CN115434001B - 单晶硅制备设备及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种单晶硅制备设备及其冷却方法，其中，该设备包括单晶炉和冷却装置，单晶炉内设置有加热装置和第一保温结构，第一保温结构位于加热装置的上方；冷却装置包括顶升机构和出气管，出气管上设有出气孔，出气管可移动地进入或抽离单晶炉；当出气管进入单晶炉时，出气管与第一保温结构相连，出气管通过顶升机构抬升第一保温结构以使第一保温结构与加热装置之间的距离增大，并通过出气孔输出惰性气体以对单晶炉降温。本申请通过设置冷却装置，可以通过出气管带动第一保温结构同步上升，以增大第一保温结构与加热装置之间的距离，使惰性气体能够通过出气管的出气孔吹向至加热装置与第一保温结构之间的区域以及单晶炉的内壁，实现快速降温。

Description

单晶硅制备设备及其冷却方法

技术领域

本申请涉及单晶硅制造技术领域，尤其涉及一种单晶硅制备设备及其冷却方法。

背景技术

单晶硅通常在单晶炉中完成拉制，而在单晶硅拉制后，炉体需要冷却后再进行下一次的单晶制备。现有的单晶炉一般采用自然冷却的方式，即在室温下静置5～9小时，耗时较长，而随着行业内大尺寸单晶硅片的研发，会导致单晶炉的冷却时间进一步延长，而为了保证生产效率，这便需要投入更多数量的单晶炉进行工作，从而造成了生产成本的增加。

发明内容

本申请的目的在于提供一种单晶硅制备设备及其冷却方法，以解决上述现有技术中单晶炉冷却效率低的问题。

本申请提供了一种单晶硅制备设备，其中，包括：

单晶炉，所述单晶炉内设置有加热装置和第一保温结构，所述第一保温结构位于所述加热装置的上方；

冷却装置，所述冷却装置包括顶升机构和出气管，所述出气管上设置有出气孔，所述出气管可移动地进入或抽离所述单晶炉；

当所述出气管进入所述单晶炉时，所述出气管与所述第一保温结构相连，所述出气管通过所述顶升机构抬升所述第一保温结构以增大所述第一保温结构与所述加热装置之间的距离，并通过所述出气孔输出惰性气体以对所述单晶炉降温。

在一种可能的设计中，还包括第二保温结构，所述第二保温结构环绕设置于所述加热装置的周围，所述第一保温结构盖于所述第二保温结构的上方；所述出气管通过所述顶升机构抬升所述第一保温结构以使所述第一保温结构与所述第二保温结构分离。

在一种可能的设计中，所述单晶炉的侧壁设置有开口，所述出气管通过所述开口可移动地进入或抽离所述单晶炉。

在一种可能的设计中，所述第一保温结构上设置有支撑孔，所述支撑孔用于出气管通过第一保温结构，所述支撑孔沿第一保温结构轴向呈对称排布。

在一种可能的设计中，所述出气管上设置有凸台，所述出气管通过所述凸台支撑在所述支撑孔中。

在一种可能的设计中，所述出气孔在所述出气管的轴向和周向上均设置有多个。

在一种可能的设计中，所述第一保温结构的材料包括固化炭毡或固化石墨毡。

在一种可能的设计中，所述冷却装置还包括储气罐、板换和抽气泵，所述单晶炉设置有排气管，所述抽气泵的进气侧与所述排气管相连，所述抽气泵的出气侧与所述板换的进气侧相连，所述板换的出气侧与所述储气罐的进气侧相连，所述储气罐的出气侧与所述出气管相连。

在一种可能的设计中，所述冷却装置还包括传动机构和过滤机构，所述储气罐、所述板换、所述抽气泵和所述顶升机构均设置于所述传动机构，所述过滤机构连接于所述抽气泵和所述排气管之间。

