CN103710742A

CN103710742A - 一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉

Info

Publication number: CN103710742A
Application number: CN201310745105.5A
Authority: CN
Inventors: 吴亮; 黄小卫; 孟召标; 刘辉; 伍耀川; 陈龙
Original assignee: SUZHOU XIEXIN INDUSTRIAL APPLICATION RESEARCH INSTITUTE Co Ltd; SHANGHAI YONGZHEN MACHINERY CO Ltd
Current assignee: SUZHOU XIEXIN INDUSTRIAL APPLICATION RESEARCH INSTITUTE Co Ltd; SHANGHAI YONGZHEN MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-09

Abstract

本发明公开了一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，包括导流筒，在导流筒内设置有冷却装置，所述冷却装置包括环绕导流筒内壁的钼筒，钼筒的内侧环绕设置中空的铜管，铜管的两端伸出到单晶炉外部，其中一端为冷却介质的进口，一端为冷却介质的出口，铜管内充满流动的冷却介质。铜管的内侧连接设置铜筒。本单晶炉结构设计合理，铜管按照一定锥度绕制后，穿出炉外，杜绝了冷却介质在炉内泄漏的可能。导流筒可以避免熔体飞溅到冷却装置。在直拉法单晶炉热场中采用该装置，可以强化生长界面附近的晶体冷却效果，增大晶体的纵向温度梯度，从而大幅提高晶体的生长速度。达到快速生长晶体，降低晶体加工成本的目的。

Description

一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉

技术领域

本发明涉及直拉法单晶生长领域的单晶炉，尤其是涉及一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉。

背景技术

在直拉法单晶生长时，首先将原料、掺杂剂在坩埚内熔化，然后使用一定晶向的单晶作为籽晶，从上部插入熔体，经引晶、放肩、转肩后逐步以一定直径向上提拉，进而使熔体以籽晶为种子按照一定速度生长成单晶体。

从热平衡的角度，可以推导出单晶体的生长速度公式为：

VpHA=K_SG_S-K_LG_L （1）

其中：V-单晶体生长速度;

p-单晶体密度;

H-熔体的结晶潜热;

A-单晶体生长界面的面积;

K_S-固体的热导率;

G_S-固体的温度梯度;

K_L-液体的热导率;

G_L-液体的温度梯度。

由公式（1）可知，生长一定直径的单晶体，在其它条件不变的前提下，通过强化单晶体的散热，尤其是生长界面附近的单晶体散热，进而增大生长界面附近的单晶体温度梯度，是提高单晶体生长速度的最有效途径。

常规的直拉法单晶热场，是在熔体上部、单晶体周围放置一个导流筒，用来屏蔽加热器和高温熔体对单晶体的直接辐射，同时导流筒使得副室向下吹送的氩气集中流过生长界面附近，进而强化单晶体散热，增大单晶体温度梯度。但单纯增加导流筒，并不能从本质上强化单晶体热量的散失，增大单晶体温度梯度的效果并不明显，单晶体生长速度提升幅度有限。

公开号为CN101575731A的中国发明专利（申请号200910099830.3）公开了带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉，其利用冷却水强化单晶棒的热量散失，但冷却位置距离生长界面较远，对生长界面附近的单晶体温度梯度的增加效果不明显，拉速提升的幅度有限。同时由于水冷夹套需要焊接，存在冷却水泄露、单晶炉爆炸的风险。

