CN111876824A - 单晶炉主腔室上部导热系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单晶炉主腔室上部导热系统及其控制方法。单晶炉上部导热系统，包括一升降水冷环，升降水冷环包括进水管、出水管以及环状体，进水管以及出水管左右相对设置在环状体的上方，环状体内设有用于冷却水途径的导流通道，导流通道的一端与进水管对接导通，导流通道的另一端与出水管对接导通；还包括带动升降水冷环升降运动的升降机构，升降机构安装在炉盖上，进水管以及出水管穿过炉盖与升降机构传动连接，还包括热屏，热屏与环状体可拆卸连接。通过单晶炉上部导热系统有效提高拉晶速率，缩短晶棒生长时间。加装上部导热系统后，15‑18寸单晶棒的等径生长平均拉速提高到0.3‑0.5mm/min，可以获得高收率、高品质的晶锭。

Description

单晶炉主腔室上部导热系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及材料制造设备技术领域，具体是单晶炉导热系统及其控制方法。

背景技术

大尺寸硅零件单晶炉的拉晶工艺要求很高，由于长晶速率低，很难得到高收率、高品质的晶棒。

CN201010112343.9公开了一种单晶炉装置，其包括设置在石英坩埚上方围绕晶棒且下部直径小于上部直径的热屏，使用了至少以降低消耗电力为目的的断热材和以提高晶棒冷却效果提高拉晶速度为目的的反射板，由此能够实现拉晶速度的提高，进而达到缩短拉晶时间，从而提高生产效率的功效。

该专利缺陷在于，单纯通过热屏进行晶棒冷却，冷却效果不佳，进而影响拉晶质量。不适用于15-18寸单晶棒的拉晶质量。

CN201821001993.4公开了一种半导体单晶炉热屏升降装置，包括安装座，安装在单晶炉的炉盖上；水冷密封机构，下端部分穿过安装座和炉盖与热屏连接，上端部分安装有升降座；两个升降机构，安装在安装座上并对称位于水冷密封机构两端。水冷密封机构包括贯穿炉盖、安装座以及升降座的双层水冷轴以及密封套接在双层水冷轴外壁上的密封管。双层水冷轴的上端设置有进水口和出水口。

该专利的缺陷在于，水冷密封机构为双层水冷轴，进水口以及出水口均位于双层水冷轴的顶部，水冷区域有限，不便于实现单晶炉内腔的冷却效果，进而影响拉晶质量。不适用于 15-18寸单晶棒的拉晶质量。

目前缺乏一种适用于15-18寸单晶棒的导热系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供单晶炉主腔室上部导热系统，以解决以上至少一个技术问题。

本发明提供单晶炉上部导热系统的控制方法，以解决以上至少一个技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供了单晶炉上部导热系统，其特征在于，包括一升降水冷环，所述升降水冷环包括进水管、出水管以及环状体，所述进水管以及出水管左右相对设置在所述环状体的上方，所述环状体内设有用于冷却水途径的导流通道，所述导流通道的一端与所述进水管对接导通，所述导流通道的另一端与所述出水管对接导通；

还包括带动所述升降水冷环升降运动的升降机构，所述升降机构安装在炉盖上，所述进水管以及所述出水管穿过所述炉盖与所述升降机构传动连接，所述进水管以及所述出水管的外围套设有不锈钢真空波纹管，且所述进水管以及所述出水管的顶部与不锈钢真空波纹管的顶部固定连接，所述不锈钢真空波纹管的底部与所述安装法兰固定连接；

还包括热屏，所述热屏与所述环状体可拆卸连接。

通过单晶炉上部导热系统有效提高拉晶速率，缩短晶棒生长时间。加装上部导热系统后， 15-18寸单晶棒的等径生长平均拉速提高到0.3-0.5mm/min，可以获得高收率、高品质的晶锭。

