CN115044974B - 一种低氧单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低氧单晶炉，包括由底部至顶部顺次设置在炉体内的排气管、炉底、主炉室和水冷屏，其中炉体侧壁中设有至少两根冷却管，任一冷却管的进水口和排水口均延伸至炉体外部，其中一根冷却管单独贯穿水冷屏。通过将水冷屏水路设置为独立水路，保证炉体水流冷却系统正常工作。在炉体中分别设置不同水流量的排气管水路、炉底水路、主炉室水路和水冷屏水路，使该单晶炉可以根据不同工步控制冷却水的水流量，调节炉内温场分布达到温度梯度的效果。通过设置炉体加高的结构，整体抬升热场，从空间上加大底部的体积从而降低单晶氧含量。

Description

一种低氧单晶炉

技术领域

本发明涉及单晶炉技术领域，更具体地，涉及一种低氧单晶炉。

背景技术

随着光伏产业的快速发展，单晶硅的制备已经逐步进入成熟阶段，单晶硅一般通过单晶炉进行生产制备，单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备，而提拉法是目前生长单晶体的常用方法，其工作原理是将构成晶体的原料放在坩埚中加热融化，在溶体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。但在单晶硅制备过程中不可避免引入杂质，其中氧杂质对单晶硅质量具有重要影响。氧杂质主要以氧沉淀的形式存在于硅晶体中。氧沉淀尺寸过大会在硅片体内诱生位错、层错等二次缺陷，从而导致硅晶圆滑移和翘曲，削弱其电学和机械性能。

现有技术在单晶硅生产中，单晶炉的结构为内外两层，中间通冷却水，通过冷却水带走单晶生产过程中的热量，以降低单晶炉的高温承受能力从而降低单晶氧含量。但目前在使用的单晶炉水路为一路总进水，在炉台内通过分水器进行分配至各处，一路总出水的设计，一路水有问题会影响到全炉台的水路正常，同时这种设计炉台散热较为平均，不利于各工步的水流量需求，能耗较大，也不利于营造热场梯度的设计效果。

因此，亟需提供一种能够调节热场梯度的低氧单晶炉。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低氧单晶炉，包括由底部至顶部顺次设置在炉体内的排气管、炉底、主炉室和水冷屏，其中炉体侧壁中设有至少两根冷却管，任一冷却管的进水口和排水口均延伸至炉体外部，其中一根冷却管单独贯穿水冷屏。

优选的，炉体侧壁中设有第一冷却管和第二冷却管，第一冷却管依次贯穿排气管、炉底和主炉室，第二冷却管贯穿水冷屏。

优选的，第一冷却管包括相连通的第一段和第二段，其中，第一段贯穿排气管，第二段贯穿炉底，第一段的管径小于第二段的管径。

优选的，第一冷却管还包括第三段，第三段位于第二段远离第一段的一侧，第三段贯穿主炉室，第三段的管径小于第二段的管径，且第三段的管径大于第一段的管径。

优选的，第二冷却管的管径小于第三段的管径，且第二冷却管的管径大于第一段的管径。

优选的，主炉室靠近炉底一侧的管路数量大于主炉室靠近水冷屏一侧的管路数量。

优选的，第一冷却管的进水口和第一冷却管的排水口位于炉体底部两侧；第二冷却管的进水口和第二冷却管的排水口位于炉体顶部两侧。

优选的，炉体高为1650mm-1850mm。

优选的，排气管的水路流量为15L/min-20L/min；炉底的水路流量为150L/min-250L/min；主炉室的水路流量为150L/min-180L/min。

优选的，水冷屏的水路流量为100L/min—180L/min。

与现有技术相比，本发明提供的一种低氧单晶炉，至少实现了如下的有益效果：

本发明提供的低氧单晶炉包括由底部至顶部顺次设置在炉体内的排气管、炉底、主炉室和水冷屏，其中炉体侧壁中设有至少两根冷却管，任一冷却管的进水口和排水口均延伸至炉体外部，其中一根冷却管单独贯穿水冷屏，通过对低氧单晶炉内的水路进行设计，在炉体中分别设置不同水流量的排气管水路、炉底水路、主炉室水路和水冷屏水路。设置水冷屏水路为独立水路，避免了一路水有问题会影响到全炉台的水路正常，从而保证了炉体水流冷却系统正常工作。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明提供的一种低氧单晶炉的整体结构示意图；

