CN116084007A - 一种单晶体生长炉的热屏装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单晶体制备领域，具体说是一种单晶体生长炉的热屏装置，包括单晶体生长炉、机体外壳、绝热材料、坩埚、加热器、晶锭、热屏以及循环冷却系统，解决了现有的生长炉内部设置的热屏在对制备不同直径大小的晶锭时，通常需要对整个热屏结构体进行变更，这不仅会提高安装人员施工难度，增加安装人员的劳动强度，还会延长更换热屏时耗，从而降低单晶体的制备效率，同时在生产力方面也是低效的；除此之外，在长期的使用过程中发现，热屏装置虽然有利于单晶体热量的释放，以提高其生长效率，但是热屏本身并不能够主动散热，使得实际生产过程中单晶体温度梯度的增大效果不明显，相应的单晶体生长速度的提升幅度也有限的问题。

Description

一种单晶体生长炉的热屏装置

技术领域

本发明涉及单晶体制备领域，具体说是一种单晶体生长炉的热屏装置。

背景技术

单晶硅应用于半导体、阴极、光伏等领域，制备单晶体晶锭采用的典型方法为柴式拉晶法。其整个过程为：将制备单晶体晶锭用的多晶硅等原材料进行熔化制成熔体，随后把原材料种晶浸泡于熔体中，提升种晶的同时利用温度梯度制备单晶体。单晶体在制备过程中需要使用到生长炉，而热屏是一种安置在生长炉内部，用于屏蔽来自加热器和溶体的传导热，同时控制晶锭冷却速率以及温度梯度的结构。

目前，现有的生长炉内部设置的热屏在对制备不同直径大小的晶锭时，通常需要对整个热屏结构体进行变更，这不仅会提高安装人员施工难度，增加安装人员的劳动强度，还会延长更换热屏时耗，从而降低单晶体的制备效率，同时在生产力方面也是低效的；除此之外，在长期的使用过程中发现，热屏装置虽然有利于单晶体热量的释放，以提高其生长效率，但是热屏本身并不能够主动散热，使得实际生产过程中单晶体温度梯度的增大效果不明显，相应的单晶体生长速度的提升幅度也有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种单晶体生长炉的热屏装置，解决了现有的生长炉内部设置的热屏在对制备不同直径大小的晶锭时，通常需要对整个热屏结构体进行变更，这不仅会提高安装人员施工难度，增加安装人员的劳动强度，还会延长更换热屏时耗，从而降低单晶体的制备效率，同时在生产力方面也是低效的；除此之外，在长期的使用过程中发现，热屏装置虽然有利于单晶体热量的释放，以提高其生长效率，但是热屏本身并不能够主动散热，使得实际生产过程中单晶体温度梯度的增大效果不明显，相应的单晶体生长速度的提升幅度也有限的问题；

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种单晶体生长炉的热屏装置,包括单晶体生长炉，安装于上下方向以圆筒形态形成的机体外壳，覆盖在机体外壳内侧面和下方的绝热材料，安装于机体外壳内部中央位置的坩埚，用于给坩埚加热且位于坩埚外环的加热器，为了阻断坩埚里的多晶硅的熔化物在晶锭直拉工程中产生的热量且控制冷却速度及温度梯度、位于坩埚上部外侧的热屏，贯穿热屏外侧内部并且固定安装在机体外壳右侧壁上端的循环冷却系统；

所述的热屏包括外部结构和内部结构，外部结构上端固定安装绝热材料上端面，外部结构下端位于坩埚上方的内侧，外部结构下方行程支撑端向内侧呈凸起结构，其目的是为了便于内部结构由上而下安装后的支撑，内部结构悬挂在外部结构内侧且可根据晶锭尺寸与外部结构进行更换或拆卸。

优选的，所述的外部结构包括固定安装在绝热材料上端面的上端部，位于坩埚内侧上方的支撑部，构成外部结构的一号外壳。

优选的，所述的外部结构底部到中间的结构为内径和厚度统一的结构且外部结构内侧面从中间到顶部形成的一号斜面是内径逐渐减小的结构，采用该种结构的目的，是为了便于内部结构进行安装或更换。

优选的，所述的内部结构由二号外壳构成且为由下而上行程内径增大的结构，内部结构的上端悬挂在外部结构的支撑部，内部结构的下方外侧形成与外部结构的支撑部相对应的凹槽。

优选的，所述的内部结构内侧面由上到下形成内径逐渐减小的二号斜面结构，二号斜面坡度相比于一号斜面坡度可以更高，也可以更低，甚至可以有相同坡度，采用该种结构的目的，是为了使外部结构能够和不同结构的内部结构相配合，从而满足对不同直径晶锭进行生产的需求。

