CN211713242U - 一种直拉硅单晶炉用水冷套 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种直拉硅单晶炉用水冷套，包括筒状本体，所述本体包括一体连接设置的上段部和下段部，所述上段部为竖直设置，所述下段部靠近所述本体中心轴线倾斜设置。本实用新型提供的水冷套，尤其是专用于大尺寸单晶的拉制，解决了现有技术中水冷套结构设计不合理，容易造成单晶掉落，出现漏硅、喷硅的技术问题，有效增加单晶的水冷面积，提高单晶生长过程的V/G值，降低单晶缺陷，改善单晶品质，还不影响CCD摄像机的观察视线。

Description

一种直拉硅单晶炉用水冷套

技术领域

本实用新型属于直拉硅单晶炉所用配件技术领域，尤其是涉及一种直拉硅单晶炉用水冷套。

背景技术

目前单晶的主流生长方式有两种，分别是区熔法和直拉法，不管是哪一种生长方式，整个单晶硅生长过程中的温度要求是十分严格的，炉内工作温度一般在1400℃左右，拉制出来的单晶在高温环境下不容易冷却及平衡单晶生长产生的热应力，影响单晶的生长时间，因此要在单晶生长前期区域加装水冷结构。

中国公开专利CN207035852U提出一种用于直拉炉的锥形水冷套装置，该锥形结构的水冷套装置有以下几个问题：首先，该结构的直拉单晶炉所用的水冷套结构，均适用于小尺寸直径单晶硅棒的拉制，水冷套最小内口径过小，无法满足直径为240-310mm大尺寸单晶硅棒拉制的安全距离，由于单晶炉设备机械振动容易使单晶硅棒触碰到水冷套内壁，导致单晶掉落，造成漏硅、喷硅的危险。其次，该结构容易使下段部的氩气聚集，进而增大了对单晶硅棒的吹拂强度，不易成晶。再有，对于大尺寸单晶硅棒需要的热场尺寸较大，稳温温度不好控制，埚位的判断容易受其他因素干扰，根据现有水冷套的结构，妨碍单晶炉体外壁CCD摄像机对导流筒下沿与硅液界面的距离的观察，导致稳温埚位无法准确判断，影响单晶拉制质量。

实用新型内容

本实用新型提供一种直拉硅单晶炉用水冷套，尤其是适用于直径为240-310mm大尺寸单晶的拉制，解决了现有技术中水冷套结构设计不合理，容易造成单晶掉落，出现漏硅、喷硅的技术问题，有效增加单晶的水冷面积，提高单晶生长过程的V/G值，降低单晶缺陷，改善单晶品质，还不影响CCD摄像机的观察视线。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种直拉硅单晶炉用水冷套，包括筒状本体，所述本体包括一体连接设置的上段部和下段部，所述上段部为竖直设置，所述下段部靠近所述本体中心轴线倾斜设置。

进一步的，所述下段部靠近所述本体中心轴线的夹角为20-30°。

进一步的，所述上段部高度小于所述下段部高度；所述上段部的高度是所述本体高度的1/12-1/3。

进一步的，所述本体高度不大于600mm且不小于200mm。

进一步的，所述上段部的内径为400-500mm；所述下段部下端口的内径为350-450mm。

进一步的，所述上段部和所述下段部侧壁中间沿纬线方向分别设有环状的上冷水道和下冷水道；所述上冷水道和所述下冷水道的直径相同，范围为5-10mm。

进一步的，所述上冷水道为水平环形结构，所述下冷水道为螺旋环形结构。

进一步的，在所述上段部和所述下段部侧壁中间沿经线方向设有对称设置的进水管和出水管，所述进水管和所述出水管分别贯穿所述上冷水道和所述下冷水道上段部设置。

进一步的，在所述上段部上端面设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口分别与所述进水管和所述出水管连通；所述进水口和所述出水口置于所述上段部上端面任一直径的两端。

进一步的，所述水冷套适用于直径为240-310mm的单晶硅棒。

1、采用本实用新型设计的水冷套，适用于直径为240-310mm大尺寸单晶的拉制，增加单晶的水冷面积，提高了单晶的散热面积；尤其是单晶硅棒生长高度在800mm以内时，单晶硅棒能均匀被冷却，可防止单晶硅棒因冷热交替过快而产生炸裂，同时还避免出现漏硅、喷硅的风险。

