CN116428902B - 单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法 - Google Patents
单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116428902B CN116428902B CN202310678043.4A CN202310678043A CN116428902B CN 116428902 B CN116428902 B CN 116428902B CN 202310678043 A CN202310678043 A CN 202310678043A CN 116428902 B CN116428902 B CN 116428902B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heat exchange
- phase
- single crystal
- section
- exchange cavity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 144
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims abstract description 130
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 40
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 48
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 37
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 24
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims 1
- 238000013022 venting Methods 0.000 claims 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 37
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 22
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 6
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 4
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 4
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 3
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 description 1
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000008642 heat stress Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/20—Controlling or regulating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
- F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
- F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/14—Thermal energy storage
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法；单晶炉双相复合换热器包括换热壳体和分隔板，换热壳体包括相互连接且间隔分布的内壳和外壳，内壳的内壁和外壳的内壁之间形成换热腔，内壳的外壁围合形成提拉通道；分隔板连接于内壳的内壁和外壳的内壁之间，用于将换热腔分隔为水冷换热腔和相变换热腔，其中，水冷换热腔位于相变换热腔的上方，水冷换热腔用于循环冷却水，相变换热腔用于盛装有机换热介质、并用于容纳有机换热介质挥发形成的气相换热介质。本发明的单晶炉双相复合换热器和换热方法能够稳定、可靠地控制纵向温度梯度，以保证晶体在高拉速下稳定地生长，提高晶体生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法。
背景技术
直拉法生长单晶硅是目前应用较广的一种单晶硅生产技术。用直拉法生长单晶硅时，单晶炉为核心生产设备之一；现有技术提供的单晶炉包括加热器、坩埚和提拉头；加热器设置在坩埚的外侧，用于对坩埚加热，而硅料则在坩埚内受热熔化形成硅熔体；提拉头将籽晶浸入硅熔体中，在籽晶下方生长并提拉单晶棒。
