一种用于同时拉制多根晶体的装置的制作方法

一种用于同时拉制多根晶体的装置
1.技术领域
2.本发明涉及人工晶体制备领域，具体涉及一种用于同时拉制多根晶体的装置。


背景技术：

3.已知的，在提高晶体拉制效率方面，如何提高晶体的拉制速度是其中的关键技术之一，以多/单晶硅制备为例，多/单晶硅在整个生产过程中，直径为8mm～12mm的柱状硅棒使用量非常大，在实际生产过程中，发现柱状硅棒制备过程中出现的余料，不小心折断的硅棒，多/单晶硅生产企业在切割、破碎等工艺阶段产生的碎料等处理非常繁琐，很多企业为了图省事，直接将上述碎料丢弃或者长期堆放在仓库中，还有一些企业将上述碎料进行回收，通过直拉炉拉制成硅棒，然后通过多线切割机将硅棒切成复数根尺寸为8mm*8mm或10mm*10mm的柱状硅棒，这样不仅增加了柱状硅棒的生产成本，在切割过程中还增加了杂质引入，在降低产品质量的同时，还造成了较大的资源浪费等，那么如何将碎硅料进行再利用就成了本领域技术人员的长期技术诉求。
4.发明人通过检索发现，采用直拉法拉制硅棒的技术已经非常成熟，并在人工晶体制备领域得到了广泛的应用，但是现有直拉法在拉制硅棒时，只能在坩埚的中心拉制一根硅棒，比如中国发明专利，专利号为201320678696.4，申请日为2013年10月30日，公告号为cn203639604u，专利名称为一种软轴提拉型单晶炉；中国发明专利，专利号为202011063763.2，申请日为2020年9月30日，公告号为cn112176400a，专利名称为一种直拉法单晶炉及其熔体温度梯度控制方法。上述两专利公开的技术方案均是采用直拉法拉制硅棒的技术方案，但上述两技术方案只能实现一根硅棒的同时拉制，无法实现多根硅棒的同时拉制。
5.为了能实现多根晶体的同时拉制，本发明人于2022年3月21日向国家知识产权局提交了名称为一种用于人工晶体炉的晶体冷却装置的专利申请，专利申请号为202220616165.1，该技术方案在晶体拉制时发现如下弊端：1、由于与坩埚内熔液接近的下法兰或冷却盘内通有冷却介质，此时下法兰或冷却盘的外表面温度低于其所处区域的温度，当坩埚中的硅料熔融成硅液后，此时硅液中及炉室内的杂质挥发后漂浮至下法兰或冷却盘的下底面或侧壁上，由于下法兰或冷却盘内通有冷却介质，下法兰或冷却盘的温度相对较低，此时，挥发物冷凝附着在下法兰或冷却盘的底面或侧壁上，当挥发物堆积到一定厚度后，由于气流扰动再加上热胀冷缩效应，挥发物掉落到坩埚的熔液上表面后漂浮在熔液的上表面，由于挥发物的熔点高于硅料的熔点，无法将挥发物熔化，更无法将挥发物气化，此时挥发物会持续存在于熔液的上表面，由于拉制时，坩埚一直旋转，此时坩埚内的挥发物不会静止处于硅熔液上表面的某一处不动，而是位置漂浮不定，一旦漂浮物附着到硅芯结晶位置，轻者导致所拉制硅芯的外缘面凸起变形，严重时，由于硅芯直径的变化导致硅芯卡死在晶体穿孔内，最终被迫停机，结束本轮的拉制，所
拉制硅芯也无法当做成品使用，只能报废处理。
6.2、由于下法兰或冷却盘的下面为平面，冷却介质对下法兰或冷却盘上每个晶体拉制孔的冷却效果是相同的，此时由于坩埚内熔液的温度不均匀，坩埚的温度由高到低依次为由坩埚的内边缘至坩埚的中心，在拉制时，处于下法兰或冷却盘外圈的晶体在拉制时由于外圈温度高于内圈温度导致其结晶速度低于处于下法兰或冷却盘内圈的晶体（越靠近坩埚中心位置结晶速度由于温度相对低会先结晶），在相同拉制速度的条件下，处于下法兰或冷却盘外圈的晶体直径会小于处于下法兰或冷却盘内圈的晶体直径，进而导致同时拉制的晶体直径不一致。
7.3、下法兰或冷却盘的下表面靠近但不接触坩埚内熔液的上表面，此时下法兰或冷却盘表面的低温会吸收坩埚上方的部分热量，从而导致不必要的热量损失，造成一定的电耗损失等。
8.综上，如何提供一种在避免上述技术问题的同时，又能同时拉制多根晶体的装置就成了急需解决的技术问题。


技术实现要素：

9.为了克服背景技术中的不足，本发明提供了一种用于同时拉制多根晶体的装置，本发明通过在晶体冷却机构的下面设置保温板，有效避免挥发物因冷凝而附着在晶体冷却机构的表面，同时保温板还可以调节晶体冷却机构上内、外圈温度，进而达到使其实现等径的目的等。
