CN116590790B - 一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，包括换热机构、石墨坩埚、容器和管体，所述换热机构包括内部中空的环形壳体，所述环形壳体内腔中安装有螺旋板和螺旋弹性条，所述螺旋弹性条上安装有若干个滑动杆，所述滑动杆端部滑动贯穿环形壳体并延伸至环形壳体的外侧，所述螺旋板内边沿高于螺旋板外边沿，所述环形壳体位于管体内，所述滑动杆位于环形壳体外的端部与管体内壁接触，管体内壁直径由中间向其两端逐渐变大，所述容器内腔下部和环形壳体内腔上部之间安装有导管一和导管二，本应用于碳化硅长晶系统的冷却装置利用常压下处于沸点的纯净水为换热介质，换热效率不受环境温度的干扰，保证碳化硅晶体生长的可靠性。

Description

一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置

技术领域

本发明涉及碳化硅晶体技术领域，具体为一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置。

背景技术

碳化硅半导体材料具有低能耗、宽带隙、高热导率、化学性能稳定、高硬度、抗磨损等优点，碳化硅半导体材料在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、核能开发等领域有着重要的应用。

现有技术中碳化硅晶体生长采用的工艺多为物理气相传输法，碳化硅粉料放置于石墨坩埚内腔底部，作为籽晶的碳化硅籽晶片放置于石墨坩埚顶部，对石墨坩埚进行加热并在石墨坩埚中构建温度场，使位于坩埚底部的碳化硅粉料升华，并在温度梯度的作用下在籽晶处结晶形成碳化硅晶体。

在对石墨坩埚中构建温度场，多采用风冷或者水冷，受环境温度影响，冷却介质空气的温度或者水的温度受环境温度干扰，导致制冷效果存在波动，影响碳化硅晶体的生长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，利用常压下处于沸点的纯净水为换热介质，换热效率不受环境温度的干扰，保证碳化硅晶体生长的可靠性，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，包括换热机构、石墨坩埚、容器和管体，所述换热机构包括内部中空的环形壳体，所述环形壳体内腔中安装有螺旋板和螺旋弹性条，所述螺旋弹性条上安装有若干个滑动杆，所述滑动杆的端部滑动贯穿环形壳体并延伸至环形壳体的外侧，所述螺旋板内边沿高于螺旋板外边沿。

所述环形壳体位于管体内，所述滑动杆位于环形壳体外的端部与管体内壁接触，管体内壁直径由中间向其两端逐渐变大。

所述容器内腔下部和环形壳体内腔上部之间安装有导管一和导管二，所述导管二上安装有液泵，所述容器上侧开设有连通其内外的排气口。

所述换热机构套设在所述石墨坩埚外侧的上部，所述石墨坩埚内壁的上部固定有固定环形板，所述石墨坩埚上安装有坩埚盖。

作为本发明的一种优选技术方案，所述导管一上安装有稳压阀件，所述稳压阀件包括罩壳，所述罩壳相对的两端均开设有开孔，所述罩壳内壁向内延伸有固定环，所述罩壳内壁安装有固定杆，所述固定杆上滑动安装有导向杆，所述导向杆对应固定环的位置固定有挡板，所述挡板和固定杆之间设有弹性件，所述罩壳两端的开孔与导管一连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述固定杆外侧和螺杆的一端接触，所述螺杆的另一端贯穿罩壳并与罩壳螺纹连接。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括螺旋杆，所述螺旋杆套设在所述环形壳体外周侧，所述螺旋杆上固定有弹性条。

作为本发明的一种优选技术方案，所述管体的一端为外扩喇叭形。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括插入管、阀门和瓶口朝下的瓶体，所述容器的上侧开设有连通其内外的安装孔，所述安装孔上固定有插入管，所述插入管和瓶体的瓶口通过阀门连通。

作为本发明的一种优选技术方案，所述容器内腔沿竖直方向安装有若干个隔网。

作为本发明的一种优选技术方案，所述环形壳体内周侧安装有支撑垫管。

作为本发明的一种优选技术方案，所述石墨坩埚内壁且位于固定环形板下方的位置安装有支撑隔板，所述支撑隔板中部设有开孔，所述开孔向上延伸有竖管，所述竖管上开设有若干个连通其内外的通孔，所述竖管的上端封闭。

