CN212533193U - 冷却装置及拉晶系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种冷却装置及拉晶系统，冷却装置应用于拉晶系统，所述拉晶系统包括：炉体，所述炉体内设有一端开口的腔室，所述腔室的开口端用于穿过籽晶；坩埚，所述坩埚设置在所述腔室内，用于承载并熔融的多晶硅，籽晶用于与多晶硅熔液的表面接触；直径传感器，用于检测所述单晶硅棒的直径；所述冷却装置，包括：冷却管，冷却管设置在所述腔室内，冷却管包括用于输出冷却介质的出口端，出口端朝向所述多晶硅熔液的表面设置；控制模块，与所述冷却管相连，用于当所述单晶硅棒生长时，控制所述冷却管沿所述单晶硅棒的轴向向下移动，以使得所述冷却管的出口端与所述多晶硅熔液表面之间的距离维持在预设范围内。

Description

冷却装置及拉晶系统

技术领域

本实用新型涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种冷却装置及拉晶系统。

背景技术

单晶硅棒生长制造工艺中，通常采用拉晶炉进行制造生产，在拉晶炉的石英坩埚内填充多晶硅(Poly Silicon)，通过加热以熔融多晶硅，控制熔液温度稳定、使籽晶(Seed)与熔液面接触以使单晶硅棒生长。在单晶硅棒生长时，若能够对单晶硅棒进行迅速冷却，则能够有效的提高单晶硅棒的生长速度。尤其，冷却管(Cooling Tube)越接近熔液(Melting)表面，单晶硅棒的拉制速度越快。

现有技术中，冷却单晶硅棒方法，采用固定在拉晶炉上的冷却管冷却的方式，直径传感器(Diameter Sensor)起控制单晶硅棒直径的重要作用，由于拉晶炉上的直径传感器的影响，使延长固定冷却管的长度受到限制，当冷却管的出口端靠近熔液表面时会遮挡直径传感器的感应信号，若直径传感器探测不到生长中的熔液表面的单晶硅棒直径，则单晶硅棒的控制将不稳定，因而需要确保冷却管的出口端与熔液的表面之间留有足够的空间，以便直径传感器能够探测到生长过程中的单晶硅棒。因此，影响了冷却管的对熔液表面的单晶硅棒的冷却效果，难以进一步提高单晶硅棒的生长速度。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种冷却装置，用以解决传统的冷却管的出口端与熔液表面之间距离较大，难以进一步提高单晶硅棒的生长速度的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种冷却装置。

根据本实用新型第一方面实施例的冷却装置，应用于拉晶系统，所述拉晶系统包括：

炉体，所述炉体内设有一端开口的腔室，所述腔室的开口端用于穿过籽晶；

坩埚，所述坩埚设置在所述腔室内，用于承载熔融的多晶硅，所述籽晶用于与多晶硅熔液的表面接触以形成单晶硅棒；

直径传感器，用于检测所述单晶硅棒的直径；

所述冷却装置，用于在拉晶过程中冷却单晶硅棒，包括：

冷却管，所述冷却管设置在所述腔室内，所述冷却管包括用于输出冷却介质的出口端，所述出口端朝向所述多晶硅熔液的表面设置；

控制模块，与所述冷却管相连，用于当所述单晶硅棒生长时，控制所述冷却管沿所述单晶硅棒的轴向移动，以使得所述冷却管的出口端与所述多晶硅熔液表面之间的距离维持在预设范围内，且在所述预设范围内时，所述直径传感器能够检测到所述单晶硅棒的与所述熔液表面接触位置的直径。

优选地，所述控制模块还用于当熔融所述多晶硅时，控制所述冷却管的出口端远离所述多晶硅。

优选地，所述控制模块包括：

驱动件，与所述冷却管相连，用于驱动所述冷却管沿单晶硅棒的轴向移动；

控制器，与所述驱动件相连，用于当所述单晶硅棒生长时，控制所述驱动件带动所述冷却管在单晶硅棒的轴向上移动，以使所述冷却管的出口端与所述熔液表面之间的距离维持在预设范围内，在所述预设范围内时，所述直径传感器能够检测到所述单晶硅棒的与所述熔液表面接触位置的直径。