10.为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种用于同时拉制多根晶体的装置，包括炉体、上提拉机构、晶体冷却机构、保温板、坩埚和加热器，在所述炉体内设有加热器，在所述加热器的中部设有坩埚，在所述坩埚的上方设有晶体冷却机构，在所述晶体冷却机构的下面设有保温板，在保温板上设有复数个与晶体冷却机构上晶体上提拉孔一一对应的晶体下提拉孔，在晶体冷却机构的上方设有上提拉机构，所述上提拉机构上籽晶的下端头分别对应晶体冷却机构的晶体上提拉孔形成所述的用于同时拉制多根晶体的装置。
11.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述坩埚上下升降或晶体冷却机构上下升降保证晶体冷却机构的下表面与坩埚内熔液液面的距离。
12.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述坩埚的下端连接上下升降的下轴。
13.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述晶体冷却机构上面的中部设有上穿孔，在晶体冷却机构内设有空腔，在上穿孔外围呈放射状设有复数组固定柱，每组固定柱包括至少两个固定柱，在每个固定柱上分别设有晶体上提拉孔，空腔分别连通出水管和进水管，所述出水管和进水管分别连接冷却介质源。
14.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述晶体冷却机构的下面由外向内设有至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面，在每级阶梯面上分别设置一圈晶体上提拉孔。
15.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述保温板的中部设有下穿孔，在下穿孔的外围呈放射状设有复数组晶体下提拉孔，所述下穿孔及晶体下提拉孔分别对应晶体冷却机构上的上穿孔及晶体上提拉孔。
16.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述保温板为平板型结构，保温板的外形
尺寸大于或等于晶体冷却机构的外形尺寸。
17.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述保温板为平板型结构时，在保温板的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶，所述阶梯台阶与晶体冷却机构下面的阶梯面对应配合。
18.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述保温板的替换结构形式为在保温板的中部设置向下凹陷的凹槽形成桶型结构，所述凹槽的内缘面与晶体冷却机构的外缘面为间隙配合或过盈配合。
19.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述晶体冷却机构的外缘面与凹槽的内缘面间隙配合时，在间隙处设有保温填充物。
20.所述的用于同时拉制多根晶体的装置，所述保温板设置为桶型结构时，在保温板的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶，所述阶梯台阶与晶体冷却机构下面的阶梯面对应配合。
