一种提升单晶拉速的水冷结构的制作方法

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1.本实用新型属于单晶炉技术领域，尤其是涉及一种提升单晶拉速的水冷结构。

背景技术：

2.随着直拉法制造单晶硅的各项工艺技术日益完善，现有的大部分的单晶硅都采用直拉法在单晶炉内生长，直拉法生长单晶硅需要化料、引晶、放肩、等径、收尾和冷却等工艺过程。通常冷却工艺是在通入冷却气体的环境下进行的，由于整个系统处于开启状态，通入的氩气在单晶炉内停留时间较短，冷却效果一般且冷却气体成本较大。随着市场对硅片经济性的要求不断提高，导致直拉法制备单晶硅的尺寸不断增大，使得大尺寸单晶硅生长已成为主流。但是随着晶体尺寸的不断增大，拉单晶过程的拉速不断减小，严重限制了单晶炉的产能。单晶硅的生长速度取决于固液界面温度梯度，温度梯度越大，生长速度越快，但温度梯度过大，也会导致晶体生长过程出现位错等问题。现有的水冷结构包括外壁和内壁，外壁和内壁之间设有冷水道，水冷结构主体越靠近上端内径越大，冷水道距离晶体距离越远，晶体散热越慢，轴向温度梯度小，不利于单晶拉速的提升。