优选的，所述的一号外壳和二号外壳分别可由石墨、钛材料构成，一号外壳内部填充有一号耐热材料，二号外壳内部填充有二号耐热材料。

优选的，所述一号耐热材料和二号耐热材料可由氧化铝、氧化锌或氧化铝和氧化锌的混合物材料构成。

优选的，所述的二号外壳由上层二号外壳和下层二号外壳共同构成。

优选的，所述的内部结构可以以多种形态构成，其内侧面的二号斜面坡度可以由上到下形成以直线形态减小的结构，也可以由上到下形成以曲线形态减小的结构，所述内部结构的底部可以形成曲面结构。

优选的，所述的循环冷却系统包括支撑板、试剂箱、驱动泵、输送管、环形冷却管道和连通管，其中一号外壳内部从上到下设置有环形冷却管道，相邻两个环形冷却管道之间通过连通管相连，机体外壳右侧壁上端固定连接有支撑板，支撑板上端固定设置有试剂箱，试剂箱左侧壁上连接有输送管，输送管下端和一号外壳右侧内部的环形冷却管道相连通，试剂箱右侧壁上通过底座固定安装有驱动泵，驱动泵右端出水口处连接有输送管，输送管从机体外壳上方绕过后和一号外壳左侧内部的环形冷却管道相连通，驱动泵左端进水口处和试剂箱内部相连通。

本发明的有益效果：

1、一种单晶体生长炉的热屏装置，本发明设置的安装在单晶体生长炉内部的热屏结构可以在实际生产过程中根据晶锭的用途和尺寸更换构成热屏的内部结构，避免了整个热屏结构更换的方式，有效降低了安装人员的安装难度，降低了安装人员的劳动强度，同时缩短了更换时耗，提高了晶锭的制备效率，相应的保证了生产力，有避免根据晶锭用途和尺寸分别具备单晶体生长炉的优势；

2、一种单晶体生长炉的热屏装置，所述的一号外壳内部填充的一号耐热材料和二号外壳内部填充的二号耐热材料能够在晶锭生产实际需求过程中进行更换替代，有着适用于控制所需冷却速度及温度梯度的优势；

3、一种单晶体生长炉的热屏装置，所述的循环冷却系统能够在晶锭直拉的过程中，主动对外部结构进行散热处理，有效增大了实际生产过程中单晶体晶锭温度梯度的变化效果，进而提升了单晶体晶锭的生长幅度，进而提高了制备效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中热屏的整体结构示意图；

图3是本发明中热屏内部的组成结构示意图；

图4是本发明中内部结构的组成结构示意图；

图5是本发明中对于不同内部结构的热屏的结构示意图；

图6是本发明中单晶体生长炉、热屏、晶锭和循环冷却系统之间的结构示意图；

图7是本发明中图6的A处放大结构示意图。

图中：100、单晶体生长炉；110、机体外壳；120、绝热材料；130、坩埚；140、加热器；200、热屏；210、外部结构；212、上端部；214、支撑部；216、一号斜面；220、一号外壳；222、一号耐热材料；230、内部结构；232、上端；234、凹槽；236、二号斜面；240、二号外壳；240a、上层二号外壳；240b、下层二号外壳；242、二号耐热材料；300、晶锭；400、循环冷却系统；410、支撑板；420、试剂箱；430、驱动泵；440、输送管；450、环形冷却管道；460、连通管。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参阅图1至图7，一种单晶体生长炉的热屏装置,包括单晶体生长炉100，安装于上下方向以圆筒形态形成的机体外壳110，覆盖在机体外壳110内侧面和下方的绝热材料120，安装于机体外壳110内部中央位置的坩埚130，用于给坩埚130加热且位于坩埚130外环的加热器140，为了阻断坩埚130里的多晶硅的熔化物在晶锭300直拉工程中产生的热量且控制冷却速度及温度梯度、位于坩埚130上部外侧的热屏200，贯穿热屏200外侧内部并且固定安装在机体外壳110右侧壁上端的循环冷却系统400；

参阅图1、图3和图6，所述的热屏200包括外部结构210和内部结构230，外部结构210上端固定安装绝热材料120上端面，外部结构210下端位于坩埚130上方的内侧，外部结构210下方行程支撑端向内侧呈凸起结构，其目的是为了便于内部结构230由上而下安装后的支撑，内部结构230悬挂在外部结构210内侧且可根据晶锭300尺寸与外部结构210进行更换或拆卸。具体工作时，先通过人工根据欲生产的晶锭300进行确定选用的内部结构230，确定后，再将内部结构230从外部结构210上方向下放置安装，将制备晶锭300用的多晶硅等原材料加入到坩埚130内，启动加热器140，通过加热器140对坩埚130内部的多晶硅等原材料进行加热，从而制得熔体，随后把原材料种晶浸泡于熔体中，最后再通过直拉工程带动种晶逐渐向上运动，在热屏200和循环冷却系统400的共同作用下制备指定规格的晶锭300。

