CN116446036A - 一种单晶炉水冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单晶炉水冷装置。本发明属于单晶体制造技术领域，包括主炉筒；所述主炉筒顶部经法兰固接有炉盖；所述炉盖顶部经法兰固接有连接筒；所述主炉筒内卡接有连接保温筒；所述保温筒内顶部卡接有水冷单元；通过设置水冷单元，采用可径向滑动的多个水冷板配合延伸板，可根据不同直径的单晶体进行位置调节，保持热传导距离不变或降低，同时延伸板的存在可提高热传导面积，均用于确保对单晶体冷却时，冷却效率不降或是提高，避免单晶体制造过程中，处于引晶和放肩步骤之间所形成的小直径连接单晶体未冷却完全，在后续大直径单晶体生成时，对小直径连接单晶体产生较大的拉力而形变或是断裂，造成单晶体制造失败。

Description

一种单晶炉水冷装置

技术领域

本发明涉及单晶体制造技术领域，尤其是指一种单晶炉水冷装置。

背景技术

单晶炉是一种用于生长单晶的设备，其内部处于惰性气体环境中，利用石墨加热器可将多晶硅等多晶材料熔化，并采用直拉法生长单晶。

直拉法生长单晶具体包括将块状多晶硅放入石英坩埚中，通过石墨加热器使其熔化，再将一根直径只有5mm的棒状晶种，俗称籽晶浸入熔融态的硅汤中，在合适温度下，硅汤中的硅原子会顺着籽晶表面的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，称之为单晶体，再利用提升设备，将籽晶微微的旋转提升，可使硅汤中的硅原子在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。

传统的直拉法制备单晶硅包括种晶、引晶、放肩、等径、收尾工艺步骤；其中种晶即浸入籽晶，引晶是采用提升设备提升，其中引晶步骤时，需要注意快速提升籽晶，缩小结晶直径，用于抑制位错从籽晶向晶体延伸，后续在放肩步骤时，再放慢籽晶提升速度，使籽晶端部的单晶体直径增大，在现有技术中，单晶体形成并提升的过程中，可增加水冷套对形成的单晶体进行降温冷却，避免位错及形变产生，其一用于适应不同大小直径的单晶体形成，由于热传导量与热传递效率、距离和热传导面积有关，因此在适应不同带下直径的单晶体时，采用现有的固定直径的水冷套，所提供的热传导量并不一致，换句话说，即同一直径的水冷套，在制造不同直径单晶体时，其热传导的速度不一致；其二，由于单晶体在制造时，需要引晶和放肩，若不能快速实现降温，则籽晶与单晶体之间所形成的小直径连接单晶体容易形变断裂，导致单晶体制造失败，而采用固定直径的水冷套一般适用于放肩后的单晶体直径，对于小直径连接单晶体并不能提供快速的水冷效果，因此存在一定的隐患。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种单晶炉水冷装置，包括主炉筒；所述主炉筒顶部经法兰固接有炉盖；所述炉盖顶部经法兰固接有连接筒；所述主炉筒内卡接有连接保温筒；所述保温筒内顶部卡接有水冷单元；所述保温筒内底部卡接有加热器；所述加热器内活动连接有三瓣埚；所述三瓣埚内嵌入连接有石英坩埚；所述三瓣埚底部固接有托杆；所述托杆用于托举三瓣埚、石英坩埚；所述水冷单元用于冷却籽晶和单晶锭；所述籽晶和单晶锭依次贯穿水冷单元、炉盖与连接筒。

在本发明的一个实施例中，所述水冷单元包括固定托、水冷管路以及水冷套；所述水冷管路贴附于水冷套朝外一侧表面；所述水冷套活动连接在固定托内；所述水冷套包括若干个呈环形阵列的水冷板，且相邻水冷板之间滑动配合有延伸板；所述水冷管路贴附于水冷板朝外的一侧表面。

在本发明的一个实施例中，所述水冷管路包括冷却管路、循环管与总管；所述冷却管路贴附于相邻的两个水冷板的外表面上；所述循环管连通相邻两个冷却管路；其中一个所述循环管的中部连通总管，且总管贯穿固定托、保温筒以及主炉筒；所述固定托的底部还卡接有导流筒。

在本发明的一个实施例中，所述冷却管路设置多个，且多个冷却管路呈环形阵列布置；所述冷却管路包括第一支管与第二支管；所述第一支管、第二支管分别贴附在相邻的两个水冷板的外表面；所述第一支管、第二支管之间经连接软管连通，且第一支管、第二支管与循环管之间也经连接软管连通。