在一种可能的设计中，所述冷却装置还包括可伸缩的连接结构，所述冷却装置通过所述连接结构与所述单晶炉相连；

所述连接结构内设置有密封腔，所述出气管设置于所述密封腔内。

本申请的第二方面还提供了一种冷却方法，其中，用于冷却本申请第一方面提供的单晶硅制备设备，所述方法包括如下步骤：

当单晶硅制备设备进入冷却阶段，将冷却设备连接于所述单晶炉，使所述冷却设备的出气管进入所述单晶炉内，与所述单晶炉内的第一保温结构相连；

使顶升机构控制所述出气管带动所述第一保温结构上升设定的高度；

使所述冷却设备通过所述出气管的出气孔释放惰性气体。

在一种可能的设计中，在使所述冷却设备通过所述出气管的出气孔释放惰性气体之后，所述方法还包括：

开启抽气泵，以使所述单晶炉内的高温气体经过板换冷却后进入储气罐，所述储气罐通过所述出气管的出气孔循环释放惰性气体。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请提供的单晶硅制备设备及其冷却方法，通过设置冷却装置，可以在该单晶硅制备设备需要冷却时，通过出气管带动第一保温结构同步上升，从而可以增大第一保温结构与加热装置之间的距离，使惰性气体能够通过出气管的出气孔被吹向至加热装置与第一保温结构之间的区域以及单晶炉的内壁，从而可以使加热装置所在区域的温度快速降低，进而提升了单晶炉整体的冷却速度，使单晶炉的冷却时间平均缩减2小时，进而使单晶炉能够再次快速投入使用，提升了生产效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请实施例提供的单晶硅制备设备的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的单晶硅制备设备的冷却原理图；

图3为单晶炉的结构示意图；

图4为出气管的结构示意图；

图5为保温结构的结构示意图(一)；

图6为保温结构的结构示意图(二)。

附图标记：

1-单晶炉；

11-导流桶；

12-开口；

13-隔离阀；

14-坩埚；

15-加热器；

16-排气管；

2-保温结构；

21-支撑孔；

3-冷却装置；

31-储气罐；

32-顶升机构；

33-传动机构；

34-连接结构；

35-抽气泵；

36-板换；

37-过滤机构；

4-出气管；

41-凸台；

42-出气孔；

5-第二保温结构。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

如图1至图6所示，本申请实施例提供了一种单晶硅制备设备，其包括单晶炉1和冷却装置3，单晶炉1内设置有加热装置和第一保温结构2，保温结构2位于加热装置的上方。另外，该加热装置包括加热腔和加热器15，加热器15布置于加热腔的周围，以对加热腔中的坩埚14加热，进而保持坩埚14温度。单晶炉内还设置有导流筒11，用于单晶晶棒的降温，加快拉晶速度。

需要说明的是，现有技术中，为了提升单晶炉1在加热装置加热硅料时的保温效果，通常在加热装置的外缘设置保温结构，保温结构可以将热量集中在坩埚14区域，使单晶硅能够在相对稳定的温度条件下生长，其中，为了提升保温效果，保温结构与加热装置之间仅具有轻微的间隙，以避免热量流失。但是在单晶硅制备完成后，单晶炉1需要经过冷却后再次投入使用，而传统的冷却方式为单晶炉1在常温环境下自然冷却，冷却时间长，一般为5～9小时，同时，由于加热装置周围设置有保温结构，保温结构将热量聚集在坩埚14区域而难以散发，导致单晶炉1更加难以冷却，降低了生产效率。

为此，本实施例提供的单晶硅制备设备包括有冷却装置3，该冷却装置3包括顶升机构32和出气管4，出气管4上设置有出气孔42，出气管4可移动地进入或抽离单晶炉1。当该单晶硅制备设备需要冷却时，可以使出气管4进入单晶炉1内，出气管4能够与第一保温结构2相连。然后，出气管4可以通过顶升机构32的驱动抬升第一保温结构2，以增大第一保温结构2与加热装置之间的距离，并通过出气孔42输出惰性气体以对单晶炉1降温。

其中，顶升机构32可以为气缸、液压缸等装置，本实施例中为了提供较大的顶升力，顶升机构32优选为液压缸。出气管4与液压缸的活塞杆相连，当出气管4与第一保温结构2相连后，液压缸控制活塞杆伸出以顶升出气管4，此时，出气管4可以带动第一保温结构2同步上升，从而可以使第一保温结构在轴向上逐渐远离加热装置，使第一保温结构2与加热装置之间的距离增大，同时，冷却装置3提供的氩气、氮气等惰性气体可以通过出气管4的出气孔42吹向加热装置及第一保温结构2，而由于第一保温结构2抬升后能够与加热装置之间具有较大的距离，惰性气体也可以被吹向至第一保温结构2和加热装置之间的区域以及单晶炉1的内壁，从而可以使坩埚14及加热装置所在区域的温度快速降低，进而提升了单晶炉1整体的冷却速度，使单晶炉1的冷却时间平均缩减2小时，进而使单晶炉1能够再次快速投入使用，提升了生产效率。

