CN114059148A - 一种单晶炉用换热系统及单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单晶炉用换热系统及单晶炉，涉及单晶硅制造技术领域。单晶炉用换热系统包括：换热装置、导流筒以及导热件；所述导热件设置在所述换热装置的底部，设置有所述导热件的换热装置套设在所述导流筒内；所述导热件包括相对设置的上表面和下表面，所述导热件的上表面与所述换热装置的底部接触；所述导热件的上表面、以及所述换热装置的底部，位于所述导流筒的底部远离熔硅液面的一侧。导热件靠近熔硅液面，通过导热件可以快速将熔硅液面的热量传导至换热装置，由换热装置的冷却介质带走，增加了纵向温度梯度，提高了拉晶速度，节省拉晶时间。

Description

一种单晶炉用换热系统及单晶炉

技术领域

本发明涉及单晶硅制造技术领域，特别是涉及一种单晶炉用换热系统及单晶炉。

背景技术

现有技术中，通过在晶体生长界面上方设置围绕单晶硅棒的导流筒，并用工作气体沿导流筒内侧进入单晶硅棒的提拉通道、吹扫该界面，以带走结晶潜热。

大直径的单晶硅棒能够切割得到较大尺寸的单晶硅片，因此具有广阔的应用前景。但是，随着单晶硅棒直径的增大，拉晶过程中对结晶潜热的吸收有更高的要求，需要及时散发结晶潜热，以提供更大的纵向温度梯度，进而保障较高的生长速度。

然而，大直径单晶硅棒的拉制过程中，坩埚中熔硅液面露出的面积较大，现有技术对于大直径的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，限制了大直径单晶硅棒生长速度的进一步提升。

发明内容

本发明提供一种单晶炉用换热系统及单晶炉，旨在提升大直径单晶硅棒的生长速度。

第一方面，本发明实施例提供了一种单晶炉用换热系统，包括：换热装置、导流筒以及导热件；所述导热件设置在所述换热装置的底部，设置有所述导热件的换热装置套设在所述导流筒内；

所述导热件包括相对设置的上表面和下表面，所述导热件的上表面与所述换热装置的底部接触；

所述导热件的上表面、以及所述换热装置的底部，位于所述导流筒的底部远离熔硅液面的一侧。

可选的，所述换热装置、所述导流筒、所述导热件相互紧密贴合。

可选的，所述导热件的上表面和下表面与所述导热件的中心轴线垂直。

可选的，所述换热装置的底部具有至少一个连接杆，所述导热件具有至少一个与所述连接杆配合的通孔，所述换热装置的连接杆穿设在所述导热件的通孔中。

可选的，所述换热装置与所述连接杆一体成型，或，所述连接杆粘接或焊接在所述换热装置的底部。

可选的，所述连接杆的外表面具有螺纹，所述单晶炉用换热系统还包括：与所述螺纹配合的螺母，所述螺母位于所述导热件远离所述换热装置的一侧，且所述螺母的中心线与所述通孔的中心线重合。

可选的，所述连接杆在所述换热装置的底部均匀分布。

可选的，所述换热装置的连接杆穿设在所述导热件的通孔中之后，所述连接杆的底部与所述通孔的底部平齐。

可选的，所述导热件的厚度为1-20mm。

可选的，所述导热件包括相对设置的内壁和外壁，所述导热件的内壁靠近所述导热件的中心轴线，所述导热件的内壁上设置有至少一个第一凸起结构。

可选的，所述换热装置包括相对设置的内壁和外壁，所述换热装置的内壁靠近所述换热装置的中心轴线；所述导热件的内壁与所述换热装置的中心轴线之间的距离，小于或等于所述换热装置的内壁与所述换热装置的中心轴线之间的距离。

可选的，所述导流筒包括内壁和外壁，所述导流筒的内壁靠近所述导流筒的中心轴线；所述导流筒的外壁与熔硅液面之间的距离，小于所述导流筒的内壁与熔硅液面之间的距离；

所述导流筒外壁的底部和所述导热件的外壁相互配合。

可选的，所述导流筒外壁的底部为斜面。

可选的，所述换热装置的底部与熔硅液面平行；所述导热件的上表面和下表面均与所述换热装置的底部平行。

可选的，所述导热件为石墨导热件；所述石墨导热件的热导率为300W/(m·K)-400W/(m·K)。

可选的，所述换热装置的内壁上设置有至少一个第二凸起结构；所述第二凸起结构的凸起方向朝向所述换热装置的中心轴线。

本发明实施例提供的单晶炉用换热系统，包括：换热装置、导流筒以及导热件，导热件设置在换热装置的底部，设置有该导热件的换热装置套设在上述导流筒内，导热件包括相对设置的上表面和下表面，导热件的上表面与换热装置的底部接触，导热件的上表面、以及换热装置的底部，位于导流筒的底部远离熔硅液面的一侧，进而导热件靠近熔硅液面，通过导热件可以快速将熔硅液面的热量传导至换热装置，由换热装置的冷却介质带走，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单晶炉用换热系统；

