液体冷却热交换器的制造方法
【专利摘要】本发明揭露一种长晶炉，包括：至少含有原料的坩锅以及液体冷却热交换器，液体冷却热交换器是在该坩锅下方能垂直移动来从该坩锅散热以促成晶锭的成长。液体冷却热交换器包含由高导热材料制作的散热球，其能够垂直移动地与该坩锅进行热交流来使用液态冷媒从该坩锅散热。还揭露一种被封闭在密封管状外罩中的液体冷却热交换器和使用能垂直移动的液体冷却热交换器来制造晶锭的方法。
【专利说明】液体冷却热交换器
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请要求享有美国临时申请案第61/514，019号的权益，该临时申请案的 申请日期:是2011年8月I日。
【技术领域】
[0003]本发明是关于包含能够在坩锅下方垂直移动的液体冷却热交换器的长晶炉。
【背景技术】
[0004]长晶炉被用来从熔化的原料(feedstock material)制造结晶材料(crystallinematerials)。原料首先在坩锅中被熔化，然后重新固化成结晶材料，举例而言，成为晶锭(crystalline ingots)。有多种方法被用来从原料制造晶锭。举例而言，直拉法(Czochralski, CZ)、定向固化(directional solidification, DSS)和热交换器法(heatexchanger method, HEM)的长晶炉可以用来熔化娃原料以制造娃晶锭。然而,熔化的原料重新固化成晶锭的方式在他们之间是不同的。在CZ方法中，是通过先将硅晶种(挂在上方)浸入熔化的原料中，然后缓慢地“拉起(pulling) ”该部分熔化的晶种到该熔化的原料之外，使得硅开始冷却并从上到下地固化以形成硅晶锭，也已知称为晶棒(boule)。所形成的晶锭自然地是单晶并且高度适用于半导体和光伏(photovoltaic)应用。然而，由CZ方法所制造的硅晶锭的相对小的尺寸、相对高的制造成本使得此方法一般来说对于生产用来制作用于光伏产业的硅晶圆所需要的大量晶锭和大晶锭尺寸是不实际的。
[0005]不同于CZ，一般在原料熔化在其中的同样坩锅中，D`SS和HEM方法从该坩锅底部“向上”将该熔化的原料重新固化成晶锭。这些方法可以用来产生比CZ更大的晶锭尺寸。可以通过DSS和HEM方法制造各种种类的晶锭，举例而言，硅或蓝宝石晶锭。然而，由于他们的长晶炉结构，熔化的原料重新固化的方式在DSS和HEM方法之间是不同的。典型地在DSS系统中，是加热含有原料的方形坩锅，该原料被完全熔化，然后来自该熔化的原料的热被允许从该i甘锅的整个底部福射到下方的水冷长晶炉腔室壁(furnace chamber wall)。从?甘锅下方冷却的方法提供了在坩锅中的温度梯度，其促成了 “由下到上”的固化来形成晶锭。
[0006]不同于DSS方法，HEM方法通过设置热交换器与坩锅底部产生热交流来用更集中的方式从该熔化的材料中散热。循环流经该热交换器顶部的冷媒(举例而言，某种气体)从该坩锅底部带走所抽取出来的热以启动结晶化并促成“由下到上”的固化来形成晶锭。氦通常被用在长晶炉热交换器中作为冷媒。然而，氦以及其它冷却气体不具有可察觉的质量(appreciable mass),且因此具有很小的接受力(capacity)来吸收来自含有熔化的原料的坩锅的大量的热量。因此，大量的气体必须循环流经该热交换器以保持来自该熔化的原料、经过该坩锅以及进到该热交换器的热信道和流动以促进并保持晶体成长。
[0007]不同于气体冷媒，液态冷媒具有可察觉的质量。例如，水是一种杰出的液态冷媒，因为其具有可察觉的质量并因此具有显着的接受力来吸收来自坩锅的大量的热。然而，其使用在长晶炉的热交换器中作为液态冷媒是被审慎戒备的，因为从该液体冷却热交换器到该长晶炉腔室的任何水泄漏可能产生大量的蒸气压力。
