CN113755941A - 一种换热装置及单晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种换热装置及单晶炉，涉及单晶硅制造技术领域。换热装置包括：内壁和外壁，其中，所述内壁靠近所述换热装置的中心轴线；所述内壁和所述外壁共同形成供冷却介质流动的腔体；所述内壁上设置有带内腔的至少一个凸起结构；所述凸起结构的凸起方向朝向所述中心轴线；所述凸起结构的内腔与所述内壁和所述外壁形成的腔体连通。凸起结构的凸起方向朝向晶棒，凸起结构的内腔与内壁和外壁形成的腔体连通，增大了换热面积，且减小了冷却介质与晶棒之间的水平距离，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅制造技术领域，特别是涉及一种换热装置及单晶炉。
背景技术
目前，单晶硅的生产方法主要为直拉法，单晶硅棒在拉制过程中由熔硅液面向上垂直生长。
在单晶硅棒生长过程中，需要及时吸收单晶硅棒散发的结晶潜热，以为单晶硅棒的生长提供更大的纵向温度梯度，从而保证单晶硅棒具有较高的生长速度。
现有技术中，在晶体生长界面上方设置围绕单晶硅棒的热屏，并利用工作气体沿热屏内侧进入单晶硅棒的提拉通道、吹扫该界面。然而，该方式对于单晶硅棒的吸热效果有限，不利于提供优化的纵向温度梯度，限制了晶体生长速度的进一步提升。
发明内容
本发明提供一种换热装置及单晶炉，旨在提升晶体生长速度。
第一方面，本发明实施例提供了一种换热装置，包括：内壁和外壁，其中，所述内壁靠近所述换热装置的中心轴线；所述内壁和所述外壁共同形成供冷却介质流动的腔体；
所述内壁上设置有带内腔的至少一个凸起结构；所述凸起结构的凸起方向朝向所述中心轴线；所述凸起结构的内腔与所述内壁和所述外壁形成的腔体连通。
可选的，所述外壁靠近坩埚底部的下表面，与熔硅液面平行。
可选的，所述内壁包括与所述中心轴线平行的至少一段竖直内壁，所述凸起结构位于所述竖直内壁上。
可选的，所述凸起结构位于靠近坩埚底部的竖直内壁上。
可选的，在所述凸起结构的数量大于1的情况下，所述凸起结构在内壁上均匀分布。
可选的，所述凸起结构的凸起方向与所述换热装置的中心轴线的夹角大于0°，小于等于90°。
可选的，所述凸起结构的凸起方向与所述换热装置的中心轴线的夹角为：30°、45°、60°中的至少一种。
可选的，在与所述熔硅液面垂直的平面上，所述凸起结构的截面为：平行四边形、梯形、三角形、Ω形中的一种；
所述凸起结构与所述内壁一体成型。
可选的，从远离坩埚底部至靠近坩埚底部的方向，所述内壁与所述中心轴线之间的距离减小。
可选的，所述冷却介质为水或惰性气体中的至少一种。
本发明实施例提供的换热装置，包括：内壁和外壁，内壁靠近换热装置的中心轴线，内壁和外壁共同形成供冷却介质流动的腔体，内壁上设置有带内腔的至少一个凸起结构，凸起结构的凸起方向朝向中心轴线，通常情况下，晶棒与换热装置的中心轴线共线或距离很近，也就是说，靠近晶棒的内壁上设置有带有内腔的至少一个凸起结构，凸起结构的凸起方向朝向晶棒，凸起结构的内腔与内外壁形成的腔体连通，进而冷却介质也会流经上述凸起结构的内腔，增大了换热面积；凸起结构的凸起方向朝向晶棒，减小了冷却介质与晶棒之间的水平距离，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
第二方面，本发明实施例还提供一种单晶炉，包括坩埚和上述任一换热装置；
所述换热装置设置于所述坩埚的上方。
可选的，所述单晶炉还包括位于所述换热装置外侧的热屏，且所述换热装置的中心轴线与所述热屏的中心轴线重合。
上述单晶炉与前述换热装置具有相同或相似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的一种换热装置的剖视图；
图2示出了本发明实施例的一种换热装置的局部放大示意图；
图3示出了本发明实施例的另一种换热装置的剖视图；
图4示出了本发明实施例的另一种换热装置的局部放大示意图；
图5示出了本发明实施例的一种换热装置内冷却介质的流动示意图；
图6示出了本发明实施例的一种凸起结构的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角示意图。
附图标记说明：