采用直拉法生长单晶硅时，降低成本最直接的方式即为提高生产效率；而提高晶体生长的速度是提高生产效率最主要的方法之一。又有相关技术为了提高晶体生长的速度，给单晶炉配置了换热器，以利用换热器带走结晶释放的潜热，增加晶体纵向温度梯度，以提高晶体生长速度。
但是，相关技术提供的换热器对于纵向温度梯度的提高效果有限，且不便于稳定地控制纵向温度梯度，难以保证晶体在高拉速下稳定地生长，即难以保证晶体高质量的快速生长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法，该单晶炉双相复合换热器和对应的换热方法能够稳定、可靠地控制纵向温度梯度，以保证晶体在高拉速下稳定地生长，即保证晶体高质量的快速生长，提高晶体生产效率。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种单晶炉双相复合换热器，包括：
换热壳体，换热壳体包括相互连接且间隔分布的内壳和外壳，内壳的内壁和外壳的内壁之间形成换热腔，内壳的外壁围合形成提拉通道；
分隔板，分隔板连接于内壳的内壁和外壳的内壁之间，用于将换热腔分隔为水冷换热腔和相变换热腔，其中，水冷换热腔位于相变换热腔的上方，水冷换热腔用于循环冷却水，相变换热腔用于盛装有机换热介质、并用于容纳有机换热介质挥发形成的气相换热介质。
在可选的实施方式中，分隔板朝向相变换热腔的一侧设置有多个凹槽。
在可选的实施方式中，多个凹槽的总面积占分隔板朝向相变换热腔的一侧的表面积的60-70%。
在可选的实施方式中，单晶炉双相复合换热器还包括底板，底板连接于内壳和外壳之间，且底板分布于相变换热腔远离分隔板的一端；
底板朝向相变换热腔的一侧连接有多个凸起。
在可选的实施方式中，多个凸起的总面积占底板朝向所述相变换热腔的一侧的表面积的50-60%。
在可选的实施方式中，凸起的高度大于或等于0.1mm。
在可选的实施方式中，凸起由疏水材料制备，底板由亲水材料制备。
在可选的实施方式中，相变换热腔包括从上至下依次连通的气相区和液相区，内壳包括依次连接的第一段和第二段，外壳包括依次连接的第三段和第四段，第一段和第三段相对且间隔设置，且两者之间形成气相区，气相区用于容纳气相换热介质；第二段和第四段相对且间隔设置，且两者之间形成液相区，液相区用于盛装有机换热介质；其中，
从靠近液相区的一端至远离液相区的一端，第一段和第三段形成等间距设置，且第一段和第三段均倾斜分布，且倾斜的角度为65°-80°；
从靠近气相区的一端至远离气相区的一端，第二段和第四段之间的间距逐渐减小，且第二段竖直分布，第四段倾斜分布。
在可选的实施方式中，气相区和液相区的高度比为4:1-2:1.2。
在可选的实施方式中，单晶炉双相复合换热器还包括压力调节组件，压力调节组件与相变换热腔连通，用于将相变换热腔内的介质排出以泄压、或用于向相变换热腔补充介质以增压，从而调节热通量。
第二方面，本发明提供一种单晶炉，包括前述实施方式任一项的单晶炉双相复合换热器。
第三方面，本发明提供一种换热方法，用于前述实施方式的单晶炉，换热方法包括：
在水冷换热腔内循环冷却水，在相变换热腔内盛装沸点低于水的有机换热介质；
控制相变换热腔远离水冷换热腔的一端的过热度为50-200℃。
在可选的实施方式中，换热方法还包括控制相变换热腔的压力为0.1-30Mpa。
本发明实施例的单晶炉双相复合换热器和单晶炉的有益效果包括：本发明实施例提供的单晶炉包括单晶炉双相复合换热器；该单晶炉双相复合换热器包括水冷换热腔和位于水冷换热腔下方的相变换热腔，其中，水冷换热腔用于循环冷却水，相变换热腔用于盛装有机换热介质、且用于容纳有机换热介质挥发形成的气相换热介质；这样一来，在使用换热器时，可以使水冷换热腔循环冷凝水，并使相变换热腔内盛装沸点低于水的有机换热介质，相变换热腔远离水冷换热腔的一端基本上位于换热器的最下端，此处吸热更快，换热效率更高，对于晶棒具有更强的冷却能力，与此同时相变换热腔内盛装的部分有机换热介质因吸收热量而挥发成气态换热介质填充在该相变换热腔的中部和上部，以便于利用相变换热腔底部仍然为液态的有机换热介质、相变换热腔中部和上部的气态换热介质以及水冷换热腔的冷却水可靠地提高纵向温度梯度，以保证晶体在高拉速下稳定地生长，即保证晶体高质量的快速生长，提高晶体生产效率。
本发明实施例的换热方法的有益效果包括：本发明实施例提供的换热方法不仅包括前述单晶炉双相复合换热器的有益效果，还通过将相变换热腔远离水冷换热腔的一端的过热度为50-200℃，使相变换热腔内的有机换热介质在沸腾的过程中可以从核态沸腾进入过渡沸腾，在相变换热腔内的有机换热介质换热升温的过程中，有机换热介质的温度逐渐升高，以逐渐从无沸腾的状态开始沸腾，并进入核态沸腾，在核态沸腾阶段有孤立的气泡产生；随着换热的继续，有机换热介质进一步升温，有机换热介质产生大量的气泡带走热量，同时气泡运动促进液体对流，热通量到达极大值；进一步随着换热的继续，有机换热介质的温度继续升高，形成的孤立的气泡会在内壳的内壁和外壳的内壁均形成汽膜阻碍热传导，而内壳和外壳的壁面到液体的热量以热辐射为主，此时热通量才开始降低，进入过渡沸腾；这样一来，有效地增大了换热器的热通量，以提高晶棒的纵向温度梯度，有利于晶体在高拉速下稳定生长，而且由于在有机换热介质进入过渡沸腾的阶段时，热通量才会开始降低，在此之前热通量则处于持续上升的状态，故当有机换热介质刚刚达到过渡沸腾时具有最高的换热效率，从而确保纵向温度梯度的提高，确保晶体在高拉速下稳定、可靠地生长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中单晶炉双相复合换热器的剖视图；
