CN105603520A - 一种高速单晶生长装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种高速单晶生长装置及方法

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JanCzochralski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；

使用时，石英坩埚内为熔体，熔体的液面低于热屏的底面，通过炉壁上开设的进气口向反应筒的内腔通入气体，对高温晶体进行冷却，进而生长的晶体依次穿过热屏内腔和反应筒内腔提升至晶体生长单晶炉外。

本发明进一步的改进在于，炉壁上设置有CCD图像传感器窗口。

本发明进一步的改进在于，通过炉壁上开设的进气口向反应筒内腔通入保护气氩气和反应物。

本发明进一步的改进在于，熔体的液面与热屏的底面之间的距离为10mm-40mm，排气筒内壁与晶体3)之间的距离为10mm-30mm。

本发明进一步的改进在于，反应筒截面为环形，壁厚为2mm-10mm，进气筒通道宽度为10mm-30mm。

本发明进一步的改进在于，反应筒采用耐高温材料二氧化硅、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼或者磷化硅制成。

一种高速单晶生长方法，该单晶生长方法基于上述的高速单晶生长装置，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中；

2)完成装料后，关闭单晶炉抽真空，通过炉壁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，熔化高纯多晶硅原料；

3)当硅熔体温度稳定后，由提拉装置将种晶慢慢浸入硅熔体中开始进行引晶；

4)生长完晶颈后，降低拉速，使晶体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，使晶体直径维持在目标直径±2mm之间，进行等径生长；待晶体高度超过进气筒出口位置时，由炉壁上开设的进气孔通入反应物，经由进气筒后，喷射到晶体表面，对高温晶体进行冷却；

6)等径生长完成后，进入收尾阶段，提高拉速，将晶体直径逐步缩小直至与硅熔体分离；

7)生长完成的晶体在上炉室冷却至室温时取出，至此完成整个拉晶过程。

本发明进一步的改进在于，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。

相对于现有技术，本发明具有的优点：

本发明高速单晶生长装置，包括石墨加热器、石墨坩埚、石英坩埚、保温装置、反应筒，在石英坩埚上方设置有热屏装置。在热屏上方设置有供气体反应的反应筒。反应筒由连接固定的进气筒和排气筒组成。进气筒开设通道，分别通入反应物和保护气体。反应物经由进气筒，在生长中的高温晶体表面发生化学吸热反应，移除晶体表面的高密度热流，达到强化冷却晶体表面的效果，从而及时释放高拉速条件下的结晶界面处的大量结晶潜热。反应不完全的反应物和反应产物通过排气筒排出炉体。

进一步的，为观察拉晶过程中晶体直径的变化，在炉壁上开设CCD图像传感器窗口。

进一步的，为增强氩气携带挥发性杂质的能力，同时避免对熔体流动的影响，熔体的液面与热屏的底面之间的距离为10mm-40mm。

进一步的，为避免在拉晶过程中，晶体由于晃动与反应筒的接触，排气筒与晶体之间的距离为10mm-30mm。

本发明高速单晶生长方法，利用化学吸热反应对生长中的高温晶体进行主动强化冷却，相比采用传统的气冷、水冷方式，能快速大量地移除晶体表面的高密度热流，及时释放晶体高拉速条件下所产生的大量结晶潜热，提高凝固界面处晶体内的轴向温度梯度，从而进一步提高晶体的提拉速度，最终降低直拉法生产晶体的成本。

附图说明：

图1为本发明高速单晶生长装置的示意图。

图2为反应筒的截面图。

图3为气体冷却方式下生长晶体内部温度分布图。

图4为化学吸热反应冷却方式下生长晶体内部温度分布图。

图5为两种冷却方式下结晶界面形状图。

图中：1-反应筒；2-CCD图像传感器窗口；3-晶体；4-保温筒；5-炉壁；6-热屏；7-石英坩埚；8-支撑体；9-熔体；10-石墨坩埚；11-石墨加热器；12-排气筒；13-进气筒。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明高速单晶生长装置，包括反应筒1、CCD图像传感器窗口2、晶体3、保温筒4、炉壁5、热屏6、石英坩埚7、支撑体8、熔体9、石墨坩埚10和石墨加热器11。支撑体8用于支撑石墨坩埚，并旋转。石英坩埚7和石墨坩埚10外侧为石墨加热器11，石墨加热器11外侧为防止热散失的保温筒4；溶液上方设置有导流和保温的热屏6。通过CCD图像传感器窗口2监测晶体生长过程中晶体的结晶半径变化情况，进而调整晶体拉速和加热功率。反应物，例如C粉和CO₂混合气体、乙醇、C粉和水蒸气混合气体、甲醇、氨气、甲基环己烷、甲烷。经过进气筒13喷射到高温晶体3表面，发生吸热化学反应。反应不完全的气体以及反应产物通过排气筒12导出炉体外。

在晶体的拉制过程中，炉腔内首先通入保护气体氩气，待晶体生长至超过进气筒气体出口位置时，再通入反应物，直至晶体拉晶完成。反应物在生长中的高温晶体表面发生如下吸热化学反应：

xN+yO→N_xO_y(气态)

该吸热反应可在短时间内通过晶体表面移除大量热量，从而达到强化冷却高温晶体的目的。同时，随着反应物的不断通入，可在晶体表面维持反应的连续进行，并达到化学平衡，进而持续不断地从晶体表面带走热量，达到持续冷却晶体的目的。

通过对分别采用气体冷却方式和化学吸热反应冷却方式的直拉法单晶硅生长炉进行全局传热数值模拟，研究采用化学吸热反应冷却晶体方式的效果。模拟结果如图3-图5所示，模拟对象为8英寸单晶硅生长炉。对比图3和图4可以发现，当采用传统气冷方式时，晶体内的温差约为700K，而采用本发明工艺方法时，晶体内的温差增大到1000K，尤其在结晶界面晶体侧的温度梯度得到显著提高，表明本发明对高温晶体具有显著的冷却效果。同时，从图5可以发现，采用化学吸热反应冷却方式，获得的生长界面更为平坦。在提高晶体拉速的同时，也有利于降低晶体缺陷、提高晶体品质。

本发明的反应筒装置不限于所示图例，还可以有很多变形，如改变进气通道的数目、反应筒的形状。本领域的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。

以拉制153mm单晶硅为例，本发明高速单晶生长方法，包括以下步骤：

1)将高纯多晶硅原料150kg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，通过调整晶体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；

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。

Claims (8)

1.一种高速单晶生长装置，其特征在于，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)的内腔通入气体，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。

2.根据权利要求1所述的高速单晶生长装置，其特征在于，炉壁(5)上设置有CCD图像传感器窗口(2)。

3.根据权利要求1所述的高速单晶生长装置，其特征在于，通过炉壁(5)上开设的进气口向反应筒(1)内腔通入保护气氩气和反应物。

4.根据权利要求1所述的高速单晶生长装置，其特征在于，熔体(9)的液面与热屏(6)的底面之间的距离为10mm-40mm，排气筒(12)内壁与晶体(3)之间的距离为10mm-30mm。

5.根据权利要求1所述的高速单晶生长装置，其特征在于，反应筒截面为环形，壁厚为2mm-10mm，进气筒通道宽度为10mm-30mm。

6.根据权利要求1所述的高速单晶生长装置，其特征在于，反应筒采用耐高温材料二氧化硅、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼或者磷化硅制成。

7.一种高速单晶生长方法，其特征在于，该单晶生长方法基于权利要求1至6中任一项所述的高速单晶生长装置，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；

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。

8.根据权利要求7所述的高速单晶生长方法，其特征在于，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。