技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种提升单晶拉速的水冷结构，有效的解决了单晶炉水冷结构轴向温度梯度小的问题，克服了现有技术的不足。
4.本实用新型采用的技术方案是：一种提升单晶拉速的水冷结构，包括筒状本体，所述筒状本体包括外壁和内壁，所述外壁和内壁之间设有冷水道，用于冷却水循环，所述内壁一侧竖直设置，另外一侧包括连接设置的上段部、中段部和下段部，所述上段部和下段部竖直设置，所述上段部的直径大于下段部的直径，所述中段部连接所述上段部和下段部倾斜设置。
5.进一步，所述内壁上段部和下段部的高度小于所述中段部的高度，所述上段部和下段部的高度是所述筒状本体高度的1/2-1/3。
6.进一步，所述内壁上段部和中段部设有散热叶片。
7.进一步，所述散热叶片沿内壁上段部和中段部的母线设置。
8.进一步，所述散热叶片沿内壁上段部和中段部周向均匀分布。
9.进一步，所述散热叶片在内壁上段部和中段部沿纬线设置。
10.进一步，所述散热叶片沿内壁上段部和中段部轴向均匀分布。
11.进一步，所述散热叶片的高度沿所述筒状本体的轴向方向递减。
12.进一步，所述内壁中段部与所述筒状本体轴线的夹角为15-25
°
。
13.进一步，所述筒状本体的上端面设有进水口和出水口，所述进水口和出水口与所述冷水道相连,所述冷水道靠近所述内壁设置。
14.本实用新型具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，增大了单晶炉水冷结构的轴向温度梯度，提升了单晶的拉速，更有利于单晶的生长，提高了单晶炉的产能。
附图说明
15.图1是现有技术中的水冷结构示意图。
16.图2是本实用新型一实施例一种提升单晶拉速的水冷结构示意图。
17.图3是本实用新型一实施例一种提升单晶拉速的水冷结构示意图。
18.图4是本实用新型一实施例一种提升单晶拉速的水冷结构俯视图。
19.图5是本实用新型一实施例装有水冷结构的单晶炉的结构示意图。
20.图中：
21.10、水冷结构
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11、内壁
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111、上段部
22.112、中段部、
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113、下段部
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12、外壁
23.13、散热叶片
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14、冷水道
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15、进水口
24.16、出水口
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20、导流筒
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30、单晶硅棒
25.40、石英坩埚
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50、ccd摄像机
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60、单晶炉
具体实施方式
26.本实用新型实施例提供了一种提升单晶拉速的水冷结构，下面结合附图对本实用新型的实施例做出说明。
27.如图2-5所示，本实用新型一种提升单晶拉速的水冷结构，包括筒状本体，筒状本体包括内壁11和外壁12，内壁11和外壁12之间设有冷水道14，用于冷却水循环。内壁11一侧竖直设置，另外一侧包括连接设置的上段部 111、中段部112和下段部113，上段部111和下段部113竖直设置，上段部 111的直径大于下段部113的直径，中段部112连接上段部111和下段部113 倾斜设置。外壁12的形状不做限制，可与现有技术相同。整个水冷结构放置于单晶炉60的的导流筒20内。水冷结构内壁11的上段部111靠近导流筒20的上部设置，内壁11的下段部113靠近导流筒20的下部设置，在导流筒20底部安装有石英坩埚40。在单晶炉60上盖安装有ccd摄像机50，单晶硅棒30在生长过程中，贯穿导流筒20和水冷结构10逐渐向上移动， ccd摄像机50用于对导流筒20下沿与石英坩埚40内硅液面的距离的观察。
28.具体的，内壁11上段部111和下段部113的高度小于中段部112的高度，上段部111和下段部113的高度是筒状本体高度的1/2-1/3。由于大尺寸单晶硅棒30直径较大，本身散热较慢，其内部的热应力较大，所以需要增加水冷结构的水冷效果。尤其在单晶硅棒30刚刚离开石英坩埚40，初期生长时，将内壁11下端部竖直设置，可使冷水道14更靠近单晶硅棒30，更有利于单晶生长。内壁11的一半从上到下完全竖直设置，使冷水道14更加靠近单晶硅棒30，加强了水冷效果，增大轴向温度梯度，提升单晶拉速，加快单晶生长。同时为了避免由于冷热交替过快，导致单晶硅棒30产生炸裂，内壁11的另外一半中段部112倾斜设置，也有利于ccd摄像机50观察。
29.优选的，内壁11上段部111和中段部112设有散热叶片13。散热叶片 13是设置在内壁11上的片装凸起，凸起内部为空腔，空腔与冷水道14相连。在有限的空间内进一步增大了冷水道14与单晶硅棒30的换热面积，提高冷却效率。由于大尺寸单晶硅棒30直径较大，为了便于硅棒顺利贯通内壁11，在下段部113和一侧完全竖直部未设置该散热叶片13。
30.具体的，在某些实施例中，散热叶片13沿内壁11上段部111和中段部 112的母线设置。散热叶片13凸起沿母线呈直线延伸，从上段部111的顶部一直延伸至中段部112的底部。
散热叶片13的具体形状不做限制。叶片的顶部可以是波浪形也可以是直线形。散热叶片13的数量可以设置多个，沿内壁11上段部111和中段部112周向均匀分布。
31.具体的，在某些实施例中，散热叶片13在内壁11上段部111和中段部 112沿纬线设置。散热叶片13凸起沿纬线呈半圆环状设置在内壁11上。散热叶片13的具体形状不做限制。叶片的顶部可以是波浪形也可以是直线形。散热叶片13的数量可以设置多个，散热叶片13的数量可以设置多个，沿内壁11上段部111和中段部112轴向均匀分布。
32.具体的，散热叶片13的高度沿筒状本体的轴向方向逐渐递减。由于大尺寸单晶硅棒30直径较大，为了便于硅棒在水冷结构内上下移动，散热叶片13的高度不易过大，叶片顶部不应与硅棒产生干涉。叶片高度随着内壁 11的倾斜逐渐减小。
33.具体的，内壁11中段部112与筒状本体轴线的夹角θ为15-25
°
。若内壁11中段部112过于倾斜，中段部112与筒状本体轴线的夹角θ大于25
°
，使得经过内壁11下段部113的的冷却氩气聚集在结晶前沿处，使得经过内壁11下段部113的氩气气流急剧增加，不利于氩气流与晶体之间的热交换，影响晶体生长。ccd摄像机50安装在单晶炉60上盖对应内壁11倾斜段的一侧，若内壁11中段部112与筒状本体轴线的夹角θ过小，小于15
°
，会影响ccd摄像机50对导流筒20下沿与硅液界面的距离的观察，导致无法准确判断稳温埚位，影响单晶质量。
34.具体的，筒状本体的上端面设有进水口15和出水口16，进水口15和出水口16与冷水道14相连。冷水道14与现有技术相同，在外壁12和内壁11 之间沿纬线方向设置，可以环状设置也可以螺旋状设置。为了增加冷却效果，冷水道14需靠近单晶硅棒30，冷水道14靠近内壁11设置。
35.实施例一：如图2和图4所示，一种提升单晶拉速的水冷结构，包括筒状本体，筒状本体包括内壁11和外壁12，内壁11和外壁12之间设有冷水道14，用于冷却水循环。内壁11沿轴线均分为两半，一侧竖直设置，另外一侧包括连接设置的上段部111、中段部112和下段部113，上段部111和下段部113竖直设置，上段部111的直径大于下段部113的直径，中段部112 连接上端部和下端部倾斜设置。外壁12包含竖直段和倾斜段，竖直段对应内壁11上段部111设置，倾斜段对应内壁11中段部112和下端部设置。内壁11上段部111和下段部113的高度小于中段部112的高度，上段部111 和下段部113的高度是筒状本体高度的1/2-1/3。内壁11上段部111和中段部112设有散热叶片13。散热叶片13沿内壁11上段部111和中段部112 的母线设置，沿内壁11上段部111和中段部112周向均匀分布。散热叶片 13的顶部为直线，散热叶片13的高度沿筒状本体的轴向方向逐渐递减。内壁11中段部112与筒状本体轴线的夹角θ为20
°
。筒状本体的上端面设有进水口15和出水口16，进水口15和出水口16与冷水道14相连。冷水道 14在外壁12和内壁11之间，靠近内壁11沿纬线方向环状设置，冷水道14 的具体形状与现有技术相同，在此不做赘述。
36.实施例二：如图3所示，与实施例一不同之处为，散热叶片13在内壁 11上段部111和中段部112沿纬线设置，沿内壁11上段部111和中段部112 轴向均匀分布。散热叶片13的顶部为波浪线。
37.工作流程：冷水从进水口15进入冷水道14进行循环，冷水带走单晶硅棒30向水冷结构内壁11辐射的热量，从出水口16排出，提升冷却速率，提高轴向温度梯度，提升单晶拉速，有利于单晶硅棒30的生长。
38.本实用新型具有的优点和积极效果是：
39.冷水结构内壁11的设置，与现有技术相比，在不影响ccd摄像头视野的前提下，使冷水道14更加靠近单晶硅棒30，有助于提升冷却率，增大轴向温度梯度，提升单晶硅棒30的生长拉速。
40.内壁11散热叶片13的设置，增大了水流面积，在一定程度上提高了冷却效果，加快了单晶硅棒30的生长。
41.以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

