液體冷卻熱交換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明揭露一種長晶爐，包括：至少含有原料的坩鍋以及液體冷卻熱交換器，液體冷卻熱交換器是在該坩鍋下方能垂直移動來從該坩鍋散熱以促成晶錠的成長。液體冷卻熱交換器包含由高導熱材料制作的散熱球，其能夠垂直移動地與該坩鍋進行熱交流來使用液態(tài)冷媒從該坩鍋散熱。還揭露一種被封閉在密封管狀外罩中的液體冷卻熱交換器和使用能垂直移動的液體冷卻熱交換器來制造晶錠的方法。
【專利說明】液體冷卻熱交換器
[0001]相關(guān)申請交叉引用
[0002]本申請要求享有美國臨時申請案第61/514，019號的權(quán)益，該臨時申請案的 申請日期:是2011年8月I日。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明是關(guān)于包含能夠在坩鍋下方垂直移動的液體冷卻熱交換器的長晶爐。
【背景技術(shù)】
[0004]長晶爐被用來從熔化的原料(feedstock material)制造結(jié)晶材料(crystallinematerials)。原料首先在坩鍋中被熔化，然后重新固化成結(jié)晶材料，舉例而言，成為晶錠(crystalline ingots)。有多種方法被用來從原料制造晶錠。舉例而言，直拉法(Czochralski, CZ)、定向固化(directional solidification, DSS)和熱交換器法(heatexchanger method, HEM)的長晶爐可以用來熔化娃原料以制造娃晶錠。然而,熔化的原料重新固化成晶錠的方式在他們之間是不同的。在CZ方法中，是通過先將硅晶種(掛在上方)浸入熔化的原料中，然后緩慢地“拉起(pulling) ”該部分熔化的晶種到該熔化的原料之外，使得硅開始冷卻并從上到下地固化以形成硅晶錠，也已知稱為晶棒(boule)。所形成的晶錠自然地是單晶并且高度適用于半導體和光伏(photovoltaic)應用。然而，由CZ方法所制造的硅晶錠的相對小的尺寸、相對高的制造成本使得此方法一般來說對于生產(chǎn)用來制作用于光伏產(chǎn)業(yè)的硅晶圓所需要的大量晶錠和大晶錠尺寸是不實際的。
[0005]不同于CZ，一般在原料熔化在其中的同樣坩鍋中，D`SS和HEM方法從該坩鍋底部“向上”將該熔化的原料重新固化成晶錠。這些方法可以用來產(chǎn)生比CZ更大的晶錠尺寸?？梢酝ㄟ^DSS和HEM方法制造各種種類的晶錠，舉例而言，硅或藍寶石晶錠。然而，由于他們的長晶爐結(jié)構(gòu)，熔化的原料重新固化的方式在DSS和HEM方法之間是不同的。典型地在DSS系統(tǒng)中，是加熱含有原料的方形坩鍋，該原料被完全熔化，然后來自該熔化的原料的熱被允許從該i甘鍋的整個底部福射到下方的水冷長晶爐腔室壁(furnace chamber wall)。從?甘鍋下方冷卻的方法提供了在坩鍋中的溫度梯度，其促成了 “由下到上”的固化來形成晶錠。
[0006]不同于DSS方法，HEM方法通過設置熱交換器與坩鍋底部產(chǎn)生熱交流來用更集中的方式從該熔化的材料中散熱。循環(huán)流經(jīng)該熱交換器頂部的冷媒(舉例而言，某種氣體)從該坩鍋底部帶走所抽取出來的熱以啟動結(jié)晶化并促成“由下到上”的固化來形成晶錠。氦通常被用在長晶爐熱交換器中作為冷媒。然而，氦以及其它冷卻氣體不具有可察覺的質(zhì)量(appreciable mass),且因此具有很小的接受力(capacity)來吸收來自含有熔化的原料的坩鍋的大量的熱量。因此，大量的氣體必須循環(huán)流經(jīng)該熱交換器以保持來自該熔化的原料、經(jīng)過該坩鍋以及進到該熱交換器的熱信道和流動以促進并保持晶體成長。
[0007]不同于氣體冷媒，液態(tài)冷媒具有可察覺的質(zhì)量。例如，水是一種杰出的液態(tài)冷媒，因為其具有可察覺的質(zhì)量并因此具有顯著的接受力來吸收來自坩鍋的大量的熱。然而，其使用在長晶爐的熱交換器中作為液態(tài)冷媒是被審慎戒備的，因為從該液體冷卻熱交換器到該長晶爐腔室的任何水泄漏可能產(chǎn)生大量的蒸氣壓力。