作为本发明的一种优选技术方案，所述石墨坩埚外侧和换热机构外侧均设有保温壳体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明示例的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，利用常压下处于沸点的纯净水为换热介质，换热效率不受环境温度的干扰，保证碳化硅晶体生长的可靠性。

2、本发明示例的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，常压下温度处于沸点的纯净水进入环形壳体内腔上部并与环形壳体内壁内侧接触，温度处于沸点的纯净水吸收热量产生水蒸气，水蒸气在螺旋板导向下与环形壳体内壁外侧接触，并在螺旋板导向下螺旋向上移动，使温度处于沸点的纯净水始终与环形壳体内壁内侧接触，管体内壁直径由中间向其两端逐渐变大，使碳化硅晶体内周侧的生长面各处温度接近，保证碳化硅晶体生长稳定性。

3、本发明示例的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，在对碳化硅晶体回火时，螺旋杆在环形壳体外周侧旋转并向下移动，螺旋杆套设在所述环形壳体外周侧，上提螺旋杆使弹性条顶在滑动杆上，弹性条和滑动杆之间的摩擦力使滑动杆位置固定，对照石墨坩埚内碳化硅晶体的形状推动滑动杆，对石墨坩埚加热，碳化硅粉料先于碳化硅晶体升华使石墨坩埚维持气相，碳化硅晶体受热后各处的升温均匀，且降低了碳化硅晶体表面的升华，减少碳化硅晶体的损耗并释放碳化硅晶体应力。

4、本发明示例的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，稳压阀件提高环形壳体内的蒸汽气压，改变环形壳体内纯净水的沸点，从而提高注入到环形壳体内常压下处于沸点温度纯净水的换热效率。

5、本发明示例的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，石墨坩埚内的碳化硅粉料升华并在支撑隔板和竖管导向下由竖管上的通孔喷向固定环形板的籽晶，保证籽晶生长的均匀。

附图说明

图1为本发明的一视角结构示意图；

图2为图1的局部剖视结构示意图；

图3为图2的A处结构放大示意图；

图4为图2的B处结构放大示意图；

图5为本发明的支撑垫管结构示意图；

图6为本发明的稳压阀件的局部剖视结构示意图；

图7为本发明的换热机构和螺旋杆结构示意图；

图8为本发明的螺旋杆结构示意图。

图中：1坩埚盖、2换热机构、21螺旋板、22螺旋弹性条、23滑动杆、24环形壳体、3保温壳体、4导管一、5导管二、6稳压阀件、61罩壳、62固定环、63挡板、64弹性件、65固定杆、66导向杆、67螺杆、7液泵、8容器、9瓶体、10竖管、11固定环形板、12支撑隔板、13石墨坩埚、14隔网、15插入管、16阀门、17支撑垫管、18管体、19螺旋杆。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一：

请参阅图1-5，本实施例公开一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，包括换热机构2、石墨坩埚13、容器8和管体18，换热机构2包括内部中空的环形壳体24，环形壳体24内腔中安装有螺旋板21和螺旋弹性条22，螺旋板21将环形壳体24内腔分割成连续的螺旋空间，螺旋弹性条22上安装有若干个滑动杆23，每个滑动杆23均沿环形壳体24的径向方向设置，滑动杆23的端部滑动贯穿环形壳体24并延伸至环形壳体24的外侧，螺旋板21内边沿高于螺旋板21外边沿，螺旋弹性条22和环形壳体24内腔内侧接触，螺旋板21的螺距和螺旋弹性条22的螺距相等。