进一步优选地，所述导流通道包括至少三个从内至外依次设置的子环状通道，相邻的子环状通道相互导通；

所有的子环状通道中位于最内侧的子环状通道与所述进水管对接导通；

所有的子环状通道中位于最外侧的子环状通道与所述出水管对接导通。

便于实现周向的水冷均匀性。

进一步优选地，所述导流通道还包括联通段，所述进水管通过所述联通段与所有的子环状通道中位于最内侧的子环状通道对接；

所述进水管与所述出水管镜以所述环状体的中心轴线为中心线镜像对称设置在所述环状体的上方。

便于进水管与出水管的镜像对称设置。

进一步优选地，所述环状体包括中空环，所述中空环内安装有用于将中空环的内腔分隔构成所述导流通道的分隔板；

所述分隔板设有至少三个，至少三个分隔板包括缺口环形分隔板、前后镜像对称设置的第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板；

所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板包括顺序连接的直板部以及弧形板部；

所述缺口环形分隔板设置在所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的弧形板部的外围，且所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的弧形板部之间存有导流间隙；

所述缺口环形分隔板的两端分别与所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的直板部之间存有导流间隙。

便于实现环形从内至外的导流。

进一步优选地，所述进水管的底部位于所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的直板部之间区域。

便于实现冷却水的导入。

进一步优选地，单晶炉主腔室上部导热系统的材质为SUS316L材质。

进一步优选地，所述安装件是焊接固定在环状体底部的螺母或者螺杆。当然也可以是其他安装件。

进一步优选地，所述进水管与一进水主管路联通，所述进水主管路与所述进水管之间安装有水流量调节阀；

所述出水管与一出水主管路联通，所述出水主管路与所述出水管之间安装有水流量调节阀、温度传感器以及流量传感器。

配有流量传感器和温度传感器，可实时监控冷却水的流量和温度，避免发生事故，安全性高。

进一步优选地，所述热屏包括石墨制成的内保温层、碳毡制成的中间隔热层以及石墨制成的外保温层；

所述中间隔热层夹设在所述内保温层与外保温层围成的空间内。

进一步优选地，所述进水管以及所述出水管的顶部均安装有一升降座；

所述升降机构包括两个安装在单晶炉的炉盖两侧的升降组件，两个升降组件均包括安装座、齿轮箱、第一联轴器以及线性模组，所述齿轮箱、所述第一联轴器以及所述线性模组自下而上安装在所述安装座上；

两个升降组件的线性模组的滑块分别与所述进水管以及所述出水管上安装的升降座固定连接；

所述升降机构还包括驱动机构，所述驱动机构与所述升降组件传动连接；

所述炉盖上设有两个分别用于穿过进水管以及出水管的安装法兰，所述安装法兰与安装座相连，所述不锈钢真空波纹管的底部与所述安装法兰固定连接。

便于实现进水管与出水管的同步升降。

进一步优选地，两个升降组件分别为第一升降组件以及第二升降组件；

所述驱动机构包括一驱动电机，所述驱动电机与第一升降组件的齿轮箱传动连接；

所述第一升降组件的齿轮箱通过软轴与第二升降组件的齿轮箱传动连接。

便于实现一个电机同时驱动两个升降组件。

所述炉盖的上端法兰的内圆周上开设有用于可均匀导入氩气的圆周均匀布置

的氩气导气孔。用于吹扫阀板上的附着氧化物，其吹扫效果非常好用。

所述单晶炉上部导热系统的控制方法，其特征在于，拉晶时，通过驱动机构将升降水冷环及热屏降到升降机构行程的下限，使热屏与温场上端贴合；

升降水冷环的进水管处的温度为24℃-26℃，升降水冷环的出水管处的温度不超过30℃。

进而保证拉单晶效率。

所述升降水冷环的行程范围为0-300mm。

所述进水主管路与所述进水管之间安装有第一温度传感器；

所述出水主管路与所述出水管之间安装有第二温度传感器，当第二温度传感器的温度超过30℃时，所述进水主管路与所述进水管之间以及所述出水主管路与所述出水管之间安装的水流量调节阀加大流量。