21.由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明通过在晶体冷却机构的下面设置保温板，通过保温板对晶体冷却机构的表面进行保温，有效的避免了挥发物因冷凝现象附着在晶体冷却机构的下面和侧壁上，本发明在实现避免挥发物粘附在晶体冷却机构上的同时，由于保温板的保温作用，避免了因晶体冷却机构下面的低温对其对应坩埚区域的降温，防止晶体冷却机构带走过多的温度，起到了降低加热能耗的作用等，同时，由于保温板的保温作用，使晶体冷却机构内冷却介质的冷却效果完全作用在晶体上提拉孔内孔壁上，进而提高对拉制晶体的冷却效果，实现晶体的快速结晶，起到了提高晶体拉制速度的目的等，适合大范围的推广和应用。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中保温板的第一替换结构示意图；图3是图2的俯视结构示意图；图4是本发明中保温板的第二替换结构示意图；图5是本发明中保温板的第三替换结构示意图；图6是本发明中保温板的第四替换结构示意图；图7是本发明中保温板的第五替换结构示意图；图8是本发明中保温板上阶梯台阶的结构示意图；在图中：1、炉体；2、上提拉机构；3、柱形晶体；4、晶体冷却机构；401、晶体上提拉孔；402、空腔；403、上穿孔；5、保温板；501、晶体下提拉孔；502、阶梯台阶；503、下穿孔；6、熔液；7、坩埚；8、加热器；9、下轴；10、保温填充物。
具体实施方式
23.通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的发明目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的
方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.结合附图1～8所述的一种用于同时拉制多根晶体的装置，包括炉体1、上提拉机构2、晶体冷却机构4、保温板5、坩埚7和加热器8，在所述炉体1内设有加热器8，在炉体1的内壁与加热器8外缘面之间设有保温层，在所述加热器8的中部设有位置固定不动或上下升降的坩埚7，在所述坩埚7的上方设有位置固定不动或上下升降的晶体冷却机构4，所述坩埚7上下升降或晶体冷却机构4上下升降可以实现晶体冷却机构4的下表面与坩埚7内熔液6液面的距离趋于不变，实施时，无论是坩埚7上下升降，还是晶体冷却机构4上下升降均可，均可保证晶体冷却机构4的下表面与坩埚7内熔液6液面的距离趋于不变，在所述晶体冷却机构4的下面设有保温板5，在保温板5上设有复数个与晶体冷却机构4上晶体上提拉孔401一一对应的晶体下提拉孔501，在晶体冷却机构4的上方设有上提拉机构2，所述上提拉机构2上籽晶的下端头分别对应晶体冷却机构4的晶体上提拉孔401形成所述的用于同时拉制多根晶体的装置。
26.本发明在实际应用中，通过设置保温板5，可以起到如下效果：1、通过的保温板5设置，可以降低或者避免晶体冷却机构4由于通入冷却介质的原因导致其表面温度低于炉室内的温度，进而可以减少或避免熔液6内的挥发物冷凝附着在晶体冷却机构4的外表面。
27.2、通过保温板5的设置，可以更好的保证晶体冷却机构4上各个晶体上提拉孔401温度的均匀性（即可以调节处于晶体冷却机构4上内圈晶体上提拉孔401与外圈晶体上提拉孔401的温度，进而实现内圈与外圈上晶体上提拉孔401的温度趋于等温），由于坩埚的温度分布范围为外围温度高于中心温度，在拉制晶体时，晶体冷却机构4的冷却范围也应随之变化，进而保证内、外圈晶体结晶的一致性。
28.3、通过保温板5的设置，还可以使坩埚内结晶区域的温度趋于均匀，起到降低或避免晶体冷却机构4内的冷却介质对坩埚内的结晶区域进行冷却降温（晶体冷却机构4表面温度低，可以带走一部分热量，热量损失后，进而导致温度的降低），可以避免为了保证坩埚内结晶区域的温度不被降低，通过加大加热功率的方法来保证坩埚内结晶区域的温度不被降低的步骤，进而实现降低能耗的效果（即通过保温板5的设置，可以减少或调节晶体冷却机构4对坩埚内熔液6液面温度的吸收，从而避免不必要的热量损失，避免造成电耗的增加等），这样还可以实现坩埚结晶区域的温度均匀等。
29.具体实施时， 为了实现晶体冷却机构4的下表面与坩埚7内熔液6液面的距离趋于不变，优选结构为坩埚7上下升降，晶体冷却机构4位置不动的方案，坩埚7上下升降是本领域常规且较为常用的技术方案，实施时，坩埚7的下端设置在坩埚支撑座上，所述坩埚支撑座的下端连接上下升降的下轴9，通过下轴9的升降实现坩埚7的上下升降，该技术方案不仅