环形壳体24位于管体18内，滑动杆23位于环形壳体24外的端部与管体18内壁接触，管体18内壁直径由中间向其两端逐渐变大。

容器8内腔下部和环形壳体24内腔上部之间连通有导管一4和导管二5，导管二5上安装有液泵7，容器8上侧开设有连通其内外的排气口。

换热机构2套设安装在石墨坩埚13外侧的上部，石墨坩埚13内壁的上部固定有固定环形板11，石墨坩埚13上安装有坩埚盖1。

进一步地，石墨坩埚13外侧和换热机构2外侧均设有保温壳体3，降低环境温度变化对石墨坩埚13内温度的影响，并且降低热损耗。

本发明中所使用的液泵7为现有技术中的常用电气设备，液泵7和外部的电源电连接，其工作方式及电路结构均为公知技术，在此不作赘述。

本实施例的工作过程和原理是：

石墨坩埚13内腔底部均匀铺设碳化硅粉料，固定环形板11安装设置在石墨坩埚13内壁上部，在固定环形板11内壁拼装多个籽晶，籽晶在固定环形板11内壁环形布置，固定环形板11安装设置在石墨坩埚13内壁上部，然后石墨坩埚13上安装坩埚盖1，换热机构2套设贴合安装在石墨坩埚13外侧的上部，对石墨坩埚13抽真空处理，石墨坩埚13外安装有外部的电加热线圈，向石墨坩埚13内冲入为氩气、氢气、氮气或者氦气至预设生长压力，电加热线圈内通入高频电流使石墨坩埚13发热。

容器8内盛放有纯净水，且纯净水的温度接近或者达到常压下水的沸点，液泵7通电工作抽取容器8内的纯净水并经导管二5输送到环形壳体24内腔的上部，进入到环形壳体24内腔的纯净水在螺旋板21导向下螺旋向下移动，且纯净水和环形壳体24内壁内侧接触实现对固定环形板11处籽晶温度控制，碳化硅粉料受热升华并在固定环形板11上的籽晶处结晶形成碳化硅单晶，多个籽晶的碳化硅晶体接触连接生长成一个整体。

温度处于沸点的纯净水和环形壳体24内壁内侧接触，温度处于沸点的纯净水吸收热量产生水蒸气，水蒸气在螺旋板21导向下向环形壳体24内壁外侧移动，并在螺旋板21导向下螺旋向上移动保持处于沸点的纯净水始终与环形壳体24内壁内侧接触，环形壳体24内产生的蒸汽经导管一4进入到容器8中，蒸汽与容器8内的纯净水接触并发生热交换，使容器8内的纯净水的温度始终处于沸点。

其中一个滑动杆23对螺旋弹性条22的一处挤压力越大，该处螺旋弹性条22形变贴在环形壳体24内壁内侧的面积越大，该环形壳体24内壁内侧处的换热效率越低。

碳化硅晶体生长过程碳化硅晶体中部向轴向两端温度逐渐升高。

管体18内壁直径由中间向其两端逐渐变大，管体18通过滑动杆23挤压螺旋弹性条22，在竖直方向上螺旋弹性条22中部向两端方向挤压程度逐渐变弱，使碳化硅晶体内周侧的生长面各处温度接近，保证碳化硅晶体生长稳定性。

进一步的，通过更换不同内壁直径的管体18调节换热机构2的散热效率，管体18和环形壳体24同轴设置。

本碳化硅长晶系统的冷却装置利用常压下处于沸点的纯净水为换热介质，换热效率不受环境温度的影响，保证碳化硅晶体生长的可靠性。

进一步的，本碳化硅长晶系统的冷却装置的籽晶环形设置，环形设置的籽晶沿轴向方向向内生长。

实施例二：

如图7和图8所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于，本实施例还包括螺旋杆19，螺旋杆19套设在环形壳体24外周侧，且螺旋杆19通过卡扣或者螺栓安装在环形壳体24外周侧，螺旋杆19上固定有弹性条，螺旋杆19的螺间距和螺旋弹性条22的螺间距相等。

本实施例的工作过程和原理是：

碳化硅晶体回火处理可以消除碳化硅晶体中的残余应力，提高其耐磨损性能和抗裂性能，还可以改善碳化硅制品的表面质量，提高其光洁度和平整度。

当环形设置的籽晶向内长晶完成后，需要对碳化硅晶体进行回火处理，将碳化硅晶体放置在石墨坩埚13内腔的上部，且石墨坩埚13内腔底侧布设碳化硅粉料，将管体18和换热机构2分离。

