CN114381794B - 一种冷却屏及单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷却屏及单晶炉，该冷却屏包括内筒和外筒；其中，所述内筒设置在所述外筒内，所述内筒底端与所述外筒底端固定连接，且所述内筒和所述外筒之间设置有槽状结构，所述槽状结构连接所述内筒和所述外筒；所述外筒的直径与所述内筒的直径的比值为1.3:1～1.8:1。本发明提供的冷却屏应用于单晶炉热场中，晶棒在内筒的中间空间生长，晶棒与内筒距离较近，从而使热辐射距离内筒较近，内筒吸热后通过热传导及热辐射向槽状结构传导热量，槽状结构吸热后通过热传导及热辐射向外筒传导热量，有助于提高外筒的热吸收能力，外筒用于通入冷水散热，这样有助于晶棒快速稳定拉制。

Description

一种冷却屏及单晶炉

技术领域

本发明涉及到单晶炉冷却设备技术领域，尤其涉及到一种冷却屏及单晶炉。

背景技术

单晶炉是一种在惰性气体(氩气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等原材料熔化，然后用直拉法向上直拉生长出晶棒的设备。多晶硅原料经过高温使其熔化，然后籽晶由顶部降至熔化的硅溶液中，使熔化的多晶硅在籽晶周围重新结晶，生成晶格方向排列整齐的晶棒。

发明内容

本发明提供了一种冷却屏及单晶炉，用以改善单晶炉热场中的冷却屏冷却效率较慢的问题。

第一方面，提供了一种冷却屏，该冷却屏应用于单晶炉。该冷却屏包括内筒和外筒；其中，所述内筒设置在所述外筒内，所述内筒底端与所述外筒底端固定连接，且所述内筒和所述外筒之间设置有槽状结构，所述槽状结构连接所述内筒和所述外筒；所述外筒的直径与所述内筒的直径的比值为1.3:1～1.8:1。该冷却屏应用于单晶炉热场中，晶棒在所述内筒的中间空间生长，晶棒可以为硅晶体，晶棒与所述内筒距离相对较近，从而使热辐射到所述内筒距离较近，所述内筒吸收热量通过热传导及热辐射向所述槽状结构传导热量，所述槽状结构吸热后通过热传导及热辐射向所述外筒传导热量，这样有助于提高所述外筒的热吸收能力，所述外筒用于通入冷水散热，这样有助于晶棒快速稳定拉制。

在一个具体的可实施方案中，在所述外筒的径向方向上，所述槽状结构的横截面为V形、U形、弧形、类矩形以及扇形中的任意一种或多种形状。

在一个具体的可实施方案中，在所述外筒的径向方向上，所述槽状结构的横截面的尺寸总和最大值与所述外筒的周长最大值的比值大于等于2。

在一个具体的可实施方案中，所述外筒下部的直径逐渐减小，所述槽状结构纵向设置，且所述槽状结构的深度沿所述外筒指向所述内筒的方向增大。

在一个具体的可实施方案中，所述内筒为单层直筒结构，且所述内筒的内壁为凹凸结构面。晶棒在所述内筒的中间空间生长，通过将所述内筒的内壁设置为凹凸结构面，有助于增加所述内筒的内壁表面积，从而有助于增强所述内筒的吸热效果。

在一个具体的可实施方案中，在所述外筒的轴向方向上，所述内筒底端与所述外筒底端固定连接的区域尺寸占所述内筒尺寸的1/15～1/6。

在一个具体的可实施方案中，所述内筒与所述槽状结构在所述外筒内局部设置，且在所述外筒的径向方向上占比1/2～4/5。

在一个具体的可实施方案中，且所述槽状结构连接所述局部设置的内筒与外筒，并形成所述局部设置的内筒与外筒之间的封闭结构。

在一个具体的可实施方案中，所述外筒内的空余区域用于安装拍摄装置并为所述拍摄装置提供图像通道。在所述外筒内的空余区域设置安装摄像机，通过摄像机拍摄晶棒的生产情况，从而便于对晶棒的生长情况摄像观察。

