一种水冷热屏结构、单晶硅生长装置和单晶硅生长方法与流程

本发明涉及一种水冷热屏结构、单晶硅生长装置和单晶硅生长方法。

背景技术：

目前直拉法或直拉区熔结合法制备太阳能用单晶硅过程中，为了提升单位时间的产出量，提升单晶硅生长速度是需要克服的关键问题。单晶硅生长速度受结晶界面附近的晶体的纵向温度梯度影响比较大，结晶界面附近的晶体的温度梯度越大，单晶硅生长越快。由于硅从液态转化为固态需要释放大量的热，那么增加结晶界面附近的晶体的纵向温度梯度的一种方式是使晶体能够快速散热。目前主要通过水冷热屏结构为晶体散热。

由于水冷热屏结构不能与晶体或硅液接触，因此晶体与水冷热屏之间热的传输主要靠辐射方式，即水冷热屏内表面吸收热辐射，并将吸收的部分热传输给循环水。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

由于循环水能够带走的热量有限，导致现有的水冷热屏吸收热辐射能力比较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种水冷热屏结构、单晶硅生长装置和单晶硅生长方法，能够有效地增强水冷热屏结构的散热性能以及晶体界面得温度梯度，以达到提升单晶硅生长速度的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种水冷热屏结构，包括：水冷热屏本体以及设置于所述水冷热屏本体内部的气冷装置，其中，

所述气冷装置，用于将惰性气体输送至单晶硅生长区域。

第二方面，本发明提供一种单晶硅生长装置，包括：单晶炉本体以及上述任一项所述水冷热屏结构，其中，

所述水冷热屏结构设置于所述单晶炉本体内。

第三方面，本发明提供一种利用具有上述任一水冷热屏结构的单晶硅生长装置进行单晶硅生长的方法，包括：

在单晶硅穿过所述水冷热屏结构拉直生长阶段，持续通过所述气冷装置将外部的惰性气体输入所述水冷热屏本体内部，以使所述惰性气体直接吹拂生长的单晶硅的表面。

上述发明的第一方面的技术方案具有如下优点或有益效果：为水冷热屏本体增设气冷装置，由于该气冷装置位于水热屏本体内，其可将外部的惰性气体送至单晶硅生长区域，该惰性气体可直接吹拂生长的单晶硅的表面或者单晶硅的结晶界面，一方面由于温差的存在，惰性气体可以带走水冷热屏本体内部部分热量，另一方面，通过将惰性气体输送至单晶硅生长区域，可以使惰性气体直接吹拂生长的单晶硅的表面或者吹拂单晶硅的结晶界面，可以直接带走单晶硅表面或者单晶硅的结晶界面的部分热量，从而增强水冷热屏结构的散热性能以及晶体界面得温度梯度，以达到提升单晶硅生长速度的目的。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的水冷热屏本体的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的水冷热屏结构的剖面结构的示意图；

图3是根据本发明的另一个实施例的水冷热屏结构的剖面结构的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的水冷热屏结构中的气冷装置的俯视图；

图5是根据本发明另一个实施例的水冷热屏结构中的气冷装置的俯视图；

图6是根据本发明的一个实施例的水冷热屏与单晶硅之间关系的剖面的示意图；

图7是根据本发明的又一个实施例的水冷热屏结构的剖面结构的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的冷却水导流装置的示意图；