图2是图1中A-A’向的一种剖面图；

图3是本发明提供的一种低氧单晶炉排气管、炉底的局部放大示意图；

图4是本发明提供的一种低氧单晶炉排气管、炉底、主炉室的局部放大示意图；

图5是本发明提供的一种低氧单晶炉水冷屏的局部放大示意图；

图6是本发明提供的一种低氧单晶炉的主炉室管路示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。现有技术在单晶硅生产中，单晶炉的结构为内外两层，中间通冷却水，通过冷却水带走单晶生产过程中的热量，以降低单晶炉的高温承受能力从而降低单晶氧含量。但目前在使用的单晶炉水路为一路总进水，在炉台内通过分水器进行分配至各处，一路总出水的设计，一路水有问题会影响到全炉台的水路正常，同时这种设计炉台散热较为平均，不利于各工步的水流量需求，能耗较大，也不利于营造热场梯度的设计效果。且，现有技术降氧热场是通过减少底部保温来降低底部温度达到降氧效果，在突发坩埚溢流的情况下，底部保温弱则失去了保护炉底的作用。

基于上述研究，本申请提出了一种低氧单晶炉，能够保证炉体水流冷却系统正常工作的情况下，有效调节炉内温场分布达到温度梯度的效果。关于本申请提供的具有上述技术效果的低氧单晶炉，详细说明如下。

图1是本发明实施例所提供的一种低氧单晶炉的整体结构示意图，图2是图1中A-A’向的一种剖面图，请参考图1至图2，本申请提供了一种低氧单晶炉000，包括由底部至顶部顺次设置在炉体1内的排气管2、炉底3、主炉室4和水冷屏5，所述炉体1侧壁中设有至少两根冷却管6，任一所述冷却管6的进水口7和排水口8均延伸至所述炉体1外部，其中一根冷却管62单独贯穿所述水冷屏。通过对炉体1的水路进行设计，设置水冷屏5水路为独立水路，避免了一路水有问题会影响到全炉台的水路正常，从而保证了炉体1水流冷却系统正常工作。

需说明的是，图2仅以炉体1侧壁中设有两根冷却管6为例进行说明，在本发明的一些其他实施例中，炉体1侧壁中还可包括三根或者三根以上的冷却管6，当炉体1侧壁中设有三根冷却管6时，其中，一根冷却管可贯穿排气管2、炉底3与主炉室4中任意两个，一根冷却管单独贯穿水冷屏5，当炉体1侧壁中设有四根冷却管6时，其中，一根冷却管贯穿排气管2，一根冷却管贯穿炉底3、一根冷却管贯穿主炉室4以及一根冷却管贯穿水冷屏5，无论采用何种贯穿方式，仅需满足炉体1侧壁中任意一根冷却管单独贯穿水冷屏5即可。

可选的，请参考图1至图2，所述炉体1侧壁中设有第一冷却管61和第二冷却管62，所述第一冷却管61依次贯穿所述排气管2、所述炉底3和所述主炉室4，所述第二冷却管62贯穿所述水冷屏5。即，第一冷却管61和第二冷却管62在炉体1侧壁中互不干涉，第一冷却管61和第二冷却管62内均用于循环流动冷却水，第一冷却管61和第二冷却管62的进水口7和排水口8均延伸至炉体1外部，排气管2、炉底3和主炉室4为共通水路，位置从上至下依次通过第一冷却管61贯穿，水冷屏5为独立水路通过第二冷却管62单独贯穿，使该单晶炉000可以根据不同工步释放热量的大小，来控制冷却水的水流量，让释放热量大的工步，水流量加大，让释放热量小的工步，水流量减小，从而达到纵向温度梯度效果，降低单晶氧含量，并通过设置第一冷却管61和第二冷却管62在炉体1侧壁中互不干涉，保证了炉体1水流冷却系统正常工作。