在一个具体的可实施方案中，所述外筒为层状结构，所述外筒的层状结构之间设置有水流通道。

在一个具体的可实施方案中，所述内筒、所述外筒和所述槽状结构中的任意一个或多个的材质为铜。

第二方面，提供了一种单晶炉，该单晶炉包括：炉体、坩埚、加热器、保温材料以及如上所述的冷却屏；其中，所述保温材料设置在所述炉体的内壁上，用于对所述炉体保温，所述坩埚、所述加热器及所述冷却屏均设置于所述炉体内，所述加热器设置于所述坩埚的周围，所述冷却屏设置于所述坩埚的上方，从而使所述冷却屏设置于所述炉体的热场中。

在一个具体的可实施方案中，所述外筒连接有进水管和出水管，所述进水管和所述出水管上分别设置有用于将所述冷却屏悬挂于所述炉体内的挂钩结构。所述进水管和所述出水管均设置呈Z字型，所述挂钩结构设置于所述进水管和所述出水管的水平的中部，所述冷却屏通过所述挂钩结构悬挂设置于所述炉体内。

本发明提供的冷却屏应用于单晶炉热场中，晶体在内筒的中间空间生长，晶体与内筒距离较近，从而使热辐射距离内筒较近，晶体通过热辐射向内筒传导热量，内筒吸热后通过热传导和热辐射向槽状结构传导热量，槽状结构吸热后通过热传导和热辐射向外筒传导热量，有助于提高外筒的热吸收能力，外筒用于通入冷水散热，这样有助于晶体快速稳定拉制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的冷却屏的结构示意图；

图2为本发明实施例图1去除内筒的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的冷却屏的俯视图；

图4为本发明实施例提供的单晶炉的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。下面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。

为了方便理解本发明实施例提供的冷却屏，首先说明一下其应用场景，该冷却屏应用于单晶炉，用以改善单晶炉热场中的冷却屏冷却效率较慢的问题。

参考图1、图2，图1示出了冷却屏的结构示意图，图2示出了冷却屏去除内筒的结构示意图。该冷却屏包括内筒1和外筒2。其中，内筒1设置在外筒2内，并且内筒1底端与外筒2底端固定连接。此外，内筒1和外筒2之间设置有槽状结构3，槽状结构3连接内筒1和外筒2。

在本发明实施方案中，参考图3，图3示出了冷却屏的俯视图，外筒2为层状结构，结合图4，外筒2的层状结构之间设置有水流通道7，水流通道7在外筒2内部环绕设置，水流通道7是循环水的进出流通通道。在一些实施例中，外筒2的直径可以为450-520mm，例如为470mm、490mm、500mm。

现有技术中，晶棒(晶棒可以为硅晶体)从溶液中生长结晶时会释放出热量，此部分热量会减慢晶棒的结晶速度，影响晶棒的生长速率以及生产效率。因此，单晶炉热场的温度梯度关系到晶棒的生长速率，形成较高差异的温度梯度，在直拉单晶设备及工艺中是非常重要的因素。

现有的冷却方式是在单晶炉中一定高度的位置固定设置一个水冷屏，在水冷屏中通入冷却液体，晶棒在向上移动经过水冷屏时，通过水冷屏带走结晶产生的热量，但是，现有的水冷屏采用不锈钢冷却，其冷却效果较差，进而影响到晶棒的稳定生长。其主要原因在于，目前单晶炉热场中的水冷屏是不锈钢蜂窝状结构设计，现有结构是通过热辐射带走热量，不锈钢材质导热系数较低，不利于热传导及晶棒生长拉速；并且水冷屏距离晶棒较远，热辐射带走的热量有限。