[0008]因此，在产业中存在有利用包含水的液态冷媒超过冷却气体的卓越冷却接受力来用于热交换器中以成长结晶材料的需求。
【发明内容】
[0009]本发明关于一种长晶炉，包括在至少含有要被熔化的原料的坩锅下方的液体冷却热交换器。该液体冷却热交换器是能在该坩锅下方垂直移动以与该坩锅产生热交流来促进该熔化的原料重新固化成晶锭，并包含由具有大于约200W/(mk)的导热值的材料制作的散热球以及液态冷媒进液管和液态冷媒出液管，其中，该进液管、该出液管或是两者是连结到该散热球，用以循环流经其间的液态冷媒。较佳地，该材料包含铜且该液态冷媒包含水。在一具体实施例中，该液体冷却热交换器能够垂直移动的与该坩锅进行热接触。在另一具体实施例中，该坩锅置于坩锅支撑架顶上，且该液体冷却热交换器能够垂直移动的与该坩锅支撑架进行热接触。再又一具体实施例中，要被熔化的至少的原料较佳的是硅，该坩锅置于坩锅支撑架顶上的坩锅盒中，且该液体冷却热交换器能够垂直移动的与该坩锅支撑架进行热接触。在又另一具体实施例中，该液体冷却热交换器是被封闭在坩锅下方的密封管状外罩(sealed tubular outer jacket)中并能够在该密封管状外罩中垂直移动的。
[0010]本发明还关于在长晶炉中制造晶锭的一种方法，包括下列步骤:将至少具有原料的坩锅置放在该长晶炉中、循环流经液体冷却热交换器的液态冷媒，该液体冷却热交换器能在该坩锅下方垂直地移动、加热并熔化在该坩锅中的至少的原料、以及垂直地移动该液体冷却热交换器以与该坩锅进行热交流，以促进该晶锭的成长。该液体冷却热交换器包含由具有大于约200W/(mk)的导热值的材料制作的散热球以及液态冷媒进液管和液态冷媒出液管，其中，该进液管、该出液管或是两者是连结到该散热球，用以循环流经其间的液态冷媒。
[0011]要理解到前述的一般说明和下述详细说明两者都只是示例性的和解释性的，并旨在提供如权利要求的本发明的进一步解释。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1和图2各自是本发明的长晶炉的不同具体实施例的剖面图。
[0013]图3是图2的长晶炉的剖面放大图。
【具体实施方式】
[0014]本发明关于一种长晶炉，包括能够在含有至少要被熔化的原料并被重新固化成晶锭的坩锅下方垂直移动的液体冷却热交换器，以及从熔化的原料制造晶锭的方法。
[0015] 本发明的长晶炉是一种能够在一般大于约1000°C的温度下加热及/或熔化原料(包含但不限于硅)并随后促成该熔化的材料的重新固化以形成晶锭(例如，多晶硅锭)的高温炉。举例而言，该长晶炉可以是定向固化系统(DSS)或热交换器(HEM)长晶炉。该原料可以是固体或液体的形式。要被熔化的材料至少是原料，举例而言，多晶硅原料，尽管若想要单晶或实质上单晶的结晶材料，例如单晶硅种子的种子晶体可以用来和该原料结合。利用本发明的长晶炉可以制造其它晶锭，包含但不限于，例如锗、氟化钙以及氟化镁。[0016]本发明的长晶炉包括含有在该长晶炉的热区中要被熔化的原料的坩锅，以及液体冷却热交换器，其能够在该坩锅下方垂直移动。该长晶设备的热区是在该长晶炉中的内部区域，在其中可以提供并控制热来熔化以及重新固化在坩锅中的原料。该热区被绝缘体围绕并定义，该绝缘体可以是本领域中现有的任何材料，其拥有低导热性并能够承受在高温长晶炉中的温度和条件。举例而言，该热区可以被石墨绝热体所包围。该热区的形状和尺寸可以由多个绝缘板所形成，其可以是固定的或可移动的。举例而言，该热区可以由顶部、侧面和底部绝缘板所形成，该顶部和侧面绝缘板是设置成相对于设在该热区中的坩锅垂直地移动。可依据该长晶炉热区形状来决定使用其它绝缘体尺寸，举例而言，圆柱形绝缘体典型地围绕圆柱形热区。