参阅图2和图3，所述的外部结构210包括固定安装在绝热材料120上端面的上端部212，位于坩埚130内侧上方的支撑部214，构成外部结构210的一号外壳220。具体工作时，外部结构210下端形成的支撑部214，其目的是为了在内部结构230从外部结构210内侧由上到下组装后，保证其不掉落到下方空间，从而保持组装形态。

继续参阅图2和图3，所述的外部结构210底部到中间的结构为内径和厚度统一的结构且外部结构210内侧面从中间到顶部形成的一号斜面216是内径逐渐减小的结构，采用该种结构的目的，是为了便于内部结构230进行安装或更换。

继续参阅图2和图3，所述的内部结构230由二号外壳240构成且为由下而上行程内径增大的结构，内部结构230的上端232悬挂在外部结构210的支撑部214，内部结构230的下方外侧形成与外部结构210的支撑部214相对应的凹槽234。具体工作时，先通过人工根据欲生产的晶锭300进行确定选用的二号外壳240，确定后，将二号外壳240从外部结构210上方放入，此时，二号外壳240的凹槽234悬挂在支撑部214。

请继续参阅图2和图3，所述的内部结构230内侧面由上到下形成内径逐渐减小的二号斜面236结构，二号斜面236坡度相比于一号斜面216坡度可以更高，也可以更低，甚至可以有相同坡度，采用该种结构的目的，是为了使外部结构210能够和不同结构的内部结构230相配合，从而满足对不同直径晶锭300进行生产的需求。

参阅图2和图3；所述的一号外壳220和二号外壳240分别可由石墨、钛材料构成，一号外壳220内部填充有一号耐热材料222，二号外壳240内部填充有二号耐热材料242。所述一号耐热材料222和二号耐热材料242可由氧化铝、氧化锌或氧化铝和氧化锌的混合物材料构成。具体工作时，二号耐热材料242可以根据晶锭300的生产目的所需的冷却速度及温度梯度控制要求更换更为合适的材料。

参阅图4，所述的二号外壳240由上层二号外壳240a和下层二号外壳240b共同构成。

参阅图5，所述的内部结构230可以以多种形态构成，其内侧面的二号斜面236坡度可以由上到下形成以直线形态减小的结构，也可以由上到下形成以曲线形态减小的结构，所述内部结构230的底部可以形成曲面结构。具体工作时，可以根据欲生产的晶锭300的尺寸和用途等条件在单晶体生长炉100内部直接对内部结构230进行更换。

参阅图6和图7，所述的循环冷却系统400包括支撑板410、试剂箱420、驱动泵430、输送管440、环形冷却管道450和连通管460，其中一号外壳220内部从上到下设置有环形冷却管道450，相邻两个环形冷却管道450之间通过连通管460相连，机体外壳110右侧壁上端固定连接有支撑板410，支撑板410上端固定设置有试剂箱420，试剂箱420左侧壁上连接有输送管440，输送管440下端和一号外壳220右侧内部的环形冷却管道450相连通，试剂箱420右侧壁上通过底座固定安装有驱动泵430，驱动泵430右端出水口处连接有输送管440，输送管440从机体外壳110上方绕过后和一号外壳220左侧内部的环形冷却管道450相连通，驱动泵430左端进水口处和试剂箱420内部相连通。具体工作时，在晶锭300生产前，先通过人工将载冷剂加入到试剂箱420中，在晶锭300向上直拉过程中，启动驱动泵430，通过驱动泵430将试剂箱420中的载冷剂通过输送管440输送至环形冷却管道450内部，最后再通过输送管440回到试剂箱420中，从而形成一个载冷剂的闭环，在此闭环中，载冷剂能够吸收并带走部分一号外壳220所吸收的热量，从而达到主动散热的目的，如此，方能达到热屏200主动散热的功能，从而增大了实际生产过程中单晶体晶锭300温度梯度的变化效果，进而提升了单晶体晶锭300的生长幅度，提高了制备效率。

本发明在使用时的工作原理：

一：在晶锭300生产前，先通过人工将载冷剂加入到试剂箱420中，再通过人工根据欲生产的晶锭300进行确定选用的内部结构230，确定后，再将内部结构230从外部结构210上方向下放置安装；

二：上述步骤一结束后，将制备晶锭300用的多晶硅等原材料加入到坩埚130内，启动加热器140，通过加热器140对坩埚130内部的多晶硅等原材料进行加热，从而制得熔体，随后把原材料种晶浸泡于熔体中，最后再通过直拉工程带动种晶逐渐向上运动，在热屏200和循环冷却系统400的共同作用下制备指定规格的晶锭300；