在本发明实施方案中，针对上述问题进行改进，首先外筒2的直径与内筒1的直径的比值为1.3:1～1.8:1，可以理解的是，此处的比值是指，外筒2直径最大值的截面具有的直径与内筒1直径的比值。具体地，从外筒2底部指向外筒2顶部的方向上，外筒2的直径逐渐增加，相应的，外筒2的直径与内筒1的直径的比值也逐渐增加。如图1、图2所示，外筒2底部的直径与内筒1的直径的比值可以为1.3:1～1.5:1，外筒2中部的直径与内筒1的直径的比值可以为1.5:1～1.7:1，外筒2顶部的直径与内筒1的直径的比值可以为1.7:1～1.8:1。在一些实施例中，在沿外筒2底部指向外筒2顶部的方向上，内筒1的直径可以保持不变，且内筒1的直径可以与外筒2底部的直径相同。在另一些实施例中，在沿外筒2底部指向外筒2顶部的方向上，内筒1的直径也可以逐渐增加，且内筒1底部的直径也可以与外筒2底部的直径相同。该冷却屏应用于单晶炉热场中，内筒1的直径小于等于外筒2的直径，晶棒在内筒1内壁围成的中间空间生长，晶棒结晶生长时靠近内筒1，内筒1受热辐射有利于向外筒2快速传导热量。

其次，内筒1和外筒2之间设置有槽状结构3，由于内筒1直径相比外筒2要小，因此内筒1与晶棒生长时距离相对较近，这样可使热辐射到内筒1的距离较近，速率更快，内筒1吸收热量通过自身向槽状结构3以及外筒2传导热量，同时由于槽状结构3的结构设计，使内筒1对槽状结构3以及外筒2的热传导以及热辐射传导都有较快速率，从而达到快速冷却的作用，进一步地增强整体的温度梯度变化，而外筒2为水冷结构，可以通过通入冷却水带走传导至外筒2的热量，有助于晶棒快速稳定拉制。

在本发明实施方案中，内筒1、外筒2和槽状结构3中的任意一个或多个的材质为铜。作为优选的设置方案，内筒1、外筒2及槽状结构3均为铜制。

铜的导热系数很大，一般为401w/mC，而钢的导热系数在21到59w/mC之间，因此本发明中，内筒1、外筒2和槽状结构3采用铜制，铜制结构相比现有钢制结构其导热系数更高，因此内筒1、外筒2和槽状结构3采用铜制，比现有的钢制结构具有更佳的热传导效果。

此外，内筒1、外筒2和槽状结构3采用铜制，相比现有钢制结构的冷却屏其热传导效果更佳，同时相比钢制结构，铜制结构的成型加工更加容易。公知的，钢材质比铜材质更硬，因此铜制结构相比钢制结构可塑性更强，这样在加工过程中，由于内筒1、外筒2及槽状结构3均为铜制，相同的铜材质，使加工焊接更为方便，成型加工也更加容易一些。

本发明实施例中，内筒1、外筒2和槽状结构3均采用铜制，热传导系数更高，利于热传导及晶棒生长拉速，通过在内筒1与外筒2之间设置槽状结构3，对内筒1与外筒2的连接进行加强，在晶棒达到内筒1上部位置区域时，由于内筒1的直径小于外筒2的直径，使得内筒1可以靠近生长的晶棒，热量可以更快的向内筒1辐射，内筒1吸收热量后通过热传导及热辐射向槽状结构3传导热量，槽状结构3吸收热量后通过热传导及热辐射向外筒2传导热量，可以将内筒1吸收的热量更为快捷的传导至外筒2，外筒2与现有水冷屏结构功能相同，用于水冷散热，这样有助于提升晶棒的生长拉速。

在一个具体的可实施方案中，在外筒2的径向方向上，槽状结构3的横截面为V形、U形、弧形、类矩形以及扇形中的任意一种或多种形状。在本发明实施例中，继续参考图2并结合图3，图3示出了冷却屏的俯视图，槽状结构3的横截面为V形，一个V形结构代表一个槽状结构3，内筒1和外筒2之间设置多个槽状结构3，且多个槽状结构3可以绕外筒2的轴线顺次排布，多个槽状结构3可以绕外筒2的轴线一圈设置。在一些例子中，相邻的槽状结构3相对的端面可以相接触，多个槽状结构3可以为一体成型结构；在另一些例子中，相邻的槽状结构3也可以间隔设置。当然，槽状结构3的横截面还可以为U形、弧形、类矩形以及扇形中的任意一种，或者设置的槽状结构3的横截面包括V形、U形、弧形、类矩形以及扇形中的多种形状。