结构简单，同时也可以始终保证晶体的结晶线不变（即熔液6的液面始终处于加热器的固定位置）。
30.若选择晶体冷却机构4上下升降，坩埚7固定不动的技术方案，晶体冷却机构4实现上下升降功能时晶体冷却机构4连接升降机构，通过升降机构带动晶体冷却机构4实现上下升降，需要说明的是，升降机构是本领域的常规技术，具体结构可参见本发明人于2022年3月21日申请的专利号为202220616149.2，专利名称为一种用于人工晶体炉的冷却屏升降装置，在此不做累述，在具体实施时，还可以将加热器8设置为上下升降的结构，当坩埚7内的熔液6液面下降时，在晶体冷却机构4下降的同时，加热器8也随之下降，这样同样也可以保证晶体的结晶线不变，同样加热器8升降也是本领域的常规结构设置，在此不做累述。
31.进一步，所述晶体冷却机构4上面的中部设有上穿孔403，在晶体冷却机构4内设有空腔402，在上穿孔403外围呈放射状设有复数组固定柱，每组固定柱包括至少两个固定柱，在每个固定柱上分别设有晶体上提拉孔401，空腔402分别连通出水管和进水管，所述出水管和进水管分别连接冷却介质源。
32.进一步，为了实现同时更多根晶棒的拉制，在晶体冷却机构4上自外缘向内依次间隔设置多圈晶体上提拉孔401，此时，为了保证每圈晶体上提拉孔401所拉制晶体直径的一致性，主要应规避的技术问题是克服坩埚7内熔液温度不均匀的问题，因此在所述晶体冷却机构4的下面由外向内设有至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面，在每级阶梯面上分别设置一圈晶体上提拉孔401。
33.涉及到晶体冷却机构15的具体结构，在具体实施时，可以选用本发明人于2022年3月21日申请的，专利号为202210278020.x，专利名称为一种用于人工晶体炉的晶体冷却装置。
34.同时本发明中晶体冷却机构15的具体结构还可以是在2021年7月8日申请的，专利号为202121548804.7，专利名称为一种用于使用碎硅料同时拉制多根硅芯的冷却装置，或者在2021年7月8日申请的，专利号为202121548805.1，专利名称为一种用于使用碎硅料同时拉制多根硅芯的冷却屏，或者与2021年7月8日申请的，专利号为202121549279.0，专利名称为一种使用碎硅料同时拉制多根硅芯的装置。
35.进一步，所述保温板5的中部设有下穿孔503，在下穿孔503的外围呈放射状设有复数组晶体下提拉孔501，所述下穿孔503及晶体下提拉孔501分别对应晶体冷却机构4上的上穿孔403及晶体上提拉孔401。
36.进一步，如图1、7所示，所述保温板5为平板型结构，保温板5的外形尺寸大于或等于晶体冷却机构4的外形尺寸。
37.进一步，如图2、4所示，所述保温板5为平板型结构时，在保温板5的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶502，所述阶梯台阶502与晶体冷却机构4下面的阶梯面对应配合。
38.进一步，如图5、6所示，所述保温板5的替换结构形式为在保温板5的中部设置向下凹陷的凹槽形成桶型结构，所述凹槽的内缘面与晶体冷却机构4的外缘面为间隙配合或过盈配合。
39.进一步，如图5所示，所述保温板5设置为桶型结构时，在保温板5的上面由外向内设有至少一级向上凸起的阶梯台阶502，所述阶梯台阶502与晶体冷却机构4下面的阶梯面
对应配合。
40.进一步，如图5所示，所述晶体冷却机构4的外缘面与凹槽的内缘面间隙配合时，在间隙处设有保温填充物10。
41.进一步，如图2、4、5所示，所述晶体冷却机构4的下面由外向内设有至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面，在所述阶梯面的下面设有与阶梯面形状一致的保温板5，实施时，设置阶梯台阶可以更好的保证晶体冷却机构4上晶体上提拉孔401温度的均匀性，由于坩埚的温度分布范围为外围温度高于中心温度，在拉制晶体时，晶体冷却机构4的冷却范围也应随之变化，进而保证内外圈晶体结晶的一致性。
