一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置的制作方法

本技术涉及人工晶体制备，尤其涉及一种晶体冷却装置，具体涉及一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置。

背景技术：

1、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。

2、实用新型人通过检索发现，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，比如中国实用新型专利，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；中国实用新型专利，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。

3、为了能实现多根晶体的同时拉制，本实用新型人于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问题：

4、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。

5、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。

6、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。

7、综上，如何克服上述技术问题就成了急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的不足，本实用新型提供了一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置，本实用新型通过在晶体冷却管的外围设置冷却介质通道，通过冷却介质对坩埚以上的空间形成低温区，即形成下高上低的温度梯度，降低坩埚上方熔化硅液的温度，增加硅液的粘稠度，利于硅液跟随籽晶结晶，然后在下法兰或冷却盘的下面设有保温板，有效避免挥发物因冷凝而附着在下法兰或冷却盘的表面，同时保温板还可以调节下法兰或冷却盘上内、外圈温度，进而达到使其实现等径的目的等。

2、为实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案：

3、一种用于晶体拉制时的晶体冷却装置，包括上法兰、下法兰、晶体冷却管、冷却介质通道和保温板，在所述上法兰与下法兰之间设有复数个晶体冷却管，在晶体冷却管的外围设有冷却介质通道，所述冷却介质通道的进口通过管道连接冷却源，冷却介质通道的出口通过管道连接冷却介质回收机构，在下法兰的下面设有保温板；或在下法兰的下方设有冷却盘，在冷却盘的下面设有保温板形成所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置。

4、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却盘的中部设有空腔，在所述空腔内设有复数个固定柱，在每个固定柱上分别设有晶体提拉孔，空腔分别连通出水管和进水管，所述出水管和进水管连通冷却介质通道。

5、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰或冷却盘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下穿孔或晶体提拉孔。

6、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述保温板为平板型结构，在保温板上设有复数个穿孔，每个穿孔分别对应下法兰上的晶体下穿孔或冷却盘上的晶体提拉孔，保温板的外形尺寸大于或等于下法兰或冷却盘的外形尺寸。

7、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，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，所述阶梯台阶与下法兰或冷却盘下面的阶梯面对应配合。

8、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，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，在保温板上设有复数个穿孔，每个穿孔分别对应下法兰上的晶体下穿孔或冷却盘上的晶体提拉孔，所述凹槽的内缘面与下法兰或冷却盘的外缘面为间隙配合或过盈配合。

9、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰或冷却盘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、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，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，所述阶梯台阶与下法兰或冷却盘下面的阶梯面对应配合。

11、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第一结构为在上法兰与下法兰之间设置连接筒，在所述连接筒内设有复数个晶体冷却管，每个晶体冷却管的上端分别连接设置在上法兰上的晶体上穿孔，每个晶体冷却管的下端分别连接设置在下法兰上的晶体下穿孔，由连接筒的内缘面与上法兰下端面、下法兰上端面之间的空腔形成冷却介质通道，在上法兰上分别设有出水口和进水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

12、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第二结构为在每个晶体冷却管的外围分别套接套管，每个套管的上端头分别连通设置在上法兰中部的进水腔，每个套管的下端头分别连通设置在下法兰中部的集水腔，由套管的内缘面与晶体冷却管的外缘面之间的冷却腔、进水腔和集水腔形成冷却介质通道，所述进水腔连通进水口，所述集水腔通过回水管连接出水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

13、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第三结构为在每个晶体冷却管的外围分别套接套管，在每个套管的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶，每个套管的上端头分别连通设置在上法兰上部的进水腔，每个半圆台阶的上端头分别连通设置在上法兰下部的回水腔，每个套管的下端头分别连通设置在下法兰上部的集水腔，由套管的内缘面与晶体冷却管的外缘面之间的冷却腔、进水腔、回水腔和集水腔形成冷却介质通道，所述进水腔连通进水口，所述回水腔通过连接管连接出水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

14、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述冷却介质通道设置的第四结构为在每个晶体冷却管的外围分别套接套管，在每个套管的上端头分别设有向下凹陷的半圆台阶，每个套管的上端头分别连通设置在上法兰上部的进水腔，每个半圆台阶的上端头分别连通设置在上法兰下部的回水腔，每个套管的下端头分别连接下法兰，由套管的内缘面与晶体冷却管的外缘面之间的冷却腔、进水腔和回水腔形成冷却介质通道，所述进水腔连通进水口，所述回水腔通过连接管连接出水口，所述出水口和进水口分别形成冷却介质通道的进口和出口。

15、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述晶体冷却管与套管之间的冷却腔内设有隔板。

16、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述上法兰的第一结构为上法兰为实心结构，在上法兰的上面分别设有复数个贯通至上法兰下面的晶体上穿孔、出水口和进水口；或在上法兰上面的中部设置气体穿孔，在气体穿孔外围的上法兰的上面设有复数个贯通至上法兰下面的晶体上穿孔、出水口和进水口。

17、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述上法兰的第二结构为在上法兰的下面设有向上凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有下盖板，下盖板与凹槽形成的空腔为进水腔，在凹槽的槽底分别设有复数个贯通至上法兰上面的晶体冷却管穿孔、出水口和进水口，在下盖板上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔。

18、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述上法兰的第三结构为在上法兰的上下两面分别设有上凹槽和下凹槽，在上凹槽和下凹槽的开口端分别设有进水腔盖板和回水腔盖板，进水腔盖板与上凹槽形成的空腔为进水腔，回水腔盖板与下凹槽形成的空腔为回水腔，在进水腔盖板上分别设有复数个贯通至下凹槽槽底的晶体冷却管穿孔、出水口和进水口，在回水腔盖板上设有复数个套管穿孔及回水管穿孔，在上凹槽的槽底设有贯通至下凹槽槽底的半圆形进水孔，所述回水腔通过连接管连通出水口。

19、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰的第一结构为下法兰为实心结构，在下法兰的上面设有复数个贯通至下法兰下面的晶体下穿孔。

20、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述下法兰的第二结构为在下法兰的上面设有向下凹陷的凹槽，在所述凹槽的开口端设有上盖板，在凹槽的槽底设有复数个贯通至下法兰下面的晶体冷却管穿孔，在上盖板上设有复数个套管穿孔。

21、所述的用于晶体拉制时的晶体冷却装置，所述复数个晶体冷却管的设置形式为中间设置一个晶体冷却管，在中间晶体冷却管的外围呈放射状设有复数组晶体冷却管，每组晶体冷却管包括至少两个晶体冷却管；或复数个晶体冷却管的第二设置形式为在上法兰上气体穿孔的外围呈放射状设置复数组晶体冷却管，每组晶体冷却管包括至少两个晶体冷却管。

22、由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

23、本实用新型通过在上法兰与下法兰之间设有复数个晶体冷却管，在晶体冷却管的外围设有冷却介质通道，通过冷却介质对坩埚以上的空间形成低温区，即形成下高上低的温度梯度，同时还可以实现降低坩埚上方熔化硅液的温度，增加硅液的粘稠度，利于硅液跟随籽晶结晶，最主要的是还可以对硅芯进行冷却，进而提高硅芯的拉制速度，然后在下法兰或冷却盘的下面设有保温板，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，本实用新型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。