[0017]该热区还包括至少一个加热系统，譬如多个加热组件来提供热以熔化置于坩锅中的固体原料。举例而言，该热区可包含顶部加热组件，水平地设置在该坩锅上方的该热区的上部区域，以及至少一个侧面加热组件，垂直地设置在该顶部加热组件下并沿着该热区和该坩锅的侧壁。通过调整提供给各种加热组件的功率，该热区中的温度可以被增加来熔化原料，然后被降低来帮助原料的重新固化。
[0018]该热区进一步包括在热区中的坩锅支撑架顶上的坩锅(选择性地位于坩锅盒中)。较佳地，该坩锅是不旋转而是固定的。该坩锅可以由各种耐热材料制作，举例而言，石英(二氧化硅)、石墨、钥(molybdenum)、碳化硅、氮化硅、碳化硅或氮化硅与二氧化硅的复合材料、热解氮化硼(pyrolytic boron nitride)、氧化招、或氧化错(zirconia),以及,选择性地，该坩锅可以用譬如氮化硅被涂覆以避免在固化之后晶锭的破裂。该坩锅也可以具有至少有一个侧壁和底部的各种形状，举例而言，包含圆柱形、立方体或长方体(具有方形的截面)或锥形。较佳地，当原料是硅时，该坩锅是由二氧化硅制作并具有立方体或长方体形状。
[0019]该坩锅可以选择性地被容置在坩锅盒中，其提供支撑与刚性给该坩锅的侧壁和底部，且其特别适用于特别是在受热时倾向受损、破裂或软化的任一者的材料所制作的坩锅。举例而言，坩锅盒对于二氧化硅的坩锅是较佳的，但对于由碳化硅、氮化硅、或是碳化硅或氮化硅与二氧化硅的复合材料所制作的坩锅是不必要的。该坩锅盒可以由各种耐热材料来制作，譬如导热高密度石墨(ther`mal conductive high density graphite),并且该相 锅盒典型地包含至少一个侧面平板以及底部平板，选择性地还包含上盖。举例而言，对于立方体或长方体形的坩锅，该坩锅盒较佳地也是立方体或长方体形状，具有四个壁和一底部平板，还有一选择性的上盖。
[0020]该坩锅和选择性的坩锅盒可以进一步被设置在位于该热区中的坩锅支撑架的顶部，因此彼此之间将产生热交流以使热可以从一者被传导到另一者，较佳地是通过直接的热接触。为了将该坩锅置放在该长晶炉的中心位置，该坩锅支撑架可以由多个支架支起。该坩锅支撑架可以由任何耐热材料制作且若有使用坩锅盒时，较佳地是由与坩锅盒相同的材料制作。举例而言，坩锅盒和坩锅支撑架典型地是由导热的高密度石墨材料所制作。该坩锅支撑架也可以包含开口，特别是在其中央，该开口的的尺寸及形状是可接收下述液体冷却热交换器的散热球，以使得该球可以与该坩锅盒产生热交流来从该坩锅盒散热。本发明也涵盖在该坩锅支撑架中的开口，尺寸和形状是用以接收包含有液体冷却热交换器的密封管状外罩，也将在以下详细描述。[0021]该长晶炉还包含液体冷却热交换器在该坩锅下方。该液体冷却热交换器是配置成能够垂直移动地与该坩锅底部(特别是其中央)产生热交流，以将热传导远离该熔化的原料并传导至循环流经该热交换器的液态冷媒。较佳地，该液体冷却热交换器是不旋转的。该液态冷媒可以能够流通经过该液体冷却热交换器并从包含熔化形成在坩锅中的液体原料的坩锅下方移除热的任何液体材料。较佳地，该液态冷媒包含水。