所述单晶炉用换热系统设置于坩埚的上方。

可选的，在拉晶过程中，所述导热件的下表面与熔硅液面之间的距离为15-20mm。

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单晶炉用换热系统的剖视图；

图2示出了本发明实施例的一种单晶炉用换热系统的局部放大示意图；

图3示出了本发明实施例的一种导热件的结构示意图；

图4示出了本发明实施例的另一种单晶炉用换热系统的局部放大示意图。

附图标记说明：

100-换热装置，101-冷却介质出口，102-冷却介质入口，103-连接杆，104-换热装置的外壁，105-换热装置的第二凸起结构，2-连接部，300-导流筒，301-导流筒的外壁，302-导流筒的内壁，400-导热件，401-导热件的通孔，402-导热件的第一凸起结构，403-导热件的内壁，404-导热件的外壁，500-螺母。

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单晶炉用换热系统的剖视图。图2示出了本发明实施例的一种单晶炉用换热系统的局部放大示意图。具体的，图2为图1中虚线圈出部分的放大示意图。参照图1、图2所示，单晶炉用换热系统包括：换热装置100、导流筒300和导热件400。参照图3所示，图3示出了本发明实施例的一种导热件的结构示意图。导热件400包括相对设置的上表面和下表面。参照图1、图2所示，导热件400设置在换热装置100的底部，且导热件400的上表面与换热装置100的底部接触。也就是，导热件400与换热装置100连接为一个整体。

设置有导热件400的换热装置100套设在导流筒300内，导热件400的上表面、以及换热装置100的底部，位于导流筒300的底部远离熔硅液面的一侧，也就是说，导热件400的下表面位于导流筒300的底部靠近熔硅液面的一侧，进而，导热件400靠近熔硅液面，通过导热件400可以快速将熔硅液面的热量传导至换热装置100，由换热装置100的冷却介质带走，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，导热件400的下表面与导流筒300的下表面平齐，导流筒300的下表面为导流筒300靠近熔硅液面的表面，进而导热件400的下表面与熔硅液面相对的面积较大，利于快速将熔硅液面的热量传导至换热装置100。

可选的，换热装置100、导流筒300、导热件400相互紧密贴合，三者相互之间没有缝隙或缝隙较小，热量通过换热装置100、导流筒300、导热件400可以快速带走。

可选的，参照图3所示，导热件400包括相对设置的内壁403和外壁404，上述导热件400的上表面和下表面连接导热件400的内壁403和外壁404，内壁403靠近导热件400的中心轴线L1，导热件400的上表面和下表面与导热件400的中心轴线L1垂直，而熔硅液面通常与导热件400的中心轴线L1也垂直，进而导热件400的上表面和下表面与熔硅液面也垂直，导热件400的下表面与熔硅液面相对的面积较大，利于快速将熔硅液面的热量传导至换热装置100。

可选的，导热件400的内壁403上设置有至少一个第一凸起结构402。第一凸起结构402的数量不作具体限定。需要说明的是，第一凸起结构402可以与导热件400一体成型，或者通过焊接、粘接等方式设置在导热件400的内壁上。在本发明实施例中，对此不作具体限定。

导热件400上靠近晶棒的内壁403上设置至少一个第一凸起结构402，增大了换热面积，能够及时将晶棒表面的热量传导至换热装置100，由换热装置100的冷却介质带走，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，在拉晶过程中，导热件400的下表面与熔硅液面之间的距离为15-20mm，导热件400与熔硅液面的距离更近，且不影响拉晶，能够有效吸收结晶潜热，将热量传递给换热装置100，由换热装置100的冷却介质带走，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，换热装置100的底部与熔硅液面平行，导热件400的上表面和下表面均与换热装置100的底部平行，进而导热件400与换热装置100接触面积大，且导热件400与熔硅液面相对的面积也大，从而，导热件400能够吸收更多的结晶潜热，导热件400能快速的将吸收的结晶潜热传递给换热装置100。

