CN115418708A - 一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置，本发明通过保温板对晶体冷却机构的表面进行保温，有效的避免了挥发物因冷凝现象附着在晶体冷却机构的下面和侧壁上，本发明在实现避免挥发物粘附在晶体冷却机构上的同时，由于保温板的保温作用，避免了因晶体冷却机构下面的低温对其对应坩埚区域的降温，防止晶体冷却机构带走过多的温度，起到了降低加热能耗的作用等，同时，由于保温板的保温作用，使晶体冷却机构内冷却介质的冷却效果完全作用在晶体上提拉孔内孔壁上，进而提高对拉制晶体的冷却效果，实现晶体的快速结晶，起到了提高晶体拉制速度的目的等，适合大范围的推广和应用。

Description

一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置

技术领域

本发明涉及人工晶体制备技术领域，尤其涉及一种晶体冷却装置，具体涉及一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置。

背景技术

已知的，在提高晶体拉制效率方面，如何提高晶体的拉制速度是其中的关键技术之一，以多/单晶硅制备为例，多/单晶硅在整个生产过程中，直径为8mm～12mm的柱状硅棒使用量非常大，在实际生产过程中，发现柱状硅棒制备过程中出现的余料，不小心折断的硅棒，多/单晶硅生产企业在切割、破碎等工艺阶段产生的碎料等处理非常繁琐，很多企业为了图省事，直接将上述碎料丢弃或者长期堆放在仓库中，还有一些企业将上述碎料进行回收，通过直拉炉拉制成硅棒，然后通过多线切割机将硅棒切成复数根尺寸为8mm*8mm或10mm*10mm的柱状硅棒，这样不仅增加了柱状硅棒的生产成本，在切割过程中还增加了杂质引入，在降低产品质量的同时，还造成了较大的资源浪费等，那么如何将碎硅料进行再利用就成了本领域技术人员的长期技术诉求。

发明人通过检索发现，采用直拉法拉制硅棒的技术已经非常成熟，并在人工晶体制备领域得到了广泛的应用，但是现有直拉法在拉制硅棒时，只能在坩埚的中心拉制一根硅棒，比如中国发明专利，专利号为201320678696.4，申请日为2013年10月30日，公告号为CN203639604U，专利名称为一种软轴提拉型单晶炉；中国发明专利，专利号为202011063763.2，申请日为2020年9月30日，公告号为CN112176400A，专利名称为一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法。上述两专利公开的技术方案均是采用直拉法拉制硅棒的技术方案，但上述两技术方案只能实现一根硅棒的同时拉制，无法实现多根硅棒的同时拉制。

为了能实现多根晶体的同时拉制，本发明人于2022年3月21日向国家知识产权局提交了名称为一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置的专利申请，专利申请号为202220616165.1，该技术方案在晶体拉制时发现如下弊端：

1、由于与坩埚内熔液接近的下法兰或冷却盘内通有冷却介质，此时下法兰或冷却盘的外表面温度低于其所处区域的温度，当坩埚中的硅料熔融成硅液后，此时硅液中及炉室内的杂质挥发后漂浮至下法兰或冷却盘的下底面或侧壁上，由于下法兰或冷却盘内通有冷却介质，下法兰或冷却盘的温度相对较低，此时，挥发物冷凝附着在下法兰或冷却盘的底面或侧壁上，当挥发物堆积到一定厚度后，由于气流扰动再加上热胀冷缩效应，挥发物掉落到坩埚的熔液上表面后漂浮在熔液的上表面，由于挥发物的熔点高于硅料的熔点，无法将挥发物熔化，更无法将挥发物气化，此时挥发物会持续存在于熔液的上表面，由于拉制时，坩埚一直旋转，此时坩埚内的挥发物不会静止处于硅熔液上表面的某一处不动，而是位置漂浮不定，一旦漂浮物附着到硅芯结晶位置，轻者导致所拉制硅芯的外缘面凸起变形，严重时，由于硅芯直径的变化导致硅芯卡死在晶体穿孔内，最终被迫停机，结束本轮的拉制，所拉制硅芯也无法当做成品使用，只能报废处理。

2、由于下法兰或冷却盘的下面为平面，冷却介质对下法兰或冷却盘上每个晶体拉制孔的冷却效果是相同的，此时由于坩埚内熔液的温度不均匀，坩埚的温度由高到低依次为由坩埚的内边缘至坩埚的中心，在拉制时，处于下法兰或冷却盘外圈的晶体在拉制时由于外圈温度高于内圈温度导致其结晶速度低于处于下法兰或冷却盘内圈的晶体（越靠近坩埚中心位置结晶速度由于温度相对低会先结晶），在相同拉制速度的条件下，处于下法兰或冷却盘外圈的晶体直径会小于处于下法兰或冷却盘内圈的晶体直径，进而导致同时拉制的晶体直径不一致。