[0008]因此，在產(chǎn)業(yè)中存在有利用包含水的液態(tài)冷媒超過冷卻氣體的卓越冷卻接受力來用于熱交換器中以成長結(jié)晶材料的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明關(guān)于一種長晶爐，包括在至少含有要被熔化的原料的坩鍋下方的液體冷卻熱交換器。該液體冷卻熱交換器是能在該坩鍋下方垂直移動以與該坩鍋產(chǎn)生熱交流來促進該熔化的原料重新固化成晶錠，并包含由具有大于約200W/(mk)的導熱值的材料制作的散熱球以及液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管，其中，該進液管、該出液管或是兩者是連結(jié)到該散熱球，用以循環(huán)流經(jīng)其間的液態(tài)冷媒。較佳地，該材料包含銅且該液態(tài)冷媒包含水。在一具體實施例中，該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的與該坩鍋進行熱接觸。在另一具體實施例中，該坩鍋置于坩鍋支撐架頂上，且該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的與該坩鍋支撐架進行熱接觸。再又一具體實施例中，要被熔化的至少的原料較佳的是硅，該坩鍋置于坩鍋支撐架頂上的坩鍋盒中，且該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的與該坩鍋支撐架進行熱接觸。在又另一具體實施例中，該液體冷卻熱交換器是被封閉在坩鍋下方的密封管狀外罩(sealed tubular outer jacket)中并能夠在該密封管狀外罩中垂直移動的。
[0010]本發(fā)明還關(guān)于在長晶爐中制造晶錠的一種方法，包括下列步驟:將至少具有原料的坩鍋置放在該長晶爐中、循環(huán)流經(jīng)液體冷卻熱交換器的液態(tài)冷媒，該液體冷卻熱交換器能在該坩鍋下方垂直地移動、加熱并熔化在該坩鍋中的至少的原料、以及垂直地移動該液體冷卻熱交換器以與該坩鍋進行熱交流，以促進該晶錠的成長。該液體冷卻熱交換器包含由具有大于約200W/(mk)的導熱值的材料制作的散熱球以及液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管，其中，該進液管、該出液管或是兩者是連結(jié)到該散熱球，用以循環(huán)流經(jīng)其間的液態(tài)冷媒。
[0011]要理解到前述的一般說明和下述詳細說明兩者都只是示例性的和解釋性的，并旨在提供如權(quán)利要求的本發(fā)明的進一步解釋。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1和圖2各自是本發(fā)明的長晶爐的不同具體實施例的剖面圖。
[0013]圖3是圖2的長晶爐的剖面放大圖。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明關(guān)于一種長晶爐，包括能夠在含有至少要被熔化的原料并被重新固化成晶錠的坩鍋下方垂直移動的液體冷卻熱交換器，以及從熔化的原料制造晶錠的方法。
[0015] 本發(fā)明的長晶爐是一種能夠在一般大于約1000°C的溫度下加熱及/或熔化原料(包含但不限于硅)并隨后促成該熔化的材料的重新固化以形成晶錠(例如，多晶硅錠)的高溫爐。舉例而言，該長晶爐可以是定向固化系統(tǒng)(DSS)或熱交換器(HEM)長晶爐。該原料可以是固體或液體的形式。要被熔化的材料至少是原料，舉例而言，多晶硅原料，盡管若想要單晶或?qū)嵸|(zhì)上單晶的結(jié)晶材料，例如單晶硅種子的種子晶體可以用來和該原料結(jié)合。利用本發(fā)明的長晶爐可以制造其它晶錠，包含但不限于，例如鍺、氟化鈣以及氟化鎂。[0016]本發(fā)明的長晶爐包括含有在該長晶爐的熱區(qū)中要被熔化的原料的坩鍋，以及液體冷卻熱交換器，其能夠在該坩鍋下方垂直移動。該長晶設備的熱區(qū)是在該長晶爐中的內(nèi)部區(qū)域，在其中可以提供并控制熱來熔化以及重新固化在坩鍋中的原料。該熱區(qū)被絕緣體圍繞并定義，該絕緣體可以是本領(lǐng)域中現(xiàn)有的任何材料，其擁有低導熱性并能夠承受在高溫長晶爐中的溫度和條件。舉例而言，該熱區(qū)可以被石墨絕熱體所包圍。該熱區(qū)的形狀和尺寸可以由多個絕緣板所形成，其可以是固定的或可移動的。舉例而言，該熱區(qū)可以由頂部、側(cè)面和底部絕緣板所形成，該頂部和側(cè)面絕緣板是設置成相對于設在該熱區(qū)中的坩鍋垂直地移動?？梢罁?jù)該長晶爐熱區(qū)形狀來決定使用其它絕緣體尺寸，舉例而言，圓柱形絕緣體典型地圍繞圓柱形熱區(qū)。
