CN218203158U - 一种单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单晶炉，包括炉体、生长坩埚、冷却套、加热组件和第一隔热组件，炉体的内壁上设有夹层，夹层内设有冷却通道，冷却通道内通有冷却水；生长坩埚设于炉体内，生长坩埚内限定出盛放腔，盛放腔的顶侧敞开设置；冷却套设于炉体内位于盛放腔的正上侧，用于对晶体进行降温；冷却套靠近生长坩埚的端部设有第二隔热组件；加热组件设于炉体内，用于对生长坩埚进行加热；第一隔热组件设于炉体内，并围绕加热组件设置。本实用新型能够对炉体进行降温，同时，可进行纵向、横向温度的调节，提供适于晶体生长的温度梯度，提高了晶体质量。

Description

一种单晶炉

技术领域

本实用新型涉及晶体生长领域，尤其是涉及一种单晶炉。

背景技术

单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。单晶炉内晶体生长过程中所经历的温度状况直接影响着最终获得晶体的品质，其中，温度状况主要指晶体的纵向温度梯度和轴向温度梯度。

目前，单晶炉内的温度状况主要由其内部设置的冷却机构和内部结构进行调控，利用与冷却机构连接的冷却水循环系统带走单晶炉内的热量，以此降低单晶炉内的温度。但是冷却机构仅能对局部进行降温，不能对其它部位进行合理有效的降温，一方面，温差大，会使长期处于高温环境工作状态下的单晶炉炉体出现局部热量过高，从而引发炉体变形、出现裂缝等损伤，降低了炉体的使用寿命，也不易于晶体的生长；另一方面，冷却机构单一，限制了其对纵向、横向的温度调节，易产生晶体缺陷，影响晶体品质。

发明内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型在于提出一种单晶炉，能够对炉体进行降温，同时，可进行纵向、横向温度的调节，提供适于晶体生长的温度梯度，提高晶体质量。

根据本实用新型单晶炉，包括：

炉体，所述炉体的内壁上设有夹层，所述夹层内设有冷却通道，所述冷却通道内通有冷却水；

生长坩埚，所述生长坩埚设于所述炉体内，所述生长坩埚内限定出盛放腔，所述盛放腔的顶侧敞开设置；

加热组件，所述加热组件设于所述炉体内，用于对所述生长坩埚进行加热；

第一隔热组件，所述第一隔热组件设于所述炉体内，并围绕所述加热组件设置；

冷却套，所述冷却套设于所述炉体内位于所述盛放腔的正上侧，用于对晶体进行降温；所述冷却套靠近所述生长坩埚的端部设有第二隔热组件；

所述第二隔热组件包括：

降温件，所述降温件设于所述冷却套靠近所述生长坩埚的端部，用于对晶体进行局部降温；

子隔热件，所述子隔热件设于所述降温件靠近所述生长坩埚的一侧，并与所述降温件连接。

根据本实用新型单晶炉，炉体内夹层和其内部冷却通道的设置，当冷却水流经冷却通道时可吸附炉体内的热量，从而实现对炉体的降温，避免炉体温度过高而导致的炉体变形、出现裂缝等损伤，延长了炉体的使用寿命。炉体内的加热组件围绕生长坩埚设置，可对生长坩埚进行加热，实现熔料。第一隔热组件围绕生长坩埚外部的加热组件进行设置，可以阻挡加热组件的热辐射，降低热能损失，有利于提升单晶炉的热能利用率，保证熔料速率。生长坩埚上的冷却套的设置，用于实现对晶体的降温，实现晶体的固化，保证长晶；同时与其他部件间的配合，可进行纵向、横向温度的调节，保证生长坩埚内固液界面处较大的温度梯度，适于晶体的生长，提高晶体质量。