图9是根据本发明一个实施例的单晶生长装置的示意图；

图10是根据本发明一个实施例的排气孔的打孔角度的示意图；

图11是根据本发明一个实施例的排气方向的示意图。

附图标记如下：

1水冷热屏结构

10水冷热屏本体

101内壳102外壳

103进水管104出水管

20气冷装置201气体导流结构

2011进气管2012分流环路

2013分流管2014进气控制阀

202排气结构2021充气盘2022排气孔

30冷却水导流装置

40单晶炉本体

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例所涉及的水冷热屏本体10具体是是指，具有水冷热屏基本结构如内壳101、外壳102、进水管103以及出水管104，其中，内壳101上可设置有分别与进水管103和出水管104连通的进水口和出水口。内壳101与外壳103嵌套，可在内壳101和外壳102之间形成空腔，冷却水可通过设置于空腔内的冷却水导流装置在空腔内循环，以吸收晶体的热量，实现为晶体表面降温的目的。但由于水流可带走的热量有限，导致现有的水冷热屏本体10降温性较差，影响晶体生长速度。为了方便和清楚地描述本发明的水冷热屏结构，将水冷热屏本体10中的内壳101和外壳102围成的公共区域，即单晶硅生长所穿过的水冷热屏本体10的区域称为水冷热屏本体10内部，将内壳101和外壳102之间区域称为空腔。在下面的描述中和所附的权利要求中，一个特征与另一个特征“连通”或“连接”不仅包括一个特征与另一个特征接触而形成传输或传送关系(比如，水流传输、气流传输或传送等)，还包括在一个特征和另一个特征之间的中间特征，比如一个特征将接收到的气流通过该中间特征传输给另一个特征。

本申请提供如图2、图3以及图7示出的一种水冷热屏结构。其中，图2和图3分别示出了根据本发明的一个实施例的水冷热屏结构的剖面图，图4和图5分别示出了该水冷热屏结构中的气冷装置的俯视图，给出了水冷热屏本体10以及设置于水冷热屏本体10内部的气冷装置20，其中，气冷装置20，用于将外部的惰性气体输送至单晶硅生长区域。通过将外部的惰性气体输送至单晶硅生长区域可以使惰性气体直接吹拂生长的单晶硅的表面或者单晶硅的结晶界面。在图2至图5中，为了清楚地示出水冷热屏本体10以及气冷装置20之间的相对位置关系，仅示出了水冷热屏本体10、气冷装置20以及气冷装置包括的主要部件，而省略了其他部件。

通过为水冷热屏本体增设气冷装置，由于该气冷装置位于水热屏本体内，其可将外部的惰性气体输送至单晶硅生长区域。使该惰性气体可直接吹拂生长的单晶硅的表面或者单晶硅的结晶界面，一方面由于温差的存在，惰性气体可以带走水冷热屏本体内部部分热量，另一方面，惰性气体直接吹拂生长的单晶硅的表面或者单晶硅的结晶界面，可以直接带走单晶硅表面或者单晶硅的结晶界面的部分热量，从而增强水冷热屏结构的散热性能以及晶体界面得温度梯度，以达到提升单晶硅生长速度的目的。

其中，如图2至图5所示，气冷装置20可包括：气体导流结构201以及排气结构202，其中，气体导流结构201与排气结构202连通，用于将外部惰性气体导入排气结构202；排气结构202，用于将惰性气体分散排至单晶硅生长区域。其中，气体导流结构201和排气结构202可以根据用户需求以及水冷热屏本体的结构进行相应地设置。

在本发明实施例中，由于水冷热屏下段的温度梯度的增强可有效地提高单晶硅结晶和生长速度，因此，为了能够使气冷装置20中的排气结构202所排出的惰性气体能够更好地对单晶硅进行降温以及增强单晶硅生长所需的温度梯度，并通过研究和实验发现，需设置排气结构202到水冷热屏本体10底部的距离不超过水冷热屏本体10高度的即排气结构202设置于水冷热屏本体10中下段。

在本发明实施例中，如图4和图5所示，排气结构202可包括：充气盘2021以及设置于充气盘2021上的多个排气孔2022，其中，排气孔2022朝向单晶硅生长区域。通过设置充气盘2021可以将惰性气体从多个排气孔2022分散排出，通过设置排气孔2022朝向单晶硅生长区域可以实现：从排气孔排出的惰性气体直接吹拂到单晶硅表面或者单晶硅的结晶界面，以达到直接对单晶硅降温以及增加温度梯度的目的，从而进一步提升单晶硅生长速度。其中，单晶硅生长过程中，单晶硅与水冷热屏结构之间的相对位置关系可如图6所示，从图6可以看出单晶硅生长区域是指，单晶硅在水冷热屏结构内部所占据的区域以及单晶炉的坩埚的硅液面到水冷热屏底部之间存在单晶硅的区域。