[0017]該熱區(qū)還包括至少一個加熱系統(tǒng)，譬如多個加熱組件來提供熱以熔化置于坩鍋中的固體原料。舉例而言，該熱區(qū)可包含頂部加熱組件，水平地設置在該坩鍋上方的該熱區(qū)的上部區(qū)域，以及至少一個側(cè)面加熱組件，垂直地設置在該頂部加熱組件下并沿著該熱區(qū)和該坩鍋的側(cè)壁。通過調(diào)整提供給各種加熱組件的功率，該熱區(qū)中的溫度可以被增加來熔化原料，然后被降低來幫助原料的重新固化。
[0018]該熱區(qū)進一步包括在熱區(qū)中的坩鍋支撐架頂上的坩鍋(選擇性地位于坩鍋盒中)。較佳地，該坩鍋是不旋轉(zhuǎn)而是固定的。該坩鍋可以由各種耐熱材料制作，舉例而言，石英(二氧化硅)、石墨、鑰(molybdenum)、碳化硅、氮化硅、碳化硅或氮化硅與二氧化硅的復合材料、熱解氮化硼(pyrolytic boron nitride)、氧化招、或氧化錯(zirconia),以及,選擇性地，該坩鍋可以用譬如氮化硅被涂覆以避免在固化之后晶錠的破裂。該坩鍋也可以具有至少有一個側(cè)壁和底部的各種形狀，舉例而言，包含圓柱形、立方體或長方體(具有方形的截面)或錐形。較佳地，當原料是硅時，該坩鍋是由二氧化硅制作并具有立方體或長方體形狀。
[0019]該坩鍋可以選擇性地被容置在坩鍋盒中，其提供支撐與剛性給該坩鍋的側(cè)壁和底部，且其特別適用于特別是在受熱時傾向受損、破裂或軟化的任一者的材料所制作的坩鍋。舉例而言，坩鍋盒對于二氧化硅的坩鍋是較佳的，但對于由碳化硅、氮化硅、或是碳化硅或氮化硅與二氧化硅的復合材料所制作的坩鍋是不必要的。該坩鍋盒可以由各種耐熱材料來制作，譬如導熱高密度石墨(ther`mal conductive high density graphite),并且該相 鍋盒典型地包含至少一個側(cè)面平板以及底部平板，選擇性地還包含上蓋。舉例而言，對于立方體或長方體形的坩鍋，該坩鍋盒較佳地也是立方體或長方體形狀，具有四個壁和一底部平板，還有一選擇性的上蓋。
[0020]該坩鍋和選擇性的坩鍋盒可以進一步被設置在位于該熱區(qū)中的坩鍋支撐架的頂部，因此彼此之間將產(chǎn)生熱交流以使熱可以從一者被傳導到另一者，較佳地是通過直接的熱接觸。為了將該坩鍋置放在該長晶爐的中心位置，該坩鍋支撐架可以由多個支架支起。該坩鍋支撐架可以由任何耐熱材料制作且若有使用坩鍋盒時，較佳地是由與坩鍋盒相同的材料制作。舉例而言，坩鍋盒和坩鍋支撐架典型地是由導熱的高密度石墨材料所制作。該坩鍋支撐架也可以包含開口，特別是在其中央，該開口的的尺寸及形狀是可接收下述液體冷卻熱交換器的散熱球，以使得該球可以與該坩鍋盒產(chǎn)生熱交流來從該坩鍋盒散熱。本發(fā)明也涵蓋在該坩鍋支撐架中的開口，尺寸和形狀是用以接收包含有液體冷卻熱交換器的密封管狀外罩，也將在以下詳細描述。[0021]該長晶爐還包含液體冷卻熱交換器在該坩鍋下方。該液體冷卻熱交換器是配置成能夠垂直移動地與該坩鍋底部(特別是其中央)產(chǎn)生熱交流，以將熱傳導遠離該熔化的原料并傳導至循環(huán)流經(jīng)該熱交換器的液態(tài)冷媒。較佳地，該液體冷卻熱交換器是不旋轉(zhuǎn)的。該液態(tài)冷媒可以能夠流通經(jīng)過該液體冷卻熱交換器并從包含熔化形成在坩鍋中的液體原料的坩鍋下方移除熱的任何液體材料。較佳地，該液態(tài)冷媒包含水。
[0022]該液體冷卻熱交換器包含由特定的材料制作的散熱球且還包含液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管。該液態(tài)冷媒進液管、該液態(tài)冷媒出液管或是兩者是連結(jié)到該散熱球，用以循環(huán)流經(jīng)其間的液態(tài)冷媒。該散熱球是由具有大于約200W/(mk)的導熱值的材料(特別是金屬材料)所制作。舉例而言，該散熱球可以是銅所制作，盡管也可以使用其它擁有高導熱性的金屬材料，譬如銀或金。較佳地，該材料具有在該原料的熔點之下的熔點。特別有用的材料是原料熔點和該散熱球的金屬材料的熔點之間的差別不大于455°C (特別是不大于3300C )的材料。物理上，該散熱球具有平坦的外上表面，其與該坩鍋底部平行。舉例而言，該外上表面可以具有約4英吋的外直徑。