3、下法兰或冷却盘的下表面靠近但不接触坩埚内熔液的上表面，此时下法兰或冷却盘表面的低温会吸收坩埚上方的部分热量，从而导致不必要的热量损失，造成一定的电耗损失等。

综上，如何克服上述技术问题就成了急需解决的技术问题。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供了一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置，本发明通过在晶体冷却管的外围设置冷却介质通道，通过冷却介质对坩埚以上的空间形成低温区，即形成下高上低的温度梯度，降低坩埚上方熔化硅液的温度，增加硅液的粘稠度，利于硅液跟随籽晶结晶，然后在下法兰或冷却盘的下面设有保温板，有效避免挥发物因冷凝而附着在下法兰或冷却盘的表面，同时保温板还可以调节下法兰或冷却盘上内、外圈温度，进而达到使其实现等径的目的等。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置，包括上法兰、下法兰、晶体冷却管、冷却介质通道和保温板，在所述上法兰与下法兰之间设有复数个晶体冷却管，在晶体冷却管的外围设有冷却介质通道，所述冷却介质通道的进口通过管道连接冷却源，冷却介质通道的出口通过管道连接冷却介质回收机构，在下法兰的下面设有保温板；或在下法兰的下方设有冷却盘，在冷却盘的下面设有保温板形成所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却盘的中部设有空腔，在所述空腔内设有复数个固定柱，在每个固定柱上分别设有晶体提拉孔，空腔分别连通出水管和进水管，所述出水管和进水管连通冷却介质通道。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰或冷却盘的下面由外向内设有至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面，在每级阶梯面上分别设置一圈晶体下穿孔或晶体提拉孔。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述保温板为平板型结构，在保温板上设有复数个穿孔，每个穿孔分别对应下法兰上的晶体下穿孔或冷却盘上的晶体提拉孔，保温板的外形尺寸大于或等于下法兰或冷却盘的外形尺寸。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述保温板为平板型结构时，在保温板的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶，所述阶梯台阶与下法兰或冷却盘下面的阶梯面对应配合。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述保温板的替换结构形式为在保温板的中部设置向下凹陷的凹槽形成桶型结构，在保温板上设有复数个穿孔，每个穿孔分别对应下法兰上的晶体下穿孔或冷却盘上的晶体提拉孔，所述凹槽的内缘面与下法兰或冷却盘的外缘面为间隙配合或过盈配合。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰或冷却盘的外缘面与凹槽的内缘面间隙配合时，在间隙处设有保温填充物。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述保温板设置为桶型结构时，在保温板的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶，所述阶梯台阶与下法兰或冷却盘下面的阶梯面对应配合。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第一结构为在上法兰与下法兰之间设置连接筒，在所述连接筒内设有复数个晶体冷却管，每个晶体冷却管的上端分别连接设置在上法兰上的晶体上穿孔，每个晶体冷却管的下端分别连接设置在下法兰上的晶体下穿孔，由连接筒的内缘面与上法兰下端面、下法兰上端面之间的空腔形成冷却介质通道，在上法兰上分别设有出水口和进水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第二结构为在每个晶体冷却管的外围分别套接套管，每个套管的上端头分别连通设置在上法兰中部的进水腔，每个套管的下端头分别连通设置在下法兰中部的集水腔，由套管的内缘面与晶体冷却管的外缘面之间的冷却腔、进水腔和集水腔形成冷却介质通道，所述进水腔连通进水口，所述集水腔通过回水管连接出水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第三结构为在每个晶体冷却管的外围分别套接套管，在每个套管的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶，每个套管的上端头分别连通设置在上法兰上部的进水腔，每个半圆台阶的上端头分别连通设置在上法兰下部的回水腔，每个套管的下端头分别连通设置在下法兰上部的集水腔，由套管的内缘面与晶体冷却管的外缘面之间的冷却腔、进水腔、回水腔和集水腔形成冷却介质通道，所述进水腔连通进水口，所述回水腔通过连接管连接出水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第四结构为在每个晶体冷却管的外围分别套接套管，在每个套管的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶，每个套管的上端头分别连通设置在上法兰上部的进水腔，每个半圆台阶的上端头分别连通设置在上法兰下部的回水腔，每个套管的下端头分别连接下法兰，由套管的内缘面与晶体冷却管的外缘面之间的冷却腔、进水腔和回水腔形成冷却介质通道，所述进水腔连通进水口，所述回水腔通过连接管连接出水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述晶体冷却管与套管之间的冷却腔内设有隔板。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述上法兰的第一结构为上法兰为实心结构，在上法兰的上面分别设有复数个贯通至上法兰下面的晶体上穿孔、出水口和进水口；或在上法兰上面的中部设置气体穿孔，在气体穿孔外围的上法兰的上面设有复数个贯通至上法兰下面的晶体上穿孔、出水口和进水口。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述上法兰的第二结构为在上法兰的下面设有向上凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有下盖板，下盖板与凹槽形成的空腔为进水腔，在凹槽的槽底分别设有复数个贯通至上法兰上面的晶体冷却管穿孔、出水口和进水口，在下盖板上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述上法兰的第三结构为在上法兰的上下两面分别设有上凹槽和下凹槽，在上凹槽和下凹槽的开口端分别设有进水腔盖板和回水腔盖板，进水腔盖板与上凹槽形成的空腔为进水腔，回水腔盖板与下凹槽形成的空腔为回水腔，在进水腔盖板上分别设有复数个贯通至下凹槽槽底的晶体冷却管穿孔、出水口和进水口，在回水腔盖板上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔，在上凹槽的槽底设有贯通至下凹槽槽底的半圆形进水孔，所述回水腔通过连接管连通出水口。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰的第一结构为下法兰为实心结构，在下法兰的上面设有复数个贯通至下法兰下面的晶体下穿孔。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰的第二结构为在下法兰的上面设有向下凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有上盖板，在凹槽的槽底设有复数个贯通至下法兰下面的晶体冷却管穿孔，在上盖板上设有复数个套管穿孔。

