拉晶炉的冷却装置以及拉晶炉的制作方法

1.本实用新型涉及晶体生长设备领域，具体而言涉及一种拉晶炉的冷却装置以及拉晶炉。


背景技术：

2.随着科技的发展、新电子产品的不断出现，对单晶硅的需求量增长迅速。单晶硅晶体的生长方法主要包括直拉法(简称cz法)、区熔法(简称fz 法)和外延法。直拉法、区熔法用于生长单晶硅棒材，外延法用于生长单晶硅薄膜。其中，直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池等，是目前最常见的单晶硅生长方法。
3.在使用直拉法生长电子级或光伏级硅单晶时，一般可以使用水冷管或水冷环(水冷屏)来冷却晶体，提高晶体内部的温度梯度，以控制晶体的质量和实现较高的提拉速度(图1)。例如，日本专利申请jp 2004
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524256 a所公开的方案中，在晶体的外周，设置长晶后冷却装置以提高晶体生长速度1.3～2.2倍，并在轴方向获得均一质量的硅单晶。再例如，中国专利申请cn200958129y所公开的方案中，可移动热屏和固定的水冷套显著改善了热场的纵向温度梯度，使得单晶生长速度提高了15％～20％，电源消耗功率降低了25％～30％。即上述这两种方法采用了延长水冷管的长度或者移动水冷管的位置，来使得所述水冷管的高度接近硅熔体液面，从而提高晶体的冷却效率。
4.但是延长的水冷管或者移动水冷管的位置会对晶体生长界面的观察视角造成干扰，而且处于安全上的考虑，所述水冷管需要远离高温熔体，因此会对水冷管降低的位置有很大的限制。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种拉晶炉的冷却装置以及拉晶炉，以提高冷却液的换热效率，降低晶体的温度以增加晶体的温度梯度。
6.为了实现上述目的以及其他相关目的，本实用新型提供了一种拉晶炉的冷却装置，包括至少一个具有中空结构的管道，所述中空结构中容纳有冷却液，所述管道位于拉晶炉的腔室中，所述管道的管壁上形成有多个凸起和/或多个凹陷。
7.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述冷却装置包括水冷管、水冷环和/或水冷屏，其中所述水冷管固定在所述拉晶炉炉盖上，所述水冷环和水冷屏设置在所述拉晶炉中生长出的晶体的周围。
8.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述管道的内壁和/或外壁上形成有所述凸起和/或所述凹陷。
9.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述管壁上的所有的所述凸起和/或所述凹陷的形状包括规则形状或不规则形状。
10.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述管壁上的所述凸起和/或凹陷在所述管壁上形成以下结构中的至少一种：沿所述管道周向设置的螺纹、沿管道长度方向延伸的
条纹、圆形凸包或圆形凹槽。
11.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述凸起的高度为 0.2mm～2mm；所述凹陷的深度为0.2mm～2mm。
12.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述螺纹的螺纹方向与所述管道的延伸方向之间存在5度～10度的夹角。
13.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述管道的至少部分外壁上还覆盖有吸热层。
14.可选的，在所述的拉晶炉的冷却装置中，所述吸热层的材料为管壁表面氧化的产物、特氟龙涂料或者电镀镍。
15.为了实现上述目的以及其他相关目的，本实用新型还提供了一种拉晶炉，包括：腔室、位于所述腔室底部的坩埚、位于所述坩埚外侧的加热装置以及位于坩埚上方的上述所述的冷却装置。
16.综上所述，本实用新型提供了一种拉晶炉的冷却装置和拉晶炉，其中所述拉晶炉的冷却装置包括至少一个具有中空结构的管道，所述中空结构中容纳有冷却液，所述管道位于拉晶炉的腔室中，所述管道的管壁上形成有多个凸起和/或多个凹陷。即所述冷却装置通过在管壁上形成凸起和/或凹陷，增加了换热面积，从而提高了冷却液的换热效率，降低了晶体的温度以及增加了晶体的温度梯度，因此晶体的生长速度也得以提高。而且，所述冷却装置的长度和位置并不需要发生变化，因此并不会对晶体生长界面的观察视角造成干扰，也不需要考虑水冷管降低的位置。
附图说明
17.图1是一种拉晶炉的结构示意图；
18.图2和图3是图1中的拉晶炉的冷却装置的结构示意图；
19.图4和图5是本实用新型一实施例中管壁上具有凹陷的拉晶炉的冷却装置的结构示意图；
20.图6和图7是本实用新型一实施例中管壁上具有吸热层的拉晶炉的冷却装置的结构示意图；
21.其中，图1～图3中：
22.01
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腔室，02
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坩埚，03
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加热装置，04
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反射屏，05
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冷却装置，051
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水冷管，052
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水冷环，06
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硅单晶，07
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硅熔体，08
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冷却液；
23.图4和图5中：
24.501
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水冷管的管壁，5011
‑
水冷管的凹陷，502
‑
水冷管的吸热层，511
‑ꢀ
水冷环的管壁，5111
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水冷环的凹陷，512
‑
水冷环的吸热层，80
‑
冷却液。
具体实施方式
25.以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的拉晶炉的冷却装置和拉晶炉作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
26.现有的大部分的硅单晶都采用直拉法在拉晶炉内生长，所述拉晶炉的结构如图1所示，其包括腔室01、位于所述腔室01底部的坩埚02、位于所述坩埚02外侧的加热装置03以及位于坩埚02上方的冷却装置05和反射屏04。所述坩埚02、加热装置03、冷却装置05和反射屏04均位于所述腔室01内，且所述冷却装置05包括水冷管051和/或者水冷环052。所述硅单晶06的生长过程如下：首先，将高纯度的多晶硅按一定要求装入坩埚02(例如石英坩埚)内；其次，通过加热装置03(例如加热器)加热坩埚02，将其中的多晶硅熔化形成硅熔体07；然后，将所述硅熔体07略微降温，给予一定的过冷度，待所述硅熔体07静定后，把一根特制的标准硅单晶体(通常叫籽晶)与所述硅熔体07接触进行引晶，引晶到适当长度后开始放肩(晶棒直径变大)，稍后即开始转肩，随后即进入等径生长阶段，这一阶段持续时间可以很长，视拉晶的长度而定，达到设计要求的长度后即可收尾，收尾完毕后晶棒冷却，取出单晶体，即完成一次拉晶。
27.在使用直拉法生长电子级或光伏级硅单晶时，一般可以使用水冷管或水冷环(水冷屏)来冷却晶体，提高晶体内部的温度梯度，以控制晶体的质量和实现较高的提拉速度。而所述冷水管和冷水环的结构参阅图2和图 3，所述冷水管051和冷水环052的管壁为不锈钢材料，且其中间的中空结构通入冷却液08，例如冷却水。为了进一步提高对晶体的冷却效率，可以采用延长水冷管的长度或者移动水冷管的位置的方法，以使得所述水冷管的高度接近硅熔体液面。但是延长的水冷管会对晶体生长界面的观察视角造成干扰，而且处于安全上的考虑，所述水冷管需要远离高温熔体，因此会对水冷管降低的位置有很大的限制。
28.因此，为了在提高晶体的冷却效率的同时，不会对晶体生长界面的观察视角造成干扰，也不受水冷管降低的位置的限制，本实用新型提供了一种拉晶炉的冷却装置。
29.所述拉晶炉的冷却装置包括至少一个具有中空结构的管道，所述中空结构中容纳有冷却液，所述管道位于拉晶炉的腔室中，所述管道的管壁上形成有多个凸起和/或多个凹陷。
30.所述管道可以包括水冷管、水冷环和/或水冷屏，其中所述水冷管固定在所述拉晶炉炉盖上，所述水冷环和水冷屏设置在晶体的周围，而且晶体周围自下而上相间隔的层叠多层水冷环和/或水冷屏，请结合图1。所述管道的管壁材料可以为不锈钢材料，也可以为双层复合材料，例如不锈钢材料与金属材料形成的双层复合材料。
31.所述管道的内壁和/或外壁上形成有所述凸起和/或凹陷。所述管道的内壁上形成有凸起和/或凹陷，可以增加管壁与冷却液的接触面积，管壁传递的热量也能够更充分的与所述冷却液接触，进行能量交换，从而提高冷却液的换热效率，降低晶体的温度以增加晶体的温度梯度。而且所述内壁上的凸起和/或凹陷有可能会造成冷却液的湍流现象，进一步增加了换热效率。所述外壁上形成有凸起和/或凹陷，则增加了外壁与拉晶炉腔室内的热量的接触面积，增加了吸热效果，因此也能提高冷却液的换热效率。
32.所述凸起和/或凹陷的延伸方向长度小于或者等于所述管道的长度，且所述凸起和/或凹陷包括规则形状和不规则形状，即所述凸起和/或凹陷的任意形状均可以增加换热面积。优选的，所述管壁上的所述凸起和/或凹陷在所述管壁上形成以下结构中的至少一种：沿所述管道周向设置的螺纹、沿管道长度方向延伸的条纹、圆形凸包或圆形凹槽。为了形成冷却液的湍流，所述凸起的高度为0.2mm～2mm；所述凹陷的深度为0.2mm～2mm。例如，所述凸起和/或凹陷在所述管壁上形成的结构为螺纹，为了形成冷却液的湍流，所述螺纹的
高度优选为0.2mm～2mm，且所述螺纹的螺纹方向与所述管道的延伸方向(即冷却液的流动方向)之间存在5度～10度的夹角。参阅图4，所述冷水管的管壁501上形成有凹陷5011，即与冷却液80接触的水冷管的内壁上形成有凹陷5011。图5中，所述冷水环的管壁511上形成有凹陷5111，即与冷却液80接触的水冷环的的内壁上形成有凹陷5111。
33.所述管壁上的凸起和凹陷的加工方法优选为辊轧的方法，所述辊轧的方法是使用一组连续机架来把不锈钢或者双层复合材料轧成复杂形状。每个机架的辊型可连续使金属变形，直到获得所需的最终形状。
34.所述管道的至少部分外壁上还可以覆盖有吸热层，即所述管道的外壁可以全部覆盖吸热层，也可以部分覆盖吸热层，以增加热辐射的吸收系数 (降低热反射率)，即增加冷却装置的吸热效果。参阅图6，在水冷管的管壁501的外壁上形成水冷管的吸热层502。参阅图7，在水冷环的管壁 511的外壁上形成水冷环的吸热层512。所述吸热层的厚度与形成吸热层的方法有关，可以在数μm到数十μm的范围内。所述吸热层的材料优选为管壁表面氧化的产物、特氟龙涂料或者电镀镍。所述管壁的材料为双层复合材料时，所述管壁表面氧化的产物即为双层复合材料表面氧化的产物，可以是氧化铝、氧化铜或者氧化铁。可以采用黑色涂层处理的方法形成吸热层。所述黑色涂层处理的方法包括表面氧化发黑处理、特氟龙涂层处理或者镍冷镀处理等。所述表面氧化发黑处理是化学表面处理的一种常用手段，原理是使金属表面产生一层氧化膜。所述镍冷镀处理则是将经过了除油、除锈，呈现出无污、浸润的工件挂入专门的电镀槽里的阴极上，阳极用镍，然后接通直流电源，阳极上的镍离子向阴极迁移，并在阴极上放电，使工件镀上一层镍层的方法。
35.综上所述，本实用新型提供的拉晶炉的冷却装置，通过在管壁上形成凸起和/或凹陷，增加了换热面积，而且还能够形成冷却液的湍流现象，从而提高了冷却液的换热效率，降低了晶体的温度以及增加了晶体的温度梯度，因此晶体的生长速度也得以提高。而且，所述冷却装置的长度和位置并不需要发生变化，因此并不会对晶体生长界面的观察视角造成干扰，也不需要考虑水冷管降低的位置。
36.本实用新型还提供了一种拉晶炉，包括：腔室、位于所述腔室底部的坩埚、位于所述坩埚外侧的加热装置以及位于坩埚上方的上述所述的冷却装置。所述坩埚用于盛放多晶硅，所述加热装置用于加热所述坩埚，并将所述多晶硅融化形成硅熔体，所述冷却装置用于冷却所述硅熔体以及形成的单晶体。
37.由于所述冷却装置能够在提高晶体的生长速度的同时，不会对晶体生长界面的观察视角造成干扰，也不受限于冷却装置降低的位置，因此具有该冷却装置的拉晶炉也具有上述优点。
38.上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。