CN220952185U - 一种单晶炉用液冷结构及单晶炉 - Google Patents

一种单晶炉用液冷结构及单晶炉 Download PDF

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CN220952185U CN202322392817.5U CN202322392817U CN220952185U CN 220952185 U CN220952185 U CN 220952185U CN 202322392817 U CN202322392817 U CN 202322392817U CN 220952185 U CN220952185 U CN 220952185U
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王林
张文霞
郭谦
康学兵
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Inner Mongolia Zhonghuan Crystal Materials Co Ltd
TCL Zhonghuan Renewable Energy Technology Co Ltd
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Inner Mongolia Zhonghuan Crystal Materials Co Ltd
TCL Zhonghuan Renewable Energy Technology Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种单晶炉用液冷结构及单晶炉,属于单晶炉技术领域,包括:筒体,筒体具有相对设置的外壁和内壁,外壁和内壁之间形成有液冷腔;筒体内设有通道,内壁朝向通道;进气管,进气管穿设于液冷腔内;吹扫件,吹扫件和内壁连接,吹扫件内设有汇流腔,汇流腔和进气管连通;吹扫件上开设有吹气孔,吹气孔朝向通道设置。本申请通过筒体内液冷腔与通道直接换热实现有效散热,通过吹扫件直接将气体直接输送至通道内单晶生长界面和熔体表面,促进气体与单晶炉内物质反应,减少气体在通道上方聚集,提高气体的利用率及使用效率。

Description

一种单晶炉用液冷结构及单晶炉
技术领域
本申请属于单晶炉技术领域,具体涉及一种单晶炉用液冷结构及单晶炉。
背景技术
直拉法(Czochralski method)是生产单晶硅的主要方法,全球70%~80%的单晶硅通过直拉法生产。最常用的直拉法生产单晶硅工艺是采用即像真空工艺又像流动气氛工艺的减压拉晶工艺;减压工艺是在硅单晶拉制过程中,连续等速地向单晶炉炉膛内通入高纯度氩气,同时真空泵不断地从炉膛向外抽送氩气,保持炉膛内一定真空度,这种工艺既有真空工艺的特点,又有流动气氛工艺的特点。单晶硅生长速度受结晶界面附近的晶体的纵向温度梯度影响较大,结晶界面附近的晶体温度梯度越大,单晶硅生长越快。而硅由液态转化为固态会释放大量热,因此需要对单晶硅结晶界面进行有效散热。
实用新型内容
实用新型目的:本申请实施例提供一种单晶炉用液冷结构,旨在解决硅单晶拉制过程中单晶结晶界面有效散热的问题;本申请的另一目的在于提供一种使用上述液冷结构的单晶炉。
技术方案:本申请的一种单晶炉用液冷结构,包括:
筒体,所述筒体具有相对设置的外壁和内壁,所述外壁和所述内壁之间形成有液冷腔;所述筒体内设有通道,所述内壁朝向所述通道;
进气管,所述进气管穿设于所述液冷腔内;
吹扫件,所述吹扫件和所述内壁连接,所述吹扫件内设有汇流腔,所述汇流腔和所述进气管连通;所述吹扫件上开设有吹气孔,所述吹气孔朝向所述通道设置。
在一些实施例中,所述吹扫件绕所述筒体的轴线周向围设在所述内壁上;