所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述复数个晶体冷却管的设置形式为中间设置一个晶体冷却管，在中间晶体冷却管的外围呈放射状设有复数组晶体冷却管，每组晶体冷却管包括至少两个晶体冷却管；或复数个晶体冷却管的第二设置形式为在上法兰上气体穿孔的外围呈放射状设置复数组晶体冷却管，每组晶体冷却管包括至少两个晶体冷却管。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过在上法兰与下法兰之间设有复数个晶体冷却管，在晶体冷却管的外围设有冷却介质通道，通过冷却介质对坩埚以上的空间形成低温区，即形成下高上低的温度梯度，同时还可以实现降低坩埚上方熔化硅液的温度，增加硅液的粘稠度，利于硅液跟随籽晶结晶，最主要的是还可以对硅芯进行冷却，进而提高硅芯的拉制速度，然后在下法兰或冷却盘的下面设有保温板，通过保温板对晶体冷却机构的表面进行保温，有效的避免了挥发物因冷凝现象附着在晶体冷却机构的下面和侧壁上，本发明在实现避免挥发物粘附在晶体冷却机构上的同时，由于保温板的保温作用，避免了因晶体冷却机构下面的低温对其对应坩埚区域的降温，防止晶体冷却机构带走过多的温度，起到了降低加热能耗的作用等，同时，由于保温板的保温作用，使晶体冷却机构内冷却介质的冷却效果完全作用在晶体上提拉孔内孔壁上，进而提高对拉制晶体的冷却效果，实现晶体的快速结晶，起到了提高晶体拉制速度的目的等，适合大范围的推广和应用。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的局部立体结构示意图；

图3是本发明中上法兰的结构示意图；

图4是本发明中下法兰的结构示意图；

图5是本发明中冷却介质通道的第二结构示意图；

图6是本发明中冷却介质通道的第三结构示意图；

图7是本发明中冷却介质通道的第四结构示意图；

图8是本发明中套管的结构示意图；

图9是本发明中冷却盘设置形式的第一结构示意图；

图10是本发明中冷却盘设置形式的第二结构示意图；

图11是本发明中冷却盘设置形式的第三结构示意图；

图12是本发明中隔板的结构示意图；

图13是本发明中保温板的第一结构示意图；

图14是本发明中保温板的第二结构示意图；

图15是本发明中保温板的第三结构示意图；

图16是本发明中保温板的第四结构示意图；

在图中：1、晶体上穿孔；2、出水口；3、上法兰；4、连接筒；5、下法兰；6、进水口；7、晶体冷却管；8、下环形定位台阶；9、晶体下穿孔；10、上环形定位台阶；11、进水腔；12、冷却腔；13、套管；14、回水管；15、上盖板；16、集水腔；17、下盖板；18、进水腔盖板；19、连接管；20、回水腔；21、回水腔盖板；22、半圆台阶；23、出水管；24、空腔；25、冷却盘；26、固定柱；27、晶体提拉孔；28、进水管；29、隔板；30、保温板；3001、穿孔；3002、中心孔；3003、阶梯台阶；31、气体穿孔；32、保温填充物。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例；

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图1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设备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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以是两个元件内部的连通。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。

结合附图1～16所述的一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置，包括上法兰3、下法兰5、晶体冷却管7、冷却介质通道和保温板30，在所述上法兰3与下法兰5之间设有复数个晶体冷却管7，实施时，复数个晶体冷却管的设置形式为中间设置一个晶体冷却管，在中间晶体冷却管的外围呈放射状设有复数组晶体冷却管，每组晶体冷却管包括至少两个晶体冷却管；或复数个晶体冷却管的第二设置形式为在上法兰3上气体穿孔31的外围呈放射状设置复数组晶体冷却管，每组晶体冷却管包括至少两个晶体冷却管，晶体冷却管7的设置数量具体根据所拉制晶体的数量进行选择；在晶体冷却管7的外围设有冷却介质通道，冷却介质通道内通入用于降温的冷却介质，所述冷却介质通道的进口通过管道连接冷却源，冷却介质通道的出口通过管道连接冷却介质回收机构，在下法兰5的下面设有保温板30；或在下法兰5的下方设有冷却盘25，所述冷却盘25的中部设有空腔24，在所述空腔24内设有复数个固定柱26，在每个固定柱26上分别设有晶体提拉孔27，空腔24分别连通出水管23和进水管28，所述出水管23和进水管28连通冷却介质通道，在冷却盘25的下面设有保温板30形成所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置。

本发明在实际应用中，通过设置保温板30，可以起到如下效果：

1、通过的保温板30设置，可以降低或者避免下法兰5或冷却盘25由于通入冷却介质的原因导致其表面温度低于炉室内的温度，进而可以减少或避免熔液内的挥发物冷凝附着在下法兰5或冷却盘25的外表面。

2、通过保温板30的设置，可以更好的保证下法兰5或冷却盘25上各个晶体下穿孔（9）或晶体提拉孔（27）温度的均匀性（即可以调节处于下法兰5上内圈晶体下穿孔（9）与外圈晶体下穿孔（9）的温度或冷却盘25上内圈晶体提拉孔（27）与外圈晶体提拉孔（27）的温度，进而实现内圈与外圈上晶体下穿孔（9）或晶体提拉孔（27）的温度趋于等温），由于坩埚的温度分布范围为外围温度高于中心温度，在拉制晶体时，下法兰5或冷却盘25的冷却范围也应随之变化，进而保证内、外圈晶体结晶的一致性。

