CN101575731A - 带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及硅单晶制备装置，旨在提供一种带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉。该生长炉包括加热器、石英坩埚和保温装置，石英坩埚上方设有围护着单晶棒提升区域的热屏装置；在热屏装置与单晶棒提升区域之间设置一个筒状的水冷夹套；所述水冷夹套是中空的夹套设备，水冷夹套内部为冷却水流动的通道，并设进水管和出水管。本发明通过水冷夹套对单晶棒刚生长出来的高温部分进行冷却，巨大的温差使得单晶棒散热很快，单晶棒生长速度可提高近一倍。由于单晶棒生长界面的热量可以快速通过单晶棒导走，既大大降低了加热器的功耗，还能减少晶体的微缺陷。如果使用的冷却水温度更低，降温效果还会更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅单晶制备装置，特别涉及一种带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉。
背景技术
现在普遍使用的直拉单晶制造法(Czochralski，CZ法)是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在低压、持续氩气流通保护的单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种(籽晶)浸入熔液中。在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微的旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。
硅单晶生长时需要在一个满足结晶动力的热系统中进行，热系统主要由加热器、保温系统、熔体位置及周围气体等环境决定。于是，仿照热力学上力场、电学上磁场的描述，称这种热系统为“热场”。热场中最能影响结晶状态是固液生长界面，它是晶体、熔体、环境三者的传热、放热、散热综合影响的结果，在一定程度上决定着硅单晶质量。固液生长界面单位时间内熔体凝固所释放的潜热与熔体导入界面的热量之和应等于由晶体从界面导走的热量，这样才能保持界面的等温，其公式为
fρAL＝KSGSA-KLGLA＝QS-QL (1)
其中：
f-晶体生长速率
ρ-为熔体密度
A-为生长界面面积
L-每克熔体结晶时释放的潜热
KS-晶体热导率
GS-晶体温度梯度
KL-熔体热导率
GL-熔体温度梯度
QS-生长界面被晶体导出的热量，即晶体的散热效果
QL-生长界面从熔体中获得的热量
由从公式(1)可知，其他条件不变情况下，只要晶体散热QS足够大，晶体的生长速度f就可以足够快，且晶体散热QS很大时，晶体冷却快，可以减少晶体中的微缺陷。
现有的直拉式硅单晶生长炉一般是在单晶棒生长区域与加热器之间设置一个热屏装置。热屏装置具有下伸的围护屏状物环绕单晶棒生长区域，可阻断加热器和炉体中的高温熔体直接对单晶棒的热辐射，降低单晶棒的温度，同时热屏使得副炉室向下吹的氩气可以集中直接喷到生长界面附近，加大单晶棒的散热。但是即便加装了热屏装置，单晶棒降温效果仍不甚理想，单晶棒的提升速度不可过快，否则会造成晶体出现缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉。
本发明提供了一种带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉，包括加热器、石英坩埚和保温装置，石英坩埚上方设有围护着单晶棒提升区域的热屏装置；在热屏装置与单晶棒提升区域之间设置一个筒状的水冷夹套；所述水冷夹套是中空的夹套设备，水冷夹套内部为冷却水流动的通道，并设进水管和出水管。
作为一种改进，所述水冷夹套的上部设置与生长炉的炉口相配合的法兰。
作为一种改进，所述水冷夹套上的进水管和出水管均设于其上部的法兰处。
作为一种改进，所述水冷夹套的安装位置为：其最底端距离石英坩埚中熔液液面100～500mm。
作为一种改进，所述水冷夹套的内径为150～400mm。
