CN115787067A - 一种拉晶炉的水冷套及拉晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种拉晶炉的水冷套及拉晶炉，所述水冷套竖直地设置在所述拉晶炉中并且所述水冷套的内径在竖向上是变化的，所述内径的变化用于使所述水冷套的内周壁在竖向上的不同壁部分与所述拉晶炉拉制出并以与竖向平行的方式穿过所述水冷套移动的晶棒之间的间距是不同的，所述间距的不同用于使所述晶棒的与所述不同壁部分对应的不同棒部分的冷却速率是不同的，所述冷却速率的不同用于使所述晶棒的温度梯度满足要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体硅片生产领域，尤其涉及一种拉晶炉的水冷套及拉晶炉。
背景技术
单晶硅是大多数半导体元器件的基底材料，其中绝大多数的单晶硅都是通过直拉法制成的。在该方法中，通过将固态的多晶硅硅料放置在坩埚内并对坩埚进行加热使其中的多晶硅料融化，在直拉单晶硅棒过程中，首先让籽晶和熔融硅接触，使固液界面处的熔融硅沿着籽晶冷却结晶，并通过缓慢拉出籽晶而生长，缩颈完成之后通过降低拉速和/或熔体温度来放大晶体生长直径直至达到目标直径；转肩之后，通过控制拉速和熔体温度使晶体生长进入“等径生长”阶段；最后，通过增大拉速和提高熔体温度使晶体生长面的直径逐步减小形成尾锥，直至最后晶体离开熔体表面，即完成了单晶硅棒的生长。
在拉晶过程中，对拉制出的晶棒的热量散发产生影响的热场是非常重要的，因为热场会对晶棒的温度梯度产生直接的影响，而晶棒的温度梯度是晶棒品质最为关键的决定性因素。
在目前的拉晶炉中，热场的控制比如通过对加热器的加热功率进行调控来实现，但是由于加热器与晶棒相距较远，这样的控制方式的精确性是较低的，热场的控制还比如通过在拉晶炉中设置用于对晶棒进行热处理的热处理器来实现，但是这样的控制方式需要增加额外的部件，提供额外的能量，导致生产成本较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种拉晶炉的水冷套及拉晶炉，通过对晶棒的热量散发产生影响的水冷套便能够实现对于晶棒的热量散发的控制，由此以更为简单和便捷的方式获得了拉晶炉中所需要的热场。
本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种拉晶炉的水冷套，所述水冷套竖直地设置在所述拉晶炉中并且所述水冷套的内径在竖向上是变化的，所述内径的变化用于使所述水冷套的内周壁在竖向上的不同壁部分与所述拉晶炉拉制出并以与竖向平行的方式穿过所述水冷套移动的晶棒之间的间距是不同的，所述间距的不同用于使所述晶棒的与所述不同壁部分对应的不同棒部分的冷却速率是不同的，所述冷却速率的不同用于使所述晶棒的温度梯度满足要求。
第二方面，本发明实施例提供了一种拉晶炉，所述拉晶炉包括根据第一方面所述的水冷套。
本发明实施例提供了一种拉晶炉的水冷套及拉晶炉，仅仅通过水冷套在几何上的轮廓形状，具体地为水冷套的内周壁的轮廓形状，便使得由拉晶炉拉制出的晶棒的温度梯度符合了所期望的标准，由于水冷套为拉晶炉中与晶棒相距最近的部件，因此使热场控制的精确性得到最大化，并且不需要在拉晶炉中增加额外的部件以及提供额外的能量，降低了生产成本。
附图说明
图1示出了装配在拉晶炉中的根据本发明的实施例的水冷套的纵向中心截面示意图；
图2示出了根据本发明的实施例的水冷套与拉晶炉拉制出的晶棒之间的位置关系的示意图；
图3示出了根据本发明的实施例的水冷套的壳体和冷却水管路的示意图；
图4示出了根据本发明的实施例的水冷套固定在拉晶炉的炉体上的示意图；
图5为根据本发明的实施例的水冷套的正视示意图；
图6为根据本发明的实施例的拉晶炉的示意图。
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。
参见图1，本发明实施例提供了一种拉晶炉1的水冷套10，如在图1中示出的，该拉晶炉1除了水冷套10以外还可以包括炉体20、容纳熔体M的坩埚30等部件，这将在下文中进一步详细描述，如在图1中示出的，所述水冷套10可以竖直地设置在所述拉晶炉1中并且所述水冷套10的内径10D在竖向上可以是变化的，其中图1中示出了该内径10D沿着竖向向上的方向逐渐增大，但本发明不限于此，所述内径10D的变化用于使所述水冷套10的内周壁10W在竖向上的不同壁部分与所述拉晶炉1拉制出并以与竖向平行的方式穿过所述水冷套10移动的晶棒R之间的间距G是不同的，例如在图1中示出的情况下，内周壁10W的上部部分与晶棒R之间的间距G1大于内周壁10W的下部部分与晶棒R之间的间距G2，所述间距G的不同用于使所述晶棒R的与所述不同壁部分对应的不同棒部分的冷却速率是不同的，容易理解的是，越靠近内周壁10W的晶棒部分，冷却速率越快，而越远离内周壁10W的晶棒部分，冷却速率越慢，例如在图1中示出的情况下，晶棒R的上部部分的冷却速率是较慢的，而晶棒R的下部部分的冷却速率是较快的，所述冷却速率的不同用于使所述晶棒R的温度梯度满足要求。
对于根据本发明的实施例的水冷套10而言，仅仅通过水冷套10在几何上的轮廓形状，具体地为水冷套10的内周壁10W的轮廓形状，便使得由拉晶炉1拉制出的晶棒R的温度梯度符合了所期望的标准，由于水冷套10为拉晶炉1中与晶棒R相距最近的部件，因此使热场控制的精确性得到最大化，并且不需要在拉晶炉1中增加额外的部件以及提供额外的能量，降低了生产成本。