3、通过保温板30的设置，还可以使坩埚内结晶区域的温度趋于均匀，起到降低或避免下法兰5或冷却盘25内的冷却介质对坩埚内的结晶区域进行冷却降温（下法兰5或冷却盘25表面温度低，可以带走一部分热量，热量损失后，进而导致温度的降低），可以避免为了保证坩埚内结晶区域的温度不被降低，通过加大加热功率的方法来保证坩埚内结晶区域的温度不被降低的步骤，进而实现降低能耗的效果（即通过保温板30的设置，可以减少或调节下法兰5或冷却盘25对坩埚内熔液液面温度的吸收，从而避免不必要的热量损失，避免造成电耗的增加等），这样还可以实现坩埚结晶区域的温度均匀等。

进一步，如图15、16所示，在所述下法兰5或冷却盘25的下面由外向内设有至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面，为了实现同时更多根晶棒的拉制，在下法兰5或冷却盘25上自外缘向内依次间隔设置多圈晶体下穿孔9或晶体提拉孔27，此时，为了保证每圈晶体下穿孔9或晶体提拉孔27所拉制晶体直径的一致性，主要应规避的技术问题是克服坩埚内熔液温度不均匀的问题，因此在所述下法兰5或冷却盘25的下面由外向内设有至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面，在每级阶梯面上分别设置一圈晶体下穿孔9或晶体提拉孔27，所述阶梯面的外形与保温板30上的阶梯台阶3003一致。实施时，设置阶梯台阶可以更好的保证下法兰5或冷却盘25上晶体穿孔或晶体提拉孔27温度的均匀性，由于坩埚的温度分布范围为外围温度高于中心温度，在拉制晶体时，下法兰5或冷却盘25的冷却范围也应随之变化，进而保证内外圈晶体结晶的一致性。

进一步，如图14所示，所述保温板30为平板型结构，在保温板30上设有复数个穿孔3001，每个穿孔3001分别对应下法兰5上的晶体下穿孔9或冷却盘25上的晶体提拉孔27，保温板30的外形尺寸大于或等于下法兰5或冷却盘25的外形尺寸，实施时，可以在所述保温板30的中部设有中心孔3003，在中心孔3003的外围呈放射状设有复数组穿孔3001，所述中心孔3003及穿孔3001分别对应下法兰5或冷却盘25上的晶体下穿孔9或晶体提拉孔27。

进一步，如图14、16所示，所述保温板30为平板型结构时，在保温板30的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶3003，所述阶梯台阶3003与下法兰5或冷却盘25下面的阶梯面对应配合。

进一步，如图13、15所示，所述保温板30的替换结构形式为在保温板30的中部设置向下凹陷的凹槽形成桶型结构，在保温板30上设有复数个穿孔3001，每个穿孔3001分别对应下法兰5上的晶体下穿孔9或冷却盘25上的晶体提拉孔27，所述凹槽的内缘面与下法兰5或冷却盘25的外缘面为间隙配合或过盈配合。

进一步，如图15所示，所述下法兰5或冷却盘25的外缘面与凹槽的内缘面间隙配合时，在间隙处设有保温填充物32。

进一步，如图15所示，所述保温板30设置为桶型结构时，在保温板30的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶3003，所述阶梯台阶3003与下法兰5或冷却盘25下面的阶梯面对应配合。实施时，设置阶梯台阶可以更好的保证下法兰5或冷却盘25上晶体下穿孔9或晶体提拉孔27温度的均匀性，由于坩埚的温度分布范围为外围温度高于中心温度，在拉制晶体时，下法兰5或冷却盘25的冷却范围也应随之变化，进而保证内外圈晶体结晶的一致性。

实施时，保温板30的外形尺寸大于下法兰5或冷却盘25的外形尺寸时结构如图14所示，保温板30的外缘面向外延伸，这样可以减少或避免挥发物粘附到下法兰5或冷却盘25的外缘面上，同时还可以起到托盘的作用，将挥发物落在保温板30延伸出的上表面等。当保温板30的外形尺寸等于下法兰5或冷却盘25的外形尺寸时结构如图16所示，保温板30与下法兰5或冷却盘25连接时可以通过粘接的形式连接，也可以通过销钉或螺钉固定的方式连接，也可以通过连接杆挂接在下法兰5或冷却盘25的下方等，保温板30的材质可以为石墨毡或石墨板或碳碳复合材料板等。

进一步，如图13、15所示，所述保温板30的替换结构形式为在保温板30的中部设置向下凹陷的凹槽形成桶型结构，所述凹槽的内缘面与下法兰5或冷却盘25的外缘面为间隙配合或过盈配合连接。 实施时，所述下法兰5或冷却盘25的外缘面与凹槽的内缘面间隙配合时，在间隙处设有保温填充物32。所述保温填充物32为石英毡或石墨毡或锆毡中的任意一种。设置桶形结构的保温板30，可以起到防止挥发物粘接并堆积到下法兰5或冷却盘25的侧壁上，同时还可以起到调节下法兰5或冷却盘25侧壁保温效果的作用，通过调节下法兰5或冷却盘25侧壁的保温效果，实现调节下法兰5或冷却盘25外圈上晶体下穿孔9或晶体提拉孔27的温度，进而实现调节所拉制柱形晶体的直径，设置保温填充物32的作用也是在起保温作用的同时，通过调整添加保温填充物32的厚度大小来调整保温温度，最终实现调整下法兰5或冷却盘25外圈上晶体下穿孔9或晶体提拉孔27的温度，实现调节所拉制柱形晶体的直径等。