图2为本发明实施例中分隔板的结构示意图；
图3为本发明实施例中底板的结构示意图；
图4为底板设置凸起和未设置凸起的热流密度对比图；
图5为本发明实施例中单晶炉双相复合换热器的结构示意图。
图标：010-单晶炉双相复合换热器；100-换热壳体；110-内壳；111-第一段；112-第二段；120-外壳；121-第三段；122-第四段；130-提拉通道；140-换热腔；141-水冷换热腔；142-相变换热腔；143-气相区；144-液相区；150-分隔板；151-凹槽；160-底板；161-凸起；170-压力调节组件；171-压力泵；172-泄压阀；173-温度传感器；174-压力传感器；181-进水管；182-出水管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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”、“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。
本实施例提供一种单晶炉，其包括结构和工作原理与相关技术类似，例如：单晶炉包括加热器、坩埚和提拉头，加热器设置在坩埚的外侧，用于对坩埚加热，而硅料则在坩埚内受热熔化形成硅熔体；提拉头将籽晶浸入硅熔体中，在籽晶下方生长并提拉单晶棒；其他的结构和工作原理在此不再赘述。
单晶炉还包括单晶炉双相复合换热器，该单晶炉双相复合换热器用于带走结晶释放的潜热，增加晶体纵向温度梯度，以提高晶体生长速度。
需要说明的是，坩埚设置有气流通道，单晶炉双相复合换热器设置于气流通道，且单晶炉双相复合换热器设置有与气流通道连通的提拉通道，籽晶和其下方生长的单晶棒能从提拉通道被拉出；单晶炉双相复合换热器和单晶炉的其他配合结构等均与相关技术类似，在此不再赘述。
请参照图1，单晶炉双相复合换热器010包括换热壳体100和分隔板150，换热壳体100包括相互连接且间隔分布的内壳110和外壳120，内壳110的内壁和外壳120的内壁之间形成换热腔140，内壳110的外壁围合形成用于使籽晶和其下方生长的单晶棒拉出的提拉通道130；分隔板150连接于内壳110的内壁和外壳120的内壁之间，用于将换热腔140分隔为水冷换热腔141和相变换热腔142，其中，水冷换热腔141位于相变换热腔142的上方，水冷换热腔141用于循环冷却水，相变换热腔142用于盛装有机换热介质、并用于容纳有机换热介质挥发形成的气相换热介质。
在使用单晶炉双相复合换热器010时，可以使水冷换热腔141循环冷凝水，并使相变换热腔142内盛装沸点低于水的有机换热介质，相变换热腔142远离水冷换热腔141的一端基本上位于换热器的最下端，此处吸热更快，换热效率更高，对于晶棒具有更强的冷却能力，与此同时相变换热腔142内盛装的部分有机换热介质因吸收热量而挥发成气态换热介质填充在该相变换热腔142的中部和上部，以便于利用相变换热腔142底部仍然为液态的有机换热介质、相变换热腔142中部和上部的气态换热介质以及水冷换热腔141的冷却水可靠地提高纵向温度梯度，以保证晶体在高拉速下稳定地生长，即保证晶体高质量的快速生长，提高晶体生产效率。
需要说明的是，本实施例的单晶炉双相复合换热器010在上部的水冷换热腔141处使用水冷的方式，能够稳定相变换热腔142的冷端的温度，即稳定相变换热腔142靠近水冷换热腔141的一端的温度，改善因相变循环的温度波动导致晶体在热应力的作用下增大位错密度而产出不良品的问题。
进一步地，相变换热腔142包括从上至下依次连通的气相区143和液相区144，内壳110包括依次连接的第一段111和第二段112，外壳120包括依次连接的第三段121和第四段122，第一段111和第三段121相对且间隔设置，且两者之间形成气相区143，气相区143用于容纳气相换热介质；第二段112和第四段122相对且间隔设置，且两者之间形成液相区144，液相区144用于盛装有机换热介质。
其中，从靠近液相区144的一端至远离液相区144的一端，第一段111和第三段121形成等间距设置；第一段111和第三段121均倾斜分布，且倾斜的角度为65°-80°，例如：65°、69°、70°、73°、76°、79°、80°等。由于第一段111和第三段121均倾斜分布，故使得气相区143成倾斜设置，倾斜设置有利于形成延长的自循环区域，以增大传热，有利于增大纵向温度梯度的变化；而将第一段111和第三段121配置为等间距分布的，有利于使纵向温度梯度随斜度逐渐变化，进而有利于减少晶棒缺陷，避免因导热能力加大，纵向温度梯度变化过大，而带来的缺陷影响；优化气相区143倾斜的角度为65°-80°，更加利于纵向温度梯度随斜度逐渐变化，以减少晶棒缺陷。
