CN220555726U - 水冷屏及单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及单晶生长设备技术领域，公开了水冷屏及单晶炉，水冷屏包括筒体和冷却水道，筒体设有轴向通孔，筒体具有环绕轴向通孔的内壁和环绕内壁设置的外壁，筒体的内壁与筒体的外壁之间留有间隙，筒体的内壁具有直壁段，直壁段设有若干凹凸结构；冷却水道设于内壁和外壁之间的间隙中。本实用新型一方面，沿水冷屏的轴向，筒体的内壁和晶体的间距小，提高散热效果，另一方面加快了氩气流速，提高了氩气带走结晶潜热的效率；在内壁的表面设有若干凹凸结构，增大了筒体内壁的散热面积，提高散热效果。本实用新型提供的水冷屏能够提高对晶体的散热效果，增大晶体生长时轴向温度梯度，进而提升单晶硅的拉速，提高生产效率。

Description

水冷屏及单晶炉

技术领域

本实用新型涉及单晶生长设备技术领域，具体涉及水冷屏及单晶炉。

背景技术

单晶炉是一种在惰性气体环境中，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。在使用直拉法制备单晶硅的过程中，由于硅从液态转化为固态需要释放大量的热，因此，需要设置冷却系统对晶体进行冷却。

由于单晶硅的生长速度受结晶界面附近的晶体的轴向温度梯度影响比较大，因此，现有技术主要通过水冷屏结构来增加结晶界面附近的晶体的轴向温度梯度，使晶体能够快速散热。由于水冷屏不与晶体或晶液接触，晶体与水冷屏之间靠辐射方式实现热传递，即水冷屏内表面吸收热辐射，并将吸收的部分热传输给内部循环水。

现有的单晶炉水冷屏，水冷屏内壁通常为斜壁式结构，直径较大，距离晶棒较远，且水冷屏的内壁为环形、光滑的曲面结构，以上这些原因使得现有技术存在散热效果差的缺点，导致现有的水冷屏对晶棒的冷却效果极其有限，晶体生长的等径拉速继续提高已达到瓶颈，因此无法达到提高产量的目标。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种水冷屏及单晶炉，以解决现有的水冷屏存在的散热效果差的问题。

第一方面，本实用新型提供了一种水冷屏，包括筒体和冷却水道，筒体设有轴向通孔，筒体具有环绕轴向通孔的内壁和环绕内壁设置的外壁，筒体的内壁与筒体的外壁之间留有间隙，筒体的内壁具有直壁段，直壁段设有若干凹凸结构；冷却水道设于内壁和外壁之间的间隙中。

有益效果：一方面，沿水冷屏的轴向，直壁段和晶体之间的距离小于传统的斜壁式的水冷屏内壁和晶体之间的距离，提高散热效果，另一方面加快了氩气流速，提高了氩气带走结晶潜热的效率；在内壁的表面设有若干凹凸结构，增大了筒体内壁的散热面积，提高散热效果。本实用新型提供的水冷屏能够提高对晶体的散热效果，增大晶体生长时轴向温度梯度，进而提升单晶硅的拉速，提高生产效率。

在一种可选的实施方式中，直壁段包括靠近筒体顶部的第一直壁段和与筒体底部连接的第二直壁段，第一直壁段和第二直壁段的直径相同。

有益效果：通过设置第一直璧段和第二直璧段，一方面能够延长筒体内壁的长度，增加冷却水容量，提高晶棒冷却速度，另一方面，第二直壁段的内径和第一直壁段的内径相等，加快了氩气流速，提高了带走结晶潜热的效率。

在一种可选的实施方式中，筒体的内壁设有斜切面，斜切面由第一直壁段的底部延伸至筒体的内壁顶部，由第一直壁段的底部至筒体的内壁顶部，斜切面逐渐远离筒体的轴线。

有益效果：通过设置斜切面，能够满足CCD相机捕捉直径要求，加料时也可以观察炉内液面情况。

在一种可选的实施方式中，第一直壁段和斜切面的内壁上均设有凹凸结构。

有益效果：这样，筒体内壁均设有凹凸结构，增大散热面积，提高散热效果，从而增大晶体生长时轴向温度梯度，提升单晶硅的拉速。

在一种可选的实施方式中，斜切面呈扇形，扇形角度为85°至95°。

有益效果：角度过小则会遮挡相机视野，角度过大则影响拉速提升效果，将斜切面的扇形角度控制在85°至95°的范围内最佳。

在一种可选的实施方式中，内壁还具有扩口段，扩口段设于筒体的开口处并与第一直壁段连接，沿筒体的底部至筒体顶部的方向，扩口段的内壁和外壁之间的距离递减；斜切面贯穿第一直壁段和扩口段。