实施时，还可以在下法兰5或冷却盘25的上面板设置保温板，即在下法兰5或冷却盘25的外表面全部包覆一层保温材料。

实施时，在保温板30的中部可以设置与冷却盘25中心部位穿孔一致的中心孔3002，在中心孔3002的外围设置复数个与冷却盘25上晶体提拉孔27一一对应的穿孔3001，当下法兰5或冷却盘25的下面由外向内设置至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面时，保温板30随之由外向内设置至少一级向上凸起的阶梯台阶3003，阶梯台阶3003与下法兰5或冷却盘25上的阶梯面配合，具体结构详见附图15、16。

本发明中涉及到的冷却介质为冷却水或冷却油或冷却气体，如液氮等。

进一步，如图9、10、11所示，所述下法兰5的下方设有冷却盘25，在所述冷却盘25的中部设有空腔24，在所述空腔24内设有复数个固定柱26，在每个固定柱26上分别设有晶体提拉孔27，空腔24分别连通出水管23和进水管28，所述出水管23和进水管28连通冷却介质通道，实施时，如图9所示，进水管28的上端连接上法兰3上的进水口6，出水管23的上端连通下法兰5上的集水腔16；或者如图10所示，进水管28的上端连接上法兰3上的进水口6，出水管23的上端连通上法兰3上的回水腔20；或者如图11所示，下法兰5的下方设有冷却盘25，在所述冷却盘25的中部设有空腔24，在所述空腔24内设有复数个固定柱26，在每个固定柱26上分别设有晶体提拉孔27，空腔24分别连通出水管23和进水管28，所述出水管23和进水管28分别穿过下法兰5连通由下法兰5、连接筒4和上法兰3组成的冷却介质通道，实施时，通出水管23和进水管28的上端头还可以穿过下法兰5后直接连通设置在上法兰3的出水口2和进水口6，即将冷却盘25形成单独的冷却回路，此时，上法兰3上的出水口2和进水口6可以设置为多个，即通过多个出水口2和进水口6分别给冷却盘25和晶体冷却管7进行冷却；或者将出水管23或进水管28的上端头连通出水口2或进水口6，将进水管28或将出水管23的上端头连通由下法兰5、连接筒4和上法兰3组成的冷却介质通道，即实现独立进总体出或实现总体进独立出的形式；也就是说出水管23和进水管28具体与哪个部件连接完全取决于冷却介质通道的结构形式，实施时，在下法兰5的下方设置冷却盘25，下法兰5上每个晶体冷却管7的内孔分别与冷却盘25上每个晶体提拉孔27对应且同心设置，这样可以保证晶棒顺利穿过晶体提拉孔27与晶体冷却管7，同时操作者可以通过下法兰5与冷却盘25之间的空隙观察晶体的拉制情况，使用时，当籽晶带动熔液进入冷却盘25上的晶体提拉孔27后随着温度的降低会随着籽晶进行结晶形成新的晶棒，当晶棒穿过晶体提拉孔27后进入晶体冷却管7，晶体冷却管7对晶棒进行再次冷却形成所需的晶棒，此时操作者可以通过下法兰5与冷却盘25之间的空隙观察晶棒的拉制情况，晶体冷却管7不仅可以对晶棒进行冷却（因冷却介质通道内的冷却介质对晶体冷却管7进行冷却形成晶体生长所需的温度梯度区域），同时还可以起到晶棒导向的作用，即保证晶棒的下端头不会发生晃动（需要说明的是，当晶棒拉制到一定长度后，如果上端发生轻微的晃动，那么传递到晶棒的下端，晃动的幅度就会成倍或成十几倍的增加，进而影响晶棒的拉制，目前晶棒的拉制长度一般为2m至3m左右）。

如图1、2、3、4所示，所述冷却介质通道设置的第一结构为在上法兰3与下法兰5之间设置连接筒4，实施时，可以在上法兰3的下面设置下环形定位台阶8，在下法兰5的上面设置上环形定位台阶10，然后将连接筒4的上下两端分别套接在下环形定位台阶8和上环形定位台阶10上，然后通过焊接的形式将连接筒4焊接在上法兰3与下法兰5上，在所述连接筒4内设有复数个晶体冷却管7，每个晶体冷却管7的上端分别连接设置在上法兰3上的晶体上穿孔1，每个晶体冷却管7的下端分别连接设置在下法兰5上的晶体下穿孔9，由连接筒4的内缘面与上法兰3下端面、下法兰5上端面之间的空腔形成冷却介质通道，在上法兰3上分别设有出水口2和进水口6，所述出水口2和进水口6分别形成冷却介质通道的进口和出口。实施时，复数个晶体冷却管7的设置形式为中间设置一个晶体冷却管7，然后在中部晶体冷却管7的外围呈放射状设有复数组晶体冷却管7，每组晶体冷却管7包括至少两个晶体冷却管7，晶体冷却管7的设置数量具体根据所拉制晶体的数量进行选择；所述上法兰3的结构为上法兰3为实心结构，在上法兰3的上面分别设有复数个贯通至上法兰3下面的晶体上穿孔1、一个出水口2和一个进水口6。所述下法兰5的结构为下法兰5为实心结构，在下法兰5的上面设有复数个贯通至下法兰5下面的晶体下穿孔9，使用时，冷却介质通过进水口6进入到由上法兰3、连接筒4和下法兰5组成的冷却介质通道内，当整个冷却介质通道内充满冷却介质后，冷却介质从出水口2流出，进而实现对每个晶体冷却管7内的晶棒进行冷却的目的，实施时，冷却介质优选冷却纯水，同时可以选择其它冷却气体。实施时，还可以在下法兰5的下方设置冷却盘25，在所述冷却盘25的中部设有空腔24，在所述空腔24内设有复数个固定柱26，在每个固定柱26上分别设有晶体提拉孔27，空腔24分别连通出水管23和进水管28，所述出水管23和进水管28连通设置在下法兰5上的进水分口和出水分口。