所述吹气孔设有多个,且多个所述吹气孔绕所述筒体的轴线周向设置在所述吹扫件上;
和/或,所述吹气孔的数量为N,所述吹扫件背离所述内壁一侧绕所述筒体轴线的周长为W mm,所述吹气孔的直径为d mm,满足:N=W/d;
和/或,满足N≥3。
在一些实施例中,所述进气管设有多根,多根所述进气管与所述吹扫件分别连通;
和/或,多根所述进气管绕所述筒体的轴线周向依次设置在所述液冷腔内。
在一些实施例中,所述吹扫件设有多个;
多个所述吹扫件与所述内壁分别连接;
和/或,多个所述吹扫件沿所述筒体的轴线方向依次设置在所述内壁上。
在一些实施例中,所述筒体沿自身轴线方向具有相对设置的两端面,所述吹气孔的孔心与任一所述端面的间距为M mm,所述吹气孔的直径为d mm,满足M≥d/2。
在一些实施例中,所述进气管与所述吹扫件之间设有多根分流管,所述分流管连通所述进气管和所述汇流腔,且多根所述分流管与所述吹扫件的连通端绕所述筒体的轴线周向依次设置。
在一些实施例中,所述通道沿所述筒体的轴线方向的一端为晶棒导入端,所述吹气孔的吹气方向垂直于所述筒体的轴线方向;
或,所述吹气孔朝向所述晶棒导入端;
和/或,所述筒体沿自身轴线方向的筒长为L mm,所述吹扫件与所述晶棒导入端的距离为T mm,满足T≤L/2。
在一些实施例中,所述筒体开设有进液口和出液口,所述进液口和所述出液口绕所述筒体的轴线设置。
在一些实施例中,所述吹扫件包括环管,所述环管沿所述液冷结构的周向设置且贴合所述内壁,所述环管内形成有所述汇流腔,且所述吹气孔设置在所述环管背离所述内壁的一侧;
或,所述内壁朝向所述通道的一侧绕所述筒体的轴线周向开设有环槽,所述吹扫件包括密封环,所述密封环嵌设在所述环槽内;所述密封环密封所述环槽,以与所述环槽围成所述汇流腔;所述吹气孔设置在所述密封环上。
本申请还提供一种单晶炉,包括上述的单晶炉用液冷结构。
有益效果:与现有技术相比,本申请实施例包括筒体、进气管和吹扫件,筒体具有相对设置的外壁和内壁,外壁和内壁之间形成有液冷腔;筒体内设有通道,内壁朝向通道;进气管穿设于液冷腔内;吹扫件和内壁连接,吹扫件内设有汇流腔,汇流腔和进气管连通;吹扫件上开设有吹气孔,吹气孔朝向通道设置。通过筒体内液冷腔与通道换热实现有效散热,吹气孔朝向通道设置,通过吹扫件直接将气体直接输送至通道内单晶生长界面和熔体表面,相较于气体直接由通道一端导入,减少气体在通道上方聚集。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域技术人员来讲,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是本申请实施例1单晶炉用液冷结构的结构示意图;
图2是本申请实施例1单晶炉用液冷结构正对筒体顶面的结构示意图;
图3是图2中筒体沿A-A线的剖视结构示意图;
图4是图3中B区域的局部放大结构示意图;
图5是本申请实施例2单晶炉用液冷结构的结构示意图;
图6是本申请实施例3单晶炉用液冷结构的结构示意图;
图7是本申请实施例3单晶炉用液冷结构正对筒体顶面的结构示意图;
图8是图7中筒体沿C-C线的剖视结构示意图;
图9是图8中D区域的局部放大结构示意图;
图10是本申请实施例4单晶炉用液冷结构的结构示意图;
图11是本申请实施例4单晶炉用液冷结构正对筒体顶面的结构示意图;
图12是图11中筒体沿E-E线的剖视结构示意图;
图13是本申请实施例5单晶炉用液冷结构的结构示意图;
图14是本申请实施例5单晶炉用液冷结构正对筒体侧面的结构示意图;
图15是图14中筒体沿F-F线的剖视结构示意图;
图16是图14中筒体沿F-F线的剖视另一视角结构示意图;
图17是图15中G区域的局部放大结构示意图;
图18是本申请实施例6单晶炉用液冷结构的结构示意图;
图19是本申请实施例6单晶炉用液冷结构正对筒体顶面的结构示意图;
图20是图19中筒体沿H-H线的剖视结构示意图;