螺旋杆19在环形壳体24外周侧旋转并向下移动，螺旋杆19套设在环形壳体24外周侧，然后上提螺旋杆19使弹性条顶在滑动杆23上并固定螺旋杆19，弹性条和滑动杆23之间的摩擦力使滑动杆23位置固定，然后对照石墨坩埚13内碳化硅晶体的形状推动滑动杆23，碳化硅晶体径向长度小的位置对应的滑动杆23进入环形壳体24的长度长，碳化硅晶体径向长度大的位置对应的滑动杆23进入环形壳体24的长度短，使碳化硅晶体受热后各处的升温均匀，降低碳化硅晶体表面的升华，并释放应力。

对石墨坩埚13加热，碳化硅粉料先于碳化硅晶体升华使石墨坩埚13维持气相，降低碳化硅晶体表面的升华，降低碳化硅晶体的损耗。

进一步的，碳化硅晶体上的温度为2000℃-2200℃，并控温10小时。

实施例三：

如图1、图2和图6所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于，本实施例导管一4上安装有稳压阀件6，稳压阀件6包括罩壳61，罩壳61相对的两端均开设有开孔，罩壳61内壁向内延伸有固定环62，罩壳61内壁安装有固定杆65，固定杆65上滑动安装有导向杆66，导向杆66对应固定环62的位置固定有挡板63，挡板63和固定杆65之间设有弹性件64，挡板63遮挡的固定环62中间的开孔，罩壳61两端的开孔与导管一4连通，弹性件64为弹簧或者弹性金属片。

本实施例的工作过程和原理是：

环形壳体24内的蒸汽由导管一4进入罩壳61内腔远离挡板63的部分，当导管一4内蒸汽压力超过预设范围后，罩壳61内蒸汽推动挡板63远离固定环62的开孔，挡板63挤压弹性件64使挡板63压缩形变，罩壳61内蒸汽进入到容器8内。

稳压阀件6提高环形壳体24内的蒸汽气压，改变环形壳体24内纯净水的沸点，从而提高注入到环形壳体24内常压下处于沸点温度纯净水的换热效率。

实施例四：

如图6所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例三的结构大致相同，不同之处在于，本实施例固定杆65外侧和螺杆67的一端通过轴承或者转动销轴连接，螺杆67的另一端贯穿罩壳61并与罩壳61螺纹连接。

本实施例的工作过程和原理是：

正反转动螺杆67调节固定杆65和挡板63的距离，从而调节稳压阀件6导通时的蒸汽气压，本碳化硅长晶系统的冷却装置的散热效率调控方便。

实施例五：

如图1和图2所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于，本实施例还包括插入管15、阀门16和瓶口朝下的瓶体9，容器8的上侧开设有连通其内外的安装孔，安装孔上固定有插入管15，插入管15上端和瓶体9的瓶口通过阀门16连通。

本实施例的工作过程和原理是：

瓶体9内盛放由纯净水，打开阀门16，当容器8内纯净水液面低于插入管15下端，瓶体9内纯净水经插入管15进入到容器8内，容器8内气体经插入管15进入到瓶体9内，实现容器8的补水。

需要补充瓶体9内纯净水时，关闭阀门16然后瓶体9和阀门16脱离连接，将瓶体9内补充纯净水，然后瓶体9和阀门16连接并打开阀门16。

通过调节阀门16的开度调节容器8内补充纯净水时容器8内纯净水的扰动。

实施例六：

如图4和图5所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于，本实施例管体18的一端为外扩喇叭形，换热机构2上安装管体18时，管体18外扩喇叭形的一端先接触滑动杆23，便于滑动杆23罩设于管体18内。

实施例七：

如图2所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于，本实施例容器8内腔沿竖直方向安装有若干个隔网14，隔网14上有若干个网眼孔，隔网14将进入到容器8内大的蒸汽气泡分割成小的蒸汽气泡，小的蒸汽气泡相较于大的蒸汽气泡具有更大的表面积与体积比，增大蒸汽和容器8内纯净水的换热面积，并延长蒸汽气泡在容器8纯净水中的时间，增加蒸汽的换热效率保证容器8内纯净水温度为常压下纯净水的沸点。