便于实现温控。

第一温度传感器以及第二温度传感器感应冷却水的温度，并将温度信号传递给控制器，控制器根据第一温度传感器以及第二温度传感器感应到的信号控制所述进水主管路与所述进水管之间以及所述出水主管路与所述出水管之间安装的水流量调节阀。

附图说明

图1为本发明单晶炉上部导热系统的俯视图；

图2为本发明图1中A-A处的剖视图；

图3为本发明升降水冷环轴向的剖视图；

图4为本发明升降水冷环径向的剖视图；

图5本发明升降水冷环导热系统图。

其中，1为进水管，2为出水管，3为环状体，5为安装座、6为齿轮箱、7为第一联轴器，8为线性模组，9为驱动电机，10为炉盖，12为安装法兰，13为限位开关，14为螺栓，15 为软轴，16为软轴托架，17为第二联轴器，18为密封法兰，19为不锈钢真空波纹管，41为内保温层，42为中间隔热层，43为外保温层，51为第一温度传感器，52为第一水流量调节阀，53为第二水流量调节阀，54为第二温度传感器，55为流量传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图5，单晶炉主腔室上部导热系统，包括升降水冷环，升降水冷环包括进水管1、出水管2以及环状体3；进水管1以及出水管2左右相对设置在环状体3的上方；环状体3内设有用于冷却水途径的导流通道，导流通道的一端与进水管1对接导通，导流通道的另一端与出水管2对接导通；还包括带动单晶炉主腔室上部导热系统升降运动的升降机构，升降机构安装在炉盖上，进水管以及出水管穿过炉盖与升降机构传动连接；进水管以及出水管的外围套设有不锈钢真空波纹管19，且进水管以及出水管的顶部与不锈钢真空波纹管19的顶部固定连接，不锈钢真空波纹管的底部与炉盖相连。还包括热屏，热屏通过螺栓14与单晶炉主腔室上部导热系统可拆卸连接。通过单晶炉上部导热系统有效提高拉晶速率，缩短晶棒生长时间。加装上部导热系统后，15-18寸单晶棒的等径生长平均拉速提高到0.3-0.5mm/min，可以获得高收率、高品质的晶锭。

本专利相较现有的双层水冷轴的结构，增加了水冷覆盖范围，更有益于对单晶炉内腔的冷却效果的保证。通过安装件便于实现与热屏之间的相对固定。

导流通道包括至少三个从内至外依次设置的子环状通道，相邻的子环状通道相互导通；所有的子环状通道中位于最内侧的子环状通道与进水管1对接导通；所有的子环状通道中位于最外侧的子环状通道与出水管2对接导通。便于实现周向的水冷均匀性。

导流通道还包括联通段，进水管1通过联通段与所有的子环状通道中位于最内侧的子环状通道对接；进水管1与出水管2镜以环状体3的中心轴线为中心线镜像对称设置在环状体3的上方。便于进水管1与出水管2的镜像对称设置。

环状体3包括中空环，中空环内安装有用于将中空环的内腔分隔构成导流通道的分隔板。便于通过分隔板实现导流方向的调整。

分隔板设有至少三个，至少三个分隔板包括缺口环形分隔板、前后镜像对称设置的第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板；第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板包括顺序连接的直板部以及弧形板部；缺口环形分隔板设置在第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的弧形板部的外围，且第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的弧形板部之间存有导流间隙；缺口环形分隔板的两端分别与第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的直板部之间存有导流间隙。便于实现环形从内至外的导流。

进水管1的底部位于第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的直板部之间区域。便于实现冷却水的导入。