[0022]该液体冷却热交换器包含由特定的材料制作的散热球且还包含液态冷媒进液管和液态冷媒出液管。该液态冷媒进液管、该液态冷媒出液管或是两者是连结到该散热球，用以循环流经其间的液态冷媒。该散热球是由具有大于约200W/(mk)的导热值的材料(特别是金属材料)所制作。举例而言，该散热球可以是铜所制作，尽管也可以使用其它拥有高导热性的金属材料，譬如银或金。较佳地，该材料具有在该原料的熔点之下的熔点。特别有用的材料是原料熔点和该散热球的金属材料的熔点之间的差别不大于455°C (特别是不大于3300C )的材料。物理上，该散热球具有平坦的外上表面，其与该坩锅底部平行。举例而言，该外上表面可以具有约4英吋的外直径。内部地，该散热球具有内部空孔以接收来自该液态冷媒进液管的液态冷媒并透过该液态冷媒出液管自该坩锅底部排出该液态冷媒。该内部空孔具有和该外上表面相同或是不同的形状，且可以是，例如，球形或球根形(bulbous)。该空孔的尺寸将依据该散热球的厚度而定。举例而言，具有约4英吋的外直径的球可以具有约2.5英吋宽的球鼻形、不具有角状角落的内部空孔。较佳地，在该内部空孔上方的该散热球的导热金属表面是大约0.25英吋厚。其它宽度和空孔形状以及内部尺寸被涵盖在本发明中，只要该散热球的宽度、空孔尺寸或内部尺寸提供足够的水压和水流以有效地冷却该散热球。
[0023]液态冷媒分别从该液态冷媒进液管和液态冷媒出液管提供与排出给该散热球。该进液管和出液管可以由各种材料制作，只要该材料可以承受他们所曝露在其下的长晶炉温度。在一较佳具体实施例中，该液态冷媒进液管和该液态冷媒出液管是同轴的，其中，该液态冷媒进液管是在该液态冷媒出液管内部或是该液态冷媒出液管是在该液态冷媒进液管内部。在一较佳具体实施例中，该液态冷媒进液管延伸到该散热球中以传送液态冷媒给该球，从密接在该散热球基座的该液态冷媒出液管流出并尚开该长晶炉。尽管本发明的较佳具体实施例利用同轴的管来传送液态冷媒至该散热球，其它传送结构将被视为一种本领域的现有技术，包含液态冷媒进液管和液态冷媒出液管分别被密接到该散热球并在彼此外部。液态冷媒进液管和出液管可以通过各种已知技术连接到该散热球，举例而言，通过银焊(sliver soldering)。
[0024]该液态冷媒进液管和该液态冷媒出液管可以额外地被封闭在一个或多个绝热套中以避免在该散热球中流通的液态冷媒从该热区吸收过多的环境热，其会降低该液态冷媒的冷却效率和热负载接受力。该绝热套可以围绕在该进液管和出液管存在该热区内部，从该散热球基座垂直向下延伸的部分，以保持进入该散热球中的冷媒的温度。较佳地，该绝热套包含氧化铝或低密度石墨毡(graphite felt)，尽管本领域中已知的拥有低导热性的其它材料也涵盖在本发明中。在该长晶炉下方及外部的传统密封胶环(Ο-ring)或波纹管密封(bellows seal)可被用来密封围绕其延伸到该长晶炉外部的该液体冷却热交换器的该液态冷媒进液管和该液态冷媒出液管以维持该长晶炉内部的环境。
[0025]该液体冷却热交换器可进一步被容置在密封管状外罩中，该密封管状外罩用来封闭该液体冷却热交换器并将该液体冷却热交换器与该长晶炉内部环境隔绝。该密封管状外罩可包含钥(molybdenum),尽管也可能可以使用本领域中已知的其它材料，譬如石墨，只要这些其它材料可以承受所涵盖的长晶炉温度。该外罩可以具有一封闭的坩锅端，其具有外部和内部顶部表面，其可以被设置在平行并接近该坩锅底部附近，以及外部长晶炉端延伸穿过该长晶炉的底部。内部地，该外罩是适当地塑形和重设大小成可以容置并垂直地支撑该液体冷却热交换器，以使得当该液体冷却热交换器垂直移动向该坩锅时，该液体冷却热交换器可以平顺地沿该外罩内部表面移动。该密封管状外罩可以是固定的或能够垂直移动的。举例而言，该密封管状外罩可以是固定在从该长晶炉的外部延伸并穿过长晶炉壁到一个该坩锅底部下方的点的垂直位置。在另一具体实施例中，该外罩能够移动到该坩锅下方的位置。较佳地该外罩是不旋转的。作为一特定的范例，该密封管状外罩是不旋转的?甘锅支撑架支撑轴。传统密封胶环或波纹管密封或其它本领域中已知的方法可被用来密封围绕在该长晶炉外部的该密封管状外罩以维持该长晶炉内部的环境。相同地，该外罩的外部长晶炉端可以设置成用以密封包围延伸到该密封管状外罩外部的该液态冷媒进液管和出液管以保持在该外罩内部受控制的环境。