优选地，所述驱动件至少为两个，所述驱动件在所述炉体的外壁的周向上均匀分布。

优选地，冷却装置还包括连接架，所述连接架的一端与所述冷却管相连，另一端与所述驱动件相连。

优选地，所述冷却管从所述冷却管的一处到所述冷却管的出口端直径逐渐减小。

根据本实用新型第二方面实施例的拉晶系统，包括：

炉体，所述炉体内设有一端开口的腔室，所述腔室的开口端用于穿过籽晶；

坩埚，所述坩埚设置在所述腔室内，用于承载熔融的多晶硅，所述籽晶用于与多晶硅熔液的表面接触以形成单晶硅棒；

加热器，所述加热器设置在所述腔室内，用于对所述坩埚加热以熔融多晶硅；

直径传感器，所述直径传感器设置在所述炉体上，用于检测所述单晶硅棒的直径；以及

如上述实施例的冷却装置。

优选地，拉晶系统还包括：

固定冷却管，所述固定冷却管设置在所述炉体的腔室的开口端；

隔热板，所述隔热板设置在所述坩埚与所述加热器之间。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

1)根据本实用新型实施例的冷却装置，可以独立的升降，在多晶硅熔融过程中，使冷却管上升，避免受多晶硅固体原料层叠高度的影响；

2)在单晶硅棒生长过程中，当单晶硅棒生长时，可以控制冷却管下降至接近熔液表面，以快速冷却生长中的单晶硅棒，提高单晶硅棒的生长速度，同时不影响直径传感器监测单晶硅棒的直径。

附图说明

图1为本实用新型实施例的冷却装置的一个结构示意图；

图2为本实用新型实施例的冷却装置的另一个结构示意图；

图3为本实用新型实施例的拉晶系统的一个结构示意图；

图4为本实用新型实施例的拉晶系统的另一个结构示意图；

图5为本实用新型实施例的拉晶系统中冷却管上升时的状态图；

图6为本实用新型实施例的拉晶系统中冷却管下降至熔液表面的状态图。

附图标记

冷却装置100；

冷却管110；冷却管的出口端111；

驱动件120；

连接架130；

拉晶系统200；

炉体210；腔室211；

坩埚220；

加热器230；

直径传感器240；

固定冷却管250；

隔热板260；

熔液300；

单晶硅棒400。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面首先结合附图具体描述根据本实用新型实施例的冷却装置100。

如图1和图3所示，根据本实用新型实施例的冷却装置100，应用于拉晶系统200，拉晶系统200包括炉体210、坩埚220、直径传感器240和冷却装置100。

具体而言，炉体210内设有一端开口的腔室211，腔室211的开口端用于穿过籽晶，坩埚220设置在腔室211内，用于承载并熔融的多晶硅，籽晶用于与多晶硅熔液300的表面接触、提拉后以形成单晶硅棒400，直径传感器240用于检测单晶硅棒400的直径。

冷却装置100用于在拉晶过程中冷却单晶硅棒400，其包括冷却管110和控制模块(未图示)，冷却管110设置在腔室211内，冷却管110包括用于输出冷却介质的出口端111，出口端111朝向多晶硅熔液300的表面设置，控制模块与冷却管110相连，用于当单晶硅棒400生长时，控制冷却管110沿单晶硅棒400的轴向移动，以使得冷却管110的出口端111与多晶硅熔液300表面之间的距离维持在预设范围内，且在预设范围内时，直径传感器240能够检测到单晶硅棒400与熔液300表面接触位置的直径。

也就是说，冷却装置100独立的设置在炉体210上，冷却装置100包括冷却管110和控制冷却管110在炉体210的腔室211内移动的控制模块，其中，冷却管110的一端即为出口端111用于输出冷却介质，冷却介质从出口端111流出时可以冷却单晶硅棒400，拉制单晶硅棒400时，控制模块控制冷却管110的出口端111移动至熔液300表面附近，以使冷却管110与多晶硅熔液300表面之间的距离维持在预设范围内，其中预设范围是指，冷却管110的出口端111既没有接触到熔液300的表面又紧邻熔液300的表面，同时直径传感器240可以监测到单晶硅棒400与熔液300接触处的单晶硅棒400的直径，进而可以快速的对单晶硅棒400进行冷却，以提高单晶硅棒400的生长速度。