此外，在外筒2的径向方向上，槽状结构3的横截面的尺寸总和最大值与外筒2的周长最大值的比值大于等于2。这里提到的槽状结构3的横截面的尺寸总和的最大值是指设置的所有槽状结构3的端面延伸长度之和的最大值，继续参考图2、图3，所有槽状结构3的端面延伸长度之和的最大值是指槽状结构3顶部端面延伸长度之和，外筒2的周长最大值是指外筒2顶部的周长长度。

作为一个优选的可实施方案，槽状结构3的横截面的尺寸总和最大值与外筒2的周长最大值的比值大于2，例如两者的比值设置为3，在保证晶棒可以在内筒1的中间空间生长的前提下，保证了槽状结构3设置充足的数量，槽状结构3具体指图1、图2及图3中所示的单独的V形结构，对于内筒1与外筒2的连接强度有所保证，同时内筒1吸收热量后通过热传导及热辐射向槽状结构3传导热量的速率较快，数量充足的槽状结构3吸收热量后通过热传导及热辐射向外筒2传导热量的速率也相对较快，有助于保证及提高内筒1向外筒2的热传导速度，有助于晶棒快速稳定拉制。

在其他的可实施方案，槽状结构3的横截面的尺寸总和最大值与外筒2的周长最大值的比值设置为4或5，槽状结构3的数量相对进一步提高，有助于进一步提高内筒1向外筒2的热传导速度，同样有助于晶棒快速稳定拉制。

继续参考图2，外筒2下部的直径逐渐减小，槽状结构3纵向设置，并且槽状结构3的深度沿外筒2指向内筒1的方向增大。由于内筒1为单层直筒结构，槽状结构3相对内筒1形成倾斜状态，槽状结构3吸收热量之后容易向外筒2形成热辐射效果。

在本发明实施方案中，槽状结构3连接设置在内筒1和外筒2之间，不但作为传导热量的导体，还对外筒2形成热辐射的作用，这样有助于提高内筒1与外筒2之间的热量传导速度，有助于提升晶棒的生长速度。

在一个具体的可实施方案中，内筒1的内壁为凹凸结构面。晶棒在内筒1内壁围成的中间空间生长，通过将内筒1的内壁设置为凹凸结构面，增加了内筒1的内壁表面积，有助于提升内筒1吸热能力，从而提高向外筒2传导热量的效率。

在另外一个具体的可实施方案中，内筒1底部与外筒2底部可以为一体结构，即内筒1底部直径与外筒2底部直径相同，在外筒2的轴向方向上，内筒1底端与外筒2底端固定连接的区域尺寸占内筒1尺寸的1/15～1/6，内筒1底端与外筒2固定连接的区域尺寸是指内筒1底端与外筒2底端相连接部分的高度，内筒1尺寸是指内筒1高度，该尺寸占比的比值是在设定内筒1高度是1的基础上得出的；该尺寸占比越大，则内筒1通过热辐射向槽状结构3传导热量相对较少，例如该尺寸占比范围在1/8～1/6；反之，该尺寸占比越小，内筒1通过热辐射向槽状结构3传导热量相对较多，例如该尺寸占比范围在1/11～1/9，在该占比范围内，槽状结构3接收到热量较多，同时通过热辐射向外筒2传导热量也相对较多，因此在该占比范围内，内筒1向外筒2的热传导速度相对较快。

在另外一个具体的可实施方案中，内筒1与槽状结构3在外筒2内局部设置，并且在外筒2的径向方向上占比1/2～4/5，内筒1与槽状结构3在外筒2的径向方向上的占比是指内筒1与槽状结构3在外筒2内壁周向布置的区域长度与外筒2周长的比值，设定外筒2周长为1，内筒1与槽状结构3在外筒2的径向方向上的占比越大，则说明内筒1与槽状结构3在外筒2内壁局部设置的区域长度越大，例如该占比为4/5时比该占比为1/2时，内筒1相对来说受热面积较大，而槽状结构3相对来说设置的区域长度较大，这样有利于热量自内筒1向外筒2传导，有助于提升晶棒快速稳定拉制。但是，该占比越大，则内筒1与槽状结构3在外筒2内局部设置时空出的区域越小，这样不利于留出充足的空余区域来安装拍摄装置，因此将内筒1与槽状结构3在外筒2内局部设置，并且在外筒2的径向方向上占比在1/2～4/5之间。