有益效果：通过设置扩口段，扩口段的内壁和外壁的间距递减，能够避免内壁和外壁之间存在空腔，使得冷却水能够充实内壁和外壁之间，保证水冷屏的上部也能被冷却到，保证对内壁上部的冷却效果，防止过热。同时，由于从顶部向下吹入氩气，氩气一方面能够带走晶液中的杂质气体，保证晶棒的品质，另一方面，氩气能够带走晶棒的结晶潜热，而设置扩口段还能够对氩气起到聚拢和导流的作用，减少氩气的损失，有利于提升晶棒的品质，提高散热效果。

在一种可选的实施方式中，内壁和外壁之间沿轴向间隔设有若干层导流片，导流片为沿周向环绕内壁的弧形结构，相邻的导流片之间形成相互连通的冷却水道。

有益效果：通过设置导流片，能够对冷却水进行导流，沿着设计路线流动，以提高冷却效果。

在一种可选的实施方式中，筒体的顶部连接有进水管和出水管，进水管、冷却水道和出水管连通。

有益效果：通过进水管向冷却水道内进水，并从出水管出水，由于进水管和出水管均连接于筒体的顶部，使得冷却水道中的冷却水自上而下流动进水，再自下而上流动出水，提高冷却效果。

在一种可选的实施方式中，冷却水道包括进水区和出水区，进水区和进水管连通，出水区和出水管连通；进水区的导流片和出水区的导流片等高布置，在同一高度，进水区的导流片和出水区的导流片围成整圆。

有益效果：这样设置，有利于提高垂直温度梯度。

在一种可选的实施方式中，凹凸结构包括设于筒体内壁上的若干凸起部和/

或凹陷部。

有益效果：这样设置，结构简单、易于加工。

第二方面，本实用新型还提供了一种单晶炉，包括坩埚以及以上技术方案中任一项的水冷屏，坩埚内设有内导流筒；水冷屏设于内导流筒中。

有益效果：因为单晶炉包括水冷屏，具有与水冷屏相同的效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的一种水冷屏的结构示意图；

图2为图1所示的水冷屏的俯视图；

图3为图2中沿A-A的剖视图；

图4为图2中沿C-C处的剖视图；

图5为本实用新型实施例的单晶炉的剖视图。

附图标记说明：

10、水冷屏；1、筒体；101、第一直壁段；102、凹凸结构；103、内壁；104、外壁；105、第二直壁段；106、斜切面；107、扩口段；2、冷却水道；201、导流片；202、进水管；203、出水管；204、进水区；205、出水区；3、单晶炉；301、坩埚；302、内导流筒；303、外导流筒；304、主加热器；305、埚邦；306、托杆；307、底加热器；308、保温筒；4、晶液；5、晶棒。

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中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域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，都属于本实用新型保护的范围。

现有斜壁式水冷屏最高拉速为108mm/h，单产最高185kg/d，无法满足190kg/h单产的提升目标，所以需要一个水冷屏，能够提高等径拉速，降低等径时间，降低生产成本。而晶体的结晶速率取决于流入固液界面的热量和流出固液界面的热量之差，为增大结晶速率、提高拉速，应增加结晶前沿晶体的纵向温度梯度，或者减小结晶前沿熔体的纵向温度梯度。本实用新型通过提高水冷屏的散热效果，增大晶体生长时轴向温度梯度，进而提升单晶硅的拉速，提高生产效率。

下面结合图1至图5，描述本实用新型的实施例。

根据本实用新型的实施例，一方面，提供了一种水冷屏10，包括筒体1和冷却水道2，筒体1设有轴向通孔，筒体1具有环绕轴向通孔的内壁103和环绕内壁103设置的外壁104，筒体1的内壁103与筒体1的外壁104之间留有间隙，筒体1的内壁103具有直壁段，直壁段设有若干凹凸结构102；冷却水道2设于内壁103和外壁104之间的间隙中。

这样设置，一方面，使得沿水冷屏10的轴向，直壁段和晶体之间的距离小于传统的斜壁式的水冷屏10内壁103和晶体之间的距离，提高散热效果，另一方面由于相比于现有的斜壁式的水冷屏，本实施例的水冷屏口径变小，缩小了氩气流通的横截面积，加快了氩气流速，提高了氩气带走结晶潜热的效率；在内壁103的表面设有若干凹凸结构102，增大了筒体1内壁103的散热面积，提高散热效果。本实用新型提供的水冷屏10能够提高对晶体的散热效果，增大晶体生长时轴向温度梯度，进而提升单晶硅的拉速，提高生产效率。