作为一种具体的实现方式，如图1和图3所示，该单晶硅制备设备还包括第二保温结构5，第二保温结构5环绕设置于加热装置的周围，第一保温结构2盖于第二保温结构5的上方。其中，该第一保温结构2可以搭接于第二保温结构5的上方，从而可以通过第一保温结构2和第二保温结构5的配合将加热装置围合于其中，进而实现将热量聚集在加热装置的坩埚14区域，保证晶棒生长质量。此外，在出气管4通过顶升机构32抬升时，出气管4可以带动第一保温结构2同步抬升以使第一保温结构2与第二保温结构5分离，从而可以使第一保温结构2与加热装置之间的距离增大，便于惰性气体吹入加热装置与第一保温结构2及第二保温结构5之间的各个位置，加速冷却。

作为一种具体的实现方式，单晶炉1的侧壁设置有开口12，该开口12可以用于拉晶过程中及冷却阶段的外部添加硅料。开口12处可以设置有隔离阀13，加料时隔离阀13开启，外部加料设备可以通过开口12向坩埚14中加料，在制备晶棒时，隔离阀13关闭，使单晶炉1内为密闭空间，以隔绝外部空气。本实施例中，出气管4也可以通过该开口12可移动地进入或抽离单晶炉1，当单晶炉1需要降温时，隔离阀13打开，出气管4能够从该开口12处进入至单晶炉1，以向单晶炉1内释放惰性气体实现降温冷却，降温完成后，出气管4可以从该开口12处抽离单晶炉1，然后关闭隔离阀13，以使单晶炉1再次投入使用。

其中，开口12的直径相对于出气管4的直径大50～100mm，从而可以使出气管4具有50～100mm的顶升空间，进而使第一保温结构2能够在该范围内扩大其与加热装置之间的距离。需要说明的是，如果第一保温结构2顶升后与加热装置的距离过大，则出气管4吹出的冷气不能充分到达加热装置以及加热装置与第一保温结构2之间的区域，而如果温结构顶升后与加热装置的距离过小，则第一保温结构2仍然会将较多的热量聚集在加热装置的上方区域，难以散发，且第一保温结构2与加热装置之间区域过小，也不易散热。为此，本实施例中，使第一保温结构2的顶升距离在50～100mm范围内，能够通过出气管4吹出的惰性气体实现对加热装置及单晶炉1整体的有效降温。优选的是，开口12的直径相对于出气管4的直径大60mm、70mm、80mm或90mm。

作为一种具体的实现方式，如图5和图6所示，第一保温结构2上设置有支撑孔21，支撑孔21用于出气管4通过第一保温结构2，支撑孔21沿第一保温结构2轴向呈对称排布。

当出气管4从开口12处进入单晶炉1内后，出气管4可以同时穿入第一保温结构2两端的支撑孔21中，使第一保温结构2能够被承托在出气管4的上方，当出气管4顶升时，出气管4可以与支撑孔21的内壁抵接以带动第一保温结构2同步顶升。

需要说明的是，该第一保温结构2为环形筒状结构，支撑孔21开设在第一保温结构2的侧壁，该支撑孔21的形状可以为与出气管4的截面形状相适配的形状，具体可以圆孔、方孔或多边形孔等，相应的出气管4的截面形状也可以为圆形、方形或多边形。本实施例中，支撑孔21优选为圆孔，如图5所示，出气管4为与圆孔配合的圆柱体结构。

当然，支撑孔21也可以为非封闭的孔，即支撑孔21在第一保温结构2朝向加热装置的一侧为非封闭结构，如图6所示，从而可以使出气管4较容易地穿过支撑孔21，而不与支撑孔21周围的实体部位干涉。

作为一种具体的实现方式，如图1和图4所示，出气管4上设置有凸台41，出气管4可以通过凸台41支撑在支撑孔21中。该凸台41可以与支撑孔21的内壁配合，保证出气管4对第一保温结构2支撑的稳定性。其中，凸台41可以设置两个，两个凸台41能够分别与第一保温结构2上位置相对的两个支撑孔21配合。