公开号为CN102102219A的中国发明专利（申请号201110062659.6）公开了一种可提高单晶炉生长速度的冷却装置，其把冷却器紧贴热屏内侧放置，冷却器通过连接管连接到炉筒上，进而在一定程度上强化生长界面附近单晶体热量散失。但冷却器紧贴热屏内侧放置，在带走单晶体散失热量的同时，也带走了热屏的热量，增加了加热器维持晶体生长所需的功率，冷却器下端无遮挡保护，硅熔体容易飞溅到冷却器上，同时冷却器通过连接管连接到炉筒上，每个生产炉次在拆装热场、装料时都需要人工取出冷却器和连接管，增加了生产工人的劳动强度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其包括导流筒，其特征在于，所述导流筒内设有冷却装置，该冷却装置包括环绕导流筒内壁的钼筒（4），钼筒（4）的内侧环绕设置中空绕制铜管（3），所述中空绕制铜管的两端伸出到单晶炉外部且该中空绕制铜管的一端为冷却介质的进口，另一端为冷却介质的出口，所述中空绕制铜管内部充满流动的冷却介质。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述中空绕制铜管的内侧还连接设置有铜筒（2）。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述铜筒为倒圆台形。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述中空绕制铜管的锥度为0°～80°，按照螺旋状或几字形状绕制，绕制后从单晶炉的炉盖连接法兰或炉盖穿出炉外。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述冷却介质为水、氩气或者氦气。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述铜筒（2）的锥度为0°～80°，发射率≥0.7。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述铜筒（2）的下端内径和单晶炉内晶体直径之间的间隙在10～60mm，铜筒下端内径与导流筒下端内径差值为0～30mm。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述钼筒的锥度为0°～80°，钼筒内侧和绕制铜管之间的间隙为0～30mm，钼筒外侧和导流筒之间的间隙为0～30mm。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述冷却装置的高度为生长完成的晶体直径的0.2～5倍，冷却装置的下端面与导流筒下端的上平面间隙为0～30mm。

作为本发明的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，较为理想的是，所述导流筒下端设置有保护弯头（9）。

本发明具有如下有益效果：内部通冷却介质的整根铜管按照锥度绕制，从炉盖法兰或炉盖穿出，在炉外与冷却介质进出管道相连，炉内无焊接，杜绝了冷却介质泄露的可能，冷却装置通过炉盖竖直起降和横向移动，便于工人热场清扫和装料工作。铜的热导率>400w/m.k，绕制铜管横截面为中空的半圆形或长方形，和铜筒之间充分焊接接触，铜筒的表面能够保证较低的、且分布均匀的温度，铜筒的内表面经过物理方法或化学方法处理，发射率≥0.7，可以充分吸收晶体的辐射热。在热场中采用所述冷却装置，晶体生长过程中，生长界面附近的晶体温度高达一千度以上，通过高温辐射，铜筒和冷却介质能够与晶体进行充分热交换，及时导走热量，提高生长界面附近晶体的温度梯度（见附图4和附图5的模拟计算结果），进而大幅提高单晶体的生长速度。铜筒的下端内径大于或等于导流筒的下端内径，可以避免熔体飞溅到冷却装置。钼筒的发射率低，可以有效减少来自导流筒的热量损失，进而降低加热器功率。普通22英寸热场拉制8寸硅单晶体时，平均晶体生长速度一般在0.9～1.1mm/min，而采用所述冷却装置的热场，平均晶体生长速度可以达到1.4mm/min以上。所述冷却装置可以应用于现有炉台的改造，也可应用于新炉台的制造加工。

附图说明

图1为实施例1中一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉的剖视图。

图2为图1中I处放大图。

图3为实施例2中一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉的剖视图，其示出了绕制铜管以另一种方式穿出单晶炉。

图4为实施例3中一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉的剖视图，其中，铜筒、绕制铜管、钼筒另一种方式组合。

图5为一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉中绕制铜管螺旋状绕制的示意图。

图6为一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉中几字状绕制铜管示意图。

图7a、7b为是实施例4中，使用仿真模拟软件计算的某单晶炉原有热场、应用本冷却装置热场的功率和温度分布示意图。

图8为实施例4使用仿真模拟软件计算的某单晶炉原有热场、改进热场、使用不锈钢材质水冷装置热场、使用本冷却装置热场的生长界面附近单晶体的径向温度梯度模拟计算结果示意图。

图中附图标记：1-晶体；2-铜筒；3-绕制铜管；4-钼筒；5-导流筒；6-熔体；7-炉盖；8-炉盖连接法兰；9-保护弯头。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，包括导流筒，导流筒内设置冷却装置，冷却装置包括具有锥度的两层部件组合，所述的部件组合为最外层的钼筒，内层为通冷却介质的中空绕制铜管。