在本发明一个实施例中，排气孔2022朝向位于充气盘2021下方的单晶硅生长区域。以进一步增强温度梯度。另外，还可设置排气孔的结构，以使排气孔排出的气体的方向与单晶硅旋转方向一致，以避免惰性气体吹拂单晶硅的表面而导致单晶硅受力不均产生晃动。另外，在引颈之前，由于没有单晶硅的遮挡，本发明实施例提供的朝向位于充气盘2021下方的单晶硅生长区域的排气孔2022排出的氩气可以直接吹拂到坩埚内的硅液面，加速硅液面的冷却。另外，由于惰性气体直接在下方集中吹拂，从而使得晶体生长界面处的氩气浓度非常大，有效阻碍了其他诸如碳分子等与晶体表面接触的机率，而且更大的流量集中充气，使得熔体表面的氧原子也被带走，从而进一步提升的硅晶体的内部质量。

另外，排气孔2022的打孔角度不局限于垂直于充气盘2021，也使用其他角度打孔，其中，如图10所示，打孔角度是指通过排气孔中心且垂直于该排气孔的轴线与充气盘的排气孔所在位置的切线之间形成的角度α。该排气孔2022的打孔角度垂直于充气盘2021是指，通过排气孔中心且垂直于该排气孔的轴线与充气盘的排气孔所在位置的切线相垂直。另外，垂直于排气孔是指，垂直于排气孔的直径或垂直于排气孔边缘上两点间的连线。以使惰性气体排出排气孔的方向与单晶硅生长的旋转方向一致，并保证惰性气体可吹拂晶体本身或结晶界面。比如，单晶硅一般是逆时针旋转，排气孔的排气方向为逆时针旋转的单晶硅界面的切线方向或者切线方向的近似方向。该排气孔的排气方向是指通过排气孔排出的气体的方向，即如图11所示，该排出的气体刚排出排气孔时可围成一个圆柱体，该排气孔的排气方向具体为，该排出的气体形成的圆柱体的轴线方向。该近似方向是指排气孔的排气方向与逆时针旋转的单晶硅界面的切线方向之间的夹角不大于90度。其中，如图11所示，排气孔的排气方向与逆时针旋转的单晶硅界面的切线方向之间的夹角是指排出的气体形成的圆柱体的轴线与逆时针旋转的单晶硅界面的切线之间的夹角β。逆时针旋转的单晶硅界面的切线是指，单晶硅界面上与排气孔相对的位置的逆时针旋转切线。通过设置排气孔的排气方向可以使惰性气体的运动方向与单晶硅旋转方向近似，避免单晶硅生长过程中产生晃动，从而保证单晶硅生长的质量。

其中，如图2和图3所示，充气盘2021可设置于水冷热屏本体10的内壳101上，如图7所示，该充气盘2021也可设置于水冷热屏本体10的底部。

在本发明实施例中，多个排气孔2022可以在充气盘2021上任意分布，一个优选地实施例中，均布于充气盘2021上。多个排气孔2022均匀分布，可以使单晶硅表面受到的惰性气体的吹拂力比较均匀，避免单晶硅生长过程中产生晃动而导致的单晶硅质量问题。

在本发明实施例中，针对充气盘2021设置于水冷热屏本体10的内壳101上的情况，充气盘2021的外表面与水冷热屏本体10的内壳101的内表面相贴合。第一方面可使单晶硅具有充足的生长空间，第二方面可避免单晶硅与充气盘接触，第三方面可使水冷热屏本体的循环水冷可以对惰性气体降温，从而进一步提高排气孔排出的惰性气体的降温效果。

基于前述的排气结构202包括充气盘2021，本发明实施例分别提供图2、图3、图4、图5和图7两种结构的气体导流结构201。

其中，如图3、图4以及图7所示，气体导流结构201的一种结构可为进气管2011，该进气管2011设置于水冷热屏本体10内部，与充气盘2021连通。

其中，如图2以及图5所示，气体导流结构201可包括：进气管2011、分流环路2012以及多个分流管2013，其中，分流环路2012包括的进气口与进气管2011的一端连通；多个分流管2013分别与分流回路2012包括的多个出气口以及充气盘2021包括的多个进气口相对应；分流管2013的一端与相对应的分流回路2012的出气口连通；分流管2013的另一端与相对应的充气盘2021的进气口连通。通过该分流环路可进一步提高惰性气体的分散，以进一步保证排气孔排出惰性气体的均匀性以及稳定性。