由此，根据本实用新型实施例的冷却装置100，冷却管110可以在炉体210的腔室211内升降，当单晶硅棒400生长时，控制模块可以控制冷却管110下降至接近熔液300表面，以快速冷却生长中的单晶硅棒400，提高单晶硅棒400的生长速度，同时不影响直径传感器240监测单晶硅棒400的直径，确保单晶硅棒400的生长质量。

根据本实用新型的一个实施例，控制模块还用于当熔融多晶硅时，控制冷却管110的出口端111远离多晶硅。

也就是说，当坩埚220熔融多晶硅时，由于块状的多晶硅具有一定的高度，因此需要将冷却管110向上移动以避免冷却管110与多晶硅棒接触而受到损坏，此时，控制模块可以控制冷却管110沿单晶硅棒400的轴向向上移动，进而使冷却管110避免受多晶硅的叠层高度的影响。

根据本实用新型的另一个实施例，控制模块包括驱动件120和控制器(未图示)。

具体地，驱动件120与冷却管110相连，用于驱动冷却管110沿单晶硅棒400的轴向移动，控制器与驱动件120相连，用于当单晶硅棒400生长时，控制驱动件120带动冷却管110在单晶硅棒400的轴向上移动，以使冷却管110的出口端111与熔液300表面之间的距离维持在预设范围内，在预设范围内时，直径传感器240能够检测到单晶硅棒400的与熔液300表面接触位置的直径。

也就是说，冷却管110与驱动件120相连，驱动件120与控制器相连，在拉制单晶硅棒400时，控制器向驱动件120发出控制指令，驱动件120开启，并带动冷却管110向多晶硅熔液300表面移动，以使冷却管110的出口端111与熔液300表面之间的距离维持在预设范围内，确保冷却管110的出口端111输出的冷却介质可以快速的对熔液300表面处的单晶硅棒400进行冷却，进而提高单晶硅棒400的生长速度，同时，直径传感器240可以通过冷却管110内部直接监测到熔液300表面处的单晶硅棒400的直径，以更好的控制单晶硅棒400的生长情况。

在本实用新型的其他实施例中，驱动件120至少为两个，驱动件120在炉体210的外壁的周向上均匀分布。

换句话说，通过两个或多个驱动件120驱动冷却管110的移动，可以确保冷却管110移动的稳定性，以保证冷却介质能够平稳的输送至熔液300的表面。

进一步地，冷却装置100还包括连接架130，连接架130的一端与冷却管110相连，另一端与驱动件120相连。通过连接架130的连接可以提高驱动件120与冷却管110连接的稳定性。

优选地，冷却管110从冷却管110的一处到冷却管110的出口端111直径逐渐减小。也就是说，冷却管110的出口端111的外壁向轴线方向收缩，形成锥形，进而在冷却介质从出口端111流出时，更加靠近单晶硅棒400，进一步提高单晶硅棒400的冷却速度。

由此，根据本实用新型实施例的冷却装置100，冷却管110可以在炉体210内上下移动，能够快速的冷却单晶硅棒400，以提高单晶硅棒400的生长速度。

根据本实用新型第二方面实施例的拉晶系统200。

如图3至图6所示，拉晶系统200包括炉体210、坩埚220、加热器230、直径传感器240和冷却装置100。

具体地，炉体210内设有一端开口的腔室211，腔室211的开口端用于穿过籽晶，坩埚220设置在腔室211内，用于承载熔融的多晶硅，籽晶用于与多晶硅熔液300的表面接触以形成单晶硅棒400，加热器230设置在腔室211内，用于对坩埚220加热以熔融多晶硅，直径传感器240设置在炉体210上，用于检测单晶硅棒400的直径。