本发明还公开了另一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，包括导流筒，导流筒内设置冷却装置，冷却装置包括具有锥度的三层部件组合，所述的部件组合为最外层的钼筒，中间层的内部通冷却介质的绕制铜管，最内层的铜筒。所述的冷却装置由具有锥度的三层部件组合而成，最外层为钼筒，中间层为内部通冷却介质的绕制铜管，最内层为铜筒。导流筒下端设有保护弯头。铜筒和绕制铜管之间充分焊接接触。铜筒的下端内径大于或等于导流筒的下端内径。中间层为内部通冷却介质的绕制铜管，锥度为0°～80°，按照螺旋状或几字状绕制，绕制后从单晶炉的炉盖连接法兰或炉盖穿出炉外，然后与炉台设备的冷却介质进出管路连接。中间层为内部通冷却介质的绕制铜管，冷却介质为水、氩气、氦气等冷却流体。中间层为内部通冷却介质的绕制铜管，绕制铜管与铜筒之间为充分面接触，比如绕制筒管的横截面加工成中空的半圆形或长方形，绕制铜管和铜筒之间通过银焊接或铜银焊接，进行充分焊接接触。最内层为铜筒，锥度为0°～80°，铜筒表面经过化学方法或物理方法（如氧化发黑、表面粗糙度增加等）处理，发射率≥0.7。最内层为铜筒，铜筒下端内径和晶体直径之间的间隙在10～60mm，铜筒下端内径减去导流筒下端内径的值为0～30mm。最外层为钼筒，锥度为0°～80°，钼筒内侧和绕制铜管之间的间隙在0～30mm，钼筒外侧和导流筒之间的间隙在0～30mm。所述的冷却装置由具有锥度的三层部件组合而成，最外层为钼筒，中间层为内部通冷却介质的绕制铜管，最内层为铜筒。冷却装置的高度为晶体直径的0.2～5倍。冷却装置的下端面与导流筒下端的上平面间隙为0～30mm。冷却装置的下端面与熔体上表面的距离为10～200mm。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例为一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，包括导流筒，在导流筒内设置有冷却装置，该冷却装置由具有锥度的三层部件组合而成，最外层为钼筒4，中间层为内部通冷却水（冷却介质包括但不限于水，还可以是氩气或者氦气等其他冷却流体）的中空绕制铜管3，最内层为铜筒2。钼筒4内侧和绕制铜管3之间的间隙在0～30mm，钼筒4外侧和导流筒5之间的间隙在0～30mm。内部通冷却水的绕制铜管3，锥度为0°～80°，如图5所示按照螺旋状绕制，绕制后从单晶炉的炉盖连接法兰8穿出炉外，然后与炉台设备的冷却水进出管路连接。绕制铜管3与铜筒2之间为充分面接触，绕制筒管3的横截面加工成中空的半圆形或长方形，绕制铜管3和铜筒2之间通过银焊接或铜银焊接，进行充分焊接接触。所述导流筒下端设有保护弯头9。铜筒2的锥度为0°～80°，表面经过化学方法或物理方法（如氧化发黑、表面粗糙度增加等）处理，发射率≥0.7。铜筒2下端内径和晶体1直径之间的间隙在10～60mm，铜筒2下端内径减去导流筒5下端内径的值为0～30mm。钼筒4的锥度为0°～80°。冷却装置的高度为晶体1直径的0.2～5倍。冷却装置的下端面与导流筒5下端的上平面间隙为0～30mm。冷却装置的下端面与熔体6上表面的距离为10～200mm。

铜的热导率>400w/m.k，内部通冷却水的绕制铜管3横截面为中空的半圆形或长方形，和铜筒2之间通过银焊接或铜银焊接，保证充分面接触，铜筒2的表面能够保证较低的、且分布均匀的温度，铜筒2的内表面经过物理方法或化学方法处理，发射率≥0.7，可以充分吸收晶体1的辐射热。在热场中采用所述冷却装置，晶体生长过程中，生长界面附近的晶体1温度高达一千度以上，通过高温辐射，铜筒2能够和晶体1进行充分热交换，及时导走热量，提高生长界面附近晶体1的温度梯度，进而大幅提高单晶体1的生长速度。