可选的，导流筒300包括内壁302和外壁301，导流筒的内壁302靠近导流筒300的中心轴线。导流筒300的外壁301与熔硅液面之间的距离，小于导流筒300的内壁302与熔硅液面之间的距离，也就是说，导流筒300的外壁301相对于其内壁301更靠下。导流筒300底部为导流筒300靠近熔硅液面的端部。导流筒300外壁301的底部与导热件400的外壁404接触，且两者形状相互配合，进而两者之间的空隙小，大部分热量可以通过400传递至换热装置100。

可选的，参照图2所示，导流筒300外壁301的底部为斜面，进而与其形状相互配合的导热件400的外壁404也对应为斜面，能够保证导流筒300外壁301底部的保温性，而且，使得导热件400与熔硅液面的距离更近，能够吸收更多的结晶潜热。同时，便于从单晶炉盖观察窗调整换热装置100和导热件400作为整体在单晶炉中的位置，避免压坏导流筒300。

可选的，导流筒300外壁301的底部还可以为竖直面，进而与其形状相互配合的导热件400的外壁404也对应为竖直面，在本发明实施例中，对此不作具体限定。

可选的，换热装置100的底部具有至少一个连接杆103，导热件400具有至少一个与连接杆103配合的通孔401，通孔401可以贯穿导热件400，换热装置的100连接杆103穿设在导热件400的通孔401中，以便将导热件400设置在换热装置100上。

可选的，换热装置100的连接杆103穿设在导热件400的通孔401中之后，连接杆103的底部与通孔401的底部平齐，不仅便于导热件400设置在换热装置上，而且，连接杆103并没有从通孔中露出，不会破坏导流筒300中与连接杆103相对的部分。

可选的，换热装置100与连接杆103一体成型，或，连接杆103以粘接或焊接的方式设置在换热装置100的底部。

可选的，参照图4所示，图4示出了本发明实施例的另一种单晶炉用换热系统的局部放大示意图。连接杆103的外表面具有螺纹，单晶炉用换热系统还包括与该螺纹配合的螺母500，螺母500位于导热件400远离换热装置100的一侧，即，螺母500位于导热件400和导流筒300之间，且螺母500的中心线与通孔401的中心线重合，进而连接杆103穿设在导热件400的通孔401中，并从通孔401中露出，与螺母500连接，进一步加强两者连接的可靠性。

可选的，连接杆103在换热装置100的底部均匀分布，进而通孔401也在导热件400中均匀分布，可以在受力均衡的情况下，便捷地将导热件400设置在换热装置100上。

可选的，换热装置100还可以通过连接部2与导流筒300进行连接，以加强两者之间相对位置的稳定性。在本发明实施例中，对此不作具体限定。

可选的，换热装置100还具有冷却介质入口102和冷却介质出口101，冷却介质从冷却介质入口102进入换热装置100，从冷却介质出口101流出。冷却介质可以为惰性气体、水等，在本发明实施例中对此不作具体限定。

可选的，参照图3，导热件400的厚度h1为1-20mm，该厚度可以为导热件400在与导热件400的中心轴线L1平行的方向上的尺寸，上述厚度的导热件400不会影响单晶炉用换热系统原有换热功能的发挥，且能够充分吸收熔硅液面的热量。

可选的，导热件为石墨导热件，石墨导热件的热导率为300W/(m·K)—400W/(m·K)。W/(m·K)为瓦/米·度，石墨导热件的导热性能好，能够有效吸收高温热辐射的热量。

需要说明的是导热件还可以为其他导热性能的材料，具体可以根据实际需要进行设定，在本发明实施例中，对此不作具体限定。

可选的，换热装置100包括相对设置的外壁104和内壁，内壁靠近换热装置100的中心轴线，换热装置100的中心轴线与晶棒共线或距离较近。内壁和外壁104共同形成供冷却介质流动的腔体。导热件400的内壁403与换热装置100的中心轴线之间的距离，小于或等于换热装置100的内壁与换热装置的中心轴线之间的距离，即，导热件400的内壁403相对于换热装置100的内壁，更靠近晶棒，进而导热件400能够更快速地吸收晶棒上的热辐射，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，靠近换热装置100的中心轴线的内壁上设置有至少一个第二凸起结构105，通常情况下，晶棒与换热装置100的中心轴线L1共线或距离很近，则，也就是靠近晶棒的内壁上设置有的至少一个第二凸起结构105，关于第二凸起结构105的数量不作具体限定。第二凸起结构105的凸起方向朝向换热装置100的中心轴线，也就是第二凸起结构105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。