作为一种具体的实现方式，出气管4的直径可以为50～150mm。在该直径范围内，可以保证出气管4输出的惰性气体的量能够实现对单晶炉1的充分降温，同时又可以避免惰性气体的浪费。本实施例中，出气管4的直径优选为60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm或140mm。

其中，出气管4上出气孔42的直径可以为5～10mm。本实施例中，出气孔42的直径优选为6mm、7mm、8mm或9mm。

作为一种具体的实现方式，如图4所示，出气孔42在出气管4的轴向和周向上均可以置有多个，从而可以通过各个出气孔42向各个不同方向吹出惰性气体，实现在较大范围内的降温，加快单晶炉1的降温效率。

作为一种具体的实现方式，第一保温结构2的材料可以包括固化炭毡或固化石墨毡。本实施例中优选为固化炭毡。固化炭毡具有较高的硬度，可以整体被承托在出气管4上并能够随出气管4同步顶升以远离加热装置，不会出现因材质过软而塌陷的问题。

作为一种具体的实现方式，如图1和图2所示，冷却装置3还包括储气罐31、板换36和抽气泵35，单晶炉1设置有排气管16，抽气泵35的进气侧与排气管16相连，抽气泵35的出气侧与板换36的进气侧相连，板换36的出气侧与储气罐31的进气侧相连，储气罐31的出气侧与出气管4相连。

其中，储气罐31可以用于存储惰性气体，通过外部的驱动设备可以使储气罐31内的惰性气体经过出气管4吹入单晶炉1。惰性气体可以中和单晶炉1的高温，并通过抽气泵35的作用，可以使惰性气体经过排气管16将热量带离单晶炉1，然后带有热量的惰性气体可以经过板换36降温冷却后回到储气罐31，并经过出气管4再次吹入单晶炉1，从而实现了循环降温。

作为一种具体的实现方式，如图1所示，冷却装置3还包括传动机构33和过滤机构37，储气罐31、板换36、抽气泵35和顶升机构32均可以设置于传动机构33。该传动机构33可以实现该冷却装置3的整体移动，以便于交替对不同的单晶炉1进行冷却降温，提升晶棒的生产效率。其中，该传动机构33可以采用现有的滑轨、滑块配合结构，也可以为丝杠、齿轮配合结构，对此本实施例不做限定。

此外，过滤机构37连接于抽气泵35和排气管16之间，以对从单晶炉1排出的惰性气体进行过滤，便于再次利用。

作为一种具体的实现方式，冷却装置3还包括可伸缩的连接结构34，冷却装置3通过连接结构34与单晶炉1相连。连接结构34内设置有密封腔，出气管4设置于密封腔内。

本实施例中，该连接结构34可以为波纹管。在冷却装置3未与单晶炉1相连时，该连接结构34可以将出气管4包覆于其中。当冷却装置3通过波纹管与单晶炉1连接时，出气管4可以随着冷却装置3整体向单晶炉1靠近而进入单晶炉1中，同时连接结构34在其轴向上逐渐被压缩，并始终保证冷却装置3与单晶炉1连接位置处的密封性，防止外部空气进入。

本申请实施例还提供了一种冷却方法，其包括本申请任意实施例提供的单晶硅制备设备，该方法包括如下步骤：

步骤S1、当单晶硅制备设备进入冷却阶段，将冷却设备连接于单晶炉1，使冷却设备的出气管4进入单晶炉1内，与单晶炉1内的第一保温结构2相连。

步骤S2、使顶升机构32控制出气管4带动第一保温结构2上升设定的高度，抬升高度为50～100mm。出气管4可以带动第一保温结构2顶升，以增大第一保温结构2与加热装置之间的距离，从而便于惰性气体被吹入至第一保温结构2与加热装置之间的区域，有利于单晶炉1充分降温。

步骤S3、使冷却设备通过出气管4的出气孔42释放惰性气体。

具体地，在步骤S3之后，该方法还包括：

步骤S4、开启抽气泵35，以使单晶炉1内的高温气体经过板换36冷却后进入储气罐31，储气罐31通过出气管4的出气孔42循环释放惰性气体。

在惰性气体中和单晶炉1内的高温后，抽气泵35可以使单晶炉1内的惰性气体抽出，并输送至板换36以进行降温，经板换36降温后的惰性气体能够重新回流至储气罐31，并进入通过出气管4再次吹入至单晶炉1，由此实现了对单晶炉1的循环降温，提升了降温效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单晶硅制备设备，其特征在于，包括：