作为一种改进，生长炉上设置有CCD观察窗口，所述水冷夹套下部在与CCD观察窗口视角相对应的位置设置椭圆形开口。
作为一种改进，所述水冷夹套是不锈钢的中空夹套设备。
作为一种改进，所述水冷夹套内部设置若干水道隔板。
本发明的有益效果在于：
直拉式硅单晶生长炉中刚生长的单晶棒温度约800～1200°，如果水冷夹套中的冷却水为25°，通过水冷夹套对单晶棒刚生长出来的高温部分进行冷却，巨大的温差使得单晶棒散热很快，单晶棒生长速度可提高近一倍。由于单晶棒生长界面的热量可以快速通过单晶棒导走，既大大降低了加热器的功耗，还能减少晶体的微缺陷。如果使用的冷却水温度更低，降温效果还会更好。
附图说明
图1是带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉结构示意图；
图2是水冷夹套结构示意图；
图3是图2中水冷夹套的俯视图。
图中附图标记：
法兰1、进水管2、水冷夹套3、热屏装置4、保温装置5、加热器6、硅熔体7、石英坩埚8，CCD观察口9、单晶棒10、出水管11。
具体实施方式
结合附图，下面对本发明进行详细说明。
本发明中带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉包括加热器6、石英坩埚8和保温装置5，石英坩埚8上方设有围护着单晶棒提升区域的热屏装置4；在热屏装置4与单晶棒10提升区域之间设置一个筒状的水冷夹套3；水冷夹套3是中空的夹套设备，水冷夹套3内部为冷却水流动的通道，并设进水管2和出水管11。
水冷夹套是不锈钢材质的，其上部设置与生长炉的炉口相配合的法兰1，可通过螺栓固定安装在炉子炉盖的法兰上，并以O型圈密封。水冷夹套内部设置若干水道隔板保证冷却水均匀流通，避免冷却水直通降低冷却效果。进水管2和出水管11设于法兰1处便于连接冷却水的进水和出水管路。水冷夹套的安装位置为：其最底端距离石英坩埚中熔液液面100～500mm。水冷夹套的内径设置根据炉体内径的尺寸而定，一般水冷夹套的内径为150～400mm。
因生长炉上设置有CCD观察窗口，所以水冷夹套下部在与CCD观察窗口视角相对应的位置设置椭圆形开口，以保证CCD摄像头的获取图像信号。
具体的对比试验：
在TDR99A_ZJS单晶炉上安装22英寸加热器，投料120Kg，控制60升/分氩气流量，拉制200mm直径的单晶，水冷夹套离熔体300mm，内径为250mm，水冷夹套高700mm；热屏高400mm，下口270mm。当热场仅有热屏时，平均拉晶拉速仅为0.7mm/min；安装了水冷夹套后，拉晶平均拉速高达1.2mm/min。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1、一种带水冷夹套的直拉式硅单晶生长炉，包括加热器、石英坩埚和保温装置，石英坩埚上方设有围护着单晶棒提升区域的热屏装置；其特征在于，在热屏装置与单晶棒提升区域之间设置一个筒状的水冷夹套；所述水冷夹套是中空的夹套设备，水冷夹套内部为冷却水流动的通道，并设进水管和出水管。
2、根据权利要求1所述的直拉式硅单晶生长炉，其特征在于，所述水冷夹套的上部设置与生长炉的炉口相配合的法兰。
3、根据权利要求2所述的直拉式硅单晶生长炉，其特征在于，所述水冷夹套上的进水管和出水管均设于其上部的法兰处。
4、根据权利要求1至3所述的任意一种直拉式硅单晶生长炉，其特征在于，所述水冷夹套的安装位置为：其最底端距离石英坩埚中熔液液面100～500mm。
5、根据权利要求1至3所述的任意一种直拉式硅单晶生长炉，其特征在于，所述水冷夹套的内径为150～400mm。
6、根据权利要求1至3所述的任意一种直拉式硅单晶生长炉，其特征在于，生长炉上设置有CCD观察窗口，所述水冷夹套下部在与CCD观察窗口视角相对应的位置设置椭圆形开口。
7、根据权利要求1至3所述的任意一种直拉式硅单晶生长炉，其特征在于，所述水冷夹套是不锈钢的中空夹套设备。
8、根据权利要求1至3所述的任意一种直拉式硅单晶生长炉，其特征在于，所述水冷夹套内部设置若干水道隔板。
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