单晶炉主腔室上部导热系统的材质为SUS316L材质。

安装件是焊接固定在环状体3底部的螺母或者螺杆。当然也可以是其他安装件。

进水管与一进水主管路联通，进水主管路与进水管之间安装有第一温度传感器51以及第一水流量调节阀52；出水管与一出水主管路联通，出水主管路与出水管之间安装有第二水流量调节阀53、第二温度传感器54以及流量传感器55。配有流量传感器和温度传感器，可实时监控冷却水的流量和温度，避免发生事故，安全性高。

热屏包括石墨制成的内保温层41、碳毡制成的中间隔热层42以及石墨制成的外保温层43；中间隔热层42夹设在内保温层41与外保温层43围成的空间内。

进水管以及出水管的顶部均安装有一升降座；升降机构包括两个安装在单晶炉的炉盖10 两侧的升降组件，两个升降组件均包括安装座5、齿轮箱6、第一联轴器7以及线性模组8，齿轮箱6、第一联轴器7以及线性模组8自下而上安装在安装座5上；两个升降组件的线性模组8 的滑块分别与进水管以及出水管上安装的升降座固定连接；升降机构还包括驱动机构，驱动机构与升降组件传动连接；炉盖上设有两个分别用于穿过进水管以及出水管的安装法兰12，安装法兰12与安装座5相连；不锈钢真空波纹管19的底部与安装法兰固定连接。便于实现进水管与出水管的同步升降。进水管以及出水管的顶部均安装有密封法兰18，密封法兰18与不锈钢真空波纹管相连。线性模组上安装有限位开关13。

两个升降组件分别为第一升降组件以及第二升降组件；驱动机构包括一驱动电机9，驱动电机9与第一升降组件的齿轮箱6通过联轴器相连；第一升降组件的齿轮箱6通过软轴15与第二升降组件的齿轮箱6传动连接。便于实现一个电机同时驱动两个升降组件。第一升降组件的齿轮箱6包括第一主轴，第一主轴的一端与驱动电机9传动连接，另一端通过第二联轴器17与软轴相连。第二升降组件的齿轮箱6包括第二主轴，第二主轴的一端通过联轴器与软轴相连。第一主轴与所述第一升降组件的齿轮箱6的动力输出轴传动连接。第二主轴与第二升降组件的齿轮箱6的动力输出轴传动连接。第一升降组件以及第二升降组件的齿轮箱6的动力输出轴通过第一联轴器7与线性模组8的丝杆传动连接。炉盖上安装有软轴托架16。

炉盖的上端法兰的内圆周上开设有用于可均匀导入氩气的圆周均匀布置

的氩气导气孔。用于吹扫阀板上的附着氧化物，其吹扫效果非常好用。

单晶炉上部导热系统的控制方法，拉晶时，通过驱动机构将升降水冷环及热屏降到升降机构行程的下限，使热屏与温场上端贴合；升降水冷环的进水管处的温度为24℃-26℃，升降水冷环的出水管处的温度不超过30℃。进而保证拉单晶效率。升降水冷环的行程范围为 0-300mm。

升降水冷环的行程范围为0-300mm。

进水主管路与进水管之间安装有第一温度传感器；出水主管路与出水管之间安装有第二温度传感器，当第二温度传感器的温度超过30℃时，进水主管路与进水管之间以及出水主管路与出水管之间安装的水流量调节阀加大流量。便于实现温控。第一温度传感器以及第二温度传感器感应冷却水的温度，并将温度信号传递给控制器，控制器根据第一温度传感器以及第二温度传感器感应到的信号控制进水主管路与进水管之间以及出水主管路与出水管之间安装的水流量调节阀。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.单晶炉上部导热系统，其特征在于，包括一升降水冷环，所述升降水冷环包括进水管、出水管以及环状体，所述进水管以及出水管左右相对设置在所述环状体的上方，所述环状体内设有用于冷却水途径的导流通道，所述导流通道的一端与所述进水管对接导通，所述导流通道的另一端与所述出水管对接导通；