进一步，如图5所示，所述冷却介质通道设置的第二结构为在每个晶体冷却管7的外围分别套接套管13，每个套管13的上端头分别连通设置在上法兰3中部的进水腔11，每个套管13的下端头分别连通设置在下法兰5中部的集水腔16，由套管13的内缘面与晶体冷却管7的外缘面之间的冷却腔12、进水腔11和集水腔16形成冷却介质通道，所述进水腔11连通进水口6，所述集水腔16通过回水管14连接出水口2，所述出水口2和进水口6分别形成冷却介质通道的进口和出口。实施时，所述上法兰3的结构为在上法兰3的下面设有向上凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有下盖板17，下盖板17与凹槽形成的空腔为进水腔11，在凹槽的槽底分别设有复数个贯通至上法兰3上面的晶体冷却管穿孔、出水口2和进水口6，在下盖板17上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔。所述下法兰5的结构为在下法兰5的上面设有向下凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有上盖板15，在凹槽的槽底设有复数个贯通至下法兰5下面的晶体冷却管穿孔，在上盖板15上设有复数个套管穿孔。使用时，冷却介质通过进水口6进入进水腔11，然后经进水腔11将冷却介质分流到每个冷却腔12内，冷却介质流过冷却腔12后进入集水腔16内，冷却介质经集水腔16进入回水管14，冷却介质经回水管14进入出水口2。

进一步，如图6、8所示，所述冷却介质通道设置的第三结构为在每个晶体冷却管7的外围分别套接套管13，在每个套管13的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶22，每个套管13的上端头分别连通设置在上法兰3上部的进水腔11，每个半圆台阶22的上端头分别连通设置在上法兰3下部的回水腔20，每个套管13的下端头分别连通设置在下法兰5上部的集水腔16，由套管13的内缘面与晶体冷却管7的外缘面之间的冷却腔12、进水腔11、回水腔20和集水腔16形成冷却介质通道，所述进水腔11连通进水口6，所述回水腔20通过连接管19连接出水口2，所述出水口2和进水口6分别形成冷却介质通道的进口和出口。实施时，所述上法兰3的结构为在上法兰3的上下两面分别设有上凹槽和下凹槽，在上凹槽和下凹槽的开口端分别设有进水腔盖板18和回水腔盖板21，进水腔盖板18与上凹槽形成的空腔为进水腔11，回水腔盖板21与下凹槽形成的空腔为回水腔20，在进水腔盖板18上分别设有复数个贯通至下凹槽槽底的晶体冷却管穿孔、出水口2和进水口6，在回水腔盖板21上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔，在上凹槽的槽底设有贯通至下凹槽槽底的半圆形进水孔，所述回水腔20通过连接管19连通出水口2。所述下法兰5的结构为在下法兰5的上面设有向下凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有上盖板15，在凹槽的槽底设有复数个贯通至下法兰5下面的晶体冷却管穿孔，在上盖板15上设有复数个套管穿孔。实施时，为了提高冷却效果，可以在晶体冷却管7与套管13之间的冷却腔12内设置隔板29，具体如图12所示，通过隔板29将冷却腔12分为进水腔体和出水腔体，即将冷却介质引流到晶体冷却管7的下端，使用时，冷却介质通过进水口6进入进水腔11，然后经进水腔11将冷却介质分流到每个冷却腔12内的进水腔体，冷却介质流过冷却腔12的进水腔体后进入集水腔16内，冷却介质经集水腔16进入每个冷却腔12的出水腔体，然后经出水腔体进入回水腔20，回水腔20内的冷却介质经连接管19进入出水口2。

进一步，如图7、8所示，所述冷却介质通道设置的第四结构为在每个晶体冷却管7的外围分别套接套管13，在每个套管13的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶22，每个套管13的上端头分别连通设置在上法兰3上部的进水腔11，每个半圆台阶22的上端头分别连通设置在上法兰3下部的回水腔20，每个套管13的下端头分别连接下法兰5，由套管13的内缘面与晶体冷却管7的外缘面之间的冷却腔12、进水腔11和回水腔20形成冷却介质通道，所述进水腔11连通进水口6，所述回水腔20通过连接管19连接出水口2，所述出水口2和进水口6分别形成冷却介质通道的进口和出口。实施时，所述上法兰3的第三结构为在上法兰3的上下两面分别设有上凹槽和下凹槽，在上凹槽和下凹槽的开口端分别设有进水腔盖板18和回水腔盖板21，进水腔盖板18与上凹槽形成的空腔为进水腔11，回水腔盖板21与下凹槽形成的空腔为回水腔20，在进水腔盖板18上分别设有复数个贯通至下凹槽槽底的晶体冷却管穿孔、出水口2和进水口6，在回水腔盖板21上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔，在上凹槽的槽底设有贯通至下凹槽槽底的半圆形进水孔，所述回水腔20通过连接管19连通出水口2。所述下法兰5的结构为下法兰5为实心结构，在下法兰5的上面设有复数个贯通至下法兰5下面的晶体下穿孔9。实施时，为了提高冷却效果，可以在晶体冷却管7与套管13之间的冷却腔12内设置隔板29，具体如图12所示，通过隔板29将冷却腔12分为进水腔体和出水腔体，进水腔体和出水腔体的下端连通形成一个循环的通道，使用时，冷却介质通过进水口6进入进水腔11，然后经进水腔11将冷却介质分流到每个冷却腔12内的进水腔体，冷却介质流过冷却腔12的进水腔体后进入冷却腔12内的出水腔体，然后经出水腔体进入回水腔20，回水腔20内的冷却介质经连接管19进入出水口2。