內(nèi)部地，該散熱球具有內(nèi)部空孔以接收來自該液態(tài)冷媒進液管的液態(tài)冷媒并透過該液態(tài)冷媒出液管自該坩鍋底部排出該液態(tài)冷媒。該內(nèi)部空孔具有和該外上表面相同或是不同的形狀，且可以是，例如，球形或球根形(bulbous)。該空孔的尺寸將依據(jù)該散熱球的厚度而定。舉例而言，具有約4英吋的外直徑的球可以具有約2.5英吋寬的球鼻形、不具有角狀角落的內(nèi)部空孔。較佳地，在該內(nèi)部空孔上方的該散熱球的導熱金屬表面是大約0.25英吋厚。其它寬度和空孔形狀以及內(nèi)部尺寸被涵蓋在本發(fā)明中，只要該散熱球的寬度、空孔尺寸或內(nèi)部尺寸提供足夠的水壓和水流以有效地冷卻該散熱球。
[0023]液態(tài)冷媒分別從該液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管提供與排出給該散熱球。該進液管和出液管可以由各種材料制作，只要該材料可以承受他們所曝露在其下的長晶爐溫度。在一較佳具體實施例中，該液態(tài)冷媒進液管和該液態(tài)冷媒出液管是同軸的，其中，該液態(tài)冷媒進液管是在該液態(tài)冷媒出液管內(nèi)部或是該液態(tài)冷媒出液管是在該液態(tài)冷媒進液管內(nèi)部。在一較佳具體實施例中，該液態(tài)冷媒進液管延伸到該散熱球中以傳送液態(tài)冷媒給該球，從密接在該散熱球基座的該液態(tài)冷媒出液管流出并尚開該長晶爐。盡管本發(fā)明的較佳具體實施例利用同軸的管來傳送液態(tài)冷媒至該散熱球，其它傳送結(jié)構(gòu)將被視為一種本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，包含液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管分別被密接到該散熱球并在彼此外部。液態(tài)冷媒進液管和出液管可以通過各種已知技術(shù)連接到該散熱球，舉例而言，通過銀焊(sliver soldering)。
[0024]該液態(tài)冷媒進液管和該液態(tài)冷媒出液管可以額外地被封閉在一個或多個絕熱套中以避免在該散熱球中流通的液態(tài)冷媒從該熱區(qū)吸收過多的環(huán)境熱，其會降低該液態(tài)冷媒的冷卻效率和熱負載接受力。該絕熱套可以圍繞在該進液管和出液管存在該熱區(qū)內(nèi)部，從該散熱球基座垂直向下延伸的部分，以保持進入該散熱球中的冷媒的溫度。較佳地，該絕熱套包含氧化鋁或低密度石墨氈(graphite felt)，盡管本領(lǐng)域中已知的擁有低導熱性的其它材料也涵蓋在本發(fā)明中。在該長晶爐下方及外部的傳統(tǒng)密封膠環(huán)(Ο-ring)或波紋管密封(bellows seal)可被用來密封圍繞其延伸到該長晶爐外部的該液體冷卻熱交換器的該液態(tài)冷媒進液管和該液態(tài)冷媒出液管以維持該長晶爐內(nèi)部的環(huán)境。
[0025]該液體冷卻熱交換器可進一步被容置在密封管狀外罩中，該密封管狀外罩用來封閉該液體冷卻熱交換器并將該液體冷卻熱交換器與該長晶爐內(nèi)部環(huán)境隔絕。該密封管狀外罩可包含鑰(molybdenum),盡管也可能可以使用本領(lǐng)域中已知的其它材料，譬如石墨，只要這些其它材料可以承受所涵蓋的長晶爐溫度。該外罩可以具有一封閉的坩鍋端，其具有外部和內(nèi)部頂部表面，其可以被設置在平行并接近該坩鍋底部附近，以及外部長晶爐端延伸穿過該長晶爐的底部。內(nèi)部地，該外罩是適當?shù)厮苄魏椭卦O大小成可以容置并垂直地支撐該液體冷卻熱交換器，以使得當該液體冷卻熱交換器垂直移動向該坩鍋時，該液體冷卻熱交換器可以平順地沿該外罩內(nèi)部表面移動。該密封管狀外罩可以是固定的或能夠垂直移動的。舉例而言，該密封管狀外罩可以是固定在從該長晶爐的外部延伸并穿過長晶爐壁到一個該坩鍋底部下方的點的垂直位置。在另一具體實施例中，該外罩能夠移動到該坩鍋下方的位置。較佳地該外罩是不旋轉(zhuǎn)的。作為一特定的范例，該密封管狀外罩是不旋轉(zhuǎn)的?甘鍋支撐架支撐軸。傳統(tǒng)密封膠環(huán)或波紋管密封或其它本領(lǐng)域中已知的方法可被用來密封圍繞在該長晶爐外部的該密封管狀外罩以維持該長晶爐內(nèi)部的環(huán)境。相同地，該外罩的外部長晶爐端可以設置成用以密封包圍延伸到該密封管狀外罩外部的該液態(tài)冷媒進液管和出液管以保持在該外罩內(nèi)部受控制的環(huán)境。