从靠近气相区143的一端至远离气相区143的一端，第二段112和第四段122之间的间距逐渐减小，且第二段112竖直分布，第四段122倾斜分布。如此设置，能够稳定晶体的纵向温度梯度，避免温度梯度过大而使电阻率衰减过快；其中，液相区144的底部为液体留存的过热区，液相区144的底部可以提供有机换热液体导热工作区域，竖直的第二段112的线性尺寸与晶体高温区的分布范围接近，以便于在提拉通道130的入口处实现高效换热，即实现高效入口处导热，有利于纵向温度梯度形成，而倾斜的第四段122相对于第二段112位于外侧，且呈逐渐向上倾斜分布，能够提供纵向上逐渐降低的温度梯度，利于整体纵向温度梯度形成，而且外侧逐渐向上倾斜形成上部变大的形状利于气体快速溢出，并确保液体在相变换热腔142内稳定回流。
再进一步地，气相区143和液相区144的高度比为4:1-2:1.2，例如：4:1、4:1.5、2:1、2:1.2等。优化气相区143和液相区144的高度比例，一方面有利于纵向温度梯度形成，另一方面有利于相变换热腔142内的有机换热介质挥发后又回流。
可选地，单晶炉双相复合换热器010还包括进水管181和出水管182，进水管181和出水管182均与外壳120或内壳110连接，且与水冷换热腔141连通，进水管181用于将冷却水输入冷水换热腔140内，出水管182用于将冷却水从冷水换热腔140输出，以使冷却水在冷水换热腔140循环流动。
可选地，单晶炉双相复合换热器010还包括开闭阀（图未示出），开闭阀连接于外壳120或内壳110，且能打开或关闭相应设置于外壳120或内壳110的介质出入口，该介质出入口与相变换热腔142连通；当开闭阀打开介质出入口时，能够向相变换热腔142注入有机换热介质，当开闭阀关闭介质出入口时，能够防止有机换热介质意外地漏出。
请参照图2，本实施例中，分隔板150朝向相变换热腔142的一侧设置有多个凹槽151。分隔板150位于相变换热腔142的冷端，相变换热腔142内的有机换热介质在升温挥发呈气态后，流动至分隔板150处又会冷凝变成液态、并回流，在分隔板150朝向相变换热腔142的一侧设置多个凹槽151，一方面能够增大与挥发的气态介质接触的面积，提高冷凝效果，提高气相变回液相、并回流的循环速率，另一方面由于凹槽的存在，液膜难以完全覆盖在属于冷端的分隔板150的表面，有利于长时间维持滴状冷凝，即有利于挥发的气态介质在分隔板150处冷凝、滴回相变换热腔142的液相区144。
进一步地，多个凹槽151的总面积占分隔板150朝向相变换热腔142的一侧的表面积的60-70%，例如：60%、63%、65%、67%、70%等；优化凹槽151在分隔板150的占比能够在相变换热腔142的热端（相变换热腔142远离水冷换热腔141的一端）处于过热温度、具有高热流密度时快速换热，提高冷凝效果，提高气相变回液相、并回流的循环速率。
需要说明的是，多个凹槽151的总面积可以是指多个凹槽151投影于与分隔板150的表面平行的平面上时的总面积。
请参照图1和图3，本实施例中，单晶炉双相复合换热器010还包括底板160，底板160连接于内壳110和外壳120之间，且底板160分布于相变换热腔142远离分隔板150的一端；底板160朝向相变换热腔142的一侧连接有多个凸起161。在使用换热器时，相变换热腔142内的有机换热介质在沸腾的过程中可以从核态沸腾进入过渡沸腾，凸起161能够在底板160处于过渡温度时，仍然保持在核态沸腾状态，即当有机换热介质的温度升高至使形成的气泡附着在底板160的表面形成汽膜时（达到膜沸腾），凸起161的相对位置高于底板160，其表面仍然没有附着汽膜处于核态沸腾状态，进而有利于提高热端（相变换热腔142远离水冷换热腔141的一端）过渡温度时的热流密度（即热通量）。
进一步地，多个凸起161的总面积占底板160朝向相变换热腔142的一侧的表面积的50-60%，例如：50%、53%、55%、57%、60%等；优化凸起161的占比，有利于使热流密度大致可以相比于不设置凸起161提高1.3-1.5倍（如图4所示）。
需要说明的是，多个凸起161的总面积可以是指多个凸起161投影于与底板160的表面平行的平面上时的总面积。
再进一步地，在相变换热腔142内的有机换热介质处于过渡沸腾状态时，形成的汽膜的厚度可以达到0.1-0.5mm；为了使确保连接于底板160的凸起161能够在热端温度为过渡温度时，扔处于核态沸腾的状态，凸起161的高度优选大于汽膜的厚度，即至少大于0.1mm，优选为大于0.5mm。
本实施例中，凸起161由疏水材料制备，例如：聚四氟乙烯、氟化聚乙烯等，底板160由亲水材料制备，例如：铝金属板材、锌金属板材等；这样一来，能够降低气泡形成的吉布斯自由能，进而有利于使相变换热腔142中的有机换热介质在升温的过程中，更加容易形成孤立的气泡，进而通过气泡的运动促进液体对流，有利于使热通量快速地到达极大值，快速提高纵向温度梯度。