1-换热装置的外壁，2-换热装置的内壁，3-坩埚，4-熔硅液面，5-晶棒，11-内壁靠近坩埚底部的表面，12-凸起结构，13-冷却介质的进口，14-冷却介质的出口。
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。
图1示出了本发明实施例的一种换热装置的剖视图。图2示出了本发明实施例的一种换热装置的局部放大示意图。参照图1、图2所示，本发明实施例提供了一种换热装置，包括：外壁1和内壁2，内壁2和外壁1相对分布，内壁2和外壁1共同形成供冷却介质流动的腔体。
靠近换热装置的中心轴线L1的内壁2上设置有带内腔的至少一个凸起结构12，通常情况下，晶棒5与换热装置的中心轴线L1共线或距离很近，则，也就是靠近晶棒5的内壁上设置有带内腔的至少一个凸起结构12，关于凸起结构12的数量不作具体限定。凸起结构12的凸起方向朝向换热装置的中心轴线L1，也就是凸起结构12的凸起方向朝向晶棒5，凸起结构12的内腔与外壁1和内壁2形成的腔体连通，进而冷却介质也会流经上述凸起结构12的内腔，增大了换热面积；凸起结构12的凸起方向朝向晶棒5，减小了冷却介质与晶棒5之间的水平距离，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
例如，参照图1所示，靠近换热装置的中心轴线L1的内壁2可以包括沿换热装置高度方向，自上向下的第一内壁、第二内壁、第三内壁，其中，第一内壁位于换热装置最远离熔硅液面4的一端，第三内壁位于换热装置最靠近熔硅液面4的一端，且第三内壁与熔硅液面4之间的距离可以为40-60mm，第二内壁位于第一内壁、第三内壁之间。可以是第一内壁、第二内壁、第三内壁上均设置有带有腔体的凸起结构，凸起结构的凸起方向朝向中心轴线L1，或者，凸起结构设置于第一内壁、第二内壁以及第三内壁中的至少一个内壁上，用来增大冷却介质与换热装置之间的接触面积，从而提高晶体生长的纵向温度梯度，提高晶体生长速度。
在实际应用中，内壁和外壁之间远离坩埚底部的一端的表面，可以开设两个通孔，如，参照图1所示，在内壁2和外壁1之间远离坩埚3底部的一端的上表面上开设冷却介质的进口和冷却介质的出口，如13和14，冷却介质从进口中流入内壁2和外壁1共同形成的腔体中，并从出口流出腔体，则可以使得冷却介质在内壁2和外壁1共同形成的腔体以及凸起结构12的内腔中循环流动。冷却介质在内壁2和外壁1共同形成的腔体以及凸起结构12的内腔中循环流动的过程中，将熔硅液面4以及晶棒5表面的热量带走，以增加拉晶过程中的纵向温度梯度，提高拉晶速度，节省拉晶时间。
可选的，图1中3可以为坩埚，坩埚3内可以储存有熔硅。外壁1靠近坩埚3底部的下表面可以为换热装置的底部表面，如图1中11所示。外壁1靠近坩埚3底部的下表面11与熔硅液面4平行，进而，换热装置底部的整个表面11与结晶面或熔硅液面4相对，即换热装置的底部与结晶面或熔硅液面4的距离更近的区域更大，也就是换热装置的内较多区域内的冷却介质与结晶面或熔硅液面4的距离更近，能够及时吸收熔硅在结晶时释放的热量，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
可选的，冷却介质为水或惰性气体中的至少一种，本领域技术人员可以根据实际情况选用合适的冷却介质，本发明实施例对此不做限定。
可选的，参照图1所示，内壁2包括与换热装置的中心轴线L1平行的至少一段竖直内壁。如图1中，靠近换热装置的中心轴线L1的内壁上设置有凸起结构12的内壁即为与换热装置的中心轴线L1平行的竖直内壁。关于该竖直内壁的段数不作具体限定。参照图1所示，凸起结构12位于竖直内壁上。竖直内壁与晶棒5之间的水平距离更小，进而增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
可选的，参照图1所示，凸起结构12位于靠近坩埚3底部的竖直内壁上，则，凸起结构12与熔硅液面4的距离也较小，进而，冷却介质与结晶面或熔硅液面4的距离更近，能够及时吸收熔硅在结晶时释放的热量，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
例如，参照图1所示，内壁2可以包括沿换热装置高度方向，自上向下的第一内壁、第二内壁、第三内壁，其中，第一内壁位于换热装置最远离坩埚3底部的一端，第三内壁位于换热装置最靠近坩埚3底部的一端，第二内壁位于第一内壁、第三内壁之间。第三内壁为与换热装置的中心轴线L1平行的竖直内壁，凸起结构12位于最靠近坩埚3底部的第三内壁上。
