[發明專利]一種高速單晶生長裝置及方法

有效

• 申請號: 201610037736.5
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105603520B
• 公開（公告）日: 2018-10-30
• 發明（設計）人: 劉立軍;丁俊嶺;趙文翰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B15/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種高速單晶生長裝置及方法，主要涉及一種晶體冷卻方式和輸送反應物進行化學反應的反應筒。該反應筒采用耐高溫材料，由進氣筒和排氣筒組成。進氣筒開設有通道，通入參與反應的反應物和保護氣體。反應物經由進氣筒后，噴射到生長中的高溫晶體表面，發生化學反應吸熱，快速移除晶體表面的熱量。排氣筒用于將反應不完全的反應物以及反應產物氣體排出爐體。進氣筒和排氣筒連為一個整體，固定在爐壁上。本發明首次將化學吸熱反應應用于晶體生長中的強化冷卻，能夠快速移除晶體表面的熱量，顯著提升晶體內部的軸向溫度梯度，從而提高晶體的生長速度。

技術領域：

本發明屬于直拉法晶體生長工藝及裝置領域，具體涉及一種高速單晶生長裝置及方法。

背景技術：

直拉晶體生長法由波蘭科學家Jan Czochralski于1918年發明，其方法是利用旋轉著的籽晶從反方向旋轉的坩堝中的熔體里持續提拉制備出晶體。由熔料、引晶、放肩、等徑、收尾等工藝組成。首先，將高純原料以及摻雜物質放入坩堝內，加熱器工作將原料熔化；當熔體溫度穩定后，將籽晶浸入熔體中，開始進行引晶；引晶完成后，降低拉速和溫度，使晶體的直徑逐漸增大到目標直徑，這個過程便稱為放肩；達到目標直徑后，通過調整晶體提拉速度與加熱器功率，使晶棒直徑與目標值的偏差維持在一定范圍內，等徑生長的部分稱之為晶身，也是制作晶片的部分；晶身生長完后，將晶棒直徑逐漸縮小至一尖點與熔體分開，這個過程稱為尾部生長。長完的晶棒在上爐室冷卻至室溫后取出。

晶體的用途十分廣泛。以晶體硅為例，單晶硅是當代人工智能、自動控制、信息處理、光電轉換等半導體器件的電子信息基礎材料，同時在光伏產業中也具有龐大的市場。單晶硅電池轉換效率比傳統的多晶硅電池效率高出5％，但是單晶硅的生產成本偏高。目前，在保證晶體質量的前提下，提高生產效率，成為一個降低生產成本的突破口。

提高生產效率的直接方法，就是提高拉晶速度，縮短晶體生長周期。隨著晶體提拉速度的提高，晶體在結晶過程中，釋放出的結晶潛熱呈線性增加，因此，晶體側的散熱能力必須強化。同時在晶體提拉過程中，凝固界面晶體側的V/G比是衡量晶體質量的重要指標，其中，V為晶體的生長速度，G為凝固界面處晶體側的軸向溫度梯度。太高或者太低的V/G比值均會導致晶體提拉過程中在晶體內部形成大量的缺陷。因此，提高晶體提拉速度的同時，凝固界面處晶體側的軸向溫度梯度也須相應提高。

現有的單晶爐裝置，比如單晶硅結晶爐，基本都是采用保護氣體對生長中的晶體進行冷卻，也有少數研究者研發設計水冷套的裝置進行冷卻，以強化晶體表面的冷卻效果。然而，采用氣冷方式時，氣體攜帶熱量的能力很有限；采用水冷方式時，單位時間內通過熱輻射散發到水冷套的熱量也有限，兩種方法均不能將晶體高拉速條件下的結晶潛熱及時釋放。

20世紀60年代，美國開始了使用化學熱沉作為冷卻方式的研究。其原理為通過氣態物質的吸熱化學反應，快速移除局部或者反應表面上的高密度熱量。與氣冷或者水冷等通過改變冷卻介質的顯焓從而帶走局部熱量的冷卻方式不同，化學熱沉冷卻方式是通過化學反應過程吸熱的特性，主動移除局部的高密度熱流，冷卻效果非常顯著。但是該技術在晶體生長領域至今沒有應用方面的研究。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種高速單晶生長裝置及方法，從而實現晶體快速生長，解決傳統的氣冷、水冷方式難以快速移除晶體高拉速條件下的大量結晶潛熱的釋放問題。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案予以實現的：

一種高速單晶生長裝置，包括由外至內依次設置的爐壁和保溫筒，在保溫筒中心處的底部設置有支撐體，支撐體上依次設置有石墨坩堝和石英坩堝，支撐體用于帶動石墨坩堝和石英坩堝升降及旋轉，在石墨坩堝外側上設置有石墨加熱器；在石英坩堝內設置有熱屏，且熱屏的頂端與保溫筒的內壁相連；熱屏內設置有反應筒，反應筒采用由外至內設置的進氣筒和排氣筒，且進氣筒頂部的進氣口與爐壁上開設的進氣口相連通，進氣筒底部的出氣口與排氣筒底部的進氣口相連通；