在本发明实施例中，为了避免分流环路影响单晶硅生长，同时保证惰性气体具有比较低的温度，上述分流环路2012的外表面以及多个分流管2013的外表面与水冷热屏本体10的内壳101的内表面相贴合。可以使惰性气体的温度受水冷热屏本体内冷却循环水的影响，惰性气体温度始终处理较低的状态。

在本发明实施例中，针对上述两种结构的气体导流结构201所包括的进气管2011，该进气管2011与水冷热屏本体10包括的进水管103并排设置。以方便对进气管的管理以及设置。

在本发明实施例中，如图2和图3所示，气体导流结构201可进一步包括：进气控制阀2014，其中，进气控制阀2014与进气管的另一端连通，用于控制进入进气管的惰性气体的量。

在本发明实施例中，水冷热屏结构可进一步包括：冷却水导流装置30，其中，冷却水导流装置30设置于水冷热屏本体10的内壳101和外壳102形成的空腔内；如图8所示，冷却水导流装置30的进水口和出水口设置于水冷热屏本体10的内壳101上；冷却水导流装置30的进水口与水冷热屏本体10包括的进水管103连通；冷却水导流装置30的出水口与水冷热屏本体10包括的出水管104连通。

综上可知，本发明实施例提供的水冷热屏结构，在具有水冷的基础上增加了气冷的功能，即使水冷热屏与单晶的生长界面维持比较大的距离的基础上，仍然能够使晶体表面具有较低的温度，即通过本发明实施例提供的水冷热屏结构，可以使水冷热屏与单晶的生长界面维持比较大的距离，成功的解决了水冷热屏与单晶的生长界面距离不能太近的问题。另外，在具有水冷的基础上增加了气冷的功能，可进一步降低的晶体表面温度，提升的硅晶体拉制的效率。同时，由于惰性气体直接在下方集中吹拂，从而使得晶体生长界面或者单晶硅的表面处的氩气浓度非常大，有效阻碍了其他诸如碳分子等与晶体表面接触的机率，而且更大的流量集中充气，使得熔体表面的氧原子也被带走，从而进一步提升的硅晶体的内部质量。

如图9所示，本发明实施例提供一种单晶硅生长装置，该单晶硅生长装置可包括：单晶炉本体40以及上述任一实施例提供的水冷热屏结构1，其中，水冷热屏结构1设置于单晶炉本体40内。

本发明实施例提供一种利用具有上述实施例提供的水冷热屏结构的单晶硅生长装置进行单晶硅生长的方法，可包括如下步骤：

在单晶硅穿过水冷热屏结构拉直生长阶段，持续通过气冷装置20将外部的惰性气体输入水冷热屏本体10内部，以使惰性气体直接吹拂生长的单晶硅的表面。

具体地，针对单晶硅生长的方法可包括如下步骤：

步骤i：单晶炉执行正常cz工艺(直拉工艺)，整个化料阶段，进气管2011处于关闭状态。

步骤ii：原料化完之后(化料阶段结束)，降低加热器功率，逐渐升高石英埚进入正常引颈埚位。进入cz工艺的稳定状态后，缓慢打开进气控制阀2014，控制进入流量不高于20l/min，使惰性气体如氩气通过充气盘2021密布的排气孔2022均匀的吹拂坩埚内的硅液面，从而使熔体表面温度急速下降。

在引颈之前，由于没有单晶硅的遮挡，排气孔2022排出的氩气可以直接吹拂到坩埚内的硅液面，加速硅液面的冷却。

步骤iii：经过一段时间的稳定，液面温度逐渐下降到引颈温度时，停止氩气吹拂，进入cz工艺待引颈状态。

步骤iv：进气管2011在引颈初期，保持气流关闭状态，细颈拉制至50mm时，逐渐打开氩气的进气控制阀2014，充入氩气，使细颈进入高速状态，但氩气流量以适合为宜，不能影响细颈本身的稳定性。

