TWI546429B - 長晶爐及其冷卻管 - Google Patents

Description

長晶爐及其冷卻管

本發明係與晶棒鑄造有關；特別是指一種長晶爐及其冷卻管。

按，長晶爐係用以將固態之原料(例如矽原料)加熱熔化成液態後，再以晶種浸入熔化之原料中並往上旋轉及提拉以進行長晶，終而製成一晶棒。一般的長晶爐，包含有一爐體，該爐體具有一爐腔，該爐腔中設有一坩堝與複數個加熱器，該坩堝供容裝待熔化之原料，該些加熱器設置於該坩堝周圍，用以對該坩堝加熱使該坩堝內的原料熔化。

在長晶的過程中，若增加爐腔的溫度梯度，使爐腔頂部的溫度處於相對較低的溫度，則當晶棒通過爐腔頂部時，將會具有較好的散熱效果，如此可增加晶棒的結晶品質。而為了增加爐腔的溫度梯度，目前現有的技術是在爐腔頂部設置一不鏽鋼的冷卻管，以帶走爐腔頂部的部分熱能，當晶棒提拉出爐腔時經過該冷卻管，以該冷卻管吸收晶棒所散出的熱能，藉以增進晶棒的結晶品質。然而，單一材質的冷卻管吸收熱能的效果有限，並無法有效地增加爐腔的溫度梯度。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種長晶爐及其冷卻管，可有效地增加長晶爐的溫度梯度。

本發明所提供之冷卻管，係應用於一長晶爐中，該冷卻管包含一第一管段與一第二管段，其中，該第一管段係以一第一吸熱材料製成，該第一管段之管壁設置有一冷卻通道，該冷卻通道供流體通過；該第二管段連接於該第一管段且以一第二吸熱材料製成，其中，該第二吸熱材料的熱放射率大於該第一吸熱材料的熱放射率。

本發明所提供之長晶爐，用以鑄造一晶棒，該長晶爐包含一下爐體、一坩堝、一加熱裝置與一上爐體，其中，該坩堝設置於該下爐體中；該加熱裝置設置於該坩堝的外圍，供加熱該坩堝；該上爐體設置於該下爐體上，該上爐體具有一冷卻管，該冷卻管位於該坩堝上方且該冷卻管的徑向係往該坩堝的方向延伸，該冷卻管供該晶棒通過；該冷卻管包括一第一管段與一第二管段，其中，該第一管段係以一第一吸熱材料製成，且該第一管段之管壁設置有一供流體通過的冷卻通道，該第二管段連接於該第一管段且以一第二吸熱材料製成，該第二吸熱材料的熱放射率大於該第一吸熱材料的熱放射率。

本發明之效果在於長晶爐中設置具有熱放射率較高的第二吸熱材料之冷卻管，可以有效地增加長晶爐之溫度梯度，進而增進晶棒結晶的品質。

〔本發明〕

10‧‧‧上爐體

12‧‧‧連接管

14‧‧‧冷卻管

16‧‧‧第一管段

162‧‧‧凸環

164‧‧‧身部

166‧‧‧冷卻通道

166a‧‧‧入口

166b‧‧‧出口

18‧‧‧第二管段

20‧‧‧下爐體

22‧‧‧爐腔

24‧‧‧坩堝

26‧‧‧加熱器

28‧‧‧遮熱罩

28a‧‧‧通道

30‧‧‧驅動裝置

32‧‧‧拉晶桿

34‧‧‧晶種

36‧‧‧晶棒

L1‧‧‧長度

L2‧‧‧總長度

40‧‧‧冷卻管

42‧‧‧第一管段

422‧‧‧第一凸環

44‧‧‧第二管段

442‧‧‧第二凸環

46‧‧‧連接件

462‧‧‧螺栓

464‧‧‧螺帽

50‧‧‧冷卻管

52‧‧‧第一管段

54‧‧‧第二管段

60‧‧‧冷卻管

62‧‧‧第一管段

64‧‧‧第二管段

圖1為本發明第一較佳實施例之長晶爐示意圖。

圖2為上述第一較佳實施例之冷卻管示意圖。

圖3為本發明第二較佳實施例之冷卻管示意圖。

圖4為本發明第三較佳實施例之冷卻管示意圖。

圖5為本發明第四較佳實施例之冷卻管示意圖。

為能更清楚地說明本創作，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如后，請參圖1與圖2所示，為本發明第一較佳實施例之長晶爐，該長晶爐包含有一上爐體10、一下爐體20、一坩堝24、複數個加熱器26、一遮熱罩28與一驅動裝置30。

