CN113502533B - 一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，属于单晶硅直拉炉领域，一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，技术人员则可以根据单晶硅锭的冷却需要，调节冷却装置的冷却效果，由于尖端放电效应，在静电网接通后电子会沿着导热柱迁移到导热柱远离静电网的一端并存储，由于导热柱自身的电阻率不同，电阻率越低的导热柱上月越容易积攒静电，容易形成立直状态，使得高导热性能的导热部裸露在外，增加与水冷管之间的热交换效率，增加降温效率，可以通过对静电网上静电的控制来实现对绝缘隔热基体内侧各位置的导热柱的状态进行改变，进而实现对单晶硅硅锭不同位置实现精准的差异型冷却效率控制，增加单晶硅硅锭的成型效果。

Description

一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉

技术领域

本发明涉及单晶硅直拉炉领域，更具体地说，涉及一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉。

背景技术

单晶硅直拉炉是指切克劳斯基法（CZ法）制备单晶硅的主要仪器，把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。CZ法是利用旋转着的籽晶从绀蜗中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法，由于其方法简单，自动化高，生产效率高，现已成为单晶硅的主要生产方法。

在高温环境下熔融状态的单晶硅的温度较高，需要进行冷却才能进行之后的工序，现有技术中常使用布置于炉体下方的水冷管组进行单晶硅棒料的冷却，使得成型的单晶硅硅锭实现将降温，方便后续的工序。

单晶硅硅锭在定形的过程中，自身的质量会受到温度变化的影响，现有的水冷装置虽然可以通过对冷却水流量和冷却水温度的控制实现对冷却速率的影响，但是无法在同一个水冷装置内实现可控的冷却效率的梯度变化，对单晶硅的定形造成一定的影响，影响单晶硅硅锭的成型效果。

发明内容

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，可以实现工作人员对单晶硅硅锭不同位置实现精准的差异型冷却效率控制，增加单晶硅硅锭的成型效果，提升单晶硅硅锭的品质。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，包括固定连接在直拉炉炉壁内的冷却装置，冷却装置包括绝缘隔热基体，绝缘隔热基体的外侧固定连接有静电网，绝缘隔热基体内埋设有水冷管，静电网靠近绝缘隔热基体的一端连接有多个导热柱，多个导热柱远离静电网的一端贯穿绝缘隔热基体并延伸到绝缘隔热基体的内侧，导热柱位于绝缘隔热基体内部分交错呈网状分布，且缠绕在水冷管的外侧，导热柱位于绝缘隔热基体内侧的部分呈三维螺旋状，相邻导热柱纠缠在一起形成三维空间结构，导热柱包括相互匹配的导热部和绝缘部两部，导热部与绝缘部固定连接，导热部的一端与绝缘隔热基体固定连接，导热部的另一端与绝缘部固定连接，且导热部与绝缘部的连接处位于绝缘隔热基体的内侧，即导热部贯穿绝缘隔热基体并延伸至绝缘隔热基体的内侧，绝缘隔热基体和导热柱均选用耐高温的弹性导电材料制成，多个绝缘部的电阻率自下向上逐渐增高，可以实现工作人员对单晶硅硅锭不同位置实现精准的差异型冷却效率控制，增加单晶硅硅锭的成型效果，提升单晶硅硅锭的品质。

进一步的，导热部的长度为绝缘部的三倍，增加导热柱的有效导热体积，增加导热柱的导热效果。

进一步的，绝缘部上开凿有多个表面凹槽，增加绝缘部的静电附着面积，使得静电易于迁移到绝缘部上，便于进行热传导调节。

进一步的，多个绝缘部上表面凹槽开凿的个数自下向上逐渐降低，使得绝缘部自下向上静电负载能力逐渐降低，进一步增加绝缘部之间的静电复杂差距，易于实现梯次散热。

进一步的，绝缘部的附着密度自下向上逐渐降低，绝缘部密度越高，散热效果越好，可以利用绝缘部密度的调节对炉内导热性能进行调节。

进一步的，导热部和绝缘部内埋设有与自身相匹配的强化杆，增加绝缘部和表面凹槽的强度，使得绝缘部和表面凹槽不易在连接处断裂，不易形成导热柱的残屑，不易影响单晶硅锭的正常生产。

进一步的，强化杆的外壁上开凿有多个毛细裂纹，多个毛细裂纹均位于表面凹槽内侧，表面凹槽延伸至毛细裂纹内，增加表面凹槽与强化杆之间的连接强度，使得表面凹槽不易出现剥落，不易形成残屑，不易影响单晶硅锭的生产。

进一步的，毛细裂纹的影响深度不超过强化杆横截面直径的四分之一，不易影响强化杆的强度，使得强化杆不易沿毛细裂纹的方向折断。

进一步的，静电网包括导电索，导电索有多个高韧性的导电材料在编织而成，导电索裸露在绝缘隔热基体外侧的一端上涂覆有绝热涂层，可以有效减小静电外泄，不易造成触电事故，不易影响导热柱的调节效果。

进一步的，绝热涂层的外侧涂覆有耐磨层，使得绝热涂层不易磨损，不易影响绝热涂层的绝缘效果。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

在单晶硅锭在被提起的过程中，其经历不同的阶段需要进行不同程度的冷却，而技术人员则可以根据单晶硅锭的冷却需要，调节冷却装置的冷却效果，由于尖端放电效应，在静电网接通后电子会沿着导热柱迁移到导热柱远离静电网的一端并存储，由于导热柱自身的电阻率不同，电阻率越低的导热柱上月越容易积攒静电，容易形成立直状态，使得高导热性能的导热部裸露在外，增加与水冷管之间的热交换效率，增加降温效率，可以通过对静电网上静电的控制来实现对绝缘隔热基体内侧各位置的导热柱的状态进行改变，进而实现工作人员对单晶硅硅锭不同位置实现精准的差异型冷却效率控制，增加单晶硅硅锭的成型效果，提升单晶硅硅锭的品质。

同时通过对导热柱密度的调节和导热柱表面的整形，改变导热柱静电积累的容易程度，进而实现在静电网相同的电压的前提下，不同位置的绝缘部的不同状态，进而进一步调整绝缘部的散热梯次调节效果，增加单晶硅硅锭的成型效果，提升单晶硅硅锭的品质，同时通过表面凹槽增加导热部和绝缘部之间的连接强度，使得导热柱不易在使用过程中出现碎屑，不易影响单晶硅硅锭的正常成型。

特别的，本方案中的各个结构均需要耐受单晶硅硅锭成型时的温度，此为本领域技术人员的公知技术，故未在本申请中详细公开。

附图说明

图1为本发明的冷却装置在不同情况下的不同工作状态局部侧面剖视图；

图2为安装有本发明冷却装置的直拉炉的主要结构示意图；

图3为本发明的冷却装置的局部结构示意图；

图4为本发明的冷却装置的局部的侧面剖视图；

图5为本发明的冷却装置待命时的局部侧面剖视图；

图6为本发明的冷却装置局部散热时的局部侧面剖视图；

图7为本发明的冷却装置整体散热时的局部侧面剖视图；

图8为本发明的导热柱的结构示意图；

图9为本发明的导热柱拉直后的侧面剖视图；

图10为图10中A处的结构示意图；

图11为本发明的静电网处局部侧面剖视图。

图中标号说明：

1绝缘隔热基体、2静电网、201导电索、202绝热涂层、3导热柱、301导热部、302绝缘部、303表面凹槽、304强化杆、305毛细裂纹、4水冷管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是适配型号元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图2，本方案的单晶硅直拉炉内，单晶硅熔料放置于石英材质的坩埚中，坩埚放置在石墨托上，而坩埚和石墨托则会坩埚轴的作用下转动，在坩埚的外侧套设有保温中，保温罩内设置有电极，利用电极实现对保温罩内进行加热，使得单晶硅呈熔融状态，而在坩埚的上侧设有拉伸装置，拉伸装置内设置可以进行调控的电动轴轮，电动轴轮上缠绕有籽晶轴，而籽晶轴远离电动轴轮的一端连接有籽晶夹持器，拉伸装置可以带动籽晶轴与坩埚轴做相反方向的转动，将籽晶夹持器夹持的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长，利用旋转着的籽晶从绀蜗中的熔体中提拉制备出单晶硅锭。

请参阅图1和图3-8，一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，包括固定连接在直拉炉炉壁内的冷却装置，冷却装置包括绝缘隔热基体1，绝缘隔热基体1的外侧固定连接有静电网2，绝缘隔热基体1内埋设有水冷管4，静电网2靠近绝缘隔热基体1的一端连接有多个导热柱3，多个导热柱3远离静电网2的一端贯穿绝缘隔热基体1并延伸到绝缘隔热基体1的内侧，导热柱3位于绝缘隔热基体1内部分交错呈网状分布，且缠绕在水冷管4的外侧，导热柱3位于绝缘隔热基体1内侧的部分呈三维螺旋状，相邻导热柱3纠缠在一起形成三维空间结构，导热柱3包括相互匹配的导热部301和绝缘部302两部，导热部301与绝缘部302固定连接，导热部301的一端与绝缘隔热基体1固定连接，导热部301的另一端与绝缘部302固定连接，且导热部301与绝缘部302的连接处位于绝缘隔热基体1的内侧，即导热部301贯穿绝缘隔热基体1并延伸至绝缘隔热基体1的内侧，绝缘隔热基体1和导热柱3均选用耐高温的弹性导电材料制成，多个绝缘部302的电阻率自下向上逐渐增高。

特别的，本方案图3-4内的冷却装置仅为冷却装置的局部结构，其水冷管4另需完整的供水和控制系统，其结构也为不完整状态，其状态为完整的闭合结构，静电网2则另需控制终端和供电结构，使得静电网2可以正常的供给静电和进行电中和工作，上述结构和对应的辅助结构均为本领域技术人员的公知技术，本领域技术人员可以根据现有技术进行合理的布设和使用以达到目标效果，故未在本申请中详细公开。

在冷却装置处于待命状态时，多个导热柱3相互纠缠覆盖在绝缘隔热基体1的内测，远离静电网2一端的绝缘部302相互交错形成三维空间立体结构，低导热性能的绝缘部302会形成保温层，减小绝缘隔热基体1与炉内的单晶硅锭之间的热交换。

在单晶硅锭在被提起的过程中，其经历不同的阶段需要进行不同程度的冷却，而技术人员则可以根据单晶硅锭的冷却需要，调节冷却装置的冷却效果，由于尖端放电效应，在静电网2接通后电子会沿着导热柱3迁移到导热柱3远离静电网2的一端并存储，由于导热柱3自身的电阻率不同，电阻率越低的导热柱3上月越容易积攒静电，容易形成立直状态，使得高导热性能的导热部301裸露在外，增加与水冷管4之间的热交换效率，增加降温效率，可以通过对静电网2上静电的控制来实现对绝缘隔热基体1内侧各位置的导热柱3的状态进行改变，进而实现工作人员对单晶硅硅锭不同位置实现精准的差异型冷却效率控制，增加单晶硅硅锭的成型效果，提升单晶硅硅锭的品质。

特别的，可以通过对静电网2上电力的调整，改变导热柱3的具体形态，如局部地区可以出现介于待命状态和立直状态之间的形态，以达到调节不同位置散热效果的目的，而对静电网2上电力的调整方法及其操作为本领域技术人员的公知技术，故未在本申请中详细公开。

请参阅图8-10，导热部301的长度为绝缘部302的三倍，增加导热柱3的有效导热体积，增加导热柱3的导热效果，绝缘部302上开凿有多个表面凹槽303，增加绝缘部302的静电附着面积，使得静电易于迁移到绝缘部302上，便于进行热传导调节，多个绝缘部302上表面凹槽303开凿的个数自下向上逐渐降低，使得绝缘部302自下向上静电负载能力逐渐降低，进一步增加绝缘部302之间的静电复杂差距，易于实现梯次散热，绝缘部302的附着密度自下向上逐渐降低，绝缘部302密度越高，散热效果越好，可以利用绝缘部302密度的调节对炉内导热性能进行调节，导热部301和绝缘部302内埋设有与自身相匹配的强化杆304，增加绝缘部302和表面凹槽303的强度，使得绝缘部302和表面凹槽303不易在连接处断裂，不易形成导热柱3的残屑，不易影响单晶硅锭的正常生产，强化杆304的外壁上开凿有多个毛细裂纹305，多个毛细裂纹305均位于表面凹槽303内侧，表面凹槽303延伸至毛细裂纹305内，增加表面凹槽303与强化杆304之间的连接强度，使得表面凹槽303不易出现剥落，不易形成残屑，不易影响单晶硅锭的生产，毛细裂纹305的影响深度不超过强化杆304横截面直径的四分之一，不易影响强化杆304的强度，使得强化杆304不易沿毛细裂纹305的方向折断。

静电网2包括导电索201，导电索201有多个高韧性的导电材料在编织而成，导电索201裸露在绝缘隔热基体1外侧的一端上涂覆有绝热涂层202，可以有效减小静电外泄，不易造成触电事故，不易影响导热柱3的调节效果，绝热涂层202的外侧涂覆有耐磨层，使得绝热涂层202不易磨损，不易影响绝热涂层202的绝缘效果。

在冷却装置处于待命状态时，多个导热柱3相互纠缠覆盖在绝缘隔热基体1的内测，远离静电网2一端的绝缘部302相互交错形成三维空间立体结构，低导热性能的绝缘部302会形成保温层，减小绝缘隔热基体1与炉内的单晶硅锭之间的热交换。

在单晶硅锭在被提起的过程中，其经历不同的阶段需要进行不同程度的冷却，而技术人员则可以根据单晶硅锭的冷却需要，调节冷却装置的冷却效果，由于尖端放电效应，在静电网2接通后电子会沿着导热柱3迁移到导热柱3远离静电网2的一端并存储，由于导热柱3自身的电阻率不同，电阻率越低的导热柱3上月越容易积攒静电，容易形成立直状态，使得高导热性能的导热部301裸露在外，增加与水冷管4之间的热交换效率，增加降温效率，可以通过对静电网2上静电的控制来实现对绝缘隔热基体1内侧各位置的导热柱3的状态进行改变，进而实现工作人员对单晶硅硅锭不同位置实现精准的差异型冷却效率控制，增加单晶硅硅锭的成型效果，提升单晶硅硅锭的品质。

同时通过对导热柱3密度的调节和导热柱3表面的整形，改变导热柱3静电积累的容易程度，进而实现在静电网2相同的电压的前提下，不同位置的绝缘部302的不同状态，进而进一步调整绝缘部302的散热梯次调节效果，增加单晶硅硅锭的成型效果，提升单晶硅硅锭的品质，同时通过表面凹槽303增加导热部301和绝缘部302之间的连接强度，使得导热柱3不易在使用过程中出现碎屑，不易影响单晶硅硅锭的正常成型。

特别的，本方案中的各个结构均需要耐受单晶硅硅锭成型时的温度，此为本领域技术人员的公知技术，故未在本申请中详细公开。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，包括固定连接在直拉炉炉壁内的冷却装置，其特征在于：所述冷却装置包括绝缘隔热基体（1），所述绝缘隔热基体（1）的外侧固定连接有静电网（2），所述绝缘隔热基体（1）内埋设有水冷管（4），所述静电网（2）靠近绝缘隔热基体（1）的一端连接有多个导热柱（3），多个所述导热柱（3）远离静电网（2）的一端贯穿绝缘隔热基体（1）并延伸到绝缘隔热基体（1）的内侧，所述导热柱（3）位于绝缘隔热基体（1）内部分交错呈网状分布，且缠绕在水冷管（4）的外侧，所述导热柱（3）位于绝缘隔热基体（1）内侧的部分呈三维螺旋状，相邻所述导热柱（3）纠缠在一起形成三维空间结构，所述导热柱（3）包括相互匹配的导热部（301）和绝缘部（302）两部，所述导热部（301）与绝缘部（302）固定连接，所述导热部（301）的一端与绝缘隔热基体（1）固定连接，所述导热部（301）的另一端与绝缘部（302）固定连接，且导热部（301）与绝缘部（302）的连接处位于绝缘隔热基体（1）的内侧，即导热部（301）贯穿绝缘隔热基体（1）并延伸至绝缘隔热基体（1）的内侧，所述绝缘隔热基体（1）和导热柱（3）均选用耐高温的弹性导电材料制成，多个所述绝缘部（302）的电阻率自下向上逐渐增高。

2.根据权利要求1所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述导热部（301）的长度为绝缘部（302）的三倍。

3.根据权利要求1所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述绝缘部（302）上开凿有多个表面凹槽（303）。

4.根据权利要求1所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：多个所述绝缘部（302）上表面凹槽（303）开凿的个数自下向上逐渐降低。

5.根据权利要求1所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述绝缘部（302）的附着密度自下向上逐渐降低。

6.根据权利要求1所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述导热部（301）和绝缘部（302）内埋设有与自身相匹配的强化杆（304）。

7.根据权利要求6所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述强化杆（304）的外壁上开凿有多个毛细裂纹（305），多个所述毛细裂纹（305）均位于表面凹槽（303）内侧，所述表面凹槽（303）延伸至毛细裂纹（305）内。

8.根据权利要求7所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述毛细裂纹（305）的影响深度不超过强化杆（304）横截面直径的四分之一。

9.根据权利要求1所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述静电网（2）包括导电索（201），所述导电索（201）有多个高韧性的导电材料在编织而成，所述导电索（201）裸露在绝缘隔热基体（1）外侧的一端上涂覆有绝热涂层（202）。

10.根据权利要求9所述的一种具有可控冷却装置的单晶硅直拉炉，其特征在于：所述绝热涂层（202）的外侧涂覆有耐磨层。

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