可选的，在凸起结构的数量大于1的情况下，凸起结构在内壁上均匀分布，进而，对晶棒的冷却均一性较好，可以提升拉晶速度。图3示出了本发明实施例的另一种换热装置的剖视图。图4示出了本发明实施例的另一种换热装置的局部放大示意图。如，参照图3、图4所示，凸起结构12的数量大于1，凸起结构12在内壁上均匀分布。
需要说明的是，在凸起结构的数量大于1的情况下，凸起结构之间的间距小于15mm，本领域技术人员可以根据实际情况选用合适的间距，本发明实施例对此不做限定。
可选的，凸起结构与内壁一体成型，进而加工方便。例如，可以采用模压法等方式。在本发明实施例中，对此不作具体限定。
图3所示，虚线L1为换热装置的中心轴线。可选的，凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角大于0°，小于等于90°。图5示出了本发明实施例的一种换热装置内冷却介质的流动示意图。图5中13可以为冷却介质的进口，14可以为冷却介质的出口，图5中带箭头的线示出了本发明实施例中，一种换热装置内冷却介质的流动示意图。参照图5所示，凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角在上述角度范围内，使得冷却介质的流动方向沿换热装置的凸起结构的排布方向螺旋下降，增加了冷却介质在晶棒、结晶界面及结晶面上方的停留时间，能够充分吸收晶棒5以及结晶面或熔硅液面4的热量，带走更多的结晶潜热，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。同时，凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角在上述角度范围内，凸起结构12容易加工。
如图1或图2所示，凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角即为90°。参照图6所示，图6示出了本发明实施例的一种凸起结构的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角示意图。该图6可以为图3或图4所示的凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角示意图。图6中L2可以为与换热装置的中心轴线平行的虚线，凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角θ的取值范围为大于0°，小于等于90°。
可选的，凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角为：30°、45°、60°中的至少一种。凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角为30°、45°、60°的情况下，一方面相比于其他角度更容易满足加工精度要求；另一方面，对冷却介质的流动方向改变阻力较小，易达到使冷却介质旋转下降，同时带走更多结晶潜热。
需要说明的是，凸起结构12的凸起方向与换热装置的中心轴线的夹角为45°的情况下，加工工艺更简便，且对冷却介质的流动方向改变阻力更小，易达到使冷却介质旋转下降，同时带走更多结晶潜热。
可选的，上述换热装置的形状可以为：圆柱形、圆锥形或者圆弧形等图形中的中的任意一种或者其相互之间的组合图形。上述换热装置靠近换热装置的中心轴线的内壁可以全部都是竖直内壁，进而靠近换热装置的中心轴线一侧与熔硅液面垂直的所有竖直内壁与晶棒之间的水平距离更小，进而增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
可选的，上述换热装置靠近换热装置的中心轴线的内壁全部都是与换热装置的中心轴线平行的竖直内壁的情况下，带有内腔的凸起结构位于全部竖直内壁上，或者，带有内腔的凸起结构位于全部竖直内壁的部分区域上。在本发明实施例中，对此不作具体限定。