[0026]在该长晶炉外部，该密封管状外罩还可包含真空口和惰性气体注入口，分别用以将该密封管状外罩抽真空并回填惰性气体于其中，其有助于最小化该外罩的内表面以及液体冷却热交换器元件的热诱导氧化(heat-1nduced oxidation)。举例而言,该外罩的内部体积可以用氩气回填并保持5 - 15psig的压力。此外，该外罩还可包含位于该长晶炉外部的过压释放阀。当该液体冷却热交换器在高温下运作时，若冷媒(例如，水)发生泄漏，该泄漏的冷媒会留在该密封管状外罩内部，且任何所造成的蒸气压会外泄到该长晶炉外部。
[0027]该液体冷却热交换器能够垂直移动的与该坩锅进行热交流以从该熔化的原料将热散出来促进晶锭成长。举例而言，该液体冷却热交换器可以是马达带动的，并且可以在该坩锅下方的多个平台中移动，该平台与用来成长结晶材料的回馈监控系统结合。当该坩锅被容置在该热区中的坩锅支撑架上的坩锅盒中时，该坩锅、该坩锅盒和坩锅支撑架彼此之间产生有热交流以使热可以从一者被传导到另一者，较佳地是直接热接触。同样地，当长晶炉包含在该热区中的坩锅支撑架上的坩锅时，该坩锅和坩锅支撑架彼此之间产生有热交流以使热可以从一者被传导到另一者。如此，当该液体冷却热交换器垂直移动地与该坩锅支撑架的下表面产生热接触时，就建立了热信道且该散热球被设置成和该坩锅产生热交流。同样地，当该液体冷却热交换器`被封闭在与该坩锅支撑架的下表面产生热接触的密封管状外罩中时，热信道被建立在该散热球垂直移动到与该外罩的内部上表面产生热接触且该外罩的外上表面与该坩锅支撑架的下表面产生热接触的时候。如上所述，当该坩锅支撑架具有尺寸和形状是用来接受该散热球或该密封管状外罩通过的开口时，该散热球被设置成和该坩锅或包含该坩锅的坩锅盒产生热交流(较佳地是直接热接触)来促进散热。当该开口进入但并未穿过该坩锅支撑架时，仍可以建立热交流，只要该坩锅或包含该坩锅的坩锅盒是彼此以及与该散热球产生热交流。本发明也涵盖由开口扣环(open retainer ring)支撑的坩锅，该开口扣环允许该液体冷却热交换器的散热球与该坩锅底部直接地发生热接触，或是透过与该坩锅底部直接热接触的该密封管状外罩的内部上表面非直接地与该坩锅底部热接触。
[0028]图1、图2和图3是本发明的长晶炉的各种具体实施例的剖面图。然而，本领域的普通技术人员应认识到这些内容仅仅是示例性的且不限于仅是由例子的方式所呈现者。各种修改和其它具体实施例是落在本领域的普通技术范围内，而且是被涵盖成如同落在本发明的范围内。此外，本领域的普通技术人员应认识到该特定的结构是例示用且实际的结构将视特定系统而定。不使用超过常规实验，本领域的普通技术人员也能够识别所显示的特定组件的等效物。
[0029]在图1中所示的该长晶炉包括炉壳10和热区11，热区11是由绝缘体12所围绕和定义。在该热区11内，坩锅14含有要被熔化的至少的原料(未图示)，例如硅原料，该坩锅14坐落在由该支撑轴17所支起的坩锅支撑架16顶上的坩锅盒15中。至少的侧面加热器13被用来围绕该坩锅14以熔化该原料来制造硅晶锭。此外，也可以使用顶部加热器(未图示)结合该侧面加热器13来熔化该坩锅中的原料。绝缘体12通常包含如所示的在坩锅14之上的顶部绝缘体、在该侧面加热器13和炉壳10之间的侧面绝缘体和底部绝缘体。在本发明的一具体实施例中，该顶部、侧面和底部绝缘体是相对于该坩锅14能一起或分别移动的，以从该热区将热释放到下方的水冷式炉壳10来帮助熔化的原料的重新固化。