本发明在具体实施时，上法兰3上的设置的进水口6可以设置为一个，也可以设置为多个，当设置为一个时，需要分别为冷却盘25和冷却介质通道提供冷却介质时，可以将上法兰3设置为如图5所示的结构，这样可以通过进水腔11将冷却介质分流到冷却盘25和冷却介质通道。

本发明在具体应用时，其设置在位于炉体内坩埚的上方，本发明下法兰5或冷却盘25的下面接近坩埚内熔液但不能接触，工作时，首先将原料放入坩埚内，开启加热器对位于下轴上的坩埚进行加热，待坩埚的原料熔化为熔液后，上提拉机构带动籽晶下降，当籽晶穿过晶体下穿孔9或晶体下穿孔9及晶体提拉孔27、穿孔3001后与熔液接触停止籽晶下降，待籽晶的下端头熔化后缓慢提升籽晶，由于下法兰5或冷却盘25内通入了冷却介质，此时，熔液跟随籽晶上升，当熔液接近下法兰5或冷却盘25的下面时，由于此处的温度低于坩埚的温度，熔液逐渐结晶，当结晶的熔液进入晶体下穿孔9或晶体下穿孔9及晶体提拉孔27后温度逐渐降低便形成所需要的柱形晶体，应用时，下法兰5或冷却盘25中的冷却介质通过晶体下穿孔9或晶体下穿孔9及晶体提拉孔27可以对刚刚结晶后的柱形晶体进行强制冷却，下法兰5或冷却盘25上设置的保温板30可以避免挥发物粘附在下法兰5或冷却盘25的表面，同时通过保温板30的设置，还可以调整每圈晶体下穿孔9或晶体提拉孔27的保温（保冷效果）效果，进而实现调整内、外圈晶体下穿孔9或晶体提拉孔27所拉制柱形晶体的直径等。

实施时，保温板30上设置的阶梯台阶3003的外形可以设置为圆形或在每两个穿孔3001之间设置向内凹陷的圆弧形成的梅花形或在每两个穿孔3001之间设置向外突出的圆弧或各种异形形状。

本发明在具体实施时，所有涉及到的冷却介质出入口均可以设置为多组。

本发明中涉及到的碎硅料不仅包括硅芯制备过程中出现的余料，不小心折断的硅芯，多/单晶硅生产企业在还原、切割、磨抛等工艺阶段产生的碎料等，同样还包括其它形状的硅料（比如菜花料、长度较小的硅棒等），或直接采购新的硅料使用本发明直接拉制硅芯。

本发明在实际应用时，不仅可以用于硅芯的拉制，同时还可以实现其它晶体材料的拉制。

以上内容中未细述部份为现有技术，故未做细述。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (19)

1.一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置，包括上法兰（3）、下法兰（5）、晶体冷却管（7）、冷却介质通道和保温板（30），其特征是：在所述上法兰（3）与下法兰（5）之间设有复数个晶体冷却管（7），在晶体冷却管（7）的外围设有冷却介质通道，所述冷却介质通道的进口通过管道连接冷却源，冷却介质通道的出口通过管道连接冷却介质回收机构，在下法兰（5）的下面设有保温板（30）；或在下法兰（5）的下方设有冷却盘（25），在冷却盘（25）的下面设有保温板（30）形成所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置。

2.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述冷却盘（25）的中部设有空腔（24），在所述空腔（24）内设有复数个固定柱（26），在每个固定柱（26）上分别设有晶体提拉孔（27），空腔（24）分别连通出水管（23）和进水管（28），所述出水管（23）和进水管（28）连通冷却介质通道。

3.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述下法兰（5）或冷却盘（25）的下面由外向内设有至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面，在每级阶梯面上分别设置一圈晶体下穿孔（9）或晶体提拉孔（27）。

4.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述保温板（30）为平板型结构，在保温板（30）上设有复数个穿孔（3001），每个穿孔（3001）分别对应下法兰（5）上的晶体下穿孔（9）或冷却盘（25）上的晶体提拉孔（27），保温板（30）的外形尺寸大于或等于下法兰（5）或冷却盘（25）的外形尺寸。

5.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述保温板（30）为平板型结构时，在保温板（30）的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶（3003），所述阶梯台阶（3003）与下法兰（5）或冷却盘（25）下面的阶梯面对应配合。

6.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述保温板（30）的替换结构形式为在保温板（30）的中部设置向下凹陷的凹槽形成桶型结构，在保温板（30）上设有复数个穿孔（3001），每个穿孔（3001）分别对应下法兰（5）上的晶体下穿孔（9）或冷却盘（25）上的晶体提拉孔（27），所述凹槽的内缘面与下法兰（5）或冷却盘（25）的外缘面为间隙配合或过盈配合。

7.根据权利要求6所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述下法兰（5）或冷却盘（25）的外缘面与凹槽的内缘面间隙配合时，在间隙处设有保温填充物（32）。