在本发明的一个实施例中，所述固定托设置多个，且多个固定托呈环形阵列布置；所述循环管中部贯穿固定托及保温筒，且循环管布置在固定托外部；所述保温筒顶部对应于循环管开设有凹槽，且循环管环绕在凹槽内。

在本发明的一个实施例中，所述水冷板的底部两侧固接有调节轴；所述固定托的底部对应开设有滑轨，且调节轴贯穿滑轨。

在本发明的一个实施例中，所述水冷板的顶面中心固接有滑杆，且水冷套的顶部转动连接有齿盘；所述齿盘的中心开设有通孔，且所述齿盘的边缘开设有弧形槽；所述滑杆与弧形槽滑动配合。

在本发明的一个实施例中，所述固定托的顶部转动连接有中心轴，且中心轴顶部固接有齿轮；所述齿轮下表面固接有托板；所述齿盘边缘齿牙与齿轮啮合，且齿盘底面与托板滑动配合。

在本发明的一个实施例中，所述调节轴上套接弹簧，且弹簧上下端分别抵接滑轨与水冷板底面；所述齿盘底面固接有调节块，且调节块与水冷板顶面滑动配合。

在本发明的一个实施例中，所述连接筒的一侧连通有惰气管；所述炉盖一侧连通有观察管；所述主炉筒的一侧对应于总管连通有连接管，且总管贯穿连接管。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明通过设置水冷单元，采用可径向滑动的多个水冷板配合延伸板，可根据不同直径的单晶体进行位置调节，保持热传导距离不变或降低，同时延伸板的存在可提高热传导面积，均用于确保对单晶体冷却时，冷却效率不降或是提高，避免单晶体制造过程中，处于引晶和放肩步骤之间所形成的小直径连接单晶体未冷却完全，在后续大直径单晶体生成时，对小直径连接单晶体产生较大的拉力而形变或是断裂，造成单晶体制造失败。

2、本发明通过设置齿盘，可在驱动电机作用下，控制齿盘转动，齿盘转动可挤压多个水冷板同步径向移动，完成水冷套尺寸的调节，而齿盘转动时，还可驱动调节块挤压水冷板，使其竖向位移，实现对单晶体生成时的及时冷却，避免产生位错。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的爆炸视角立体图；

图3是本发明中水冷单元与加热器、石英坩埚的相对位置示意图；

图4是本发明中水冷单元的立体图；

图5是本发明中水冷单元的另一视角立体图；

图6是本发明中水冷管路的立体图；

图7是本发明中固定托、水冷套与齿盘的爆炸视角立体图；

图8是本发明中冷却套与齿盘的配合立体图；

说明书附图标记说明：1、主炉筒；11、炉盖；12、连接筒；13、观察管；14、惰气管；15、保温筒；151、凹槽；16、加热器；17、连接管；2、水冷单元；21、水冷管路；211、第一支管；212、第二支管；213、循环管；214、总管；215、连接软管；22、固定托；221、齿轮；222、托板；223、滑轨；23、齿盘；231、调节块；232、弧形槽；24、水冷套；241、调节轴；242、弹簧；243、延伸板；244、滑杆；25、导流筒；31、托杆；32、三瓣埚；33、石英坩埚。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1至图2所示，本发明提供了一种单晶炉水冷装置，包括主炉筒1；所述主炉筒1顶部经法兰固接有炉盖11；所述炉盖11顶部经法兰固接有连接筒12；所述主炉筒1内卡接有连接保温筒15；所述保温筒15内顶部卡接有水冷单元2；所述保温筒15内底部卡接有加热器16；所述加热器16内活动连接有三瓣埚32；所述三瓣埚32内嵌入连接有石英坩埚33；所述三瓣埚32底部固接有托杆31；所述托杆31用于托举三瓣埚32、石英坩埚33；所述水冷单元2用于冷却籽晶和单晶锭；所述籽晶和单晶锭依次贯穿水冷单元2、炉盖11与连接筒12。主炉筒1、炉盖11、保温筒15、加热器16、三瓣埚32以及石英坩埚33均为现有技术，而水冷单元2的布置，可在种晶后对籽晶旋转提升时，在单晶体与籽晶之间所形成的小直径连接单晶体进行快速冷却，具体的，水冷单元2可形变，在形变后适应于不同直径的棒状物体冷却，因此无论是针对于小直径连接单晶体还是放肩步骤后的大直径单晶体，均能产生不错的冷却效果，依据热传导计算公式，Q=K*A*ΔT/d，其中K为热传导率，其大小由传导材料性质决定，而A为传导面积、ΔT为温度差，而d为传导距离；综合来看，当K和ΔT取固定值后，若想实现更好的热量传导，则需要增加A和降低d，那么采用可形变的水冷单元2，保持水冷单元2中‘传导距离不变，传导面积增加’、‘传导距离降低，传导面积不变’或‘传导距离降低，传导面积增加’这三种情况下，即可获得更优的热传导效果，从而解决现有技术中，采用固定直径的水冷套24，在引晶和放肩步骤之间产生的小直径连接单晶体容易断裂的问题，同时解决放肩步骤结束后，对不同直径单晶体热传导效果不一致的问题。