在本实用新型的一些实施例中，所述子隔热件远离所述降温件的一侧设有隔热层。

在本实用新型的一些实施例中，所述子隔热件为朝向所述冷却套凸出的弧形环板。

在本实用新型的一些实施例中，所述加热组件包括多个L型加热器，多个L型加热器沿生长坩埚周向均匀分布，每个L型加热器绕生长坩埚的底部和侧部布置。

在本实用新型的一些实施例中，所述第一隔热组件包括第一隔热件和第二隔热件，所述第一隔热件围绕所述L型加热器设置，所述第二隔热件设于所述生长坩埚的上方并与所述第一隔热件连接，所述第二隔热件向内至少延伸至所述第二隔热组件的外端，且延伸至不超过所述第二隔热组件的内端。

在本实用新型的一些实施例中，所述第二隔热件为弧形结构，所述第二隔热件远离所述生长坩埚的一侧靠近所述第二隔热组件的位置设有与所述第二隔热组件端部相配合的限位槽。

在本实用新型的一些实施例中，所述冷却套内侧壁上靠近所述生长坩埚的位置设有多个环形凸起。

在本实用新型的一些实施例中，所述冷却套的内壁上设有吸热层。

在本实用新型的一些实施例中，所述夹层靠近所述炉体内壁的一侧设有隔热层。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的制备单晶碳化硅生长装置的示意图；

图2是根据本实用新型另一个实施例的制备单晶碳化硅生长装置的示意图；

图3是根据本实用新型加热组件为另一种结构的制备单晶碳化硅生长装置的示意图。

附图标记：

单晶炉100；

炉体10；

生长坩埚20；盛放腔21；

冷却套30；

加热组件40；L型加热器41；弧形加热器42；

第一隔热组件50；第一隔热件51；第二隔热件52；

夹层60；冷却通道601；第一夹层61；第一冷却通道611；第二夹层62；第二冷却通道621；第二隔热层63；

第二隔热组件70；降温件71；子隔热件72。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

下面参考图1-图3描述根据本实用新型实施例的单晶炉100，包括：炉体10、生长坩埚20、冷却套30、加热组件40和第一隔热组件50。

参照图1至图3所示，炉体的内壁上设有夹层60，夹层60内设有冷却通道601，冷却通道601内通有冷却水，冷却水可由上至下流经冷却通道601，实现对其的降温；生长坩埚20设于炉体10内，生长坩埚20内限定出盛放腔21，盛放腔21的顶侧敞开设置，盛放腔21可用于盛放半导体或太阳能级材料(例如硅)的熔料；加热组件40设于炉体10内，用于对生长坩埚20进行加热，实现熔料；第一隔热组件50设于炉体10内，并围绕加热组件40设置，用于阻挡加热组件40的热辐射，降低热能损失，有利于提升单晶炉的热能利用率，保证熔料速率；冷却套30设于炉体10内位于盛放腔21的正上侧，用于对晶体进行降温；冷却套30靠近生长坩埚20的端部设有第二隔热组件70；第二隔热组件70包括：降温件71和子隔热件72，降温件71设于冷却套30靠近生长坩埚20的端部，用于对晶体进行局部降温；子隔热件72设于降温件71靠近生长坩埚20的一侧，并与降温件71连接。具体的，降温件71的一端与冷却套30的下端连接，另一端向靠近晶体的方向延伸，延伸至不触碰到晶体，当惰性气体流从单晶炉上方吹散流经降温件时，流速变大，保证了惰性气体流与晶体的充分接触，提高了晶体的冷却速率，以实现对晶体的局部降温。

可以理解的是，子隔热件72在降温件71的下侧，可阻挡生长坩埚20内熔体界面的热辐射，降低热能损失，有利于提升热能利用率，保证熔料速率。同时，子隔热件72和降温件71的配合，可进行纵向、横向温度的调节，保证生长坩埚20内固液界面处较大的温度梯度，实现晶体的固化，适于晶体的生长，提高晶体质量。