还包括带动所述升降水冷环升降运动的升降机构，所述升降机构安装在炉盖上，所述进水管以及所述出水管穿过所述炉盖与所述升降机构传动连接，所述进水管以及所述出水管的外围套设有不锈钢真空波纹管，且所述进水管以及所述出水管的顶部与不锈钢真空波纹管的顶部固定连接，所述不锈钢真空波纹管的底部与所述安装法兰固定连接；

还包括热屏，所述热屏与所述环状体可拆卸连接。

所述环状体的底部设有用于安装热屏的安装件。

2.根据权利要求1所述的单晶炉主腔室上部导热系统，其特征在于：所述导流通道包括至少三个从内至外依次设置的子环状通道，相邻的子环状通道相互导通；

所有的子环状通道中位于最内侧的子环状通道与所述进水管对接导通；

所有的子环状通道中位于最外侧的子环状通道与所述出水管对接导通。

3.根据权利要求2所述的单晶炉主腔室上部导热系统，其特征在于：所述导流通道还包括联通段，所述进水管通过所述联通段与所有的子环状通道中位于最内侧的子环状通道对接；

所述进水管与所述出水管镜以所述环状体的中心轴线为中心线镜像对称设置在所述环状体的上方。

4.根据权利要求1所述的单晶炉主腔室上部导热系统，其特征在于：所述环状体包括中空环，所述中空环内安装有用于将中空环的内腔分隔构成所述导流通道的分隔板。

5.根据权利要求4所述的单晶炉主腔室上部导热系统，其特征在于：所述分隔板设有至少三个，至少三个分隔板包括缺口环形分隔板、前后镜像对称设置的第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板；

所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板包括顺序连接的直板部以及弧形板部；

所述缺口环形分隔板设置在所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的弧形板部的外围，且所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的弧形板部之间存有导流间隙；

所述缺口环形分隔板的两端分别与所述第一勺形分隔板以及第二勺形分隔板的直板部之间存有导流间隙。

6.根据权利要求1所述的单晶炉上部导热系统，其特征在于：所述进水管与一进水主管路联通，所述进水主管路与所述进水管之间安装有水流量调节阀和第一温度传感器；

所述出水管与一出水主管路联通，所述出水主管路与所述出水管之间安装有水流量调节阀、第二温度传感器以及流量传感器。

7.根据权利要求1所述的单晶炉上部导热系统，其特征在于：所述热屏包括石墨制成的内保温层、碳毡制成的中间隔热层以及石墨制成的外保温层；

所述中间隔热层夹设在所述内保温层与外保温层围成的空间内。

8.根据权利要求6所述的单晶炉上部导热系统，其特征在于：所述进水管以及所述出水管的顶部均安装有一升降座；

所述升降机构包括两个安装在单晶炉的炉盖两侧的升降组件，两个升降组件均包括安装座、齿轮箱、第一联轴器以及线性模组，所述齿轮箱、所述第一联轴器以及所述线性模组自下而上安装在所述安装座上；

两个升降组件的线性模组的滑块分别与所述进水管以及所述出水管上安装的升降座固定连接；

所述升降机构还包括驱动机构，所述驱动机构与所述升降组件传动连接；

所述炉盖上设有两个分别用于穿过进水管以及出水管的安装法兰，所述安装法兰与安装座相连，所述不锈钢真空波纹管的底部与所述安装法兰固定连接。

9.根据权利要求8所述的单晶炉上部导热系统，其特征在于：两个升降组件分别为第一升降组件以及第二升降组件；

所述驱动机构包括一驱动电机，所述驱动电机与第一升降组件的齿轮箱传动连接；

所述第一升降组件的齿轮箱通过软轴与第二升降组件的齿轮箱传动连接。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述单晶炉上部导热系统的控制方法，其特征在于，拉晶时，通过驱动机构将升降水冷环及热屏降到升降机构行程的下限，使热屏与温场上端贴合；

升降水冷环的进水管处的温度为24℃-26℃，升降水冷环的出水管处的温度不超过30℃。

Images