参照图3所示，所述水冷单元2包括固定托22、水冷管路21以及水冷套24；所述水冷管路21贴附于水冷套24朝外一侧表面；所述水冷套24活动连接在固定托22内；所述水冷套24包括若干个呈环形阵列的水冷板，且相邻水冷板之间滑动配合有延伸板243；所述水冷管路21贴附于水冷板朝外的一侧表面；采用固定托22承载水冷套24，多个环形阵列布置的水冷板可在外力作用下产生位置变化，且位置变化为同步径向移动，即可将原多个水冷板所围成的冷却腔室扩大或缩小，适应于对不同直径单晶体的冷却，其中多个水冷板同步径向移动后，为了增加热传导面积，设置于相邻水冷板之间的延伸板243可从水冷板中滑出，用于增大传导面积，同时水冷板与延伸板243朝向单晶体的一侧均设置有环状凸起，增大了热传导的面积，提高了热传导的效果，贴附于水冷板一侧的水冷管路21，可及时导出经水冷板、延伸板243传递的热量，起到有效的散热冷却效果。

参照图5至图6所示，所述水冷管路21包括冷却管路、循环管213与总管214；所述冷却管路贴附于相邻的两个水冷板的外表面上；所述循环管213连通相邻两个冷却管路；其中一个所述循环管213的中部连通总管214，且总管214贯穿固定托22、保温筒15以及主炉筒1；所述固定托22的底部还卡接有导流筒25；冷却管路贴附在水冷板朝外的一侧，用于直接传递热量，而循环管213连接了两个相邻的冷却管路，可在冷却管路中冷却液流动过程中，通过较长的循环管213，增加水冷管路21中的冷却液量，从而减小冷却液循环的压力；总管214与循环管213之间设有阀门，可用于通入和导出冷却液，在倒入冷却液后关闭阀门，使冷却液循环流动在多个冷却管路之间，起到依次对相邻水冷板冷却的目的。

参照图6所示，所述冷却管路设置多个，且多个冷却管路呈环形阵列布置；所述冷却管路包括第一支管211与第二支管212；所述第一支管211、第二支管212分别贴附在相邻的两个水冷板的外表面；所述第一支管211、第二支管212之间经连接软管215连通，且第一支管211、第二支管212与循环管213之间也经连接软管215连通；第一支管211、第二支管212用于对相邻的两个水冷板提供冷却效果，在一个冷却管路循环结束后，再将冷却液经循环管213导入下一个相邻的冷却管路中，其中为了适应水冷板径向移动，设置的软管可延长或是缩短来适应性的调整。

参照图7所示，所述固定托22设置多个，且多个固定托22呈环形阵列布置；所述循环管213贯穿固定托22及保温筒15并布置在固定托22外部；所述保温筒15顶部对应于循环管213开设有凹槽151，且循环管213环绕在凹槽151内；固定托22主要用于承载水冷管路21及水冷套24，且主要用于限制水冷板的径向滑动；其次用于承载水冷管路21，利用其侧壁开设的孔对循环管213进行固定，而设置在保温筒15上的凹槽151，可供外部的循环管213放置，且将循环管213放置在凹槽151中，可隔绝部分热量在传递至外界时，又影响到水冷板的热传递，同时循环管213环绕凹槽151布置，可延长循环管213的长度，使其冷凝过程充分，从而在导入下一个冷却管路中时，能够提供有效的冷却效果。

参照图8所示，所述水冷板的底部两侧固接有调节轴241；所述固定托22的底部对应开设有滑轨223，且调节轴241贯穿滑轨223；水冷板的径向移动，需要使用调节轴241与固定托22上的滑轨223配合，在外力作用下，水冷板经底部的两个调节轴241径向滑动在滑轨223中，其中与水冷板上两个调节轴241相对应的滑轨223应当为平行布置。

参照图7所示，所述水冷板的顶面中心固接有滑杆244，且水冷套24的顶部转动连接有齿盘23；所述齿盘23的中心开设有通孔，且所述齿盘23的边缘开设有弧形槽232；所述滑杆244顶部插入到弧形槽232中；为了驱动多个水冷板同步径向移动，采用齿盘23上的弧形槽232与水冷板顶部的滑杆244配合，可在齿盘23转动后，由弧形槽232挤压多个滑杆244产生同步的位置变化，具体为靠近或远离保温筒15轴心的位置变化，而滑轨223与调节轴241的滑动配合，可在弧形槽232挤压效果下，限制水冷板径向移动。