42.进一步，如图1、7所示，所述保温板5为平板型结构，保温板5的外形尺寸大于或等于下法兰5或冷却盘25的外形尺寸。实施时，保温板5的外形尺寸大于晶体冷却机构4的外形尺寸时结构如图4、7所示，保温板5的外缘面向外延伸，这样可以减少或避免挥发物粘附到晶体冷却机构4的外缘面上，同时还可以起到托盘的作用，将挥发物落在保温板5延伸出的上表面等。当保温板5的外形尺寸等于晶体冷却机构4的外形尺寸时结构如图1、2所示，保温板5与晶体冷却机构4连接时可以通过粘接的形式连接，也可以通过销钉或螺钉固定的方式连接，也可以通过连接杆挂接在晶体冷却机构4的下方等，保温板5的材质可以为石墨毡或石墨板或碳碳复合材料板等。
43.进一步，如图5、6所示，所述保温板5的替换结构形式为在保温板5的中部设置向下凹陷的凹槽形成桶型结构，所述凹槽的内缘面与晶体冷却机构4的外缘面为间隙配合或过盈配合连接。 实施时，所述晶体冷却机构4的外缘面与凹槽的内缘面间隙配合时，在间隙处设有保温填充物10。所述保温填充物10为石英毡或石墨毡或锆毡中的任意一种。设置桶形结构的保温板5，可以起到防止挥发物粘接并堆积到晶体冷却机构4的侧壁上，同时还可以起到调节晶体冷却机构4侧壁保温效果的作用，通过调节调节晶体冷却机构4侧壁的保温效果，实现调节晶体冷却机构4外圈上晶体上提拉孔401的温度，进而实现调节所拉制柱形晶体3的直径，设置保温填充物10的作用也是在起保温作用的同时，通过调整添加保温填充物10的厚度大小来调整保温温度，最终实现调整晶体冷却机构4外圈上晶体上提拉孔401的温度，实现调节所拉制柱形晶体3的直径等。
44.实施时，还可以在晶体冷却机构4的上面板设置保温板，即在晶体冷却机构4的外表面全部包覆一层保温材料。
45.实施时，在保温板5的中部可以设置与晶体冷却机构4中心部位穿孔一致的下穿孔503，在下穿孔503的外围设置复数个与晶体冷却机构4上晶体上提拉孔401一一对应的晶体下提拉孔501，当晶体冷却机构4的下面由外向内设置至少一级向上凹陷的台阶形成阶梯面时，保温板5随之由外向内设置至少一级向上凸起的阶梯台阶502，阶梯台阶502与晶体冷却机构4上的阶梯面配合，具体结构详见附图2、4、5。
46.本发明中涉及到的冷却介质为冷却水或冷却油或冷却气体，如液氮等。
47.本发明在具体应用时，其设置在位于炉体1内坩埚7的上方，本发明中晶体冷却机构4的下面接近坩埚7内熔液6但不能接触，工作时，首先将原料放入坩埚7内，开启加热器8对位于下轴9上的坩埚7进行加热，待坩埚7的原料熔化为熔液6后，上提拉机构带动籽晶下降，当籽晶穿过晶体上提拉孔401、晶体下提拉孔501后与熔液6接触停止籽晶下降，待籽晶的下端头熔化后缓慢提升籽晶，由于晶体冷却机构内通入了冷却介质，此时，熔液6跟随籽
晶上升，当熔液接近晶体冷却机构4的下面时，由于此处的温度低于坩埚7的温度，熔液6逐渐结晶，当结晶的熔液进入晶体上提拉孔401后温度逐渐降低便形成所需要的柱形晶体3，应用时，晶体冷却机构4中的冷却介质通过晶体上提拉孔401可以对刚刚结晶后的柱形晶体3进行强制冷却，晶体冷却机构4上设置的保温板5可以避免挥发物粘附在晶体冷却机构4的表面，同时通过保温板5的设置，还可以调整每圈晶体上提拉孔401的保温（保冷效果）效果，进而实现调整内、外圈晶体上提拉孔401所拉制柱形晶体3的直径等。
48.实施时，保温板5上设置的阶梯台阶502的外形可以设置为圆形或在每两个晶体下提拉孔501之间设置向内凹陷的圆弧形成的梅花形（具体结构如图8所示）或在每两个晶体下提拉孔501之间设置向外突出的圆弧或各种异形形状。
49.本发明在具体实施时，所有涉及到的冷却介质出入口均可以设置为多组。
50.本发明在实际应用时，不仅可以用于硅芯的拉制，同时还可以实现其它晶体材料的拉制。
51.以上内容中未细述部份为现有技术，故未做细述。
52.为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。