需要说明的是，凸起161与底板160的连接方式包括但不限于粘接、卡接；凹槽151的形成方式包括但不限于冲压；分隔板150和底板160与内壳110、外壳120的连接方式包括但不限于一体成型、焊接。
请参照图5，本实施例的单晶炉双相复合换热器010还包括压力调节组件170，压力调节组件170与相变换热腔142连通，用于将相变换热腔142内的介质排出以泄压、或用于向相变换热腔142补充介质以增压，从而调节热通量。压力调节组件170包括但不限于连接于外壳120的压力泵171和泄压阀172，其中，压力泵171可以用于向相变换热腔142补充介质，泄压阀172可以用于将相变换热腔142内的介质排出。这样一来，可以通过调节相变换热腔142内的压力，调整热通量，以使热通量满足结晶需求，例如：在硅料加热熔化后硅液体温度较高，大约为1800k，此时需要快速降低硅液温度至熔接温度，单晶炉双相复合换热器010可以通过打开泄压阀172降低介质压力，从而降低介质的相变温度，根据热辐射公式（Q=ε×σ×（T1 4-T2 4）。其中，Q为热辐射传热量，σ是玻尔兹曼常数，ε是发射率，T1是硅棒温度，T2是换热器温度）可知温度差会影响热辐射热通量，故降低介质的相变温度能够达到快速降低硅液温度的目的，而且晶生长初期也需要快速带走热量，泄压降低介质的相变温度，能够提高换热效率，使晶棒稳定生长；或者，在晶体生长中期，由于坩埚升高和硅液减少整体保温性降低，晶体生长速度会快速增大，若是采用全水冷的单晶炉，需要人为增加加热器功率以控制晶体拉速，但是从功率调整到硅液温度发生变化存在约30min的延迟，不利于保证晶体的生长质量，且若功率增加过多会使晶棒断线，若功率增加不足会使晶棒变形；单晶炉双相复合换热器010可以通过压力泵171充入介质于相变换热腔142内，以增加介质压力，提高相变温度，减小换热的热通量以稳定地维持晶体生长液面的温度，响应速度，能够保证晶体的生长质量；或者，在整炉晶体生长结束，晶体尾部脱离液面后，晶体尾部存在一段较长多晶，为了防止多晶冷却过快而断裂，此时可以利用压力泵171补充大量介质于相变换热腔142内使相变换热终止。
需要说明的是，泄压阀172排出的介质可以是指相变成气态的介质；压力泵171补充的介质可以为液态的有机换热介质。
请参照图5，可选地，单晶炉双相复合换热器010还设置有温度传感器173和压力传感器174，分别用于实时检测相变换热腔142的介质温度和压力。
本实施例还提供一种换热方法，其用于本实施例的单晶炉；该换热方法包括：在水冷换热腔141内循环冷却水，在相变换热腔142内盛装沸点低于水的有机换热介质；控制相变换热腔142远离水冷换热腔141的一端的过热度为50-200℃，例如：50℃、60℃、70℃、80℃、100℃、120℃、130℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃等。如此设置，可以使相变换热腔142内的有机换热介质在升温沸腾的过程中可以从核态沸腾进入过渡沸腾，在相变换热腔142内的有机换热介质换热升温的过程中，有机换热介质的温度逐渐升高，以逐渐从无沸腾的状态开始沸腾，并进入核态沸腾，在核态沸腾阶段有孤立的气泡产生；随着换热的继续，有机换热介质进一步升温，有机换热介质产生大量的气泡带走热量，同时气泡运动促进液体对流，热通量到达极大值；进一步随着换热的继续，有机换热介质的温度继续升高，形成的孤立的气泡会在内壳110的内壁和外壳120的内壁均形成汽膜阻碍热传导，而内壳110和外壳120的壁面到液体的热量以热辐射为主，此时热通量才开始降低，进入过渡沸腾。这样一来，有效地增大了换热器的热通量，以提高晶棒的纵向温度梯度，有利于晶体在高拉速下稳定生长，而且由于在有机换热介质进入过渡沸腾的阶段时，热通量才会开始降低，在此之前热通量则处于持续上升的状态，故当有机换热介质刚刚达到过渡沸腾时具有最高的换热效率，从而确保纵向温度梯度的提高，确保晶体在高拉速下稳定、可靠地生长。
需要说明的是，在晶体生长的过程中，晶体主要会发生两种换热，其中一种是晶体生长的过程中，晶棒自身从热端到冷端的热传导换热过程，另一种是晶体生长过程中，晶棒和换热器之间的热传导换热过程；在上述两种热传导换热过程中，晶棒和换热器之间的热传导换热过程占主导，即晶棒和换热器之间的换热功率更大。在此将以示例进行说明，在一些实施方式中，晶棒自身从热端到冷端的热传导换热功率可以通过热传导公式Q=△T×λ×S/L计算，其中，Q为热传导传热量、△T为冷端到热端的温度，例如：600k，λ为单晶硅的导热系数，例如：150w/(m×k)，S为晶棒的截面积，例如：0.049875m2，L为晶棒的热端到晶棒的冷端的距离（晶棒的热端是指晶棒与硅液接触的部分，晶棒的冷端是指晶棒与籽晶连接的部分），例如：0.85m，可计算得出晶棒热端到冷端的传热功率约为5280w；晶棒和换热器之间的热传导换热功率可以通过热辐射公式Q=ε×σ×（T1 4-T2 4）计算，其中，Q为热辐射传热量，σ是玻尔兹曼常数5.67×10-8，ε是发射率，其中，单晶硅的发射率通常为0.85~0.95，在此可取值0.88，T1是硅棒温度，例如：1400k，T2是换热器温度，例如：350k，可计算出晶棒到换热器的辐射功率约为190931w；根据上述示例的计算结果可知，热辐射热通量比热传导热通量高2个数量级，因此热辐射占主导，增大换热器的热通量，即可增大晶棒的纵向温度梯度，从而有利于晶体在高拉速下稳定生长。