参照图7所示，所述固定托22的顶部转动连接有中心轴，且中心轴顶部固接有齿轮221；所述齿轮221下表面固接有托板222；所述齿盘23边缘齿牙与齿轮221啮合，且齿盘23底面与托板222滑动配合；为了驱动齿盘23转动，于多个固定托22的顶部设置中心轴，且利用驱动电机带动中心轴上的齿轮221与托板222转动，利用齿轮221与齿盘23边缘的齿牙啮合，在齿轮221转动时，可驱动齿盘23同步转动，而托板222的作用在于承托齿盘23，保持其水平位置不发生变化，其中水冷板顶部的滑杆244始终与弧形槽232滑动配合。

参照图8所示，所述调节轴241上套接弹簧242，且弹簧242上下端分别抵接滑轨223与水冷板底面；所述齿盘23底面固接有调节块231，且调节块231与水冷板顶面滑动配合；由于直径不同的单晶体在冷却时，所提升的速度也不同，大直径的单晶体提升速度慢，而小直径的单晶体提升速度快，因此为了更好的实现对小直径单晶体的冷却，可选择将水冷套24更靠近石英坩埚33布置，使单晶体在抽离硅汤时，即开始冷却，采用齿盘23调节多个水冷板位置后，具体为向内调节多个水冷板径向滑动过程中，调节块231会与水冷板顶面接触，并且调节块231远离齿盘23中心的一侧设置有斜坡，在其接触水冷板顶面后，会向下挤压水冷板，使其水平布置位置产生竖向的变化，即向下移动部分距离，使得水冷板更靠近与石英坩埚33，从而实现对单晶体及时的冷却，其中调节轴241上的弹簧242可用于提供水冷板与固定托22之间的缓冲。

参照图1所示，所述连接筒12的一侧连通有惰气管14；所述炉盖11一侧连通有观察管13；所述主炉筒1的一侧对应于总管214连通有连接管17，且总管214贯穿连接管17；观察管13为现有技术，且惰气管14用于生产进行过程中，保持主炉筒1内的惰性气体环境，连接管17用于将总管214引出，总管214与外部的冷却液箱连通。

工作原理：

单晶体在生产过程中，由籽晶引出时，其温度相当高，而若不及时冷却，则引出的单晶体可能会产生位错，影响单晶体的质量，因此常规的操作一般是在单晶体引出方向上增加冷却套，用于对单晶体进行冷却降温，使其快速成型；

现有技术中的水冷套24主要有两个功能，其一用于适应不同大小直径的单晶体形成，由于热传导量与热传递效率、距离和热传导面积有关，因此在适应不同带下直径的单晶体时，采用现有的固定直径的水冷套24，所提供的热传导量并不一致，换句话说，即同一直径的水冷套24，在制造不同直径单晶体时，其热传导的速度不一致；其二，由于单晶体在制造时，需要引晶和放肩，若不能快速实现降温，则籽晶与单晶体之间所形成的小直径连接单晶体容易形变断裂，导致单晶体制造失败，而采用固定直径的水冷套24一般适用于放肩后的单晶体直径，对于小直径连接单晶体并不能提供快速的水冷效果，因此存在一定的隐患。