在该具体的可实施方案中，外筒2内的空余区域用于安装拍摄装置并为拍摄装置提供图像通道。拍摄装置可以是摄像机，摄像机安装在外筒2内的空余区域，外筒2内的空余区域是指内筒1局部设置时空出的区域，并且该区域也不设置槽状结构3，正好形成安装摄像机的安装区域，同时该空余区域还为摄像机提供摄取晶棒图像的图像通道。在外筒2内的空余区域设置安装摄像机，通过摄像机拍摄晶棒的生产情况，从而便于对晶棒的生长情况摄像观察。

在进一步具体设置时，内筒1和外筒2之间设置的槽状结构3的整体结构是由多个槽状结构3构成的，如图2、图3所示，多个槽状结构3首尾依次固定连接，并且槽状结构3固定连接局部设置的内筒1与外筒2，并形成局部设置的内筒1与外筒2之间的封闭结构，如图2、图3中所示，即多个槽状结构3中首尾端的槽状结构3作为内筒1结束端面的封闭结构。在另一些实施例中，多个槽状结构3围成的结构也可以为未封闭结构，例如，多个槽状结构3绕内筒2直径对应的周长的2/3设置，或者，多个槽状结构3绕内筒2直径对应的周长的3/4设置。

本发明实施例中，冷却屏的应用原理为：该冷却屏应用于单晶炉热场中，晶棒在内筒1内壁围成的中间空间生长，晶棒与内筒1距离相对较近，从而使热辐射距离内筒1较近，即晶棒释放的热量可以较快的辐射到内筒1，内筒1、外筒2及槽状结构3均为铜制结构，具有良好的热传导性能，并且内筒1的内壁设置为凹凸结构面，增加了内筒1的内壁表面积，有助于提升内筒1的吸热能力，内筒1吸收热量后通过热传导和热辐射向槽状结构3传导热量，槽状结构3吸收热量后通过热传导和热辐射向外筒2传导热量，这样有助于提高外筒2的热吸收能力，外筒2用于通入冷却水散热，该冷却屏的结构设置，有助于晶棒快速稳定拉制。

另外，本发明还提供了一种单晶炉，参考图4，图4示出了单晶炉的剖视图，该单晶炉包括：炉体8、坩埚9、加热器10、保温材料11以及如上的冷却屏。其中，保温材料11设置在炉体8的四周、上表面及下表面的内侧，用于对炉体8保温，坩埚9、加热器10及冷却屏均设置于炉体8内，加热器10设置于坩埚9的周围，冷却屏设置于坩埚9的上方，从而使冷却屏设置于炉体8的热场中。

在一个具体的可实施方案中，继续参考图4，外筒2连接有进水管4和出水管5，进水管4和出水管5上分别设置有用于将冷却屏悬挂于炉体8内的挂钩结构6。进水管4和出水管5均设置呈Z字型，挂钩结构6设置于进水管4和出水管5的水平的中部，冷却屏通过挂钩结构6悬挂设置于炉体8内。在坩埚9内盛装有硅液时，该冷却屏位于硅液面上方，冷却屏底部与硅液表面之间存在一定间距。

具体设置时，进水管4和出水管5可分别贯穿炉体8的炉盖，炉体8的炉盖内侧设置有悬挂升降装置12，悬挂升降装置12对应进水管4和出水管5各设置一个，两个悬挂升降装置12的底端分别设置与挂钩结构6适配的悬挂结构，通过两个悬挂升降装置12将冷却屏悬挂于炉体8内，并通过两个悬挂升降装置12实现冷却屏在炉体8内升降。当然，在炉体8内底部还可以设置坩埚升降装置，坩埚升降装置实现坩埚9在炉体8内升降。