相变换热腔142中的换热介质在热端汽化后在对流作用下来到冷端，在饱和蒸汽压的作用下强制液化释放潜热，随后在重力作用下回到热端完成一次循环。在较优的实施方式中，换热方法还包括控制相变换热腔142的压力为0.1-30Mpa，例如：0.1Mpa、5Mpa、10Mpa、12Mpa、15Mpa、18Mpa、20Mpa、25Mpa、30Mpa等。这样一来，可确保换热介质可靠地在相变换热腔142内自持循环；而且晶棒向换热器的热辐射热通量通常由晶棒的温度主导，但是在晶棒生长初期晶棒温度较高，且晶棒长度较短还没有建立晶棒导热，因此可以优化相变换热腔142的压力可以确保相变换热腔142产生较大的相变温度范围，确保在晶体生长初期快速带走晶棒热量，避免晶体生长初期处于高温下形成不利于成核的温度，晶核形成速率不足，使晶体在高温作用下位错密度持续增大而导致头部断线。
可选地，有机换热介质可以选用沸点在30℃-80℃之间、且在常温下为液态的醚类、醇类、醛类、烷烃以及上述物质的混合物。
本实施例的单晶炉双相复合换热器010在使用时在水冷换热腔141内循环冷却水，并在相变换热腔142内盛装沸点低于水的有机换热介质，即可使相变换热腔142内盛装的部分有机换热介质因吸收热量而挥发成气态换热介质填充在该相变换热腔142的中部和上部，以便于利用相变换热腔142底部仍然为液态的有机换热介质、相变换热腔142中部和上部的气态换热介质以及水冷换热腔141的冷却水可靠地提高纵向温度梯度。
综上所述，本发明的单晶炉双相复合换热器010和对应的换热方法能够稳定、可靠地控制纵向温度梯度，以保证晶体在高拉速下稳定地生长，即保证晶体高质量的快速生长，提高晶体生产效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种单晶炉双相复合换热器，其特征在于，包括：
换热壳体，所述换热壳体包括相互连接且间隔分布的内壳和外壳，所述内壳的内壁和所述外壳的内壁之间形成换热腔，所述内壳的外壁围合形成提拉通道；
分隔板，所述分隔板连接于所述内壳的内壁和所述外壳的内壁之间，用于将所述换热腔分隔为水冷换热腔和相变换热腔，其中，所述水冷换热腔位于所述相变换热腔的上方，所述水冷换热腔用于循环冷却水，所述相变换热腔用于盛装有机换热介质、并用于容纳所述有机换热介质挥发形成的气相换热介质；
所述相变换热腔包括从上至下依次连通的气相区和液相区，所述内壳包括依次连接的第一段和第二段，所述外壳包括依次连接的第三段和第四段，所述第一段和所述第三段相对且间隔设置，且两者之间形成所述气相区，所述气相区用于容纳所述气相换热介质；所述第二段和第四段相对且间隔设置，且两者之间形成所述液相区，所述液相区用于盛装有机换热介质；其中，
从靠近所述液相区的一端至远离所述液相区的一端，所述第一段和所述第三段形成等间距设置，且所述第一段和所述第三段均倾斜分布，且倾斜的角度为65°-80°；
从靠近所述气相区的一端至远离所述气相区的一端，所述第二段和所述第四段之间的间距逐渐减小，且所述第二段竖直分布，所述第四段倾斜分布。
2.根据权利要求1所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，所述分隔板朝向所述相变换热腔的一侧设置有多个凹槽。
3.根据权利要求2所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，多个所述凹槽的总面积占所述分隔板朝向所述相变换热腔的一侧的表面积的60-70%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，所述单晶炉双相复合换热器还包括底板，所述底板连接于所述内壳和所述外壳之间，且所述底板分布于所述相变换热腔远离所述分隔板的一端；
所述底板朝向所述相变换热腔的一侧连接有多个凸起。
5.根据权利要求4所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，多个所述凸起的总面积占所述底板朝向所述相变换热腔的一侧的表面积的50-60%。
6.根据权利要求4所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，所述凸起的高度大于或等于0.1mm。
7.根据权利要求4所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，所述凸起由疏水材料制备，所述底板由亲水材料制备。