在一个实施例中，直壁段包括靠近筒体1顶部的第一直壁段101和与筒体1底部连接的第二直壁段105，第一直壁段101和第二直壁段105的直径相同。

通过设置第一直壁段101和第二直壁段105，一方面能够延长筒体1内壁103的长度，增加冷却水容量，提高晶棒冷却速度，另一方面，第二直壁段105的内径和第一直壁段101的内径相等，加快了氩气流速，提高了氩气带走结晶潜热的效率。

在一个实施例中，筒体1的内壁103设有斜切面106，斜切面106由第一直壁段101的底部延伸至筒体1的内壁103顶部，由第一直壁段101的底部至筒体1的内壁103顶部，斜切面106逐渐远离筒体1的轴线。需要说明的是，这里的“底部”是图3所示方位中的下端，相应的，“顶部”即为图3所示方位的上端。在水冷屏10装入单晶炉3内时，由底部向顶部的方向，也即拉晶方向。

现有技术中的水冷屏10可能会出现相机捕捉不到晶体直径，加料无法全部观察液面化料情况，本实用新型提供的水冷屏10，通过设置斜切面106，能够满足CCD相机捕捉直径要求，加料时也可以观察炉内液面情况。

在一个实施例中，第一直壁段101和斜切面106的内壁103上均设有凹凸结构102。

这样，筒体1内壁103均设有凹凸结构102，增大散热面积，提高散热效果，从而增大晶体生长时轴向温度梯度，提升单晶硅的拉速。

在一个实施例中，凹凸结构102包括设于筒体1内壁103上的若干凸起部和/或凹陷部。

这样设置，结构简单、易于加工。在一个实施例中，凹凸结构102包括若干凹陷部。进一步的，凹陷部为半球结构。

在一个实施例中，斜切面106呈扇形，扇形角度为85°至95°。参照图2，在圆周方向上，斜切面106具有一定的宽度，俯视图为扇形，斜切面106的扇形角度如图2中α所示。α角度过小则会遮挡相机视野，α角度过大则影响拉速提升效果，将斜切面106的扇形角度控制在85°至95°的范围内最佳。

在一个实施例中，内壁103和外壁104之间沿轴向间隔设有若干层导流片201，导流片201为沿周向环绕内壁103的弧形结构，相邻的导流片201之间形成相互连通的冷却水道2。

通过设置导流片201，能够对冷却水进行导流，沿着设计路线流动，以提高冷却效果。

在一个实施例中，筒体1的顶部连接有进水管202和出水管203，进水管202、冷却水道2和出水管203连通。

通过进水管202向冷却水道2内进水，并从出水管203出水，由于进水管202和出水管203均连接于筒体1的顶部，使得冷却水道2中的冷却水自上而下流动进水，再自下而上流动出水，能够实现充分换热，提高冷却效果。

在一个实施例中，冷却水道2包括进水区204和出水区205，进水区204和进水管202连通，出水区205和出水管203连通；进水区204的导流片201和出水区205的导流片201等高布置，在同一高度，进水区204的导流片201和出水区205的导流片201围成整圆。进水区204的导流片201和出水区205的导流片201的相邻处隔开。这样设置，有利于提高垂直温度梯度。在进水区204内，上下相邻的冷却水道2相互连通，在出水区205，上下相邻的冷却水道2也相互连通。在筒体1的底部，进水区204的冷却水道2和出水区205的冷却水道2连通。进水区204内的冷却水自上而下流动至底部，进入出水区205，再由底部自下而上流至顶部，从顶部的出水管203流出。在一个实施例中，进水区204和/或出水区205的冷却水道2呈“S”型走向。

在一个实施例中，内壁103还具有扩口段107，扩口段107设于筒体1的开口处并与第一直壁段101连接，沿筒体1的底部至筒体1顶部的方向，扩口段107的内壁103和外壁104之间的距离递减；斜切面106贯穿第一直壁段101和扩口段107。

通过设置扩口段107，扩口段107的内壁103和外壁104的间距递减，能够避免内壁103和外壁104之间存在空腔，使得冷却水能够充实内壁103和外壁104之间，保证水冷屏10的上部也能被冷却到，保证对内壁103上部的冷却效果，防止过热。同时，由于从顶部向下吹入氩气，氩气一方面能够带走晶液中的杂质气体，保证晶棒的品质，另一方面，氩气能够带走晶棒的结晶潜热，而设置扩口段107还能够对氩气起到聚拢和导流的作用，减少氩气的损失，有利于提升晶棒的品质，提高散热效果。