[0030]在图1中所示的该长晶炉还包括在该坩锅14下方位于其中心的液体冷却热交换器20，该液体冷却热交换器20可以如箭头20A所示的垂直移动。液体冷却热交换器20包含彼此同轴的液态冷媒进液管21和液态冷媒出液管22，其中，该冷媒进液管是在该冷媒出液管内部，该冷媒出液管是密接到散热球19。绝热套18包围该液态冷媒进液管21和液态冷媒出液管22曝露在该热区11环境中的部分，使得在该原料加热和熔化的过程中，该液体冷却热交换器可以放在该热区下方的缩回位置。在图1所示的具体实施例中，该液体冷却热交换器20能够垂直移动以使得该散热球19延伸穿过坩锅支撑架16中尺寸和形状是用来接受该球的开口以与该坩锅盒15产生热接触。一旦接触，就建立了从坩锅14透过坩锅盒15到散热球19的热信道，将坩锅14和散热球19设置成彼此产生热交流，使得散热球19能够从该坩锅14底部散热。
[0031]图2显示本发明的另一具体实施例，其中，液体冷却热交换器20被封闭在坩锅23下方的密封管状外罩29中。这里，该密封管状外罩29延伸穿过在坩锅支撑架25中的开口并进到包含有坩锅23的坩锅盒24的部分开口，且绝热套22被使用在该外罩的外侧。选择性地，在另一具体实施例中，可以使用绝热套22在该外罩的内侧。本发明涵盖由具有高导热性的高密度石墨所制作的坩锅盒24和坩锅支撑架25以保持热流。本发明预想了在坩锅盒24和坩锅支撑架25中用来接受该密封管状外罩29的各种开口深度。如图2所示，液体冷却热交换器20仅部分的在该密封管状外罩29中垂直移动，如箭头2B所指示。一旦完全移动到该密封管状外罩29的顶部，散热球26接触该外罩的内部上表面并建立从坩锅23经过坩锅盒24到散热球26的热信道，将坩锅23和散热球26设置成彼此产生热交流，使得散热球26可以从包含熔化的原料的坩锅23的底部将热散出并进到流经该散热球26的液态冷媒中。
[0032]密封管状外罩的更详细描述如图3所示，其是显示在图2的本发明的具体实施例的放大图，其中，该液体冷却热交换器36被封闭在密封管状外罩39中并在该外罩中垂直移动到用以从该坩锅散热的位置。该外罩延伸穿过具有密封物(seal)31的炉壁30以维持在该长晶炉内的环境，该密封物可以传统的密封胶环、波纹管密封或其它本领域中已知的密封方式，该外罩又穿过热区绝缘体32并进到坩锅支撑架35的开口，其尺寸和形状是用来接受与含有坩锅33的坩锅盒34热接触的该外罩。在所显示的具体实施例中，绝热套40密封了在该密封管状外罩39内部的液态冷媒进液管37和液态冷媒出液管38。这里，该绝热套可以物理地覆盖该进液管和出液管更多的表面积，由于增加该外罩可承受的缩回空间。如图所示，该密封管状外罩39的坩锅端未直接地与该坩锅33底部接触，反之，该外罩的外上表面直接地与坩锅盒34产生热接触。然而，当液体冷却热交换器36如箭头36A所示向上垂直移动时，散热球41与已经和坩锅盒34热接触的密封管状外罩39的顶部的内表面产生热接触，建立热信道并将散热球41设置成与坩锅33产生热交流。其它具体实施例也被预期来使用液体冷却热交换器36来从该坩锅散热，只要该散热球41与一个或多个导热中介结构产生热交流(较佳地是直接热接触)，举例而言，导热中介结构为坩锅盒34及/或坩锅支撑架35，该导热中介结构是彼此以及与坩锅33产生热接触的，以建立允许散热球41和坩锅33热交流的热信道。本发明还涵盖使用结合液体冷却热交换器的密封管状外罩作为能够垂直移动的坩锅支撑架支撑轴，可能用于其它长晶炉结构，其中该坩锅对于该支撑轴是不能移动的，且该支撑轴是不转动的。
[0033]本发明关于一种液体冷却热交换器，使用在长晶炉中以经济地并安全地从包含但不限于硅的熔化的原料成长各种结晶材料。该液体冷却热交换器结合所想要的散热球性质，该散热球由具有液态冷媒(譬如水)所承受的高热负载接受力的高导热性材料(譬如铜)所制作，来有效地从该坩锅下方移除热并促进晶体成核和晶锭成长。本发明的散热球可以由各种材料所制作，譬如具有高导热性质的金属材料。表1显示已知的三种高导热金属，银拥有最高的导热性，接着是铜和金。铜可能是较佳的，因为其高导热性以及相较于银和金相对低的成本。