2、改善晶体温度梯度，有效提高单晶生长过程的V/G值，降低单晶生长过程中产生的缺陷，提高单晶品质，还不影响CCD摄像机的观察视线。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的一种直拉硅单晶炉用水冷套的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例的用水冷套的单晶炉的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例的水冷套的俯视图；

图4是本实用新型一实施例的上冷水道和下冷水道的剖视图；

图5是用本实用新型水冷套获得的V/G比值；

图6是用现有技术的水冷套获得的V/G比值。

图中：

10、水冷套 11、上段部 12、下段部

13、上冷水道 14、下冷水道 15、进水管

16、排水管 17、进水口 18、排水口

20、导流筒 30、硅棒 40、CCD摄像机

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提出一种直拉硅单晶炉用水冷套10，如图1所示，适用于直径为240-310mm的单晶硅棒30的拉制，包括筒状本体，本体包括一体连接设置的上段部11和下段部12，上段部11为竖直设置的直筒结构，下段部12是靠近本体中心轴线倾斜设置的锥体部，即下段部为倒锥形结构。即水冷套10为上直下斜式结构，置于导流筒20内侧，如图2所示，水冷套10的上段部11靠近导流筒20的上端部设置，下段部12靠近导流筒20的底部内侧设置，在水冷套10和导流筒20之间设有保温碳毡，水冷套10、导流筒20以及碳毡均位于石英坩埚正上方，且都置于单晶炉内，在单晶炉上端外壁上设有CCD摄像机40，生长的硅棒30贯穿导流筒20和水冷套10逐渐向上移动。

具体地，如图1所述，水冷套10下段部12靠近本体中心轴线的夹角θ为20-30°，若水冷套10中下段部12靠近本体中心轴线的夹角θ大于30°，使得经过水冷套10下段部12的氩气会聚集在结晶前沿处，使得经过下段部12的氩气气流急剧增加，不利于氩气流与晶体之间的热交换，影响晶体生长；若下段部12靠近本体中心轴线的夹角θ小于10°，会影响在稳温过程中CCD摄像机40对导流筒20的下沿与硅液界面的距离的观察，导致无法准确判断稳温埚位，影响单晶拉制质量。故，在不影响CCD摄像机40观察的前提下，水冷套10下段部靠近本体中心轴线的夹角θ最佳范围为20-30°。同时这一角度范围的下段部12使得经过的氩气流与单晶硅棒30之间的热交换更加轻缓，使得晶体硅棒30的冷却幅度均匀且缓慢，进而可保持单晶硅棒30在长晶过程中的热量平衡，改善单晶硅棒的成晶质量，达到提高单晶硅棒品质的目的。

进一步的，水冷套10的本体高度H不大于600mm且不小于200mm，上段部11的高度H1小于下段部12的高度，且上段部11的高度H1是本体高度H的1/12-1/3，优选地，上段部11的高度H1为50-200mm。上段部11为直壁式结构，上下端口的内径D1相同均为400-500mm，即下段部12上端口的内径与上段部11的端口内径D1相同，为400-500mm，下段部12下端口的内径D2为350-450mm。由于单晶硅棒30的直径较大，本身散热较慢，其内部的热应力较大，所以需要增加单晶硅棒30外壁的水冷效果，本实施例中的水冷套10与单晶炉炉体连接方式保持不变，竖直设置的上段部11和倾斜设置的下段部12增加了纵向高度的水冷面积，进而增加了水冷套10的冷却面积，从而可有效提高硅棒30的散热速度，降低其内部热应力，进而可降低位错发生，改善单晶缺陷。同时一体设置的上段部11和下段部12，尤其是单晶硅棒初期生长高度在800mm以内时，可使单晶硅棒30能均匀被冷却，防止单晶硅棒30因冷热交替过快而产生炸裂，同时还避免出现漏硅、喷硅的风险。竖直设置的上段部11可更好地吸收单晶硅棒30传出的热量，保证对单晶硅棒30冷却的均匀性；倾斜设置的下段部12逐步与单晶硅棒30贴近，可进一步加强对单晶硅棒30的冷却效果，尤其是在等径阶段，可提升固液界面的转换速度，提高单晶硅棒30的拉速，进而改善单晶硅棒30晶体的温度梯度，从而可有效提高提高晶体生长界面的V/G比值，其中，V为单晶硅棒30的拉速，G为温度梯度。具体地，用本实施例中的水冷套10拉制单晶硅棒获得的V/G比值如图5所示，用现有技术中的水冷套拉制的单晶硅棒获得的V/G比值如图6所示，从两个图表可以看出，水平坐标为等径阶段时固液生长界面的距离，固液生长界面为等径时单晶晶体的横截面，其固液生长界面的距离即是单晶晶体硅棒的半径，纵坐标为系统直接计算出的V/G比值数据，图5和图6的水平坐标均相同且相等，由图5和图6可以看出，由于水冷套10整体高度的增加，可以有效的增大单晶硅棒30在生长过程中的拉速，进而提高生长界面的V/G比值，降低单晶生长过程产生的缺陷，提高单晶品质。

