的底部连接，在下轴(12)内通入的冷却介质管路(13)中通入冷却介质，仅利用下轴(12)上端的低温降低坩埚(7)的底部，形成温度梯度。
上述温度梯度方式虽然说较好的实现了降温目的，但下轴(12)结构外围温度在实现了温度梯度控制的同时，当下轴(12)内直接通入冷却介质时，难免会使下轴(12)与坩埚(7)的温度形成一个温度差，从而导致下轴在冷却过程中往往会带走炉室内较多的热量，最终造成能源的浪费，那么如何减小由于下轴与坩埚的温度差，不使下轴在冷却过程中过多的带走炉室内的温度，减少能源的浪费就成了发明人一直想要克服的技术诉求，而且通过检索现有文献尚未发现相关报道。
【发明内容】
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，本发明通过在下轴的外部或内部添加附加管，由附加管形成对坩埚下部空间的低温影响得到减小，有效地使热能散失问题得到控制，实现了热能温度的最大化利用的目的
为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，包括下轴、管路和附加管，在下轴的内壁或外壁设有附加管，所述附加管与下轴的内壁或外壁之间具有间隙；管路间隔设置在下轴内附加管的内孔内或管路间隔设置在附加管包裹的下轴内。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，所述下轴的上端设置为封闭结构。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，所述下轴上端的封闭结构为，在所述下轴上端的敞口上覆盖下轴上端封盖，下轴上端封盖与下轴上端的敞口为嵌入式连接或覆盖式连接；其中覆盖式连接时封盖外缘等于下轴直径或小于下轴直径。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，所述附加管与下轴的内壁之间的间隙，附加管上端为封闭端或敞口结构，下轴内壁为光面，在下轴内壁设置的附加管外壁设有外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽；由外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽之间的间隙形成隔温结构。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，附加管外壁为光面，下轴的内壁设有内轮齿、间隔凹陷或内螺纹，由内轮齿、间隔凹陷或内螺纹之间的间隙形成隔温结构。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，附加管的外壁与下轴的内壁之间设有间距，在附加管外壁间隔设有多个凹槽或在下轴的内壁间隔设有多个凹槽，在下轴的内壁与附加管外壁之间插入插柱，由附加管外壁和下轴内壁的插柱与插柱之间形成间隙隔温结构。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，所述附加管与下轴外壁之间的间隙，附加管包裹下轴外部，在下轴外部设有外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽；由外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽之间的间隙形成隔温结构。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，下轴外壁为光面，附加管的内壁设有内轮齿、间隔凹陷或内螺纹，由内轮齿、间隔凹陷或内螺纹之间的间隙形成隔温结构。
所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，下轴的外壁与附加管的内壁之间设有间距，在下轴外壁间隔设有多个凹槽或在附加管的内壁间隔设有多个凹槽，在附加管的内壁与下轴外壁之间插入插柱，由下轴外壁和附加管内壁之间的插柱与插柱之间形成间隙隔温结构。
通过上述公开内容，本发明的有益效果是：
本发明所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，通过在下轴的外部或内部添加附加管，由附加管形成对坩埚下部空间的低温影响得到减小，使得确保温度梯度的同时，热能损失降到最低；本发明结构简单，有效地使热能散失问题得到控制，使坩埚内上部的晶体材料获取了高于坩埚下部晶体材料的温度，实现了热能温度的最大化利用的目的。
【附图说明】
图1是一种现有温度梯度实现方法的结构示意图；
图2是另一种现有温度梯度实现方法的结构示意图；
图3是本发明的立体结构示意图；
图4是本发明的附加管立体结构示意图；
图5是本发明的附加管另一实施例立体结构示意图；
图6是本发明的附加管第三实施例立体结构示意图；
图7是本发明的附加管第四实施例结构与下轴的装配示意图；
图8是本发明的附加管第五实施例结构与下轴的装配示意图；
图9是本发明的下轴内壁设置内轮齿实施例结构与附加管的装配示意图；
图10是本发明的下轴内壁设置内螺纹实施例结构与附加管的装配示意图；