8.根据权利要求1所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，所述气相区和所述液相区的高度比为4:1-2:1.2。
9.根据权利要求1所述的单晶炉双相复合换热器，其特征在于，所述单晶炉双相复合换热器还包括压力调节组件，所述压力调节组件与所述相变换热腔连通，用于将所述相变换热腔内的介质排出以泄压、或用于向所述相变换热腔补充介质以增压，从而调节热通量。
10.一种单晶炉，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的单晶炉双相复合换热器。
11.一种换热方法，用于权利要求10所述的单晶炉，其特征在于，所述换热方法包括：
在所述水冷换热腔内循环冷却水，在所述相变换热腔内盛装沸点低于水的有机换热介质；
控制所述相变换热腔远离所述水冷换热腔的一端的过热度为50-200℃。
12.根据权利要求11所述的换热方法，其特征在于，所述换热方法还包括控制所述相变换热腔的压力为0.1-30Mpa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310678043.4A CN116428902B (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310678043.4A CN116428902B (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116428902A CN116428902A (zh) | 2023-07-14 |
| CN116428902B true CN116428902B (zh) | 2023-08-22 |
Family
ID=87089395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310678043.4A Active CN116428902B (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116428902B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1382353A (en) * | 1971-07-31 | 1975-01-29 | Philips Electronic Associated | Method of heat treating a material |
| JP2013155111A (ja) * | 2013-05-07 | 2013-08-15 | Kwansei Gakuin | ＳｉＣ基板、炭素供給フィード基板及び炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板 |
| CN203487280U (zh) * | 2013-08-08 | 2014-03-19 | 徐州协鑫太阳能材料有限公司 | 石英坩埚 |
| CN104244680A (zh) * | 2014-09-25 | 2014-12-24 | 中国北方车辆研究所 | 一种复合水冷板 |
| CN208346302U (zh) * | 2018-04-13 | 2019-01-08 | 内蒙古中环光伏材料有限公司 | 一种单晶硅拉单晶用水冷内导 |
| CN209522950U (zh) * | 2019-01-11 | 2019-10-22 | 抚州市天和硅业有限责任公司 | 一种导流筒 |
| CN216765120U (zh) * | 2022-02-25 | 2022-06-17 | 乐山市京运通新材料科技有限公司 | 一种水冷屏及低功率单晶炉 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4055362B2 (ja) * | 2000-12-28 | 2008-03-05 | 信越半導体株式会社 | 単結晶育成方法および単結晶育成装置 |
-
2023
- 2023-06-09 CN CN202310678043.4A patent/CN116428902B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1382353A (en) * | 1971-07-31 | 1975-01-29 | Philips Electronic Associated | Method of heat treating a material |
| JP2013155111A (ja) * | 2013-05-07 | 2013-08-15 | Kwansei Gakuin | ＳｉＣ基板、炭素供給フィード基板及び炭素ナノ材料付きＳｉＣ基板 |
| CN203487280U (zh) * | 2013-08-08 | 2014-03-19 | 徐州协鑫太阳能材料有限公司 | 石英坩埚 |