可选的，在与熔硅液面垂直的平面上，凸起结构的截面为：平行四边形、梯形、三角形、Ω形中的一种。该平行四边形可以包括矩形等。上述形状的凸起结构的内腔，减小了换热装置与晶棒5的水平距离，能够充分吸收晶棒的热量，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。需要说明的是，在与熔硅液面垂直的平面上，凸起结构的截面还可以为其余的规则或不规则的形状，用于增大冷却介质与凸起结构的内腔或筒装结构的腔体的接触时间、接触面积。在本发明实施例中，对此不作具体限定。
例如，参照图1或图2所示，在与熔硅液面垂直的平面上，凸起结构的截面为矩形。再例如，参照图3或图4所示，在与熔硅液面垂直的平面上，凸起结构的截面为平行四边形。
可选的，凸起结构12可以为与一个较大的整体或者为沿着内壁方向排布的多个小的凸起结构。在本发明实施例中，对此不作具体限定。例如，凸起结构为沿着内壁方向排布的多个条状结构。或者，凸起结构可以为沿着内壁方向排布的多个分段组成。
可选的，从远离坩埚底部至靠近坩埚底部的方向，内壁与换热装置的中心轴线之间的距离减小。通常情况下，晶棒与换热装置的中心轴线共线或距离很近，也就是说靠近坩埚底部的内壁与晶棒之间的距离减小。即，越靠近熔硅液面，内壁与晶棒之间的距离也越小，能够同时吸收晶棒以及结晶面或熔硅液面的更多热量，增加了拉晶过程中的纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省了拉晶时间。
本发明实施例还提供一种单晶炉，参照图1所示，该单晶炉包括坩埚3以及换热装置，该换热装置设置在坩埚的上方。关于坩埚、换热装置等可以参照前述有关记载，该单晶炉能够达到与前述换热装置相同或类似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。
可选的，该单晶炉还可以包括位于换热装置外侧的热屏，且换热装置的中心轴线与热屏的中心轴线重合。通过热屏与换热装置的配合，以进一步吸收晶棒及结晶面的热量，增加拉晶过程中的纵向温度梯度，提高拉晶速度，节省拉晶时间。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (11)
1.一种换热装置，其特征在于，包括：内壁和外壁，其中，所述内壁靠近所述换热装置的中心轴线；所述内壁和所述外壁共同形成供冷却介质流动的腔体；
所述内壁上设置有带内腔的至少一个凸起结构；所述凸起结构的凸起方向朝向所述中心轴线；所述凸起结构的内腔与所述内壁和所述外壁形成的腔体连通。
2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述外壁靠近坩埚底部的下表面，与熔硅液面平行。
3.根据权利要求1或2所述的换热装置，其特征在于，所述内壁包括与所述中心轴线平行的至少一段竖直内壁，所述凸起结构位于所述竖直内壁上。
4.根据权利要求3所述的换热装置，其特征在于，所述凸起结构位于靠近坩埚底部的竖直内壁上。
5.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，在所述凸起结构的数量大于1的情况下，所述凸起结构在所述内壁上均匀分布。
6.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述凸起结构的凸起方向与所述换热装置的中心轴线的夹角大于0°，小于等于90°。
7.根据权利要求1或6所述的换热装置，其特征在于，所述凸起结构的凸起方向与所述换热装置的中心轴线的夹角为：30°、45°、60°中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，在与所述熔硅液面垂直的平面上，所述凸起结构的截面为：平行四边形、梯形、三角形、Ω形中的一种；
所述凸起结构与所述内壁一体成型。
9.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，从远离坩埚底部至靠近坩埚底部的方向，所述内壁与所述中心轴线之间的距离减小。
10.一种单晶炉，其特征在于，包括坩埚与权利要求1-9中任一项所述的换热装置；
所述换热装置设置于所述坩埚的上方。
11.根据权利要求10所述的单晶炉，其特征在于，还包括位于所述换热装置外侧的热屏，且所述换热装置的中心轴线与所述热屏的中心轴线重合。
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