技术特征：

1.一种提升单晶拉速的水冷结构，包括筒状本体，所述筒状本体包括外壁和内壁，所述外壁和内壁之间设有冷水道，用于冷却水循环，其特征在于，所述内壁一侧竖直设置，另外一侧包括连接设置的上段部、中段部和下段部，所述上段部和下段部竖直设置，所述上段部的直径大于下段部的直径，所述中段部连接所述上段部和下段部倾斜设置。2.根据权利要求1所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述内壁上段部和下段部的高度小于所述中段部的高度，所述上段部和下段部的高度是所述筒状本体高度的1/2-1/3。3.根据权利要求1所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述内壁上段部和中段部设有散热叶片。4.根据权利要求3所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述散热叶片沿内壁上段部和中段部的母线设置。5.根据权利要求4所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述散热叶片沿内壁上段部和中段部周向均匀分布。6.根据权利要求3所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述散热叶片在内壁上段部和中段部沿纬线设置。7.根据权利要求6所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述散热叶片沿内壁上段部和中段部轴向均匀分布。8.根据权利要求3-6任一所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述散热叶片的高度沿所述筒状本体的轴向方向递减。9.根据权利要求1所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述内壁中段部与所述筒状本体轴线的夹角为15-25
°
。10.根据权利要求1-7、9任一所述的一种提升单晶拉速的水冷结构，其特征在于：所述筒状本体的上端面设有进水口和出水口，所述进水口和出水口与所述冷水道相连,所述冷水道靠近所述内壁设置。

技术总结

本实用新型提供一种提升单晶拉速的水冷结构，包括筒状本体，所述筒状本体包括外壁和内壁，所述外壁和内壁之间设有冷水道，用于冷却水循环，所述内壁一侧竖直设置，另外一侧包括连接设置的上段部、中段部和下段部，所述上段部和下段部竖直设置，所述上段部的直径大于下段部的直径，所述中段部连接所述上段部和下段部倾斜设置。本实用新型的有益效果是增大了单晶炉水冷结构的轴向温度梯度，提升了单晶的拉速，更有利于单晶的生长，提高了单晶炉的产能。能。能。