8.根据权利要求6所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述保温板（30）设置为桶型结构时，在保温板（30）的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶（3003），所述阶梯台阶（3003）与下法兰（5）或冷却盘（25）下面的阶梯面对应配合。

9.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述冷却介质通道设置的第一结构为在上法兰（3）与下法兰（5）之间设置连接筒（4），在所述连接筒（4）内设有复数个晶体冷却管（7），每个晶体冷却管（7）的上端分别连接设置在上法兰（3）上的晶体上穿孔（1），每个晶体冷却管（7）的下端分别连接设置在下法兰（5）上的晶体下穿孔（9），由连接筒（4）的内缘面与上法兰（3）下端面、下法兰（5）上端面之间的空腔形成冷却介质通道，在上法兰（3）上分别设有出水口（2）和进水口（6），所述出水口（2）和进水口（6）分别形成冷却介质通道的进口和出口。

10.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述冷却介质通道设置的第二结构为在每个晶体冷却管（7）的外围分别套接套管（13），每个套管（13）的上端头分别连通设置在上法兰（3）中部的进水腔（11），每个套管（13）的下端头分别连通设置在下法兰（5）中部的集水腔（16），由套管（13）的内缘面与晶体冷却管（7）的外缘面之间的冷却腔（12）、进水腔（11）和集水腔（16）形成冷却介质通道，所述进水腔（11）连通进水口（6），所述集水腔（16）通过回水管（14）连接出水口（2），所述出水口（2）和进水口（6）分别形成冷却介质通道的进口和出口。

11.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述冷却介质通道设置的第三结构为在每个晶体冷却管（7）的外围分别套接套管（13），在每个套管（13）的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶（22），每个套管（13）的上端头分别连通设置在上法兰（3）上部的进水腔（11），每个半圆台阶（22）的上端头分别连通设置在上法兰（3）下部的回水腔（20），每个套管（13）的下端头分别连通设置在下法兰（5）上部的集水腔（16），由套管（13）的内缘面与晶体冷却管（7）的外缘面之间的冷却腔（12）、进水腔（11）、回水腔（20）和集水腔（16）形成冷却介质通道，所述进水腔（11）连通进水口（6），所述回水腔（20）通过连接管（19）连接出水口（2），所述出水口（2）和进水口（6）分别形成冷却介质通道的进口和出口。

12.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述冷却介质通道设置的第四结构为在每个晶体冷却管（7）的外围分别套接套管（13），在每个套管（13）的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶（22），每个套管（13）的上端头分别连通设置在上法兰（3）上部的进水腔（11），每个半圆台阶（22）的上端头分别连通设置在上法兰（3）下部的回水腔（20），每个套管（13）的下端头分别连接下法兰（5），由套管（13）的内缘面与晶体冷却管（7）的外缘面之间的冷却腔（12）、进水腔（11）和回水腔（20）形成冷却介质通道，所述进水腔（11）连通进水口（6），所述回水腔（20）通过连接管（19）连接出水口（2），所述出水口（2）和进水口（6）分别形成冷却介质通道的进口和出口。

13.根据权利要求11或12任一权利要求所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述晶体冷却管（7）与套管（13）之间的冷却腔（12）内设有隔板（29）。

14.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述上法兰（3）的第一结构为上法兰（3）为实心结构，在上法兰（3）的上面分别设有复数个贯通至上法兰（3）下面的晶体上穿孔（1）、出水口（2）和进水口（6）；或在上法兰上面的中部设置气体穿孔（31），在气体穿孔（31）外围的上法兰的上面设有复数个贯通至上法兰下面的晶体上穿孔、出水口和进水口。

15.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述上法兰（3）的第二结构为在上法兰（3）的下面设有向上凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有下盖板（17），下盖板（17）与凹槽形成的空腔为进水腔（11），在凹槽的槽底分别设有复数个贯通至上法兰（3）上面的晶体冷却管穿孔、出水口（2）和进水口（6），在下盖板（17）上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔。

16.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述上法兰（3）的第三结构为在上法兰（3）的上下两面分别设有上凹槽和下凹槽，在上凹槽和下凹槽的开口端分别设有进水腔盖板（18）和回水腔盖板（21），进水腔盖板（18）与上凹槽形成的空腔为进水腔（11），回水腔盖板（21）与下凹槽形成的空腔为回水腔（20），在进水腔盖板（18）上分别设有复数个贯通至下凹槽槽底的晶体冷却管穿孔、出水口（2）和进水口（6），在回水腔盖板（21）上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔，在上凹槽的槽底设有贯通至下凹槽槽底的半圆形进水孔，所述回水腔（20）通过连接管（19）连通出水口（2）。

17.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述下法兰（5）的第一结构为下法兰（5）为实心结构，在下法兰（5）的上面设有复数个贯通至下法兰（5）下面的晶体下穿孔（9）。

18.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述下法兰（5）的第二结构为在下法兰（5）的上面设有向下凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有上盖板（15），在凹槽的槽底设有复数个贯通至下法兰（5）下面的晶体冷却管穿孔，在上盖板（15）上设有复数个套管穿孔。

19.根据权利要求1所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，其特征是：所述复数个晶体冷却管（7）的设置形式为中间设置一个晶体冷却管（7），在中间晶体冷却管（7）的外围呈放射状设有复数组晶体冷却管（7），每组晶体冷却管（7）包括至少两个晶体冷却管（7）；或复数个晶体冷却管的第二设置形式为在上法兰（3）上气体穿孔（31）的外围呈放射状设置复数组晶体冷却管，每组晶体冷却管包括至少两个晶体冷却管。

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