图21是图20中I区域的局部放大结构示意图;
附图标记:1、筒体;10、外壁;11、内壁;110、环槽;12、液冷腔;13、通道;130、晶棒导入端;2、进气管;20、分流管;3、进液口;30、进液管;4、出液口;40、出液管;5、吹扫件;50、汇流腔;51、吹气孔;52、环管;53、密封环。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中,需要理解的是,在本申请的描述中,需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述,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申请的限制。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特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,至少一个指可以为一个、两个或者两个以上,除非另有明确具体的限定。
申请人注意到,单晶硅晶棒中氧的主要来源是石英坩埚与硅原料反应产生SiO融入。在1400℃高温下,硅熔体和石英坩埚进行化学反应:
Si+SiO2→2SiO SiO→Si+O;
在高温中,大部分的SiO由熔体自由表面挥发,而在固液界面前端扩散边界层的SiO分解后氧原子会由偏析现象进入晶棒中;晶体表面或界面最大的缺陷就是含有大量的悬挂键,这些悬挂键可以形成表面态或界面态,从而引入复合中心,降低少数载流子的寿命。
需要说明的是,在氩气中拉制的单晶硅中氧含量可达1017atoms/cm3至1018atoms/cm3,大部分以间隙状态溶解在晶体中,并形成非电活性的SiO2群体,硅中的氧含量是用红外吸收的方式进行测量,由于SiO2群Si—O键振动,在红外光波长为8.8μm(1135.90cm-1)处产生较强的吸收带。
单晶硅经400℃的热处理会出现电活性的热施主效应,热施主浓度与Si内间隙氧浓度的3次幂成正比,即n∝N3。热施主效应与单晶硅生长的历史和氧含量有密切关系。由于热施主效应的存在使得N型样品电阻率下降和P型样品电阻率增加,而这些性质的变化影响硅片径向电阻率的均匀度,对电子器件的生产有着重要的影响,实验经400~780℃的热处理,溶解氧的8.8μm吸收峰会随温度增加而减弱,用透射电镜可观察到直径为60nm左右的沉淀物,其直径会随热处理温度的增加而变大,当温度超过870℃时,沉淀物直径为100~200nm;当温度达到930℃时,沉淀物直径为250nm;当温度上升至1000℃时,这些沉淀物呈片状,直径可达400nm;而温度高于1200℃以后,沉淀物会重新溶解,而氧沉淀会对单晶硅的机械强度有一定的破坏作用,如果在后期制作的过程中,出现大量的氧杂质沉淀,就会导致硅片的翘氧,同时也会造成大量的二次缺陷状况,并在一定程度上影响到电池的性能。
有鉴于此,本申请实施例公开了一种单晶炉用液冷结构。
实施例1:
参照图1至图4,单晶炉用液冷结构包括筒体1、进气管2和吹扫件5。其中,筒体1具有相对设置的外壁10和内壁11,外壁10和内壁11之间形成有液冷腔12,筒体1的顶端开设有进液口3和出液口4,以朝向液冷腔12内导入冷却液体及排出冷却液体,为便于外接管路,筒体1的进液口3端连接有进液管30、出液口4端连接有出液管40;筒体1内设有通道13,内壁11朝向通道13,通道13供晶棒伸入并进行换热冷却。
本实施例中,筒体1包括上下两部分,筒体1的上部分平行于自身轴线向下延伸,筒体1的下部分倾斜朝向自身轴线延伸,倾斜角度可设为20°。
进气管2由筒体1的顶端穿设于液冷腔12内,吹扫件5和内壁11连接,吹扫件5内设有汇流腔50,汇流腔50和进气管2连通,本实施例中进气管2设置有两根,两进气管2绕筒体1的轴线间隔180°分布并分别连通吹扫件5。在其他实施例中,也可根据需要增减进气管2数量,设置的多根进气管2同样绕筒体1的轴线周向分布。
吹扫件5在本实施例中设置为在内壁11上凸起的环管52,即汇流腔50形成于环管52内。吹扫件5绕筒体1的轴线周向围设在内壁11上,且吹扫件5布置在筒体1轴线方向的中部靠下位置,吹扫件5的横截面形状不作限制,本实施例优选为半圆形。吹扫件5朝向通道13的侧壁开设有吹气孔51,吹气孔51设有多个,多个吹气孔51绕筒体1的轴线周向设置在吹扫件5上。在其他实施例中,吹扫件5也可以是半围设、多段式绕设在内壁11上,多段式吹扫件5一一对应多进气管2,在此不作赘述,吹气孔51的数量作适应性设置,本实施例中,设吹气孔51的数量为N,满足N≥3。可以理解的是,随着吹气孔51适应性增加并均匀性分布后,吹扫件5朝向通道13内的吹气效果更加均匀,吹气效率更高。
具体的,参照图3和图4,本实施例中,设吹扫件5背离内壁11一侧绕筒体1轴线的周长为W mm,吹气孔51的直径为d mm,满足:N=W/d,1mm≤d≤20mm。
在一些实施例中,d可以为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm中的任意一者或者任意两者组成的范围值。
进液管30和出液管40绕筒体1的轴线依次设置。
参照图1,本实施例中进液口3和出液口4绕筒体1的轴线间隔180°,且进液口3和出液口4均与两根进气管2绕筒体1的轴线间隔90°。冷却液由进液口3进入液冷腔12后,需要绕筒体1轴线周向流动至出液口4,有利于冷却液充分接触筒体1内壁11,保证循环冷却液的充分换热。
参照图3,本实施例中通道13位于筒体1底端的一端为晶棒导入端130,筒体1沿自身轴线方向的筒长为L mm,吹扫件5与晶棒导入端130的距离为T mm,满足T≤L/2。吹扫件5置于筒体1的下半部分,旨在增强气体的使用效率,避免气体集中在通道13上部。
实施例1的实施原理为:将冷却液体由进液管30导入液冷腔12内,晶棒伸入通道13内进行生长时,液冷腔12内的冷却液体通过内壁11与通道13内进行换热,从而达到散热的效果,同时,向进气管2导入反应气体,反应气体由吹扫件5及各吹气孔51直接吹扫至晶棒生长界面,反应气体本实施例中采用含氢气体,促进气体与晶棒表面反应,由于氢气的密度小于空气,若直接由通道13上端导入气体,氢气会聚集在通道13上方,难以下探与晶棒接触反应,因此本实施例有利于减少反应气体在通道13上方聚集,有利于提高气体的利用率及使用效率,降低单晶氧含量,节省氢气使用量,降低生产成本。
实施例2:
参照图5,本实施例与实施例1的不同之处在于:进液口3和出液口4可分别设置在一进气管2的一侧,即满足进液口3和出液口4绕筒体1轴线间隔180°即可。
实施例2的实施原理为:进液口3和出液口4供冷却液体在液冷腔12内顺利循环,保证绕筒体1内壁11充分换热的基础上,进液管30和出液管40的连接位置可根据需要灵活布置,提高筒体1安装及管路连接的灵活适应性。
实施例3:
参照图6至图9,本实施例与实施例1的不同之处在于:吹扫件5设置在靠近筒体1底端的位置,设吹气孔51的孔心与筒体1底端面的间距为M mm,吹气孔51的直径为d mm,满足M≥d/2。
同时,吹气孔51的吹气方向可朝向通道13内任意方向,参照图9,本实施例中吹扫气体为含氢气体或其他密度小于空气的反应气体时,吹气孔51的吹气方向优选为垂直于筒体1轴线方向或朝向晶棒导入端130,即图9中a°所示的范围,本实施例中以吹气孔51的吹气方向垂直于筒体1的轴线方向为例。
可以理解的是,吹气孔51的吹气方向并不一定要与筒体1轴线相交,吹气孔51的吹气方向可随吹扫件5围设的方向倾斜设置,在实际生产中如晶棒进行旋转,吹气孔51的吹气方向可与晶棒旋转方向近似。
实施例3的实施原理为:吹扫件5及吹气孔51始终位于通道13内部,在吹扫含氢气体时,保证含氢气体朝向通道13下部吹送至晶棒生长表面,有利于减少氢气部分上升而无法充分利用,吹气孔51的吹气方向契合晶棒的旋转方向,有利于避免单晶硅生长过程中由于吹扫产生晃动,提高单晶硅生长的质量。
实施例4:
参照图10至图12,本实施例与实施例1的不同之处在于:吹扫件5设有多个,多个吹扫件5与内壁11分别连接,进气管2沿自身延伸方向依次连通多个吹扫件5。在其他实施中,也可布置多组进气管2一一对应多个吹扫件5,即每两根进气管2为一组,一组进气管2连接吹扫件5,此时每个吹扫件5具有单独的通气回路(图中未示出)。多个吹扫件5保证可朝向通道13内吹扫气体即可,本实施例中,多个吹扫件5沿筒体1的轴线方向依次均匀设置在内壁11上。位于最上方的吹扫件5可不必满足必须处于筒体1轴向下半部分的限制,如吹扫的气体密度大于空气时,气体在通道13内的流动趋势向下。
实施例4的实施原理为:多个吹扫件5扩大了气体吹扫的覆盖面,有利于充分使晶棒与气体反应,提高晶棒的还原反应效率,降低单晶的氧含量,提高单晶硅产品质量,若多个吹扫件5均为独立的通气回路,有利于保证气体的有效输入。
实施例5:
参照图13至图17,本实施例与实施例1的不同之处在于:进气管2与吹扫件5之间设有多根分流管20,本实施例中以每根进气管2连接两根分流管20为例,分流管20连通进气管2和对应汇流腔50,且多根分流管20与吹扫件5的连通端绕筒体1的轴线周向依次设置。在其他实施例中,可根据需要增设更多分流管20。
可以理解的是,在设置分流管20朝向汇流腔50内的吹气方向时,可将连接同一进气管2的两个分流管20的吹气方向分别朝向汇流腔50延伸方向的相背方向,此时连接同一进气管2的两分流管20分别绕顺时针和逆时针向吹扫件5另一侧延伸(图中未示出)。
实施例5的实施原理为:多分流管20有利于提高气体均匀分布汇流腔50的效率,其连接同一进气管2的两分流管20吹气方向相背后,降低相互之间对冲影响造成气体输入效率的降低,多分流管20绕汇流腔50周向分布导入气体,提高各个吹气孔51吹气的同步性,提高后续晶棒与气体反应的均匀性。
实施例6:
参照图18至图21,本实施例与实施例1的不同之处在于:吹扫件5包括密封环53,内壁11朝向通道13的一侧绕筒体1的轴线周向开设有环槽110,密封环53嵌设在环槽110内并密封环槽110,密封环53可采用焊接的方式与内壁11连接以实现密封环槽110。密封环53背离环槽110的一侧与内壁11相齐平,密封环53与环槽110围成汇流腔50,多个吹气孔51绕密封环53的周向依次均匀设置在密封环53上。
实施例6的实施原理为:通过在筒体1内壁11开设环槽110,并通过密封环53密封环槽110的开口,使密封环53与内壁11齐平,相较于环管52避免了在内壁11凸起,在部分径向尺寸较大的晶棒导入通道13内时,降低与晶棒干涉的风险,同时,在制造工艺上更易于定位密封环53的安装位置,装配更加便捷。
本申请实施例还提供一种单晶炉,包括上述的单晶炉用液冷结构。可以理解的是,该单晶炉可以具有上述单晶炉用冷却结构的所有技术特征和技术效果,在此不再赘述。
以上对本申请实施例所提供的一种单晶炉用液冷结构及单晶炉进行了详细介绍,并应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想;本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种单晶炉用液冷结构,其特征在于,包括:
筒体(1),所述筒体(1)具有相对设置的外壁(10)和内壁(11),所述外壁(10)和所述内壁(11)之间形成有液冷腔(12);所述筒体(1)内设有通道(13),所述内壁(11)朝向所述通道(13);
进气管(2),所述进气管(2)穿设于所述液冷腔(12)内;