如前所述，拉晶炉1拉制出的晶棒R是需要满足一定的温度梯度要求的，举例而言，如果晶棒R的轴向温度梯度太大的话，对于晶棒R品质会带来不利影响，也就是说，在拉晶过程中总是期望晶棒R在轴向上的温度是更为均匀的，以改善最终获得的晶棒R的品质。对此，在本发明的优选实施例中，参见图2，所述水冷套10的内径10D可以沿着所述晶棒R的移动方向MD逐斩增大。这样，可以理解的是，假设拉晶炉1中没有设置水冷套10，在这种情况下晶棒R的上部部分温度较低而下部部分温度较高，另外晶棒R总是会逐渐冷却，而要使晶棒R的轴向温度梯度减小，需要使温度较低的部分的冷却速率减慢，而温度较高的部分的冷却速率加快，对于图2中示出的水冷套10而言，正好满足了这样的要求，即参见图2可知，晶棒R的上部部分与水冷套10之间的间距较大，因此冷却速率较小，而晶棒R的下部部分与水冷套10之间的间距较小，因此冷却速率较大。
在本发明进一步优选的实施例中，参见图3，所述水冷套10可以包括限定有空腔100C的壳体100以及设置在所述空腔100C中的冷却水管路200，所述冷却水管路200的进水口210和出水口220可以均设置在所述壳体100的顶部，由此方便将冷却水注入和排出冷却水管路200以对晶棒R进行冷却，所述冷却水管路200可以包括竖向延伸并且形成有所述进水口210的直线部分230和围绕所述壳体100并且形成有所述出水口220的螺旋部分240，这样，整个水冷套10中可以布满有冷却水管路200。
在本发明进一步优选的实施例中，仍然参见图3，所述螺旋部分240的内径240D可以沿着在所述冷却水管路200中流动的冷却水的流动方向逐渐增大，这样，参见图3容易理解的是，晶棒R的底部部分会对应较细的冷却水管路部分，而冷却水在较细的冷却水管路部分中的流动是较快的，因此能够从晶棒R的底部部分带走更多的热量，或者说使晶棒R的底部部分的冷却速率增大，有利于使晶棒R在轴向上的温度更为均匀，获得更小的轴向温度梯度。
对于螺旋部分240的内径240D的增大的幅度而言，优选地，所述螺旋部分240每延伸一周，所述螺旋部分240的内径240D可以增大5％。
为了便于将水冷套10固定于拉晶炉1中，在本发明的优选实施例中，参见图4，所述水冷套10还可以包括焊接至所述壳体100的顶部的法兰盘300，所述法兰盘300用于借助螺栓SC连接至所述拉晶炉1的炉体20。
在本发明的优选实施例中，参见图5并结合图1，所述水冷套10的下端面10S处可以形成有凹入部10R，以便于从所述拉晶炉1的上部观察所述晶棒R的下端部，例如沿着图1中斜线CL的方向进行观察。
参见图6，本发明实施例还提供了一种拉晶炉1，所述拉晶炉1可以包括根据本发明各实施例的水冷套10。
优选地，参见图6，所述拉晶炉1还可以包括：
炉体20，所述炉体限定出腔室20C；
坩埚30，所述坩埚30设置在所述腔室20C中，用于容纳通过拉晶形成所述晶棒R的熔体M；
导流筒40，所述导流筒40用于将惰性气体引导至所述熔体M上方，其中，所述导流筒40设置在所述水冷套10的外围。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，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所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种拉晶炉的水冷套，其特征在于，所述水冷套竖直地设置在所述拉晶炉中并且所述水冷套的内径在竖向上是变化的，所述内径的变化用于使所述水冷套的内周壁在竖向上的不同壁部分与所述拉晶炉拉制出并以与竖向平行的方式穿过所述水冷套移动的晶棒之间的间距是不同的，所述间距的不同用于使所述晶棒的与所述不同壁部分对应的不同棒部分的冷却速率是不同的，所述冷却速率的不同用于使所述晶棒的温度梯度满足要求。
2.根据权利要求1所述的水冷套，其特征在于，所述水冷套的内径沿着所述晶棒的移动方向逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的水冷套，其特征在于，所述水冷套包括限定有空腔的壳体以及设置在所述空腔中的冷却水管路，所述冷却水管路的进水口和出水口均设置在所述壳体的顶部，所述冷却水管路包括竖向延伸并且形成有所述进水口的直线部分和围绕所述壳体并且形成有所述出水口的螺旋部分。
4.根据权利要求3所述的水冷套，其特征在于，所述螺旋部分的内径沿着在所述冷却水管路中流动的冷却水的流动方向逐渐增大。
5.根据权利要求4所述的水冷套，其特征在于，所述螺旋部分每延伸一周，所述螺旋部分的内径增大5％。
6.根据权利要求3所述的水冷套，其特征在于，所述水冷套还包括焊接至所述壳体的顶部的法兰盘，所述法兰盘用于借助螺栓连接至所述拉晶炉的炉体。
7.根据权利要求1所述的水冷套，其特征在于，所述水冷套的下端面处形成有凹入部，以便于从所述拉晶炉的上部观察所述晶棒的下端部。
8.一种拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉包括根据权利要求1至7中任一项所述的水冷套。
9.根据权利要求8所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括：
炉体，所述炉体限定出腔室；
坩埚，所述坩埚设置在所述腔室中，用于容纳熔体；
导流筒，所述导流筒用于将惰性气体引导至所述熔体上方，其中，所述导流筒设置在所述水冷套的外围。
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