该装置在使用时，采用与现有技术相同的单晶体制造工艺，包括种晶、引晶、放肩、等径以及收尾步骤进行单晶体的制造，在引晶和放肩阶段之间，由于籽晶直径一般为5mm，而拉出的单晶体一般数倍于籽晶，在引晶时，籽晶与等径单晶体之间的小直径连接单晶体需要快速降温，用于连接籽晶与等径单晶体，采用驱动电机带动齿轮221转动，通过齿轮221与齿盘23边缘齿牙的啮合，使齿盘23转动，齿盘23上设置的多个弧形槽232，可同步挤压多个水冷板上的滑杆244，使多个水冷板同步径向滑动在固定托22中，产生位置的变化，且由于多个水冷板同步径向滑动，因此多个水冷板所围成的范围也相对改变，包括增大或减小，适应于对小直径连接单晶体的冷却，则需要多个水冷板同步向内移动，通过减小水冷板与小直径连接单晶体的距离，使得热传导效果不变或是更好，从而实现对其的及时降温冷却，避免形变发生和位错的发生；在等径拉出单晶体时，为了适应于不同直径单晶体的制造，具体为直径不同的单晶体在冷却时，所提升的速度也不同，大直径的单晶体提升速度慢，而小直径的单晶体提升速度快，因此为了更好的实现对小直径单晶体的冷却，可选择将水冷套24更靠近石英坩埚33布置，使单晶体在抽离硅汤时，即开始冷却，采用齿盘23调节多个水冷板位置后，具体为向内调节多个水冷板径向滑动过程中，调节块231会与水冷板顶面接触，并由于调节块231有一定高度，在其接触水冷板顶面后，会向下挤压水冷板，使其水平布置位置产生竖向的变化，即向下移动部分距离，使得水冷板更靠近与石英坩埚33，从而实现对单晶体及时的冷却。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种单晶炉水冷装置，其特征在于：包括主炉筒（1）；所述主炉筒（1）顶部经法兰固接有炉盖（11）；所述炉盖（11）顶部经法兰固接有连接筒（12）；所述主炉筒（1）内卡接有连接保温筒（15）；所述保温筒（15）内顶部卡接有水冷单元（2）；所述保温筒（15）内底部卡接有加热器（16）；所述加热器（16）内活动连接有三瓣埚（32）；所述三瓣埚（32）内嵌入连接有石英坩埚（33）；所述三瓣埚（32）底部固接有托杆（31）；所述托杆（31）用于托举三瓣埚（32）、石英坩埚（33）；所述水冷单元（2）用于冷却籽晶和单晶锭；所述籽晶和单晶锭依次贯穿水冷单元（2）、炉盖（11）与连接筒（12）。

2.根据权利要求1所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述水冷单元（2）包括固定托（22）、水冷管路（21）以及水冷套（24）；所述水冷管路（21）贴附于水冷套（24）朝外一侧表面；所述水冷套（24）活动连接在固定托（22）内；所述水冷套（24）包括若干个呈环形阵列的水冷板，且相邻水冷板之间滑动配合有延伸板（243）；所述水冷管路（21）贴附于水冷板朝外的一侧表面。

3.根据权利要求2所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述水冷管路（21）包括冷却管路、循环管（213）与总管（214）；所述冷却管路贴附于相邻的两个水冷板的外表面上；所述循环管（213）连通相邻两个冷却管路；其中一个所述循环管（213）的中部连通总管（214），且总管（214）贯穿固定托（22）、保温筒（15）以及主炉筒（1）；所述固定托（22）的底部还卡接有导流筒（25）。

4.根据权利要求3所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述冷却管路设置多个，且多个冷却管路呈环形阵列布置；所述冷却管路包括第一支管（211）与第二支管（212）；所述第一支管（211）、第二支管（212）分别贴附在相邻的两个水冷板的外表面；所述第一支管（211）、第二支管（212）之间经连接软管（215）连通，且第一支管（211）、第二支管（212）与循环管（213）之间也经连接软管（215）连通。

5.根据权利要求4所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述固定托（22）设置多个，且多个固定托（22）呈环形阵列布置；所述循环管（213）中部贯穿固定托（22）及保温筒（15），且循环管（213）布置在固定托（22）外部；所述保温筒（15）顶部对应于循环管（213）开设有凹槽（151），且循环管（213）环绕在凹槽（151）内。

6.根据权利要求5所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述水冷板的底部两侧固接有调节轴（241）；所述固定托（22）的底部对应开设有滑轨（223），且调节轴（241）贯穿滑轨（223）。

7.根据权利要求6所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述水冷板的顶面中心固接有滑杆（244），且水冷套（24）的顶部转动连接有齿盘（23）；所述齿盘（23）的中心开设有通孔，且所述齿盘（23）的边缘开设有弧形槽（232）；所述滑杆（244）与弧形槽（232）滑动配合。

8.根据权利要求7所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述固定托（22）的顶部转动连接有中心轴，且中心轴顶部固接有齿轮（221）；所述齿轮（221）下表面固接有托板（222）；所述齿盘（23）边缘齿牙与齿轮（221）啮合，且齿盘（23）底面与托板（222）滑动配合。

9.根据权利要求8所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述调节轴（241）上套接弹簧（242），且弹簧（242）上下端分别抵接滑轨（223）与水冷板底面；所述齿盘（23）底面固接有调节块（231），且调节块（231）与水冷板顶面滑动配合。

10.根据权利要求9所述的一种单晶炉水冷装置，其特征在于：所述连接筒（12）的一侧连通有惰气管（14）；所述炉盖（11）一侧连通有观察管（13）；所述主炉筒（1）的一侧对应于总管（214）连通有连接管（17），且总管（214）贯穿连接管（17）。