吹扫件(5),所述吹扫件(5)和所述内壁(11)连接,所述吹扫件(5)内设有汇流腔(50),所述汇流腔(50)和所述进气管(2)连通;所述吹扫件(5)上开设有吹气孔(51),所述吹气孔(51)朝向所述通道(13)设置。
2.根据权利要求1所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述吹扫件(5)绕所述筒体(1)的轴线周向围设在所述内壁(11)上;
所述吹气孔(51)设有多个,且多个所述吹气孔(51)绕所述筒体(1)的轴线周向设置在所述吹扫件(5)上;
和/或,所述吹气孔(51)的数量为N,所述吹扫件(5)背离所述内壁(11)一侧绕所述筒体(1)轴线的周长为W mm,所述吹气孔(51)的直径为d mm,满足:N=W/d;
和/或,满足N≥3。
3.根据权利要求1所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述进气管(2)设有多根,多根所述进气管(2)与所述吹扫件(5)分别连通;
和/或,多根所述进气管(2)绕所述筒体(1)的轴线周向依次设置在所述液冷腔(12)内。
4.根据权利要求1所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述吹扫件(5)设有多个;
多个所述吹扫件(5)与所述内壁(11)分别连接;
和/或,多个所述吹扫件(5)沿所述筒体(1)的轴线方向依次设置在所述内壁(11)上。
5.根据权利要求1所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述筒体(1)沿自身轴线方向具有相对设置的两端面,所述吹气孔(51)的孔心与任一所述端面的间距为M mm,所述吹气孔(51)的直径为d mm,满足M≥d/2。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述进气管(2)与所述吹扫件(5)之间设有多根分流管(20),所述分流管(20)连通所述进气管(2)和所述汇流腔(50),且多根所述分流管(20)与所述吹扫件(5)的连通端绕所述筒体(1)的轴线周向依次设置。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述通道(13)沿所述筒体(1)的轴线方向的一端为晶棒导入端(130);
所述吹气孔(51)的吹气方向垂直于所述筒体(1)的轴线方向;
或,所述吹气孔(51)朝向所述晶棒导入端(130);
和/或,所述筒体(1)沿自身轴线方向的筒长为L mm,所述吹扫件(5)与所述晶棒导入端(130)的距离为T mm,满足T≤L/2。
8.根据权利要求1所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述筒体(1)开设有进液口(3)和出液口(4),所述进液口(3)和所述出液口(4)绕所述筒体(1)的轴线设置。
9.根据权利要求1所述的单晶炉用液冷结构,其特征在于,所述吹扫件(5)包括环管(52),所述环管(52)沿所述液冷结构的周向设置且贴合所述内壁(11),所述环管(52)内形成有所述汇流腔(50),且所述吹气孔(51)设置在所述环管(52)背离所述内壁(11)的一侧;
或,所述内壁(11)朝向所述通道(13)的一侧绕所述筒体(1)的轴线周向开设有环槽(110),所述吹扫件(5)包括密封环(53),所述密封环(53)嵌设在所述环槽(110)内;所述密封环(53)密封所述环槽(110),以与所述环槽(110)围成所述汇流腔(50);所述吹气孔(51)设置在所述密封环(53)上。
10.一种单晶炉,其特征在于,包括如权利要求1至9中任意一项所述的单晶炉用液冷结构。
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