[0034]表1
【权利要求】
1.一种用于生长晶锭的长晶炉，包括: 坩锅，至少含有原料；以及 液体冷却热交换器，其是在该坩锅下方能垂直移动的，包含: 散热球，由具有大于约200W/(mk)的导热值的材料制作；以及液态冷媒进液管和液态冷媒出液管，其中，该液态冷媒进液管、该液态冷媒出液管或是两者是连结到该散热球，用以循环流经其间的液态冷媒。
2.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该液态冷媒包含水。
3.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该材料具有低于该原料熔点的熔点。
4.如权利要求3所述的长晶炉，其中，该原料熔点和该材料的熔点相差不大于455°C。
5.如权利要求3所述的长晶炉，其中，该原料熔点和该材料的熔点相差不大于330°C。
6.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该材料包含铜、银或金。
7.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该散热球具有内部空孔以接收来自该液态冷媒进液管的该液态冷媒并透过该液态冷媒出液管排出该液态冷媒。
8.如权利要求7所 述的长晶炉，其中，该内部空孔是球根形。
9.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该液态冷媒进液管和该液态冷媒出液管是同轴的。
10.如权利要求9所述的长晶炉，其中，该液态冷媒进液管是在该液态冷媒出液管内部。
11.如权利要求9所述的长晶炉，其中，该液态冷媒出液管是在该液态冷媒进液管内部。
12.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该液态冷媒进液管和该液态冷媒出液管被封闭在位于该长晶炉之内的绝热套中。
13.如权利要求12所述的长晶炉，其中，该绝热套是以石墨或氧化铝制作。
14.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该液体冷却热交换器能够垂直移动的与该坩锅进行热接触。
15.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该坩锅置于坩锅支撑架顶上，且该液体冷却热交换器能够垂直移动的与该坩锅支撑架进行热接触。
16.如权利要求15所述的长晶炉，其中，该坩锅支撑架包含开口，其尺寸及形状是用以接收该散热球且该散热球是垂直地移动到该开口中。
17.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该坩锅置于坩锅支撑架顶上的坩锅盒中，且该液体冷却热交换器能够垂直移动的与该坩锅支撑架进行热接触。
18.如权利要求17所述的长晶炉，其中，该坩锅支撑架包含开口，其尺寸及形状是用以接收该散热球且该散热球是垂直地移动到该开口中。
19.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该液体冷却热交换器是位在密封管状外罩中。
20.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该液体冷却热交换器能够在该密封管状外罩中垂直移动的与该坩锅进行热交流。