使用时，通过悬挂升降装置12可以调节冷却屏在炉体8内上下移动，使整个冷却屏相对炉盖或硅液表面的位置发生变化，从而适应不同的拉晶状态。另外，由于在晶棒生长初期，为了能够使晶棒具有比较好地热应力，降温过程不能过快，因此，冷却屏与硅液表面之间的间距比较大，随着后续反应的稳定，可缩小冷却屏与硅液表面之间的间距，以进一步增大热吸收，从而有效地提高晶棒生长效率。

同时，通过进水管4不断向外筒2的水流通道7内通入冷却水，晶棒在内筒1的中间空间生长，晶棒通过热辐射向内筒1释放热量，内筒1吸收晶棒释放的热量后，通过热传导及热辐射向槽状结构3传导热量，槽状结构3同样通过热传导及热辐射向外筒2传导热量，通入外筒2的水流通道7内的冷却水吸收热量后经出水管5流出以形成水冷循环，有助于提高外筒2的热吸收能力，从而有助于晶棒体快速稳定拉制。

本发明提供的冷却屏应用于单晶炉热场中，晶棒在内筒1的中间空间生长，晶棒与内筒1距离较近，从而使热辐射距离内筒1较近，晶棒通过热辐射向内筒1传导热量，内筒1吸热后通过热传导及热辐射向槽状结构2传导热量，槽状结构2吸热后同样通过热传导及热辐射向外筒2传导热量，有助于提高外筒2的热吸收能力，外筒2用于通入冷水散热，这样有助于晶棒快速稳定拉制。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种冷却屏，其特征在于，包括：内筒和外筒；其中，

所述内筒设置在所述外筒内，所述内筒底端与所述外筒底端固定连接，且所述内筒和所述外筒之间设置有槽状结构，所述槽状结构连接所述内筒和所述外筒；

所述外筒的直径与所述内筒的直径的比值为1.3:1~1.8:1；

所述外筒下部的直径逐渐减小，所述槽状结构纵向设置，且所述槽状结构的深度沿所述外筒指向所述内筒的方向增大，且所述外筒为层状结构，所述外筒的层状结构之间设置有水流通道；

其中，所述内筒为单层直筒结构，且所述内筒的内壁为凹凸结构面，所述内筒与所述槽状结构在所述外筒内局部设置；

所述槽状结构首尾依次固定连接，且所述槽状结构连接所述局部设置的内筒与所述外筒，并形成所述局部设置的内筒与所述外筒之间的封闭结构；

所述外筒内的空余区域用于安装拍摄装置并为所述拍摄装置提供图像通道；

所述内筒、所述外筒和所述槽状结构中的任意一个或多个的材质为铜。

2.根据权利要求1所述的冷却屏，其特征在于，在所述外筒的径向方向上，所述槽状结构的横截面为V形、U形、类矩形以及扇形中的任意一种或多种形状。

3.根据权利要求2所述的冷却屏，其特征在于，在所述外筒的径向方向上，所有所述槽状结构的端面延伸长度之和的最大值与所述外筒的周长最大值的比值大于等于2。

4.根据权利要求1所述的冷却屏，其特征在于，在所述外筒的轴向方向上，所述内筒底端与所述外筒底端固定连接的区域尺寸占所述内筒尺寸的1/15~1/6。

5.一种单晶炉，其特征在于，包括：炉体、坩埚、加热器、保温材料以及如权利要求1至4任意一项所述的冷却屏；其中，

所述保温材料设置在所述炉体的内壁上，所述坩埚、所述加热器及所述冷却屏均设置于所述炉体内，所述加热器设置于所述坩埚的周围，所述冷却屏设置于所述坩埚的上方。

6.根据权利要求5所述的单晶炉，其特征在于，所述外筒连接有进水管和出水管，所述进水管和所述出水管上分别设置有用于将所述冷却屏悬挂于所述炉体内的挂钩结构。