三：在晶锭300向上直拉过程中，启动驱动泵430，通过驱动泵430将试剂箱420中的载冷剂通过输送管440输送至环形冷却管道450内部，最后再通过输送管440回到试剂箱420中，从而形成一个载冷剂的闭环，在此闭环中，载冷剂能够吸收并带走部分一号外壳220所吸收的热量，从而达到主动散热的目的，如此，方能达到热屏200主动散热的功能，从而增大了实际生产过程中单晶体晶锭300温度梯度的变化效果，进而提升了单晶体晶锭300的生长幅度，提高了制备效率；

四：当需要制备的晶锭300直径发生改变时，停止加热器140运行，在单晶体生长炉100内部热量消散后，通过施工工人在单晶体生长炉100直接对内部结构230进行更换，随后重复上述步骤一至三，从而制得不用直径大小的晶锭300。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种单晶体生长炉的热屏装置,其特征在于，包括单晶体生长炉（100），安装于上下方向以圆筒形态形成的机体外壳（110），覆盖在机体外壳（110）内侧面和下方的绝热材料（120），安装于机体外壳（110）内部中央位置的坩埚（130），用于给坩埚（130）加热且位于坩埚（130）外环的加热器（140），为了阻断坩埚（130）里的多晶硅的熔化物在晶锭（300）直拉工程中产生的热量且控制冷却速度及温度梯度、位于坩埚（130）上部外侧的热屏（200），贯穿热屏（200）外侧内部并且固定安装在机体外壳（110）右侧壁上端的循环冷却系统（400）；

所述的热屏（200）包括外部结构（210）和内部结构（230），外部结构（210）上端固定安装绝热材料（120）上端面，外部结构（210）下端位于坩埚（130）上方的内侧，外部结构（210）下方行程支撑端向内侧呈凸起结构，内部结构（230）悬挂在外部结构（210）内侧且可根据晶锭（300）尺寸与外部结构（210）进行更换或拆卸。

2.根据权利要求1所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的外部结构（210）包括固定安装在绝热材料（120）上端面的上端部（212），位于坩埚（130）内侧上方的支撑部（214），构成外部结构（210）的一号外壳（220）。

3.根据权利要求1所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的外部结构（210）底部到中间的结构为内径和厚度统一的结构且外部结构（210）内侧面从中间到顶部形成的一号斜面（216）是内径逐渐减小的结构。

4.根据权利要求2所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的内部结构（230）由二号外壳（240）构成且为由下而上行程内径增大的结构，内部结构（230）的上端（232）悬挂在外部结构（210）的支撑部（214），内部结构（230）的下方外侧形成与外部结构（210）的支撑部（214）相对应的凹槽（234）。

5.根据权利要求3所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的内部结构（230）内侧面由上到下形成内径逐渐减小的二号斜面（236）结构，二号斜面（236）坡度相比于一号斜面（216）坡度可以更高，也可以更低，甚至可以有相同坡度。

6.根据权利要求4所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的一号外壳（220）和二号外壳（240）分别可由石墨、钛材料构成，一号外壳（220）内部填充有一号耐热材料（222），二号外壳（240）内部填充有二号耐热材料（242）。

7.根据权利要求6所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述一号耐热材料（222）和二号耐热材料（242）可由氧化铝、氧化锌或氧化铝和氧化锌的混合物材料构成。

8.根据权利要求4所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的二号外壳（240）由上层二号外壳（240a）和下层二号外壳（240b）共同构成。

9.根据权利要求1所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的内部结构（230）可以以多种形态构成，其内侧面的二号斜面（236）坡度可以由上到下形成以直线形态减小的结构，也可以由上到下形成以曲线形态减小的结构，所述内部结构（230）的底部可以形成曲面结构。

10.根据权利要求2所述的一种单晶体生长炉的热屏装置，其特征在于：所述的循环冷却系统（400）包括支撑板（410）、试剂箱（420）、驱动泵（430）、输送管（440）、环形冷却管道（450）和连通管（460），其中一号外壳（220）内部从上到下设置有环形冷却管道（450），相邻两个环形冷却管道（450）之间通过连通管（460）相连，机体外壳（110）右侧壁上端固定连接有支撑板（410），支撑板（410）上端固定设置有试剂箱（420），试剂箱（420）左侧壁上连接有输送管（440），输送管（440）下端和一号外壳（220）右侧内部的环形冷却管道（450）相连通，试剂箱（420）右侧壁上通过底座固定安装有驱动泵（430），驱动泵（430）右端出水口处连接有输送管（440），输送管（440）从机体外壳（110）上方绕过后和一号外壳（220）左侧内部的环形冷却管道（450）相连通，驱动泵（430）左端进水口处和试剂箱（420）内部相连通。

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