实施例2

如图3所示，本实施例单晶炉中的冷却装置的绕制铜管3另一种穿出单晶炉外方式。内部通冷却水的绕制铜管3，按照螺旋状状绕制，绕制后从单晶炉的炉盖7穿出炉外，然后与炉台设备的冷却水进出管路连接。其余部分与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，本实施例单晶炉中的冷却装置的最外层为钼筒4，中间层铜筒2，最内层为内部通冷却水的绕制铜管3。钼筒4内侧和铜筒2之间的间隙在0～30mm，钼筒4外侧和导流筒5之间的间隙在0～30mm。内部通冷却水的绕制铜管3，锥度为0°～80°，如图5所示，按照螺旋状状绕制，绕制后从单晶炉的炉盖连接法兰8或炉盖7穿出炉外，然后与炉台设备的冷却水进出管路连接。绕制铜管3与铜筒2之间为充分面接触，绕制筒管3的横截面加工成中空的半圆形或长方形，绕制铜管3和铜筒2之间通过银焊接或铜银焊接，进行充分焊接接触。铜筒2的锥度为0°～80°，表面经过化学方法或物理方法（如氧化发黑、表面粗糙度增加等）处理，发射率≥0.7。绕制铜管3下端内径和晶体1直径之间的间隙在10～60mm，绕制铜管3下端内径减去导流筒5下端内径的值为0～30mm。钼筒4的锥度为0°～80°。冷却装置的高度为晶体1直径的0.2～5倍。冷却装置的下端面与导流筒5下端的上平面间隙为0～30mm。冷却装置的下端面与熔体6上表面的距离为10～200mm。

实施例4

按照本发明改造国产某型950单晶炉，22英寸热场，投料135Kg，拉制8英寸硅单晶体，常规热场，平均晶体生长速度在0.9mm/min，而采用本发明的热场，平均晶体生长速度可以达到1.5mm/min。应用本发明的热场，晶体生长时间可以节省30%。

为进一步确认效果，针对实施例1的结构使用仿真模拟软件对某单晶炉的原有热场和应用本冷却装置的热场进行了仿真计算分析，见图7a、7b和图8。图7a、7b所示的是某单晶炉原有22英寸热场拉制8英寸单晶棒（Org）和应用本冷却装置热场（Copper）的模拟计算结果。由图7a、7b可知，应用本冷却装置的热场和原有热场相比，能够促进晶棒的热量散失。图8所示的是使用仿真模拟软件计算的某单晶炉原有热场、改进热场、使用不锈钢材质水冷装置热场、使用本冷却装置热场的生长界面附近单晶体的径向温度梯度模拟计算结果。由图8可知，应用本冷却装置热场，生长界面附近晶体的径向温度梯度增加最明显。

实施例5

本实施例中，中空的绕制铜管采用几字形绕制，其余部分与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其包括导流筒，其特征在于，所述导流筒内设有冷却装置，该冷却装置包括环绕导流筒内壁的钼筒（4），钼筒（4）的内侧环绕设置中空绕制铜管（3），所述中空绕制铜管的两端伸出到单晶炉外部且该中空绕制铜管的一端为冷却介质的进口，另一端为冷却介质的出口，所述中空绕制铜管内部充满流动的冷却介质。

2.根据权利要求1所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述中空绕制铜管的内侧还连接设置有铜筒（2）。

3.根据权利要求2所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述铜筒为倒圆台形。

4.根据权利要求1所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述中空绕制铜管的锥度为0°～80°，按照螺旋状或几字形状绕制，绕制后从单晶炉的炉盖连接法兰或炉盖穿出炉外。

5.根据权利要求1所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述冷却介质为水、氩气或者氦气。

6.根据权利要求2所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述铜筒（2）的锥度为0°～80°，发射率≥0.7。

7.根据权利要求2所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述铜筒（2）的下端内径和单晶炉内晶体直径之间的间隙在10～60mm，铜筒下端内径与导流筒下端内径差值为0～30mm。

8.根据权利要求1所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述钼筒的锥度为0°～80°，钼筒内侧和绕制铜管之间的间隙为0～30mm，钼筒外侧和导流筒之间的间隙为0～30mm。

9.根据权利要求1所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述冷却装置的高度为生长完成的晶体直径的0.2～5倍，冷却装置的下端面与导流筒下端的上平面间隙为0～30mm。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种提高直拉法单晶生长速度的单晶炉，其特征在于，所述导流筒下端设置有保护弯头（9）。