| CN104244680A (zh) * | 2014-09-25 | 2014-12-24 | 中国北方车辆研究所 | 一种复合水冷板 |
| CN208346302U (zh) * | 2018-04-13 | 2019-01-08 | 内蒙古中环光伏材料有限公司 | 一种单晶硅拉单晶用水冷内导 |
| CN209522950U (zh) * | 2019-01-11 | 2019-10-22 | 抚州市天和硅业有限责任公司 | 一种导流筒 |
| CN216765120U (zh) * | 2022-02-25 | 2022-06-17 | 乐山市京运通新材料科技有限公司 | 一种水冷屏及低功率单晶炉 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116428902A (zh) | 2023-07-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20110232856A1 (en) | Temperature control method and apparatus | |
| CN103890242B (zh) | 液体冷却热交换器 | |
| US8475590B2 (en) | Method and apparatus for the production of crystalline silicon substrates | |
| US5394825A (en) | Method and apparatus for growing shaped crystals | |
| RU2669599C2 (ru) | Регулирование температуры плавильного тигля в печи | |
| TW201012988A (en) | Gas recirculation heat exchanger for casting silicon | |
| CN108184320B (zh) | 一种用于功率放大器的散热器 | |
| CN116428902B (zh) | 单晶炉双相复合换热器、单晶炉和换热方法 | |
| US4140512A (en) | Liquid cooling system for glass forming apparatus | |
| CN103205807A (zh) | 一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法 | |
| CN103397377B (zh) | 多晶硅均匀长晶工艺及其铸锭炉热场加热装置 | |
| TWI571540B (zh) | 自熔體水平帶材生長的方法以及自熔體形成第一材料的帶材的方法 | |
| Zhukov et al. | Regimes of intensified heat transfer during evaporation of thin horizontal liquid layers at reduced pressures | |
| CN114850424B (zh) | 一种具有均匀冷却功能的水平式连续铸造结晶器 | |
| US20100209319A1 (en) | Device for producing a crystallized silicon body for solar cells | |
| CN215628407U (zh) | 一种晶棒快速生长用冷却装置以及单晶炉 | |
| CN203382850U (zh) | 多晶硅铸锭炉热场加热装置 | |
| CN211921735U (zh) | 一种提高单晶硅拉速的冷却装置 | |
| CN115395132A (zh) | 一种主动控制电池液冷装置及其工作方法 | |
| Li et al. | Simulation of Effect of Ar Flow Rate on Silicon Ingot Growth in Directional Solidification System. | |
| AU2006203413A1 (en) | A heat sink and a heat exchanger | |
| Zermout et al. | Numerical study on the effect of additional resistive heating and crystal rotation on sapphire single crystals (Al 2 O 3) grown by the Kyropoulos method | |
| CN216063248U (zh) | 一种应用于化学的小型反应釜 | |
| CN118315350A (zh) | 一种自适应沸腾强化传热装置 | |
| TWI664329B (zh) | 定向凝固鑄錠爐裝置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |