单晶炉的制作方法

1.本实用新型涉及单晶炉制造领域，尤其涉及一种单晶炉。


背景技术：

2.我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业最快的。其中，单晶硅制备更是我们主要研究的方向之一。单晶硅是硅的单晶体，是具有基本完整的点阵结构的晶体，不同的方向具有不同的性质，能导电，但导电率不及金属，且其导电率随着温度的升高而增加，是一种良好的半导体材料，用于制造半导体器件、太阳能电池等。
3.单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法(cz)、区熔法(fz)和外延法，直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。虽然区熔法与直拉法很相似，甚至制造出的单晶硅棒也很相像，但是区熔法有其特有的问题，如硅棒的预热、熔接等问题，因此，目前太阳能用的单晶硅主要是通过直拉法制得的，其中，单晶硅生长速度受结晶界面附近晶体的纵向温度梯度影响很大，且梯度越大，单晶硅生长越快。因此要增大结晶界面附件晶体的纵向温度梯度，就要让晶体快速散热，特别是要做到结晶界面附近晶体的快速散热。现有技术主要在单晶炉内增加水冷热屏来使晶体快速散热，其中水冷热屏安置在导流筒内部，且水冷热屏越接近石英坩埚液面，越能使结晶界面附近晶体快速散热，但当水冷热屏太接近熔液液面或者与硅液发生接触时，水冷热屏容易被硅液熔穿，进而导致冷却水与高温硅液接触发生爆炸，造成严重的安全事故。因此，在目前单晶拉制生产过程中，为了安全，水冷热屏下沿距导流筒下沿的距离一般为40～70mm。另外，由于水冷热屏与导流筒中间还存有缝隙，在氩气通过时容易产生乱流，也会对晶体生长造成不利影响。因此，现在急需一种新型单晶炉来解决上述问题。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题，本技术提供了一种单晶炉，该单晶炉中在水冷热屏内壁面设置导热环，该导热环可以间接延长水冷热屏，增大晶体的纵向温度梯度，进而使单晶硅快速生长。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：
6.本实用新型提供了一种单晶炉，包括导流筒、以及设置在所述导流筒内部的水冷热屏，所述单晶炉还包括导热环，所述导热环包括与水冷热屏同轴设置的导热环本体，所述导热环本体与所述水冷热屏的内壁面连接，所述导热环本体底缘向下延伸至与导流筒底缘同一水平高度。
7.进一步地，所述导热环本体与所述水冷热屏的接触面宽度为5～180mm。
8.进一步地，所述导热环本体底缘的外径等于所述导流筒底缘的内径。
9.进一步地，所述导热环本体外壁设有限位结构，所述限位结构用以挡住所述水冷热屏和所述导流筒间的缝隙。
10.进一步地，所述导热环本体与所述导流筒下部内壁面接触。
11.进一步地，所述导热环本体下端开设有观察孔。
12.进一步地，所述观察孔有两个，两个所述观察孔中心线的夹角为60～120
°
。
13.进一步地，所述观察孔的宽度为20～80mm。
14.进一步地，所述观察孔的长度为5
‑
50mm。
15.本技术的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
16.本实用新型所示的导热环主体的底缘延伸至与导流筒底缘同一水平高度，距离硅液更近，同时，由于导热环本体上部外壁与水冷热屏面接触，整体温度较低，因此，相对于现有技术来说，本实用新型进一步增大了硅晶结晶界面附近晶体的纵向温度梯度，从而加速了单晶硅的生长。
附图说明
17.此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
18.图1是本实用新型一个实施例提供的导热环的正面剖视图；
19.图2是本实用新型一个实施例提供的未安装导热环的水冷热屏与导流筒的装配图；
20.图3是本实用新型一个实施例提供的安装了导热环的水冷热屏与导流筒的装配图；
21.图4是本实用新型一个实施例提供的拉晶过程中氩气气体流向示意图；
22.图5是本实用新型一个实施例提供的导热环的俯视图。
23.1、导热环本体；11、限位结构；12、观察孔；2、水冷热屏；3、导流筒；4、缝隙；5、单晶硅；6、石英坩埚；7、硅液。
具体实施方式
24.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的方法和装置的例子。
25.本实用新型主要用于直拉单晶炉内水冷热屏的延伸导热，下面先简述一下直拉法的过程：将硅原料装入石英坩埚中，石英坩埚上方设有一个可升降、可旋转的籽晶杆，该籽晶杆的下端设有一夹头，夹头上固定有一个籽晶。然后将原料加热熔化，再将籽晶插入熔融体中，边旋转边提拉，便可得到所需的单晶硅。其中，单晶硅生长速度受结晶界面附近晶体的纵向温度梯度影响很大，且梯度越大，单晶硅生长越快。为了增大晶体的纵向温度梯度，目前主要通过在单晶炉内增加水冷热屏来实现这一目的，但为了生产安全，水冷热屏下沿距导流筒下沿的距离一般为40～70mm，以保证水冷热屏与高温硅液有足够的安全距离。但随着硅液的下降，这一距离更会被逐渐拉大，因此对单晶硅的快速生产造成一定的难度。为解决上述问题，本实用新型提供了以下实施例。
26.实施例
27.如图1
‑
3所示，本实用新型实施例提供了一种单晶炉，该单晶炉包括导流筒3、设置在导流筒3内部的水冷热屏2，以及导热环，该导热环包括与水冷热屏2同轴设置的导热环本体1，该导热环本体1的顶缘外径大于水冷热屏2底缘的内径，并借此卡在水冷热屏2上，同时导热环本体1的上部外侧壁还与水冷热屏2下部的内壁面连接，面接触更有利于热量的传导，便于导热环本体1的降温，以争取提供给单晶硅更大的纵向温度梯度，其中，导热环本体1与水冷热屏2的接触面宽度优选为5～180mm，宽度太小不利于温度的传导，而宽度过大也不会取得更好的导热效果。另外，导热环本体1底缘还进一步地向下延伸，直至与导流筒3底缘处于同一水平的高度，以尽可能的接近硅液液面增大纵向温度梯度。
28.本实用新型实施例所示的单晶炉中，导热环本体1的底缘延伸至与导流筒3底缘同一水平高度，距离硅液更近，同时，由于导热环本体1上部外壁与水冷热屏2面接触，整体温度较低，因此，相对于现有技术来说，本实用新型进一步增大了硅晶结晶界面附近晶体的纵向温度梯度，从而加速了单晶硅的生长。
29.进一步地，如图4所示，在目前直拉法制造单晶硅5的过程中还需要用氩气气氛减压拉晶，箭头方向为氩气的流动方向，即利用通入惰性气体氩气，结合真空泵的抽气，形成一个减压气氛下的氩气流动。通过氩气流动带走高温熔融硅挥发的氧化物，以防止氧化物颗粒掉进石英坩埚6中的硅液7，并运动到固液界面，破坏单晶原子排列的一致性。但如2图所示，由于水冷热屏2与导流筒3存在缝隙4，在氩气通过时容易被其扰乱而产生乱流，不利于氧化物颗粒的排除，进而严重影响单晶硅5的生长。因此，如图3所示，在一些实施例中，导热环本体1底缘的外径等于导流筒3底缘的内径，如此一来，水冷热屏2与导流筒3间的缝隙4会被导热环本体1下缘挡住，以维持氩气气流的稳定。另外，如图1、3所示，在一些实施例中，导热环本体1外壁设有一圈凸起的限位结构11，该限位结构11与述水冷热屏2和导流筒3间的缝隙4适配，正好挡住缝隙4，以避免氩气乱流。
30.如图3所示，由于导热环处在水冷热屏2和硅液之间，温度跨度较大，其结构内部所受的应力较大，为了防止导热环本体1的形变，一些实施例优选地将导热环本体1下部外侧壁设置地与导流筒3下部内壁面接触，使其得到外力的支撑，避免发生形变而影响单晶硅的生长。因此，该导热环本体1呈圆台筒体状。
31.进一步地，如图5所示，一些实施例中的导热环本体1的下端开设有观察孔12。该观察孔12有两个，一个平行于单晶炉的炉盖观察窗开设，用于连通单晶炉观察窗的目测通道，另一个用于连通炉盖摄像机ccd的视线通道，且两个观察孔12中心线的夹角为60～120
°
。同时，为了方便摄像机视线通道的安置，优选地将两个观察孔12中心线的夹角设为90
°
，即用于连通炉盖摄像机ccd的视线通道的观察孔12垂直于单晶炉的炉盖观察窗开设。另外，为了更好的观察单晶硅的生长，该观察孔12的宽度优选为20～80mm，长度优选为5～50mm。
32.本实用新型实施例中，导热环的材质没有特殊限定，例如可以是石墨、金属、或者陶瓷等。
33.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技术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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
34.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。