[发明专利]一种高速单晶生长装置及方法

摘要

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。

主权项

1.一种高速单晶生长方法，其特征在于，该单晶生长方法基于的高速单晶生长装置，包括由外至内依次设置的炉壁（5）和保温筒（4），在保温筒（4）中心处的底部设置有支撑体（8），支撑体（8）上依次设置有石墨坩埚（10）和石英坩埚（7），支撑体（8）用于带动石墨坩埚（10）和石英坩埚（7）升降及旋转，在石墨坩埚（10）外侧上设置有石墨加热器（11）；在石英坩埚（7）内设置有热屏（6），且热屏（6）的顶端与保温筒（4）的内壁相连；热屏（6）内设置有反应筒（1），反应筒（1）采用由外至内设置的进气筒（13）和排气筒（12），且进气筒（13）顶部的进气口与炉壁（5）上开设的进气口相连通，进气筒（13）底部的出气口与排气筒（12）底部的进气口相连通；使用时，石英坩埚（7）内为熔体（9），熔体（9）的液面低于热屏（6）的底面，通过炉壁（5）上开设的进气口向反应筒（1）的内腔通入保护气氩气和反应物，反应物在晶体（3）附近发生化学吸热反应，对高温晶体（3）进行冷却，进而生长的晶体（3）依次穿过热屏（6）内腔和反应筒（1）内腔提升至晶体生长单晶炉外；该单晶生长方法包括以下步骤：1）将高纯多晶硅原料以及掺杂物质放入石英坩埚（7）中；2）完成装料后，关闭单晶炉抽真空，通过炉壁（5）开设的进气孔充入低压高纯氩气，使单晶炉内压力维持在1000pa‑100000pa范围内，打开石墨加热器（11），熔化高纯多晶硅原料；3）当硅熔体（9）温度稳定后，由提拉装置将种晶慢慢浸入硅熔体（9）中开始进行引晶；4）生长完晶颈后，降低拉速，使晶体（3）的直径逐步增大到目标直径；5）达到目标直径后，通过调整提拉速度和加热器功率，使晶体（3）直径维持在目标直径±2mm之间，进行等径生长；待晶体（3）高度超过进气筒（13）出口位置时，由炉壁（5）上开设的进气孔通入反应物，经由进气筒（13）后，喷射到晶体（3）表面，对高温晶体（3）进行冷却；其中，通入发生化学吸热反应的反应物有碳粉和二氧化碳混合气体，乙醇，碳粉和水蒸气混合气体，甲醇，氨气，甲基环己烷或者甲烷；6）等径生长完成后，进入收尾阶段，提高拉速，将晶体（3）直径逐步缩小直至与硅熔体（9）分离；7）生长完成的晶体（3）在上炉室冷却至室温时取出，至此完成整个拉晶过程。