可选的，图3是本发明提供的一种低氧单晶炉排气管、炉底的局部放大示意图，请参考图1至图3，所述第一冷却管61包括相连通的第一段611和第二段612，其中，所述第一段611贯穿所述排气管2，所述第二段612贯穿所述炉底3，所述第一段611的管径小于所述第二段612的管径。即，排气管2水路和炉底3水路为共通水路，炉底3水路的水流量大于排气管2水路的水流量，从而达到纵向温度梯度的设计效果。进一步，炉底3水路水流量大，则底部散热能力强，在热场上有降氧效果，从而降低单晶氧含量；排气管2水路水流量小，可减少氧化物在排气管2的堆积，防止排气管2堵塞。

可选的，图4是本发明提供的一种低氧单晶炉排气管、炉底、主炉室的局部放大示意图，请参考图1至图4，所述第一冷却管61还包括第三段613，所述第三段613位于所述第二段612远离所述第一段611的一侧，所述第三段613贯穿所述主炉室4，所述第三段613的管径小于所述第二段612的管径，且所述第三段613的管径大于所述第一段611的管径。第一冷却管61还包括相连通的第一段611和第二段612，第一段611贯穿排气管2，第二段612贯穿炉底3，第一段611的管径小于第二段612的管径。即，排气管2水路、炉底3水路和主炉室4水路为共通水路，炉底3水路的水流量大于主炉室4水路的水流量，主炉室4水路的水流量大于排气管2水路的水流量，从而使该单晶炉000可以根据不同工步释放热量的大小，来控制冷却水的水流量，让释放热量大的工步，水流量加大，让释放热量小的工步，水流量减小，把单晶炉000炉体1水路分成上、中、下三段水路，分别设置第一段、第二段、第三段的水流量，从而调节炉内温场的分布，达到纵向温度梯度的设计效果，从而降低单晶氧含量。进一步，炉底3水路水流量设计相较于主炉室4水路、排气管2水路水流量最大，则底部散热能力强，在热场上有降氧效果，从而降低单晶氧含量。排气管2水路的水流量设计相较于炉底3水路、主炉室4水路水流量最小，可避免氧化物聚集堵塞排气管2，从而有效保证了生产的顺利进行。

可选的，图5是本发明提供的一种低氧单晶炉水冷屏的局部放大示意图，请参考图1至图5，所述第二冷却管62的管径小于所述第三段613的管径，且所述第二冷却管62的管径大于所述第一段611的管径。第一冷却管61包括相连通的第一段611、第二段612及第三段613，第一段611贯穿排气管2，第二段612贯穿炉底3，第三段613贯穿主炉室4，第三段613位于第二段612远离第一段611的一侧，第二段612的管径大于第三段613的管径，第三段613的管径大于第一段611的管径。即，排气管2水路、炉底3水路和主炉室4水路为共通水路，水冷屏5水路为独立水路，炉底3水路的水流量大于主炉室4水路的水流量，主炉室4水路的水流量大于排气管2水路的水流量，水冷屏5水路的水流量大于排气管2水路的水流量，且，水冷屏5水路的水流量小于主炉室4水路的水流量。对第二冷却管62的冷却水流量的设置不仅可以达到调节水冷屏5温度的目的，还可以使该单晶炉000可以根据不同工步释放热量的大小，来控制冷却水的水流量，让释放热量大的工步，水流量加大，让释放热量小的工步，水流量减小，把单晶炉000炉体1水路分成四段水路，分别设置第一段、第二段、第三段及第二冷却管62的水流量，从而达到纵向温度梯度的设计效果，从而降低单晶氧含量。进一步，设置水冷屏水路为独立水路，第一冷却管61和第二冷却管62在炉体1侧壁中互不干涉，避免了一路水有问题会影响到全炉台的水路正常，从而保证了炉体水流冷却系统正常工作。进一步，排气管2水路的水流量设计相较于炉底3水路、主炉室3水路和水冷屏5水路水流量最小，可避免氧化物聚集堵塞排气管2，从而有效保证了生产的顺利进行。进一步，炉底3水路水流量设计相较于主炉室4水路、排气管2水路水流量最大，则底部散热能力强，在热场上有降氧效果，从而降低单晶氧含量。