根据本实用新型单晶炉，炉体10内夹层60和其内部冷却通道601的设置，当冷却水流经冷却通道601时可吸附炉体10内的热量，从而实现对炉体10的降温，避免炉体10温度过高而导致的炉体10变形、出现裂缝等损伤，延长了炉体10的使用寿命；冷却水可由上至下流经冷却通道601，实现对炉体10由上至下的降温，冷却水从上方初进冷却通道601 时，温度低，以使炉体10内部和炉体侧壁上方均处于较低温度；待冷却水沿着冷却通道 601向下方移动时，由于吸附的热量逐渐增多，其温度原来越高，可吸收的热量越来越少，虽可以实现一定的降温效果，但炉体10内部和炉体10侧壁的温度由上至下逐渐升高，形成温度梯度，方便纵向温度的调节。炉体10内的加热组件40围绕生长坩埚设置，可对生长坩埚20进行加热，实现熔料。第一隔热组件50围绕生长坩埚20外部的加热组件30进行设置，可以阻挡加热组件30的热辐射，降低热能损失，有利于提升单晶炉的热能利用率，保证熔料速率。生长坩埚20上的冷却套的设置，用于实现对晶体的降温，实现晶体的固化，保证长晶；同时与其他部件间的配合，可进行纵向、横向温度的调节，保证生长坩埚20内固液界面处较大的温度梯度，适于晶体的生长，提高晶体质量。

考虑到生长坩埚20内固液界面处所需的温度梯度较大，为了进一步保证温度梯度达到晶体生长需求，所述夹层60包括上下布置的第一夹层61和第二夹层62，第一夹层61内设有第一冷却通道611，第二夹层62内设有第二冷却通道621。具体的，第一夹层61和第二夹层62交接的位置与生长坩埚20上开口齐平，第一夹层61、第二夹层62均为贴合炉体10内壁的筒状结构，第一冷却通道611为设置在第一夹层61内沿其轴向方向布置的第一螺旋状空腔，第二冷却通道621为设置在第二夹层62内沿其轴向方向布置的第二螺旋状空腔，一部分冷却水经第一螺旋状空腔的下端通入，经上端排出；另一部分冷却水经第二螺旋状空腔的下端通入，经上端排出。可以理解的是，此中冷却方式可使第一夹层61与第二夹层62的交接处(即生长坩埚的上开口位置)形成较大的温度梯度，有利于炉体10内温度梯度的形成，更适于晶体的生长。

在本实用新型的一些实施例中，子隔热件72远离降温件71的一侧设有第一隔热层，第一隔热层具有反射和屏蔽热的作用，防止外面的热量从子隔热件72向降温件传输，保证降温件71的降温效果。

在本实用新型的一些实施例中，参照图1所示，子隔热件72为朝向冷却套凸出的弧形环板。相应的，降温件71也可为弧形结构。弧形环板的设置，可更好地将热辐射阻挡至其下方，降低热能损失，有利于提升热能利用率，保证熔料速率。

在本实用新型的一些实施例中，参照图1和图2所示，加热组件40包括多个L型加热器41，多个L型加热器41沿生长坩埚20周向均匀分布，每个L型加热器41绕生长坩埚 20的底部和侧部布置。L型加热器41能够同时对生长坩埚20的底部、径向外侧进行加热，实现熔料。可选地，L型加热器41也可以替换成与生长坩埚20外部相配合的弧形加热器 42，以使两者之间更贴合，加热效果更佳，熔料效率更高。

在本实用新型的一些实施例中，参照图1和图2所示，第一隔热组件50包括第一隔热件51和第二隔热件52，第一隔热件51围绕L型加热器41设置，第二隔热件52设于生长坩埚20的上方并与第一隔热件51连接，第二隔热件52向内至少延伸至第二隔热组件70 的外端，且延伸至不超过第二隔热组件70的内端。可以理解的是，此种结构的第一隔热组件50能将生长坩埚20外部的加热组件40围起来，有效阻挡加热组件40的热辐射，降低热能损失，进一步提升单晶炉的热能利用率，保证熔料速率。

在本实用新型的一些实施例中，第二隔热件52为弧形结构，第二隔热件52远离生长坩埚20的一侧靠近第二隔热组件70的位置设有与第二隔热组件70端部相配合的限位槽。安装时，可将第二隔热组件70的端部卡装在限位槽内，实现第二隔热组件70和第一隔热组件间50的无缝连接，从而能够更好地将热辐射阻挡至下方，降低热能损失，进一步提升热能利用率，保证熔料速率。