进一步的，如图3和4所示，上段部11和下段部12的侧壁中间为冷却水道，沿纬线方向分别设有环状的上冷水道13和下冷水道14，上冷水道13和下冷水道14的直径相同，范围为5-10mm。具体地，上冷水道13为水平环形结构，下冷水道14为螺旋环形结构。水平环形结构设置的上冷水道13可保证对单晶硅棒30冷却效果的均匀性，提高上段部11的冷却效率。螺旋形结构的下冷水道14可提高单位面积内在下段部12的冷却水道的长度，进而增加冷却面积，提高冷却效果。

进一步的，在上段部11和下段部12的侧壁中间的冷却水道上，沿经线方向设有对称设置的进水管15和出水管16，进水管15和出水管16分别贯穿上冷水道13和下冷水道14。在上段部11的上端面设有进水口17和出水口18，进水口17和出水口18分别与进水管15和出水管16连通；进水口17和出水口18分别置于上段部11上端面中任一直径的两端。

本实施例中的工作过程：冷水丛进水口17灌入进水管15中，冷却水依次沿上冷水道13和下冷水道14分别绕上段部11和下段部12进行循环，冷却水带走单晶硅棒30向水冷套10内壁辐射的热量，流入排水管16中再从排水口18排出，增加了冷却面积。在不影响CCD摄像机40观察的前提下，提高了硅棒30的散热速度，降低硅棒30内部热应力，进而可降低位错发生，改善单晶缺陷；同时还有效的增大单晶硅棒30在生长过程中的拉速，提高生长界面的V/G比值，降低单晶生长过程产生的缺陷，提高单晶品质。

1、采用本实用新型设计的水冷套，适用于直径为240-310mm大尺寸单晶的拉制，增加单晶的水冷面积，提高了单晶的散热面积；尤其是单晶硅棒生长高度在800mm以内时，单晶硅棒能均匀被冷却，可防止单晶硅棒因冷热交替过快而产生炸裂，同时还避免出现漏硅、喷硅的风险。

2、改善晶体温度梯度，有效提高单晶生长过程的V/G值，降低单晶生长过程中产生的缺陷，提高单晶品质，还不影响CCD摄像机的观察视线。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种直拉硅单晶炉用水冷套，其特征在于，包括筒状本体，所述本体包括一体连接设置的上段部和下段部，所述上段部为竖直设置，所述下段部靠近所述本体中心轴线倾斜设置；所述下段部靠近所述本体中心轴线的夹角为20-30°；所述上段部高度小于所述下段部高度；所述上段部的高度是所述本体高度的1/12-1/3；所述本体高度不大于600mm且不小于200mm；所述上段部的内径为400-500mm；所述下段部下端口的内径为350-450mm。

2.根据权利要求1所述的一种直拉硅单晶炉用水冷套，其特征在于，所述上段部和所述下段部侧壁中间沿纬线方向分别设有环状的上冷水道和下冷水道；所述上冷水道和所述下冷水道的直径相同，范围为5-10mm。

3.根据权利要求2所述的一种直拉硅单晶炉用水冷套，其特征在于，所述上冷水道为水平环形结构，所述下冷水道为螺旋环形结构。

4.根据权利要求3所述的一种直拉硅单晶炉用水冷套，其特征在于，在所述上段部和所述下段部侧壁中间沿经线方向设有对称设置的进水管和出水管，所述进水管和所述出水管分别贯穿所述上冷水道和所述下冷水道上段部设置。

5.根据权利要求4所述的一种直拉硅单晶炉用水冷套，其特征在于，在所述上段部上端面设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口分别与所述进水管和所述出水管连通；所述进水口和所述出水口置于所述上段部上端面任一直径的两端。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种直拉硅单晶炉用水冷套，其特征在于，所述水冷套适用于直径为240-310mm的单晶硅棒。

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