[发明专利]一种高速单晶生长装置及方法

说明书

本发明公开了一种高速单晶生长装置及方法，主要涉及一种晶体冷却方式和输送反应物进行化学反应的反应筒。该反应筒采用耐高温材料，由进气筒和排气筒组成。进气筒开设有通道，通入参与反应的反应物和保护气体。反应物经由进气筒后，喷射到生长中的高温晶体表面，发生化学反应吸热，快速移除晶体表面的热量。排气筒用于将反应不完全的反应物以及反应产物气体排出炉体。进气筒和排气筒连为一个整体，固定在炉壁上。本发明首次将化学吸热反应应用于晶体生长中的强化冷却，能够快速移除晶体表面的热量，显著提升晶体内部的轴向温度梯度，从而提高晶体的生长速度。

技术领域：

本发明属于直拉法晶体生长工艺及装置领域，具体涉及一种高速单晶生长装置及方法。

背景技术：

直拉晶体生长法由波兰科学家Jan Czochralski于1918年发明，其方法是利用旋转着的籽晶从反方向旋转的坩埚中的熔体里持续提拉制备出晶体。由熔料、引晶、放肩、等径、收尾等工艺组成。首先，将高纯原料以及掺杂物质放入坩埚内，加热器工作将原料熔化；当熔体温度稳定后，将籽晶浸入熔体中，开始进行引晶；引晶完成后，降低拉速和温度，使晶体的直径逐渐增大到目标直径，这个过程便称为放肩；达到目标直径后，通过调整晶体提拉速度与加热器功率，使晶棒直径与目标值的偏差维持在一定范围内，等径生长的部分称之为晶身，也是制作晶片的部分；晶身生长完后，将晶棒直径逐渐缩小至一尖点与熔体分开，这个过程称为尾部生长。长完的晶棒在上炉室冷却至室温后取出。

晶体的用途十分广泛。以晶体硅为例，单晶硅是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料，同时在光伏产业中也具有庞大的市场。单晶硅电池转换效率比传统的多晶硅电池效率高出5％，但是单晶硅的生产成本偏高。目前，在保证晶体质量的前提下，提高生产效率，成为一个降低生产成本的突破口。

提高生产效率的直接方法，就是提高拉晶速度，缩短晶体生长周期。随着晶体提拉速度的提高，晶体在结晶过程中，释放出的结晶潜热呈线性增加，因此，晶体侧的散热能力必须强化。同时在晶体提拉过程中，凝固界面晶体侧的V/G比是衡量晶体质量的重要指标，其中，V为晶体的生长速度，G为凝固界面处晶体侧的轴向温度梯度。太高或者太低的V/G比值均会导致晶体提拉过程中在晶体内部形成大量的缺陷。因此，提高晶体提拉速度的同时，凝固界面处晶体侧的轴向温度梯度也须相应提高。

现有的单晶炉装置，比如单晶硅结晶炉，基本都是采用保护气体对生长中的晶体进行冷却，也有少数研究者研发设计水冷套的装置进行冷却，以强化晶体表面的冷却效果。然而，采用气冷方式时，气体携带热量的能力很有限；采用水冷方式时，单位时间内通过热辐射散发到水冷套的热量也有限，两种方法均不能将晶体高拉速条件下的结晶潜热及时释放。

20世纪60年代，美国开始了使用化学热沉作为冷却方式的研究。其原理为通过气态物质的吸热化学反应，快速移除局部或者反应表面上的高密度热量。与气冷或者水冷等通过改变冷却介质的显焓从而带走局部热量的冷却方式不同，化学热沉冷却方式是通过化学反应过程吸热的特性，主动移除局部的高密度热流，冷却效果非常显著。但是该技术在晶体生长领域至今没有应用方面的研究。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高速单晶生长装置及方法，从而实现晶体快速生长，解决传统的气冷、水冷方式难以快速移除晶体高拉速条件下的大量结晶潜热的释放问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种高速单晶生长装置，包括由外至内依次设置的炉壁和保温筒，在保温筒中心处的底部设置有支撑体，支撑体上依次设置有石墨坩埚和石英坩埚，支撑体用于带动石墨坩埚和石英坩埚升降及旋转，在石墨坩埚外侧上设置有石墨加热器；在石英坩埚内设置有热屏，且热屏的顶端与保温筒的内壁相连；热屏内设置有反应筒，反应筒采用由外至内设置的进气筒和排气筒，且进气筒顶部的进气口与炉壁上开设的进气口相连通，进气筒底部的出气口与排气筒底部的进气口相连通；