21.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该坩锅置于坩锅支撑架顶上，且该液体冷却热交换器能够在该密封管状外罩中垂直移动的与该坩锅支撑架进行热交流。
22.如权利要求21所述的长晶炉，其中，该坩锅支撑架包含开口，其尺寸及形状是用以接收该密封管状外罩。
23.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该坩锅置于坩锅支撑架顶上的坩锅盒中，且该液体冷却热交换器能够在该密封管状外罩中垂直移动的与该坩锅支撑架进行热交流。
24.如权利要求23所述的长晶炉，其中，该坩锅支撑架包含开口，其尺寸及形状是用以接收该密封管状外罩。
25.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该密封管状外罩包含钥或石墨。
26.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该密封管状外罩包含真空进气口、惰性气体注入口以及位于该长晶炉外部的过压释放阀。
27.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该密封管状外罩还包含惰性气体。
28.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该密封管状外罩是固定的。
29.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该密封管状外罩能够垂直移动的。
30.如权利要求19所述的长晶炉，其中，该密封管状外罩是坩锅支撑架支撑轴。
31.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该原料包含多晶硅。
32.如权利要求1所述的长晶炉，其中，该晶锭是硅。
33.一种液体冷却热交换器,其中: 该液体冷却热交换器包含由具有大于约200W/(mk)的导热值的材料制作的散热球，以及液态冷媒进液管和液态冷媒出液管，其中，该液态冷媒进液管、该液态冷媒出液管或是两者是连结到该散热球，用以循环流经其间的液态冷媒，且其中该液体冷却热交换器能够垂直移动的。`
34.如权利要求33所述的液体冷却热交换器，其中，该液体冷却热交换器是位在密封管状外罩中。
35.一种用于在长晶炉中制造晶锭的方法，包括以下步骤: 将至少具有原料的坩锅置放在该长晶炉中； 将液态冷媒循环流经液体冷却热交换器，该液体冷却热交换器能在该坩锅下方垂直地移动，其中，该液体冷却热交换器包含由具有大于约200W/(mk)的导热值的材料制作的散热球、液态冷媒进液管和液态冷媒出液管，其中，该液态冷媒进液管、该液态冷媒出液管或是两者是连结到该散热球，用以循环流经其间的该液态冷媒； 加热并熔化在该坩锅中的至少的原料；以及 垂直地移动该液体冷却热交换器以与该坩锅进行热交流，以促进该晶锭的成长。
36.如权利要求35所述的方法，其中，垂直地移动该液体冷却热交换器是通过监控该至少的原料的熔化所获得的反馈来控制的。
37.如权利要求35所述的方法,其中，该液体冷却热交换器是被封闭在密封管状外罩中，且其中，该方法还包括在加热并熔化在该坩锅中的至少的原料的步骤之前，将该密封管状外罩抽真空并回填惰性气体的步骤。
38.如权利要求35所述的方法，其中，该惰性气体是回填到至少约5-15psig。
【文档编号】C30B11/00GK103890242SQ201280048372
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年7月17日 优先权日:2011年8月1日
【发明者】C·夏蒂埃 申请人:Gtat公司