在图中：1、保温罩；2、炉室；3、盖环；4、上连接环；5、发热体；6、晶体材料；7、坩埚；8、籽晶；9、套筒外筒；10、套筒内筒；11、坩埚固定套；12、下轴；13、管路；14、中部筒底；15、套筒固定套；16、炉室底板或底部保温层；17、下轴上端封盖；18、封盖外缘；19、附加管；20、间隙；21、内孔；22、封闭端；23、外轮齿；24、内轮齿；25、螺纹；26、插柱。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明；下面的实施例并不是对于本发明的限定，仅作为支持实现本发明的方式，在本发明所公开的技术框架内的任意等同结构替换，均为本发明的保护范围；
结合附图3～10中给出的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，主要包括下轴12、管路13和附加管19，在下轴12的内壁插入或外壁套有附加管19，所述附加管19与下轴12的内壁或外壁之间具有间隙20；管路13间隔设置在下轴12内的附加管19的内孔21中或管路13间隔设置在附加管19包裹的下轴12内；根据使用需求，所述下轴12的上端通过下轴上端封盖17进行封闭，但下轴12上端的敞口上所覆盖的下轴上端封盖17，为嵌入式连接或覆盖式连接；也就是下轴上端封盖17外缘与下轴12上端的敞口内径相同，通过焊接形成一体；或下轴上端封盖17设置为等同下轴12外缘的直径，通过焊接形成一体。
结合附图4～10，所述附加管19与下轴12的内壁之间的间隙20，附加管19上端为封闭端22或敞口结构，下轴12内壁为光面，在下轴12内壁设置的附加管19外壁设有外螺纹、外轮齿23、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽；由外螺纹、外轮齿23、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽之间的间隙20形成隔温结构；或附加管19外壁为光面，下轴12的内壁设有内轮齿24、间隔凹陷或内螺纹25，由内轮齿24、间隔凹陷或内螺纹25之间的间隙20形成隔温结构；或附加管19的外壁与下轴12的内壁之间设有间距，在附加管19外壁间隔设有多个凹槽或在下轴12的内壁间隔设有多个凹槽，在下轴12的内壁与附加管19外壁之间插入插柱26，由附加管19外壁和下轴12内壁的插柱26与插柱26之间形成间隙20隔温结构；上述结构仅是列举可实施的几种方法，最终目的是下轴内壁与附加管19外壁之间具有间隙，所以下轴内壁与附加管19外壁之间具有间隙均是本发明想要表达或需要保护的。
作为上述结构的替换方式，也可采用附加管19包裹下轴12的方式，即所述附加管19与下轴12外壁之间的间隙20，附加管19包裹下轴12外部，在下轴12外部设有外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽；由外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽之间的间隙20形成隔温结构；或下轴12外壁为光面，附加管19的内壁设有内轮齿、间隔凹陷或内螺纹，由内轮齿、间隔凹陷或内螺纹25之间的间隙20形成隔温结构；下轴12的外壁与附加管19的内壁之间设有间距，在下轴12外壁间隔设有多个凹槽或在附加管19的内壁间隔设有多个凹槽，在附加管19的内壁与下轴12外壁之间插入插柱26，由下轴12外壁和附加管19内壁之间的插柱26与插柱26之间形成间隙20隔温结构；这些结构图中未显示，根据下轴12与附加管19的内外替换并结合附图3～10便可轻易导出这些替换结构。
实施本发明所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，在下轴的外部或内部添加附加管，由附加管形成对坩埚下部空间的低温影响得到减小，使得确保温度梯度的同时，热能损失降到最低，在坩埚外部设置套筒且坩埚下部与下轴连接时，使用本发明会形成坩埚底部籽晶位置最低，坩埚下部略低，坩埚上部温度最高，获取理想的温度梯度；若坩埚外部设置套筒且坩埚下部与下轴不连接时，套筒内对应坩埚的下轴上端距离较近，坩埚的其它位置距离较远，坩埚可同样获取较为理想的温度梯度；若无套筒时，下轴上端也可使坩埚获取温度梯度；本发明不仅适应在先申请专利“一种生长晶体材料时的温度梯度控制装置及其方法，申请号、201210020279.0，申请日2012年1月10日”和“晶体生长时利用多层套筒形成的温度梯度控制结构及方法，申请号、201210028171.6，申请日2012年2月9日”使用。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。
Claims (9)
1.一种晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，包括下轴(12)、管路(13)和附加管(19)，在下轴(12)的内壁设有附加管(19)，所述附加管(19)与下轴(12)的内壁之间具有间隙(20)，附加管(19)上端设置为封闭端(22)；管路(13)间隔设置在下轴(12)内附加管(19)的内孔(21)内，所述下轴(12)的上端设置为封闭结构。