该氩气流量一般不高于20l/min。

步骤v：引颈完成后，进入放肩工序，保持进气管2011的氩气的流速，在保证晶体不出现晃动时，保持不变。

步骤vi：在cz工艺进入等径工序后，进气管2011维持进气速度，在保证晶体不出现晃动时，保持不变。

步骤vii：cz工艺在进入收尾阶段时，进气管2011维持进气速度，在保证晶体不出现晃动时，保持不变。

步骤viii：cz工艺完成收尾，进入停加热工序时，进气管2011连通的进气控制阀2014关闭氩气，停止吹入。

本申请提供以下技术方案：

技术方案1.一种水冷热屏结构，包括：水冷热屏本体以及设置于所述水冷热屏本体内部的气冷装置，其中，

所述气冷装置，用于将惰性气体输送至单晶硅生长区域。

技术方案2.根据技术方案1所述的水冷热屏结构，所述气冷装置包括：气体导流结构以及排气结构，其中，

所述气体导流结构与所述排气结构连通，用于将外部惰性气体导入所述排气结构；

所述排气结构，用于将所述惰性气体分散排至所述单晶硅生长区域。

技术方案3.根据技术方案2所述的水冷热屏结构，所述排气结构到所述水冷热屏本体底部的距离不超过所述水冷热屏本体高度的

技术方案4.根据技术方案2或3所述的水冷热屏结构，所述排气结构包括：充气盘以及设置于所述充气盘上的多个排气孔，其中，

所述排气孔朝向所述单晶硅生长区域。

技术方案5.根据技术方案4所述的水冷热屏结构，所述排气孔朝向位于所述充气盘下方的单晶硅生长区域。

技术方案6.根据技术方案4所述的水冷热屏结构，所述充气盘设置于所述水冷热屏本体的内壳上。

技术方案7.根据技术方案4所述的水冷热屏结构，所述充气盘设置于所述水冷热屏本体的底部。

技术方案8.根据技术方案4所述的水冷热屏结构，多个所述排气孔均布于所述充气盘上。

技术方案9.根据技术方案6所述的水冷热屏结构，所述充气盘的外表面与所述水冷热屏本体的内壳的内表面相贴合。

技术方案10.根据技术方案4所述的水冷热屏结构，气体导流结构包括：进气管，其中，所述进气管设置于所述水冷热屏本体内部，与所述充气盘连通。

技术方案11.根据技术方案10所述的水冷热屏结构，所述进气管与所述水冷热屏本体包括的进水管并排设置。

技术方案12.根据技术方案10所述的水冷热屏结构，所述气体导流结构进一步包括：分流环路以及多个分流管，其中，

所述分流环路包括的进气口与所述进气管的一端连通；

所述多个分流管分别与所述分流回路包括的多个出气口以及所述充气盘包括的多个进气口相对应；

所述分流管的一端与相对应的所述分流回路的出气口连通；

所述分流管的另一端与相对应的所述充气盘的进气口连通。

技术方案13.根据技术方案10或12所述的水冷热屏结构，所述气体导流结构进一步包括：进气控制阀，其中，

所述进气控制阀与所述进气管的另一端连通，用于控制进入所述进气管的惰性气体的量。

技术方案14.根据技术方案12所述的水冷热屏结构，所述分流环路的外表面以及多个分流管的外表面与所述水冷热屏本体的内壳的内表面相贴合。

技术方案15.根据技术方案1至3、5至12以及14中任一所述的水冷热屏结构，进一步包括：冷却水导流装置，其中，

所述冷却水导流装置设置于所述水冷热屏本体的内壳和外壳形成的空腔内；

所述气体导流装置的进水口和出水口设置于所述水冷热屏本体的内壳上；

所述气体导流装置的进水口与所述水冷热屏本体包括的进水管连通；

所述气体导流装置的出水口与所述水冷热屏本体包括的出水管连通。

技术方案16.一种单晶硅生长装置，包括：单晶炉本体以及上述任一项技术方案提供的所述水冷热屏结构，其中，

所述水冷热屏结构设置于所述单晶炉本体内。

技术方案17.一种利用具有上述任一项技术方案提供的所述的水冷热屏结构的单晶硅生长装置进行单晶硅生长的方法，包括：

在单晶硅穿过所述水冷热屏结构拉直生长阶段，持续通过所述气冷装置将外部的惰性气体输入所述水冷热屏本体内部，以使所述惰性气体直接吹拂生长的单晶硅的表面。

以上步骤所提供的介绍，只是用于帮助理解本发明的结构、方法及核心思想。对于本技术领域内的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也同样属于本发明权利要求保护范围之内。