当然，为了提高第二隔热件52的隔热效果，参照图2所示，第二隔热件52为多个连续弧形组成的波浪形环板，波浪形环板结构能更有效阻挡生长坩埚20上部的热辐射，降低热能损失，进一步提升单晶炉的热能利用率，保证熔料速率。

在本实用新型的一些实施例中，参照图1所示，冷却套30内侧壁上靠近生长坩埚的位置设有多个环形凸起31，多个环形凸起31沿所述冷却套30的轴向方向间隔布置。环形凸起31的设置可以增加冷却套30内壁的表面积，即增加冷却套30的吸热面积，相较于平滑表面，这样的表面吸热效果更好，对晶体的冷却效果更佳；而且，环形凸起31设在冷却套 30靠近生长坩埚20的位置(即设置在冷却30套的内壁下部)，更利于对晶体上固液界面交接处的部位进行降温冷却，形成较大的纵向温度梯度，利于晶体的生长。

在本实用新型的一些实施例中，冷却套30的内壁上设有吸热层。吸热层具有吸热作用，其与冷却套30充分结合，可有效缓解吸热层截面的热应力，以使冷却套30可以较好的实时带走晶体传输的热量，大大提高晶体的冷却速率，提高拉速，增加拉晶效率。

在本实用新型的一些实施例中，夹层60靠近炉体10内壁的一侧设有第二隔热层63。第二隔热层具有反射和屏蔽热的作用，防止炉体10内的热量从夹层60向炉体10内壁传输，保证炉体10内壁的降温效果。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种单晶炉，其特征在于，包括：

炉体，所述炉体的内壁上设有夹层，所述夹层内设有冷却通道，所述冷却通道内通有冷却水；

生长坩埚，所述生长坩埚设于所述炉体内，所述生长坩埚内限定出盛放腔，所述盛放腔的顶侧敞开设置；

加热组件，所述加热组件设于所述炉体内，用于对所述生长坩埚进行加热；

第一隔热组件，所述第一隔热组件设于所述炉体内，并围绕所述加热组件设置；

冷却套，所述冷却套设于所述炉体内位于所述盛放腔的正上侧，用于对晶体进行降温；所述冷却套靠近所述生长坩埚的端部设有第二隔热组件；

所述第二隔热组件包括：

降温件，所述降温件设于所述冷却套靠近所述生长坩埚的端部，用于对晶体进行局部降温；

子隔热件，所述子隔热件设于所述降温件靠近所述生长坩埚的一侧，并与所述降温件连接。

2.根据权利要求1所述的一种单晶炉，其特征在于，所述子隔热件远离所述降温件的一侧设有隔热层。

3.根据权利要求1所述的一种单晶炉，其特征在于，所述子隔热件为朝向所述冷却套凸出的弧形环板。

4.根据权利要求1所述的一种单晶炉，其特征在于，所述加热组件包括多个L型加热器，多个L型加热器沿生长坩埚周向均匀分布，每个L型加热器绕生长坩埚的底部和侧部布置。

5.根据权利要求4所述的一种单晶炉，其特征在于，所述第一隔热组件包括第一隔热件和第二隔热件，所述第一隔热件围绕所述L型加热器设置，所述第二隔热件设于所述生长坩埚的上方并与所述第一隔热件连接，所述第二隔热件向内至少延伸至所述第二隔热组件的外端，且延伸至不超过所述第二隔热组件的内端。

6.根据权利要求5所述的一种单晶炉，其特征在于，所述第二隔热件为弧形结构，所述第二隔热件远离所述生长坩埚的一侧靠近所述第二隔热组件的位置设有与所述第二隔热组件端部相配合的限位槽。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种单晶炉，其特征在于，所述冷却套内侧壁上靠近所述生长坩埚的位置设有多个环形凸起。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种单晶炉，其特征在于，所述冷却套的内壁上设有吸热层。

9.根据权利要求1至6任一项所述的一种单晶炉，其特征在于，所述夹层靠近所述炉体内壁的一侧设有隔热层。

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