2.一种晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，包括下轴(12)、管路(13)和附加管(19)，在下轴(12)的内壁设有附加管(19)，所述附加管(19)与下轴(12)的内壁之间具有间隙(20)，附加管(19)上端为封闭端(22)；管路(13)间隔设置在下轴(12)内附加管(19)的内孔(21)内；在所述下轴(12)上端的敞口上覆盖下轴上端封盖(17)，下轴上端封盖(17)与下轴(12)上端的敞口为嵌入式连接或覆盖式连接；其中覆盖式连接时封盖外缘(18)等于下轴(12)外缘面直径或小于下轴(12)外缘面直径。
3.根据权利要求1或2所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，其特征是：所述附加管(19)设置方式的替换结构为在下轴(12)的外壁设有附加管(19)，所述附加管(19)与下轴(12)的外壁之间具有间隙(20)；管路(13)间隔设置在附加管(19)包裹的下轴(12)内。
4.根据权利要求1或2所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，其特征是：所述附加管(19)与下轴(12)的内壁之间的间隙(20)，附加管(19)上端为封闭端(22)，下轴(12)内壁为光面，在下轴(12)内壁设置的附加管(19)外壁设有外螺纹、外轮齿(23)、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽；由外螺纹、外轮齿(23)、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽之间的间隙(20)形成隔温结构。
5.根据权利要求1或2所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，其特征是：附加管(19)外壁为光面，下轴(12)的内壁设有内轮齿(24)、间隔凹陷或内螺纹(25)，由内轮齿(24)、间隔凹陷或内螺纹(25)之间的间隙(20)形成隔温结构。
6.根据权利要求1或2所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，其特征是：附加管(19)的外壁与下轴(12)的内壁之间设有间距，在附加管(19)外壁间隔设有多个凹槽或在下轴(12)的内壁间隔设有多个凹槽，在下轴(12)的内壁与附加管(19)外壁之间插入插柱(26)，由附加管(19)外壁和下轴(12)内壁的插柱(26)与插柱(26)之间形成间隙(20)隔温结构。
7.根据权利要求3所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，其特征是：所述附加管(19)与下轴(12)外壁之间的间隙(20)，附加管(19)包裹下轴(12)外部，在下轴(12)外部设有外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽；由外螺纹、外轮齿、弹簧状槽、间隔凹陷、凸起块、凸起点或纵横交错的凹槽之间的间隙(20)形成隔温结构。
8.根据权利要求3所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，其特征是：下轴(12)外壁为光面，附加管(19)的内壁设有内轮齿、间隔凹陷或内螺纹，由内轮齿、间隔凹陷或内螺纹(25)之间的间隙(20)形成隔温结构。
9.根据权利要求3所述的晶体生长时下轴对坩埚的柔性降温结构，其特征是：下轴(12)的外壁与附加管(19)的内壁之间设有间距，在下轴(12)外壁间隔设有多个凹槽或在附加管(19)的内壁间隔设有多个凹槽，在附加管(19)的内壁与下轴(12)外壁之间插入插柱(26)，由下轴(12)外壁和附加管(19)内壁之间的插柱(26)与插柱(26)之间形成间隙(20)隔温结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Flexible cooling structure of shaft to crucible in crystal growth Effective date of registration: 20180110 Granted publication date: 20161005 Pledgee: Xin Rong investment Company limited by guarantee Pledgor: Luoyang Jinnuo Mechanical Engineering Co., Ltd. Registration number: 2017410000032 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20190614 Granted publication date: 20161005 Pledgee: Xin Rong investment Company limited by guarantee Pledgor: Luoyang Jinnuo Mechanical Engineering Co., Ltd. Registration number: 2017410000032 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |