CN202246987U - 一种带有内部水冷的直拉单晶炉热屏 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带有内部水冷的直拉单晶炉热屏，具体为一种用于半导体单晶生长的、带有内部水冷的直拉炉热屏，涉及半导体材料生长设备技术领域。本实用新型包括外热屏、保温碳毡、内热屏和保温桶上盖，外热屏、保温碳毡、内热屏为三层圆台形同轴结构，从外向内依次为外热屏、保温碳毡、内热屏，还包括冷却水管进口、圆台形螺旋水冷管、冷却水管出口、冷却水流量阀、高压水泵和喷淋冷却塔，圆台形螺旋水冷管包裹在保温碳毡中，圆台形螺旋水冷管与内热屏和外热屏均同轴；冷却水管进口和冷却水管出口从内热屏上沿穿过；冷却水管进口与高压水泵连接，冷却水管出口与喷淋冷却塔连接。

Description

一种带有内部水冷的直拉单晶炉热屏

技术领域

本实用新型涉及半导体材料生长领域，特指一种用于生产单晶硅棒、能够主动控制晶体轴向和径向温度梯度、带有内部水冷的直拉炉热屏。 

背景技术

直拉式单晶炉广泛用于太阳能级和半导体级单晶硅的制备，也用于包括蓝宝石等光学晶体的生长。单晶炉中热屏的改进，对于控制晶体生长中的热应力，降低热损失，都具有重要意义。 

现有的直拉硅单晶炉热屏主要由内热屏、外热屏和中间保温碳毡构成，其中内热屏和外热屏为石墨材料。直拉炉热屏在单晶硅棒拉制过程中，可以对氩气形成导流作用，同时阻挡加热器对单晶硅棒的烘烤，有利于单晶硅棒热量的释放，提高生长速率。但传统的直拉炉热屏不能主动控制单晶硅棒的散热，使单晶硅生长处于被动生长状态。 

传统的单晶硅生长过程中，通过实验和数值模拟显示，内热屏的温度约为1100K~1400K，单晶硅棒的温度约为1100K~1600K，两者温差较小，结晶潜热释放较困难。由于单晶硅棒中的纵向温度梯度较小，严重影响长晶速率；V/G比也较小，不利于生长出空位占主导的单晶硅棒。直拉法生长的单晶硅，要求尽可能大的结晶速率和尽可能少的晶格缺陷。结晶速率V取决于晶体和熔体热流量的差值： 

其中

、

分别为固液界面处晶体和熔体的温度梯度。为增大结晶速率，应增大

，减小

。晶格缺陷可通过控制结晶速率V与固液界面附近晶体轴向温度梯度的比值，即V/G比来实现。V/G比存在一个临界值(V/G)_C，约为0.2mm²/min·K。当V/G<(V/G)_C时，自填隙缺陷占主导；当V/G>(V/G)_C时，空位缺陷占主导。在用于光伏电池的硅材料中，希望空位占主导，这就需要控制V/G比大于临界值。因此，控制好界面处晶体和熔体的温度梯度，对于控制单晶硅中的晶格缺陷和结晶速率至关重要。

美国专利（专利号US 2009/0173272 A1），公开了一种圆柱螺旋形冷却水管，围绕在单晶硅棒周围，并能自动升降。该发明通过升降装置调整冷却水管与热屏底部之间的距离，达到主动控制晶体轴向温度梯度的目的。此发明虽然实现了主动控制晶体散热的功能，但存在以下不足：（1）由于冷却水管与单晶硅棒间距较小，带走大量潜热，使晶体中的轴向与径向温度梯度较大，晶体热应力增大，易产生位错；（2）冷却水管直接裸露在高温炉体内，若冷却水管出现破裂漏水等问题，冷却水在高温下瞬间汽化成蒸汽，使炉内压强骤增，会引起爆炸等事故；（3）低温冷却水管直接暴露在含杂质氩气中，易沉积SiO和SiC等杂质，进而落入熔体中，引起杂质富集，甚至生长出多晶硅棒。 

本实用新型的目的即在于解决传统的直拉单晶炉中界面处晶体和熔体的温度梯度难以控制，单晶硅棒的散热不能主动控制等问题。 

发明内容

本实用新型提供了一种将螺旋型水冷管安装于热屏的保温炭毡中的直拉炉热屏，从而能够实现主动控制晶体和熔体的轴向温度梯度、提高长晶速率、增大V/G比、降低晶体中的热应力、生长出空位占主导的单晶硅棒。 

本实用新型的带有内部水冷的直拉炉热屏，包括外热屏、保温碳毡、内热屏和保温桶上盖，所述外热屏、保温碳毡、内热屏为三层圆台形同轴结构，从外向内依次为外热屏、保温碳毡、内热屏，其特征在于，还包括冷却水管进口、圆台形螺旋水冷管、冷却水管出口、冷却水流量阀、高压水泵和喷淋冷却塔，所述圆台形螺旋水冷管包裹在保温碳毡中，所述圆台形螺旋水冷管与内热屏和外热屏均同轴；所述冷却水管进口和冷却水管出口从内热屏上沿穿过；所述冷却水管进口与高压水泵连接，冷却水管出口与喷淋冷却塔连接，所述冷却水流量阀设置于冷却水管进口与高压水泵之间。 

冷却水管材料可为钼、铜、不锈钢等金属。将冷却水管在高温烘烤下旋转成圆台螺旋形，即得到圆台形螺旋水冷管。内热屏和外热屏采用耐高温的石墨挤压铸造成型。在外热屏内侧放置保温碳毡，圆台形螺旋水冷管与内、外热屏均同轴，安装在外热屏内侧的保温碳毡上。然后在圆台形螺旋水冷管内侧放置保温碳毡。冷却水管进口和出口从内热屏上沿穿过。内热屏被外热屏包围，圆台形螺旋水冷管和保温炭毡夹在内热屏和外热屏之间。带有内部水冷的直拉炉热屏与单晶炉同轴，其中外热屏外沿安装在保温桶上盖上。 

其工作过程为：将冷却水管进口与高压水泵连接，高压水泵把冷却水由冷却水管进口泵入圆台形螺旋水冷管，根据晶体生长所需要的温度梯度和V/G比，通过调节冷却水流量阀，控制冷却水流量。冷却水管出口与喷淋冷却塔连接，把高温冷却水从冷却水管出口输送到喷淋冷却塔进行冷却，冷却后的冷却水重新通过高压水泵输送到冷却水管进口，形成冷却水闭式循环。 

本实用新型的优点为：（1）采用带有内部水冷的直拉炉热屏，实现了单晶硅棒中温度梯度的主动控制，改变了传统的单晶硅棒生长只能向炉体水冷内壁被动散热的局面；（2）通过控制冷却水流量，可提高长晶速率，减小晶体中的热应力，快速生长出高质量单晶硅；（3）可方便地使V/G比增大，生长出空位占主导的单晶硅棒；（4）水冷式热屏使内、外热屏的温度降低，热屏的使用寿命得到进一步延长。 

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。 

图1是带有内部水冷的直拉炉热屏的主视图。 

图2是安装有带有内部水冷的直拉炉热屏的单晶炉剖视图。 

图中，1. 冷却水管进口 2. 外热屏 3. 保温碳毡 4. 圆台形螺旋水冷管 5. 内热屏 6. 冷却水管出口 7. 保温桶上盖 8. 冷却水流量阀 9. 高压水泵 10. 喷淋冷却塔。 

具体实施方式

如图1所示，将冷却水管在高温烘烤下旋转成圆台螺旋形，即得到圆台形螺旋水冷管4。内热屏5和外热屏2采用耐高温的石墨挤压铸造成型。在外热屏2内侧放置保温碳毡3，圆台形螺旋水冷管4与内热屏5和外热屏2均同轴，安装在外热屏2内侧的保温碳毡3上。然后在圆台形螺旋水冷管4内侧放置保温碳毡3。冷却水管进口1和冷却水管出口6从内热屏5上沿穿过。内热屏5被外热屏2包围，圆台形螺旋水冷管4和保温炭毡3夹在内热屏5和外热屏2之间。 

具体实施时，如图1、2所示，带有内部水冷的直拉炉热屏与单晶炉同轴，其中外热屏2外沿安装在保温桶上盖7上。将冷却水管进口1与高压水泵9连接，高压水泵9把冷却水由冷却水管进口1泵入圆台形螺旋水冷管4，根据晶体生长所需要的温度梯度和V/G比，通过调节冷却水流量阀8，控制冷却水流量。冷却水管出口6与喷淋冷却塔10连接，把高温冷却水从冷却水管出口6输送到喷淋冷却塔10进行冷却，冷却后的冷却水重新通过高压水泵9输送到冷却水管进口1，形成冷却水闭式循环（循环管路在图2中省略）。 

Claims (3)

1.一种带有内部水冷的直拉单晶炉热屏，包括外热屏（2）、保温碳毡（3）、内热屏（5）和保温桶上盖（7），所述外热屏（2）、保温碳毡（3）、内热屏（5）为三层圆台形同轴结构，从外向内依次为外热屏（2）、保温碳毡（3）、内热屏（5），其特征在于，还包括冷却水管进口（1）、圆台形螺旋水冷管（4）、冷却水管出口（6）、冷却水流量阀（8）、高压水泵（9）和喷淋冷却塔（10），所述圆台形螺旋水冷管（4）包裹在保温碳毡（3）中，所述圆台形螺旋水冷管（4）与内热屏（5）和外热屏（2）均同轴；所述冷却水管进口（1）和冷却水管出口（6）从内热屏（5）上沿穿过；所述冷却水管进口（1）与高压水泵（9）连接，冷却水管出口（6）与喷淋冷却塔（10）连接。

2.根据权利要求1所述的一种带有内部水冷的直拉单晶炉热屏，其特征在于，所述冷却水流量阀（8）设置于冷却水管进口（1）与高压水泵（9）之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种带有内部水冷的直拉单晶炉热屏，其特征在于，所述圆台形螺旋水冷管（4）的材料为钼、铜或不锈钢。

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