实施例八：

如图2、图3和图4所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于，本实施例环形壳体24内周侧和石墨坩埚13外周侧之间安装有支撑垫管17，支撑垫管17为陶瓷材质或者石棉材质，支撑垫管17降低环形壳体24和石墨坩埚13的热交换速率，从而避免石墨坩埚13降温过快影响碳化硅长晶。

实施例九：

如图2所示，本实施例公开了一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于，本实施例石墨坩埚13内壁且位于固定环形板11下方的位置安装有支撑隔板12，支撑隔板12中部设有开孔，开孔向上延伸有竖管10，竖管10上开设有若干个连通其内外的通孔，竖管10的上端封闭，竖管10位于固定环形板11的轴线上，竖管10上的通孔与固定环形板11对应设置。

进一步的，环形壳体24对应滑动杆23处固定有橡胶圈，橡胶圈滑动套设在滑动杆23上，增强滑动杆23和环形壳体24接触处的密封性。

本实施例的工作过程和原理是：

石墨坩埚13内的碳化硅粉料升华并在支撑隔板12和竖管10导向下由竖管10上的通孔向固定环形板11上的籽晶移动，保证籽晶生长的均匀。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：包括换热机构（2）、石墨坩埚（13）、容器（8）和管体（18），所述换热机构（2）包括内部中空的环形壳体（24），所述环形壳体（24）内腔中安装有螺旋板（21）和螺旋弹性条（22），所述螺旋弹性条（22）上安装有若干个滑动杆（23），所述滑动杆（23）的端部滑动贯穿环形壳体（24）并延伸至环形壳体（24）的外侧，所述螺旋板（21）内边沿高于螺旋板（21）外边沿；

所述环形壳体（24）位于管体（18）内，所述滑动杆（23）位于环形壳体（24）外的端部与管体（18）内壁接触，管体（18）内壁直径由中间向其两端逐渐变大；

所述容器（8）内腔下部和环形壳体（24）内腔上部之间安装有导管一（4）和导管二（5），所述导管二（5）上安装有液泵（7），所述容器（8）上侧开设有连通其内外的排气口；

所述换热机构（2）套设在所述石墨坩埚（13）外侧的上部，所述石墨坩埚（13）内壁的上部固定有固定环形板（11），所述石墨坩埚（13）上安装有坩埚盖（1）。

2.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：所述导管一（4）上安装有稳压阀件（6），所述稳压阀件（6）包括罩壳（61），所述罩壳（61）相对的两端均开设有开孔，所述罩壳（61）内壁向内延伸有固定环（62），所述罩壳（61）内壁安装有固定杆（65），所述固定杆（65）上滑动安装有导向杆（66），所述导向杆（66）对应固定环（62）的位置固定有挡板（63），所述挡板（63）和固定杆（65）之间设有弹性件（64），所述罩壳（61）两端的开孔与导管一（4）连接。

3.根据权利要求2所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：所述固定杆（65）外侧和螺杆（67）的一端接触，所述螺杆（67）的另一端贯穿罩壳（61）并与罩壳（61）螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：还包括螺旋杆（19），所述螺旋杆（19）套设在所述环形壳体（24）外周侧，所述螺旋杆（19）上固定有弹性条。

5.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：所述管体（18）的一端为外扩喇叭形。

6.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：还包括插入管（15）、阀门（16）和瓶口朝下的瓶体（9），所述容器（8）的上侧开设有连通其内外的安装孔，所述安装孔上固定有插入管（15），所述插入管（15）和瓶体（9）的瓶口通过阀门（16）连通。

7.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：所述容器（8）内腔沿竖直方向安装有若干个隔网（14）。

8.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：所述环形壳体（24）内周侧安装有支撑垫管（17）。

9.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：所述石墨坩埚（13）内壁且位于固定环形板（11）下方的位置安装有支撑隔板（12），所述支撑隔板（12）中部设有开孔，所述开孔向上延伸有竖管（10），所述竖管（10）上开设有若干个连通其内外的通孔，所述竖管（10）的上端封闭。

10.根据权利要求1所述的应用于碳化硅长晶系统的冷却装置，其特征在于：所述石墨坩埚（13）外侧和换热机构（2）外侧均设有保温壳体（3）。