单晶炉（1），所述单晶炉（1）内设置有加热装置和第一保温结构（2），所述第一保温结构（2）位于所述加热装置的上方；

冷却装置（3），所述冷却装置（3）包括顶升机构（32）和出气管（4），所述出气管（4）上设置有出气孔（42），所述出气管（4）可移动地进入或抽离所述单晶炉（1）；

当所述出气管（4）进入所述单晶炉（1）时，所述出气管（4）与所述第一保温结构（2）相连，所述出气管（4）通过所述顶升机构（32）抬升所述第一保温结构（2）以增大所述第一保温结构（2）与所述加热装置之间的距离，并通过所述出气孔（42）输出惰性气体以对所述单晶炉（1）降温；

所述第一保温结构（2）上设置有支撑孔（21），所述支撑孔（21）用于出气管（4）通过第一保温结构（2），所述支撑孔（21）沿所述第一保温结构（2）轴向呈对称排布；

所述出气管（4）上设置有凸台（41），所述出气管（4）通过所述凸台（41）支撑在所述支撑孔（21）中。

2.根据权利要求1所述的单晶硅制备设备，其特征在于，还包括第二保温结构（5），所述第二保温结构（5）环绕设置于所述加热装置的周围，所述第一保温结构（2）盖于所述第二保温结构（5）的上方；

所述出气管（4）通过所述顶升机构（32）抬升所述第一保温结构（2）以使所述第一保温结构（2）与所述第二保温结构（5）分离。

3.根据权利要求1所述的单晶硅制备设备，其特征在于，所述单晶炉（1）的侧壁设置有开口（12），所述出气管（4）通过所述开口（12）可移动地进入或抽离所述单晶炉（1）。

4.根据权利要求1所述的单晶硅制备设备，其特征在于，所述出气孔（42）在所述出气管（4）的轴向和周向上均设置有多个。

5.根据权利要求1所述的单晶硅制备设备，其特征在于，所述第一保温结构（2）的材料包括固化炭毡或固化石墨毡。

6.根据权利要求1-5任一项所述的单晶硅制备设备，其特征在于，所述冷却装置（3）还包括储气罐（31）、板换（36）和抽气泵（35），所述单晶炉（1）设置有排气管（16），所述抽气泵（35）的进气侧与所述排气管（16）相连，所述抽气泵（35）的出气侧与所述板换（36）的进气侧相连，所述板换（36）的出气侧与所述储气罐（31）的进气侧相连，所述储气罐（31）的出气侧与所述出气管（4）相连。

7.根据权利要求6所述的单晶硅制备设备，其特征在于，所述冷却装置（3）还包括传动机构（33）和过滤机构（37），所述储气罐（31）、所述板换（36）、所述抽气泵（35）和所述顶升机构（32）均设置于所述传动机构（33），所述过滤机构连接于所述抽气泵和所述排气管之间。

8.根据权利要求6所述的单晶硅制备设备，其特征在于，所述冷却装置（3）还包括可伸缩的连接结构（34），所述冷却装置（3）通过所述连接结构（34）与所述单晶炉（1）相连；

所述连接结构（34）内设置有密封腔，所述出气管（4）设置于所述密封腔内。

9.一种冷却方法，其特征在于，用于冷却权利要求1-8任一项所述的单晶硅制备设备，所述方法包括如下步骤：

当单晶硅制备设备进入冷却阶段，将冷却设备连接于单晶炉（1），使所述冷却设备的出气管（4）进入所述单晶炉（1）内，与所述单晶炉（1）内的第一保温结构（2）相连；

使顶升机构（32）控制所述出气管（4）带动所述第一保温结构（2）上升设定的高度；

使所述冷却设备通过所述出气管（4）的出气孔（42）释放惰性气体。

10.根据权利要求9所述的冷却方法，其特征在于，在使所述冷却设备通过所述出气管（4）的出气孔（42）释放惰性气体之后，所述方法还包括：

开启抽气泵（35），以使所述单晶炉（1）内的高温气体经过板换（36）冷却后进入储气罐（31），所述储气罐（31）通过所述出气管（4）的出气孔（42）循环释放惰性气体。