該上爐體10設置於該下爐體20上，且與該下爐體20共同圍設成一爐腔22，該上爐體10具有一連接管12，該連接管12係呈直立設置且連通該爐腔22。該坩堝24設置於該下爐體20中且位於該連接管12正下方，該坩堝24供放置待熔化之原料(例如，固態的矽原料)。該些加熱器26設置於該坩堝24外圍，該些加熱器26形成一加熱裝置用以加熱該坩堝24，使該坩堝24內部之原料熔化。該遮熱罩28設置該坩堝24上方，用以防止部分熱能由熔化之原料的表面逸散，該遮熱罩28具有一通道28a供凝固的晶棒36通過。該驅動裝置30設置於該連接管12上方，該驅動裝置30用以帶動一拉晶桿32轉動及上下移動，該拉晶桿32的底端設置有一晶種34以供引晶形成晶棒36。

此外，該上爐體10另具有一冷卻管14，該冷卻管14結合於該連接管12上，且位於該連接管12的管道中而位於該坩堝24的正上方，該冷卻管14的軸向係往該坩堝24的方向延伸，且該冷卻管14部分延伸至該爐腔22中，該晶棒36係通過該冷卻管14。

請配合圖2，該冷卻管14包括一第一管段16與一第二管段18，該第一管段16位於該爐腔22外且位於該連接管12中外，該第二管段18至少一部分位於該爐腔22中，本實施例為該第二管段18整段位於該爐腔22中。該第一管段16係以一第一吸熱材料製成，本實施例中，該第一吸熱材料為不鏽鋼，當然亦可採用其它的金屬。該第一管段16之頂部具一凸環162，該凸環162的外徑大於該第一管段16之身部164的外徑，該凸環162固定於該連接管12上。該第一管段16的管壁中設置有一冷卻通道166，該冷卻通道166於該凸環162的外環面上形成有一入口166a與一出口166b，且該冷卻通道166係由該凸環162上的入口166a往身部164的底部延伸，再由身部164的底部沿著該身部之管壁以螺旋的方式由下盤旋而上至該凸環162上的出口166b。該入口166a係供注入以液體為例的流體，使流體通過冷卻通道166而自該出口166b流出，以對第一管段16進行冷卻。此外，由於第一管段16較低處的熱能通常較多，因此該冷卻通道166的一部分由下盤旋而上，可較有效地將第一管段16較低處的熱能帶走。

該第二管段18的頂端連接於該第一管段16底端，該第二管段18以一第二吸熱材料製成，該第二吸熱材料不同於該第一吸熱材料，且該第二吸熱材料的熱放射率(Emissivity)大於該第一吸熱材料的熱放射率。本實施例中，該第二吸熱材料為石墨，採用石墨的原因除了熱放射率高具有較佳的吸熱效果之外，石墨對於下方坩堝24中的矽原料亦不會造成污染而影響晶棒的品質。

本實施例中，該第二管段18的長度L1佔整個冷卻管14總長度L2的50%。實務上，該第二管段18的長度以佔整個冷卻管14總長度L2的50%~90%為佳。

請參閱下表一，為第二管段18佔整個冷卻管14總長度L2之不同比例時，溫度梯度之模擬數值。表一的溫度梯度代表固液界面至固液界面以上1mm處的溫度梯度。由表一中可明顯得知，在該第二管段18的長度佔整個冷卻管總長度L2的比例為50%以上時，溫度梯度明顯地增加。

當該晶棒36被該驅動裝置30往上拉起通過該冷卻管14時，由於石墨的熱放射率(0.85)大於不鏽鋼的熱放射率(0.45)，因此第二管段18比第一管段16更能吸收爐腔22頂部的輻射熱，以增加爐腔22中的溫度梯度。此外，由於第二管段18的熱放射率大於第一管段16的熱放射率之故，因此，晶棒36通過該冷卻管14時，晶棒36所散發出的輻射熱大部分被第二管段18的管壁所吸收再傳導至該第一管段16而被冷卻通道中的液體帶走熱能；少部分輻射熱被第一管段16的管壁所吸收而由冷卻通道166中的液體帶走熱能。

在表一中比例未到達50%時，由於第一管段16仍有部分延伸至爐腔22中，使得第二管段18較短，因此，吸熱收輻射熱的程度較少，使得溫度梯度較小。

上述中，藉由該在第一管段16增設熱放射率較大的第二管段18，可有效增加爐腔22的溫度梯度，藉此增進晶棒36的結晶品質。實務上，該冷卻管14的第一管段16亦可與該連接管12為一體之設計，同樣可以達到增加溫度梯度的效果。

以下再提供其它可行之實施例，同樣可以增加溫度梯度。

圖3所示為本發明第二較佳實施例長晶爐的冷卻管40，其結構大致相同於第一較佳實施例之冷卻管14，不同的是該冷卻管40的第一管段42的底端於徑向上向外延伸形成有一第一凸環422，第二管段44之頂端於徑向上向外延伸有一第二凸環442。該第一凸環422與該第二凸環442透過一連接件46固定而相抵接，本實施例中，該連接件46包括複數螺栓462與複數螺帽464，各該螺栓462穿過該第一凸環422與該第二凸環442，且各該螺栓之一端鎖入各該螺帽464中，藉由該些螺栓462的頭部與該些螺帽464緊逼該第一凸環442與該第二凸環442，以使該第二管段44連結於該第一管段42底端。實務上，連接件亦可採用扣合的方式使該第一管段42與該第二管段44相連。

圖4所示為本發明第三較佳實施例長晶爐的冷卻管50，與前述各實施例不同的是，本實施例的第一管段52的長度較長，且第一管段52的長度即為冷卻管50的總長度，而第二管段54係套接於該第一管段52的外環面上。

圖5所示為第四較佳實施例，其係將冷卻管60的該第二管段64設置於第一管段62的內壁上，換言之，即第一管段62套接於第二管段64的外環面上。

據上所述，本發明在長晶爐中設置具有熱放射率較高的第二吸熱材料之冷卻管，可以有效地增加長晶爐之爐腔內的溫度梯度，進而增進晶棒結晶的品質。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本創作說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本創作之專利範圍內。

10‧‧‧上爐體

12‧‧‧連接管

14‧‧‧冷卻管

16‧‧‧第一管段

18‧‧‧第二管段

20‧‧‧下爐體

22‧‧‧爐腔

24‧‧‧坩堝

26‧‧‧加熱器

28‧‧‧遮熱罩

28a‧‧‧通道

30‧‧‧驅動裝置

32‧‧‧拉晶桿

34‧‧‧晶種

36‧‧‧晶棒

Claims (12)

1. 一種冷卻管，係應用於一長晶爐中，該冷卻管包含：一第一管段，係以一第一吸熱材料製成，該第一管段之管壁設置有一冷卻通道，該冷卻通道供流體通過；以及一第二管段，連接於該第一管段且以一第二吸熱材料製成，其中，該第二吸熱材料的熱放射率大於該第一吸熱材料的熱放射率。
2. 如請求項1所述之冷卻管，其中該第二吸熱材料為石墨。
3. 如請求項1所述之冷卻管，其中該第二管段的長度佔該冷卻管總長度的50%以上。
4. 如請求項3所述之冷卻管，其中該第二管段的長度佔該冷卻管總長度至多為90%。
5. 如請求項1所述之冷卻管，其中該第二管段係連接於該第一管段的底端。
6. 一種長晶爐，用以鑄造一晶棒，該長晶爐包含一下爐體；一坩堝，設置於該下爐體中；一加熱裝置，設置於該坩堝的外圍，供加熱該坩堝；以及一上爐體，設置於該下爐體上；其特徵在於：該上爐體具有一冷卻管，該冷卻管位於該坩堝上方且該冷卻管的軸向係往該坩堝的方向延伸，該冷卻管供該晶棒通過；該冷卻管包括一第一管段與一第二管段，其中，該第一管段係以一第一吸熱材料製成，且該第一管段之管壁設置有一供流體通過的冷卻通道，該第二管段連接於該第一管段且以一第二吸熱材料製成，該第二吸熱材料的熱放射率大於該第一吸熱材料的熱放射率。
7. 如請求項6所述之長晶爐，其中該第二吸熱材料為石墨。
8. 如請求項6所述之長晶爐，其中該第二管段的長度佔該冷卻管總長度的50%以上。
9. 如請求項8所述之長晶爐，其中該第二管段的長度佔該冷卻管總長度至多為90%。
10. 如請求項6所述之長晶爐，其中該第二管段係連接於該第一管段的底端。
11. 如請求項6所述之長晶爐，其中該下爐體上與該下爐體圍設成一爐腔，該第二管段至少一部分位於該爐腔中。
12. 如請求項11所述之長晶爐，其中該第一管段位於該爐腔外。