[0026]在該長晶爐外部，該密封管狀外罩還可包含真空口和惰性氣體注入口，分別用以將該密封管狀外罩抽真空并回填惰性氣體于其中，其有助于最小化該外罩的內(nèi)表面以及液體冷卻熱交換器元件的熱誘導氧化(heat-1nduced oxidation)。舉例而言,該外罩的內(nèi)部體積可以用氬氣回填并保持5 - 15psig的壓力。此外，該外罩還可包含位于該長晶爐外部的過壓釋放閥。當該液體冷卻熱交換器在高溫下運作時，若冷媒(例如，水)發(fā)生泄漏，該泄漏的冷媒會留在該密封管狀外罩內(nèi)部，且任何所造成的蒸氣壓會外泄到該長晶爐外部。
[0027]該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的與該坩鍋進行熱交流以從該熔化的原料將熱散出來促進晶錠成長。舉例而言，該液體冷卻熱交換器可以是馬達帶動的，并且可以在該坩鍋下方的多個平臺中移動，該平臺與用來成長結(jié)晶材料的回饋監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合。當該坩鍋被容置在該熱區(qū)中的坩鍋支撐架上的坩鍋盒中時，該坩鍋、該坩鍋盒和坩鍋支撐架彼此之間產(chǎn)生有熱交流以使熱可以從一者被傳導到另一者，較佳地是直接熱接觸。同樣地，當長晶爐包含在該熱區(qū)中的坩鍋支撐架上的坩鍋時，該坩鍋和坩鍋支撐架彼此之間產(chǎn)生有熱交流以使熱可以從一者被傳導到另一者。如此，當該液體冷卻熱交換器垂直移動地與該坩鍋支撐架的下表面產(chǎn)生熱接觸時，就建立了熱信道且該散熱球被設置成和該坩鍋產(chǎn)生熱交流。同樣地，當該液體冷卻熱交換器`被封閉在與該坩鍋支撐架的下表面產(chǎn)生熱接觸的密封管狀外罩中時，熱信道被建立在該散熱球垂直移動到與該外罩的內(nèi)部上表面產(chǎn)生熱接觸且該外罩的外上表面與該坩鍋支撐架的下表面產(chǎn)生熱接觸的時候。如上所述，當該坩鍋支撐架具有尺寸和形狀是用來接受該散熱球或該密封管狀外罩通過的開口時，該散熱球被設置成和該坩鍋或包含該坩鍋的坩鍋盒產(chǎn)生熱交流(較佳地是直接熱接觸)來促進散熱。當該開口進入但并未穿過該坩鍋支撐架時，仍可以建立熱交流，只要該坩鍋或包含該坩鍋的坩鍋盒是彼此以及與該散熱球產(chǎn)生熱交流。本發(fā)明也涵蓋由開口扣環(huán)(open retainer ring)支撐的坩鍋，該開口扣環(huán)允許該液體冷卻熱交換器的散熱球與該坩鍋底部直接地發(fā)生熱接觸，或是透過與該坩鍋底部直接熱接觸的該密封管狀外罩的內(nèi)部上表面非直接地與該坩鍋底部熱接觸。
[0028]圖1、圖2和圖3是本發(fā)明的長晶爐的各種具體實施例的剖面圖。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應認識到這些內(nèi)容僅僅是示例性的且不限于僅是由例子的方式所呈現(xiàn)者。各種修改和其它具體實施例是落在本領(lǐng)域的普通技術(shù)范圍內(nèi)，而且是被涵蓋成如同落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應認識到該特定的結(jié)構(gòu)是例示用且實際的結(jié)構(gòu)將視特定系統(tǒng)而定。不使用超過常規(guī)實驗，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也能夠識別所顯示的特定組件的等效物。
[0029]在圖1中所示的該長晶爐包括爐殼10和熱區(qū)11，熱區(qū)11是由絕緣體12所圍繞和定義。在該熱區(qū)11內(nèi)，坩鍋14含有要被熔化的至少的原料(未圖示)，例如硅原料，該坩鍋14坐落在由該支撐軸17所支起的坩鍋支撐架16頂上的坩鍋盒15中。至少的側(cè)面加熱器13被用來圍繞該坩鍋14以熔化該原料來制造硅晶錠。此外，也可以使用頂部加熱器(未圖示)結(jié)合該側(cè)面加熱器13來熔化該坩鍋中的原料。絕緣體12通常包含如所示的在坩鍋14之上的頂部絕緣體、在該側(cè)面加熱器13和爐殼10之間的側(cè)面絕緣體和底部絕緣體。在本發(fā)明的一具體實施例中，該頂部、側(cè)面和底部絕緣體是相對于該坩鍋14能一起或分別移動的，以從該熱區(qū)將熱釋放到下方的水冷式爐殼10來幫助熔化的原料的重新固化。