进一步地，该第二凸起结构105可以带有内腔，第二凸起结构105的内腔与外壁104和内壁形成的腔体连通，进而冷却介质也会流经上述第二凸起结构105的内腔，增大了换热面积。

可选的，第二凸起结构105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。或者通过焊接、粘接等方式将第二凸起结构105设置在换热装置100的内壁上。在本发明实施例中，对此不作具体限定。

本发明实施例还提供一种单晶炉，该单晶炉包括坩埚以及前述的任一单晶炉用换热系统，该单晶炉用换热系统设置在坩埚的上方。关于单晶炉用换热系统可以参照前述有关记载，该单晶炉能够达到与前述单晶炉用换热系统相同或类似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。

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 (18)

1.一种单晶炉用换热系统，其特征在于，包括：换热装置、导流筒以及导热件；所述导热件设置在所述换热装置的底部，设置有所述导热件的换热装置套设在所述导流筒内；

所述导热件包括相对设置的上表面和下表面，所述导热件的上表面与所述换热装置的底部接触；

所述导热件的上表面、以及所述换热装置的底部，位于所述导流筒的底部远离熔硅液面的一侧。

2.根据权利要求1所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述换热装置、所述导流筒及所述导热件相互紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述导热件的上表面和下表面与所述导热件的中心轴线垂直。

4.根据权利要求1所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述换热装置的底部具有至少一个连接杆，所述导热件具有至少一个与所述连接杆配合的通孔，所述换热装置的连接杆穿设在所述导热件的通孔中。

5.根据权利要求4所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述换热装置与所述连接杆一体成型，或，所述连接杆粘接或焊接在所述换热装置的底部。

6.根据权利要求4所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述连接杆的外表面具有螺纹，所述单晶炉用换热系统还包括：与所述螺纹配合的螺母，所述螺母位于所述导热件远离所述换热装置的一侧，且所述螺母的中心线与所述通孔的中心线重合。

7.根据权利要求4所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述连接杆在所述换热装置的底部均匀分布。

8.根据权利要求4所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述换热装置的连接杆穿设在所述导热件的通孔中之后，所述连接杆的底部与所述通孔的底部平齐。

9.根据权利要求1-8中任一所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述导热件的厚度为1-20mm。

10.根据权利要求1-8中任一所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述导热件包括相对设置的内壁和外壁，所述导热件的内壁靠近所述导热件的中心轴线，所述导热件的内壁上设置有至少一个第一凸起结构。

11.根据权利要求10所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述换热装置包括相对设置的内壁和外壁，所述换热装置的内壁靠近所述换热装置的中心轴线；所述导热件的内壁与所述换热装置的中心轴线之间的距离，小于或等于所述换热装置的内壁与所述换热装置的中心轴线之间的距离。

12.根据权利要求10所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述导流筒包括内壁和外壁，所述导流筒的内壁靠近所述导流筒的中心轴线；所述导流筒的外壁与熔硅液面之间的距离，小于所述导流筒的内壁与熔硅液面之间的距离；

所述导流筒外壁的底部和所述导热件的外壁相互配合。

13.根据权利要求12所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述导流筒外壁的底部为斜面。

14.根据权利要求1-8中任一所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述换热装置的底部与熔硅液面平行；所述导热件的上表面和下表面均与所述换热装置的底部平行。

15.根据权利要求1-8中任一所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述导热件为石墨导热件；所述石墨导热件的热导率为300W/(m·K)-400W/(m·K)。

16.根据权利要求11所述的单晶炉用换热系统，其特征在于，所述换热装置的内壁上设置有至少一个第二凸起结构；所述第二凸起结构的凸起方向朝向所述换热装置的中心轴线。

17.一种单晶炉，其特征在于，包括坩埚与权利要求1-16中任一项所述的单晶炉用换热系统；

所述单晶炉用换热系统设置于坩埚的上方。

18.根据权利要求17所述的单晶炉，其特征在于，在拉晶过程中，所述导热件的下表面与熔硅液面之间的距离为15-20mm。

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