换句话说，在炉体210的腔室211内设有坩埚220，加热器230可以对坩埚220进行加热以熔化坩埚220内的多晶硅，如图5所示，当熔化多晶硅时，并没有单晶硅棒400的生长，不需要使用直径传感器240，冷却管110可以抬升至炉体210的顶端，可以避免多晶硅的叠层过高影响冷却管110，更好的保护冷却管110。如图6所示，当多晶硅熔化结束，拉制单晶硅棒时，籽晶与多晶硅溶液面接触，冷却管110向下移动至熔液300表面处，此时，直径传感器240监测到籽晶与熔液300接触处，随着籽晶慢慢拉升，单晶硅棒400逐渐形成，通过冷却管110将冷却介质输送至单晶硅棒400与熔液300接触的位置，以快速的冷却单晶硅棒400，提高单晶硅棒400的生长速度，且直径传感器240可以监测到单晶硅棒400与熔液300接触处的直径，以更加稳定的控制单晶硅棒400的生长，确保单晶硅棒400的生长质量。

其中，本实用新型中冷却装置100为上述实施例中的冷却装置100，其结构及产生的技术效果与上述实施例的冷却装置100相同，在此不再赘述。

由此，根据本实用新型实施例的拉晶系统200，通过设置可升降的冷却装置100，能够快速的冷却单晶硅棒400，以提高单晶硅棒400的生长速度，同时能够监测单晶硅棒400的生长直接，以确保单晶硅棒400的生长质量。

优选地，拉晶系统200还包括固定冷却管250和隔热板260，固定冷却管250设置在炉体210的腔室211的开口端，隔热板260设置在坩埚220与加热器230之间。

也就是说，通过设置固定冷却管250将冷却介质输送至冷却管110内，可以进一步的提高冷却介质流动的稳定性。通过设置隔热板260以更好的保护加热器230，同时更好的控制坩埚220的温度。

除非另作定义，本实用新型中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种冷却装置，其特征在于，应用于拉晶系统，所述拉晶系统包括：

炉体，所述炉体内设有一端开口的腔室，所述腔室的开口端用于穿过籽晶；

坩埚，所述坩埚设置在所述腔室内，用于承载并熔融的多晶硅，所述籽晶用于与多晶硅熔液的表面接触以形成单晶硅棒；

直径传感器，用于检测所述单晶硅棒的直径；

所述冷却装置，用于在拉晶过程中冷却单晶硅棒，包括：

冷却管，所述冷却管设置在所述腔室内，所述冷却管包括用于输出冷却介质的出口端，所述出口端朝向所述多晶硅熔液的表面设置；

控制模块，与所述冷却管相连，用于当所述单晶硅棒生长时，控制所述冷却管沿所述单晶硅棒的轴向移动，以使得所述冷却管的出口端与所述多晶硅熔液表面之间的距离维持在预设范围内，且在所述预设范围内时，所述直径传感器能够检测到所述单晶硅棒的与所述熔液表面接触位置的直径。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述控制模块还用于当熔融所述多晶硅时，控制所述冷却管的出口端远离所述多晶硅。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述控制模块包括：

驱动件，与所述冷却管相连，用于驱动所述冷却管沿单晶硅棒的轴向移动；

控制器，与所述驱动件相连，用于当所述单晶硅棒生长时，控制所述驱动件带动所述冷却管在单晶硅棒的轴向上移动，以使所述冷却管的出口端与所述熔液表面之间的距离维持在预设范围内，在所述预设范围内时，所述直径传感器能够检测到所述单晶硅棒的与所述熔液表面接触位置的直径。

4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述驱动件至少为两个，所述驱动件在所述炉体的外壁的周向上均匀分布。

5.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，还包括：

连接架，所述连接架的一端与所述冷却管相连，另一端与所述驱动件相连。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却管从所述冷却管的一处到所述冷却管的出口端直径逐渐减小。

7.一种拉晶系统，其特征在于，包括：

炉体，所述炉体内设有一端开口的腔室，所述腔室的开口端用于穿过籽晶；

坩埚，所述坩埚设置在所述腔室内，用于承载熔融的多晶硅，所述籽晶用于与多晶硅熔液的表面接触以形成单晶硅棒；

加热器，所述加热器设置在所述腔室内，用于对所述坩埚加热以熔融多晶硅；

直径传感器，所述直径传感器设置在所述炉体上，用于检测所述单晶硅棒的直径；以及

如权利要求1-6任一项所述的冷却装置。

8.根据权利要求7所述的拉晶系统，其特征在于，还包括：

固定冷却管，所述固定冷却管设置在所述炉体的腔室的开口端；

隔热板，所述隔热板设置在所述坩埚与所述加热器之间。

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