[0030]在圖1中所示的該長晶爐還包括在該坩鍋14下方位于其中心的液體冷卻熱交換器20，該液體冷卻熱交換器20可以如箭頭20A所示的垂直移動。液體冷卻熱交換器20包含彼此同軸的液態(tài)冷媒進液管21和液態(tài)冷媒出液管22，其中，該冷媒進液管是在該冷媒出液管內(nèi)部，該冷媒出液管是密接到散熱球19。絕熱套18包圍該液態(tài)冷媒進液管21和液態(tài)冷媒出液管22曝露在該熱區(qū)11環(huán)境中的部分，使得在該原料加熱和熔化的過程中，該液體冷卻熱交換器可以放在該熱區(qū)下方的縮回位置。在圖1所示的具體實施例中，該液體冷卻熱交換器20能夠垂直移動以使得該散熱球19延伸穿過坩鍋支撐架16中尺寸和形狀是用來接受該球的開口以與該坩鍋盒15產(chǎn)生熱接觸。一旦接觸，就建立了從坩鍋14透過坩鍋盒15到散熱球19的熱信道，將坩鍋14和散熱球19設置成彼此產(chǎn)生熱交流，使得散熱球19能夠從該坩鍋14底部散熱。
[0031]圖2顯示本發(fā)明的另一具體實施例，其中，液體冷卻熱交換器20被封閉在坩鍋23下方的密封管狀外罩29中。這里，該密封管狀外罩29延伸穿過在坩鍋支撐架25中的開口并進到包含有坩鍋23的坩鍋盒24的部分開口，且絕熱套22被使用在該外罩的外側(cè)。選擇性地，在另一具體實施例中，可以使用絕熱套22在該外罩的內(nèi)側(cè)。本發(fā)明涵蓋由具有高導熱性的高密度石墨所制作的坩鍋盒24和坩鍋支撐架25以保持熱流。本發(fā)明預想了在坩鍋盒24和坩鍋支撐架25中用來接受該密封管狀外罩29的各種開口深度。如圖2所示，液體冷卻熱交換器20僅部分的在該密封管狀外罩29中垂直移動，如箭頭2B所指示。一旦完全移動到該密封管狀外罩29的頂部，散熱球26接觸該外罩的內(nèi)部上表面并建立從坩鍋23經(jīng)過坩鍋盒24到散熱球26的熱信道，將坩鍋23和散熱球26設置成彼此產(chǎn)生熱交流，使得散熱球26可以從包含熔化的原料的坩鍋23的底部將熱散出并進到流經(jīng)該散熱球26的液態(tài)冷媒中。
[0032]密封管狀外罩的更詳細描述如圖3所示，其是顯示在圖2的本發(fā)明的具體實施例的放大圖，其中，該液體冷卻熱交換器36被封閉在密封管狀外罩39中并在該外罩中垂直移動到用以從該坩鍋散熱的位置。該外罩延伸穿過具有密封物(seal)31的爐壁30以維持在該長晶爐內(nèi)的環(huán)境，該密封物可以傳統(tǒng)的密封膠環(huán)、波紋管密封或其它本領(lǐng)域中已知的密封方式，該外罩又穿過熱區(qū)絕緣體32并進到坩鍋支撐架35的開口，其尺寸和形狀是用來接受與含有坩鍋33的坩鍋盒34熱接觸的該外罩。在所顯示的具體實施例中，絕熱套40密封了在該密封管狀外罩39內(nèi)部的液態(tài)冷媒進液管37和液態(tài)冷媒出液管38。這里，該絕熱套可以物理地覆蓋該進液管和出液管更多的表面積，由于增加該外罩可承受的縮回空間。如圖所示，該密封管狀外罩39的坩鍋端未直接地與該坩鍋33底部接觸，反之，該外罩的外上表面直接地與坩鍋盒34產(chǎn)生熱接觸。然而，當液體冷卻熱交換器36如箭頭36A所示向上垂直移動時，散熱球41與已經(jīng)和坩鍋盒34熱接觸的密封管狀外罩39的頂部的內(nèi)表面產(chǎn)生熱接觸，建立熱信道并將散熱球41設置成與坩鍋33產(chǎn)生熱交流。其它具體實施例也被預期來使用液體冷卻熱交換器36來從該坩鍋散熱，只要該散熱球41與一個或多個導熱中介結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱交流(較佳地是直接熱接觸)，舉例而言，導熱中介結(jié)構(gòu)為坩鍋盒34及/或坩鍋支撐架35，該導熱中介結(jié)構(gòu)是彼此以及與坩鍋33產(chǎn)生熱接觸的，以建立允許散熱球41和坩鍋33熱交流的熱信道。本發(fā)明還涵蓋使用結(jié)合液體冷卻熱交換器的密封管狀外罩作為能夠垂直移動的坩鍋支撐架支撐軸，可能用于其它長晶爐結(jié)構(gòu)，其中該坩鍋對于該支撐軸是不能移動的，且該支撐軸是不轉(zhuǎn)動的。