可选的，图6是本发明提供的一种低氧单晶炉的主炉室管路示意图，请参考图1和图6，所述主炉室4靠近所述炉底3一侧的所述第三段613管路数量大于所述主炉室4靠近所述水冷屏5一侧的所述第三段613管路数量。通过设置主炉室4内管路数量，调节主炉室上、下水路的出水温度，对主炉室3的水路流通及整体的炉体1降温起关键性作用，能够充分利用冷却水进行冷却，吸收炉体温度进行降温，提高了冷却效率，从而调节炉内温场分布，达到纵向温度梯度的设计效果，降低单晶氧含量。

可选的，请参考图2，所述第一冷却管61的进水口71和所述第一冷却管61的排水口81位于所述炉体1底部两侧；所述第二冷却管62的进水口72和所述第二冷却管的排水口82位于所述炉体顶部两侧。第一冷却管61整体为倒“U”型水路，与第二冷却管62整体为正“U”型水路，可以理解为包括两条相对设置的直线水路以及分别连接两条直线边缘的弧形水路。正“U”型水路以及倒“U”型水路两边延伸处的一端设有进水口7，另一端设有排水口8，使冷却水绕过直线水路，由“U”型底部处再绕另一直线水路，进入排水口，从而能够充分利用冷却水进行冷却，吸收炉体温度进行降温，提高了冷却效率。

可选的，请参考图1至图2，所述炉体1高为1650mm-1850mm。相关技术中炉体的高度通常为1600mm-1800mm，本实施例中炉体1高为1650mm-1850mm，通过加高炉体1，整体抬升热场，从空间上加大底部的体积从而降低单晶氧含量，利于低氧单晶拉制及拉制的安全性，结构简单，使用方便，具有非常好的实用性能。当然炉体的高度不能过高，超过1850mm会因单晶生产车间厂房高度不足，损坏设备器件。炉体的高度不能过低，低于1650mm会在突发坩埚溢流的情况下，底部保温弱则失去了保护炉底的作用。

可选的，所述排气管2的水路流量为15L/min-20L/min，从而可以控制炉内温场分布达到温度梯度降低单晶氧含量，并且可减少氧化物在排气管的堆积，防止排气管堵塞。当所述排气管2的水路流量小于15L/min时，过小水流量的冷却水对于冷却单晶炉工作过程中释放出的大量热量效果不明显，增加了单晶炉的高温承受压力。当所述排气管2的水路流量大于20L/min时，使得氧化物聚集堵塞排气管管道造成生产异常。

可选的，所述炉底3的水路流量为150L/min-250L/min，底部散热能力强，在热场上有降氧效果，从而降低单晶氧含量。当所述炉底3的水路流量小于150L/min时，过小水流量的冷却水对于冷却单晶炉工作过程中释放出的大量热量效果不明显，增加了单晶炉的高温承受压力。当所述炉底3的水路流量大于250L/min时，使得水压较大造成生产异常，也不利于节能要求。

可选的，所述主炉室4的水路流量为150L/min-180L/min，调节主炉室上、下水路的出水温度，从而调节炉内温场的分布，以达到主炉室内温度梯度效果。当所述主炉室4的水路流量小于150L/min时，过小水流量的冷却水对于冷却单晶炉工作过程中释放出的大量热量效果不明显，增加了单晶炉的高温承受压力。当所述主炉室4的水路流量大于180L/min时，使得水压较大造成生产异常，也不利于节能要求。