在一个实施例中，筒体1的底部有个斜角，适于与内导流筒302的斜面相配合，筒体1底部的斜角外壁104与内导流筒302的斜面之间留有10mm左右间隙。

根据本实用新型的实施例，另一方面，还提供了一种单晶炉3，包括坩埚301以及以上技术方案中任一项的水冷屏10，坩埚301内设有内导流筒302；水冷屏设于内导流筒302中。

具体的，参照图5，单晶炉3包括坩埚301、内导流筒302、外导流筒303、主加热器304、埚邦305、托杆306、底加热器307、保温筒308。

坩埚301设于埚邦305内，埚邦305的底部和托杆306的顶部连接，托杆306起到对埚邦305和坩埚301的支撑作用。主加热器304围绕坩埚301设于坩埚301的侧边，用于对坩埚301进行加热。底加热器307设于坩埚的下方。坩埚301、内导流筒302、外导流筒303、主加热器304、埚邦305、托杆306和底加热器307均设于保温筒308，保温筒308起到保温作用。

在一个实施例中，晶液4加料至坩埚301内，由提拉装置向上拉出晶棒5。在晶棒5的提拉过程中，由水冷屏10的内壁103接收热辐射，通过冷却水冷却，以及氩气带走部分热量，实现对晶棒5的冷却。

因为单晶炉包括水冷屏10，具有水冷屏10所有的效果，能够增大轴向温度梯度，提升拉速，提高生产效率。其余效果不再赘述。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (11)

1.一种水冷屏，其特征在于，包括：

筒体(1)，设有轴向通孔，所述筒体(1)具有环绕所述轴向通孔的内壁(103)和环绕所述内壁(103)设置的外壁(104)，所述筒体(1)的内壁(103)与所述筒体(1)的外壁(104)之间留有间隙，所述筒体(1)的内壁(103)具有直壁段，所述直壁段设有若干凹凸结构(102)；

冷却水道(2)，设于所述内壁(103)和所述外壁(104)之间的间隙中。

2.根据权利要求1所述的水冷屏，其特征在于，所述直壁段包括靠近所述筒体(1)顶部的第一直壁段(101)和与所述筒体(1)底部连接的第二直壁段(105)，所述第一直壁段(101)和所述第二直壁段(105)的直径相同。

3.根据权利要求2所述的水冷屏，其特征在于，所述筒体(1)的内壁(103)设有斜切面(106)，所述斜切面(106)由所述第一直壁段(101)的底部延伸至所述筒体(1)的内壁(103)顶部，由所述第一直壁段(101)的底部至所述筒体(1)的内壁(103)顶部，所述斜切面(106)逐渐远离所述筒体(1)的轴线。

4.根据权利要求3所述的水冷屏，其特征在于，所述第一直壁段(101)和所述斜切面(106)的内壁(103)上均设有所述凹凸结构(102)。

5.根据权利要求3所述的水冷屏，其特征在于，所述斜切面(106)呈扇形，所述扇形角度为85°至95°。

6.根据权利要求3所述的水冷屏，其特征在于，所述内壁(103)还具有扩口段(107)，所述扩口段(107)设于所述筒体(1)的开口处并与所述第一直壁段(101)连接，沿所述筒体(1)的底部至所述筒体(1)顶部的方向，所述扩口段(107)的内壁和外壁之间的距离递减；所述斜切面(106)贯穿所述第一直壁段(101)和所述扩口段(107)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的水冷屏，其特征在于，所述内壁(103)和所述外壁(104)之间沿轴向间隔设有若干层导流片(201)，所述导流片(201)为沿周向环绕所述内壁(103)的弧形结构，相邻的所述导流片(201)之间形成相互连通的所述冷却水道(2)。

8.根据权利要求7所述的水冷屏，其特征在于，所述筒体(1)的顶部连接有进水管(202)和出水管(203)，所述进水管(202)、所述冷却水道(2)和所述出水管(203)连通。

9.根据权利要求8所述的水冷屏，其特征在于，所述冷却水道(2)包括进水区(204)和出水区(205)，所述进水区(204)和所述进水管(202)连通，所述出水区(205)和所述出水管(203)连通；所述进水区(204)的导流片(201)和所述出水区(205)的导流片(201)等高布置，在同一高度，所述进水区(204)的导流片(201)和所述出水区(205)的导流片(201)围成整圆。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的水冷屏，其特征在于，所述凹凸结构(102)包括设于所述筒体(1)内壁(103)上的若干凸起部和/或凹陷部。

11.一种单晶炉，其特征在于，包括：

坩埚(301)，所述坩埚(301)内设有内导流筒(302)；

权利要求1至10中任一项所述的水冷屏，所述水冷屏设于所述内导流筒(302)中。