[0033]本發(fā)明關(guān)于一種液體冷卻熱交換器，使用在長晶爐中以經(jīng)濟地并安全地從包含但不限于硅的熔化的原料成長各種結(jié)晶材料。該液體冷卻熱交換器結(jié)合所想要的散熱球性質(zhì)，該散熱球由具有液態(tài)冷媒(譬如水)所承受的高熱負載接受力的高導熱性材料(譬如銅)所制作，來有效地從該坩鍋下方移除熱并促進晶體成核和晶錠成長。本發(fā)明的散熱球可以由各種材料所制作，譬如具有高導熱性質(zhì)的金屬材料。表1顯示已知的三種高導熱金屬，銀擁有最高的導熱性，接著是銅和金。銅可能是較佳的，因為其高導熱性以及相較于銀和金相對低的成本。
[0034]表1
【權(quán)利要求】
1.一種用于生長晶錠的長晶爐，包括: 坩鍋，至少含有原料；以及 液體冷卻熱交換器，其是在該坩鍋下方能垂直移動的，包含: 散熱球，由具有大于約200W/(mk)的導熱值的材料制作；以及液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管，其中，該液態(tài)冷媒進液管、該液態(tài)冷媒出液管或是兩者是連結(jié)到該散熱球，用以循環(huán)流經(jīng)其間的液態(tài)冷媒。
2.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該液態(tài)冷媒包含水。
3.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該材料具有低于該原料熔點的熔點。
4.如權(quán)利要求3所述的長晶爐，其中，該原料熔點和該材料的熔點相差不大于455°C。
5.如權(quán)利要求3所述的長晶爐，其中，該原料熔點和該材料的熔點相差不大于330°C。
6.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該材料包含銅、銀或金。
7.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該散熱球具有內(nèi)部空孔以接收來自該液態(tài)冷媒進液管的該液態(tài)冷媒并透過該液態(tài)冷媒出液管排出該液態(tài)冷媒。
8.如權(quán)利要求7所 述的長晶爐，其中，該內(nèi)部空孔是球根形。
9.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該液態(tài)冷媒進液管和該液態(tài)冷媒出液管是同軸的。
10.如權(quán)利要求9所述的長晶爐，其中，該液態(tài)冷媒進液管是在該液態(tài)冷媒出液管內(nèi)部。
11.如權(quán)利要求9所述的長晶爐，其中，該液態(tài)冷媒出液管是在該液態(tài)冷媒進液管內(nèi)部。
12.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該液態(tài)冷媒進液管和該液態(tài)冷媒出液管被封閉在位于該長晶爐之內(nèi)的絕熱套中。
13.如權(quán)利要求12所述的長晶爐，其中，該絕熱套是以石墨或氧化鋁制作。
14.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的與該坩鍋進行熱接觸。
15.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該坩鍋置于坩鍋支撐架頂上，且該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的與該坩鍋支撐架進行熱接觸。
16.如權(quán)利要求15所述的長晶爐，其中，該坩鍋支撐架包含開口，其尺寸及形狀是用以接收該散熱球且該散熱球是垂直地移動到該開口中。
17.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該坩鍋置于坩鍋支撐架頂上的坩鍋盒中，且該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的與該坩鍋支撐架進行熱接觸。
18.如權(quán)利要求17所述的長晶爐，其中，該坩鍋支撐架包含開口，其尺寸及形狀是用以接收該散熱球且該散熱球是垂直地移動到該開口中。
19.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該液體冷卻熱交換器是位在密封管狀外罩中。
20.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該液體冷卻熱交換器能夠在該密封管狀外罩中垂直移動的與該坩鍋進行熱交流。
21.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該坩鍋置于坩鍋支撐架頂上，且該液體冷卻熱交換器能夠在該密封管狀外罩中垂直移動的與該坩鍋支撐架進行熱交流。
22.如權(quán)利要求21所述的長晶爐，其中，該坩鍋支撐架包含開口，其尺寸及形狀是用以接收該密封管狀外罩。
23.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該坩鍋置于坩鍋支撐架頂上的坩鍋盒中，且該液體冷卻熱交換器能夠在該密封管狀外罩中垂直移動的與該坩鍋支撐架進行熱交流。
24.如權(quán)利要求23所述的長晶爐，其中，該坩鍋支撐架包含開口，其尺寸及形狀是用以接收該密封管狀外罩。
25.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該密封管狀外罩包含鑰或石墨。
26.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該密封管狀外罩包含真空進氣口、惰性氣體注入口以及位于該長晶爐外部的過壓釋放閥。
27.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該密封管狀外罩還包含惰性氣體。
28.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該密封管狀外罩是固定的。
29.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該密封管狀外罩能夠垂直移動的。
30.如權(quán)利要求19所述的長晶爐，其中，該密封管狀外罩是坩鍋支撐架支撐軸。
31.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該原料包含多晶硅。
32.如權(quán)利要求1所述的長晶爐，其中，該晶錠是硅。
33.一種液體冷卻熱交換器,其中: 該液體冷卻熱交換器包含由具有大于約200W/(mk)的導熱值的材料制作的散熱球，以及液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管，其中，該液態(tài)冷媒進液管、該液態(tài)冷媒出液管或是兩者是連結(jié)到該散熱球，用以循環(huán)流經(jīng)其間的液態(tài)冷媒，且其中該液體冷卻熱交換器能夠垂直移動的。`
34.如權(quán)利要求33所述的液體冷卻熱交換器，其中，該液體冷卻熱交換器是位在密封管狀外罩中。
35.一種用于在長晶爐中制造晶錠的方法，包括以下步驟: 將至少具有原料的坩鍋置放在該長晶爐中； 將液態(tài)冷媒循環(huán)流經(jīng)液體冷卻熱交換器，該液體冷卻熱交換器能在該坩鍋下方垂直地移動，其中，該液體冷卻熱交換器包含由具有大于約200W/(mk)的導熱值的材料制作的散熱球、液態(tài)冷媒進液管和液態(tài)冷媒出液管，其中，該液態(tài)冷媒進液管、該液態(tài)冷媒出液管或是兩者是連結(jié)到該散熱球，用以循環(huán)流經(jīng)其間的該液態(tài)冷媒； 加熱并熔化在該坩鍋中的至少的原料；以及 垂直地移動該液體冷卻熱交換器以與該坩鍋進行熱交流，以促進該晶錠的成長。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，垂直地移動該液體冷卻熱交換器是通過監(jiān)控該至少的原料的熔化所獲得的反饋來控制的。
37.如權(quán)利要求35所述的方法,其中，該液體冷卻熱交換器是被封閉在密封管狀外罩中，且其中，該方法還包括在加熱并熔化在該坩鍋中的至少的原料的步驟之前，將該密封管狀外罩抽真空并回填惰性氣體的步驟。
38.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，該惰性氣體是回填到至少約5-15psig。
【文檔編號】C30B11/00GK103890242SQ201280048372
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月1日
【發(fā)明者】C·夏蒂埃 申請人:Gtat公司