可选的，所述水冷屏5的水路流量为100L/min—180L/min，从而可以控制炉内温场分布达到温度梯度降低单晶氧含量。当所述水冷屏5的水路流量小于100L/min时，过小水流量的冷却水对于冷却单晶炉工作过程中释放出的大量热量效果不明显，增加了单晶炉的高温承受压力。当所述水冷屏5的水路流量大于180L/min时，使得水压较大造成生产异常，也不利于节能要求。

通过上述实施例可知，本发明提供的一种低氧单晶炉，至少实现了如下的有益效果：一种低氧单晶炉，包括由底部至顶部顺次设置在炉体内的排气管、炉底、主炉室和水冷屏，其中炉体侧壁中设有至少两根冷却管，任一冷却管的进水口和排水口均延伸至炉体外部，其中一根冷却管单独贯穿水冷屏，通过对低氧单晶炉内的水路进行设计，在炉体中分别设置不同水流量的排气管水路、炉底水路、主炉室水路和水冷屏水路，其中炉底水路的水流量大于主炉室水路的水流量，主炉室水路的水流量大于水冷屏水路的水流量，水冷屏水路的水流量大于排气管水路的水流量，使该单晶炉可以根据不同工步释放热量的大小，来控制冷却水的水流量，让释放热量大的工步，水流量加大，让释放热量小的工步，水流量减小，调节炉内温场分布达到温度梯度的效果，从而降低单晶氧含量。设置水冷屏水路为独立水路，避免了一路水有问题会影响到全炉台的水路正常，从而保证了炉体水流冷却系统正常工作。利用主炉室靠近炉底一侧的管路数量大于主炉室靠近水冷屏一侧的管路数量，调节主炉室上、下水路的出水温度，从而调节炉内温场的分布，以达到主炉室内温度梯度效果。排气管水路的水流量最小，可减少氧化物在排气管的堆积，防止排气管堵塞。通过设置炉体加高的结构，整体抬升热场，从空间上加大底部的体积从而降低单晶氧含量，利于低氧单晶拉制及拉制的安全性，结构简单，使用方便，具有非常好的实用性能。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种低氧单晶炉，包括由底部至顶部顺次设置在炉体内的排气管、炉底、主炉室和水冷屏，其特征在于：所述炉体侧壁中设有至少两根冷却管，所述冷却管包括第一冷却管和第二冷却管，所述第一冷却管依次贯穿所述排气管、所述炉底和所述主炉室，所述第二冷却管贯穿所述水冷屏，任一所述冷却管的进水口和排水口均延伸至所述炉体外部；

所述第一冷却管包括相连通的第一段和第二段，其中，所述第一段贯穿所述排气管，所述第二段贯穿所述炉底，所述第一段的管径小于所述第二段的管径；

所述第一冷却管还包括第三段，所述第三段位于所述第二段远离所述第一段的一侧，所述第三段贯穿所述主炉室，所述第三段的管径小于所述第二段的管径，且所述第三段的管径大于所述第一段的管径；

所述第二冷却管的管径小于所述第三段的管径，且所述第二冷却管的管径大于所述第一段的管径。

2.根据权利要求1所述的低氧单晶炉，其特征在于，所述主炉室靠近所述炉底一侧的管路数量大于所述主炉室靠近所述水冷屏一侧的管路数量。

3.根据权利要求1所述的低氧单晶炉，其特征在于，所述第一冷却管的进水口和所述第一冷却管的排水口位于所述炉体底部两侧；所述第二冷却管的进水口和所述第二冷却管的排水口位于所述炉体顶部两侧。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种低氧单晶炉，其特征在于，所述炉体高为1650mm-1850mm。

5.根据权利要求1所述的一种低氧单晶炉，其特征在于，所述排气管的水路流量为15L/min-20L/min；所述炉底的水路流量为150L/min-250L/min；所述主炉室的水路流量为150L/min-180L/min_。

6.根据权利要求1所述的一种低氧单晶炉，其特征在于，所述水冷屏的水路流量为100L/min—180L/min。