CN106435711A - 通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，主要涉及输送反应物并在其内部进行化学吸热反应的反应装置。该反应装置由石墨筒和反应筒组成。反应筒采用惰性材料制成。反应物由进口通入，在高温下的反应筒中发生化学吸热反应，降低反应装置表面及其附近氩气区域的温度，快速移除晶体表面的热量，反应不完全的反应物和反应产物由出口排出炉体。本单晶炉结构设计合理，反应物在反应装置中发生反应，能够避免反应过程中炉体内杂质的引入。本发明装置通过化学吸热反应强化冷却生长中的晶体，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，达到降低晶体制备成本的目的。
Description
技术领域：
本发明属于直拉法单晶生长装置领域，具体涉及一种通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉。
背景技术：
直拉法是单晶生长的主要技术之一。以晶体硅为例，它是当代人工智能、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％，然而单晶硅的生产成本偏高。因此，在保证晶体质量的前提下，提高生产效率，降低能耗，成为降低单晶硅制备成本的突破口。目前，提高生产效率主要有两种方法，提高拉晶速度和增大拉晶尺寸。然而随着提拉速度的提高和尺寸的增大，晶体在结晶过程中释放出的结晶潜热急剧增加。为了保证拉晶过程的持续进行，晶体侧的散热能力必须强化。
现有的单晶炉装置，基本采用气冷方式对晶体进行冷却，因为气冷方式是基于改变气体的显焓移除生长过程中晶体表面的散热量，因此，其散热能力非常有限，从而限制了进一步提高晶体拉速和晶体尺寸空间。近几年，化学热沉作为一种新型的高效冷却方式，在移除高热流密度，比如超高音速飞行器、燃气轮机叶片、大功率激光发射器、大规模集成电路等方面得到广泛的研究。与气冷方式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通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，以解决采用传统气冷方式难以快速移除晶体高拉速条件下大量结晶潜热的散热问题。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：
通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，包括炉体，设置炉体内侧底部的保温筒，与保温筒内侧顶部相连的导流筒，以及设置在保温筒顶部、导流筒顶部与导流筒内侧的供反应物进行化学吸热反应的反应装置。
本发明进一步的改进在于，反应装置包括紧贴导流筒内侧的石墨筒，以及设置在石墨筒内并经过保温筒顶部和导流筒顶部引出至炉体外的反应筒，工作时，熔体通过石英坩埚放置在保温筒内，熔体液面低于同平面设置的导流筒底部和石墨筒底部，通过反应装置实现晶体的生长，生长的晶体穿过石墨筒内腔并提升至炉体外。
本发明进一步的改进在于，反应筒由中空螺旋盘管环绕而成，其两端伸出到炉体外部，一端为反应物的进口，另一端为反应不完全的反应物和反应产物的出口，所述中空螺旋盘管内部充有流动的进行化学吸热反应的反应物。
本发明进一步的改进在于，所述中空螺旋盘管采用双层结构，反应物首先由进口通入，依次经过内层盘管和外层盘管，后由出口排出炉体。
本发明进一步的改进在于，中空螺旋盘管的壁厚为3-10mm，内径10-30mm。
本发明进一步的改进在于，中空螺旋盘管采用钼、钨钼合金、钛合金或碳碳材料中任意一种制成。
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为质量比为1：(5-10)的碳粉和二氧化碳气体，或者癸烷。
本发明进一步的改进在于，所述石墨筒为倒圆台形，其锥度为0°-60°。
本发明进一步的改进在于，石墨筒的底部与晶体之间的距离为10-40mm。
本发明进一步的改进在于，石墨筒的底部与熔体之间的距离为10-40mm。
本发明具有如下优点：
在单晶炉中采用上述反应装置，将反应物和单晶炉中其他部件隔离，能够有效避免反应物发生化学吸热反应的同时，在炉体中引入反应物杂质造成炉体污染的问题。设置在反应筒外部的石墨筒，能够稳定晶体周围氩气区域的流场，有利于晶体的稳定生长。为了强化冷却效果，输运反应物的中空螺旋盘管，采用双层结构。室温下的反应物由进口通入后，首先经过靠近晶体的内层盘管并发生化学吸热反应，能够充分降低晶体周围的温度，温度升高后的气体经由外层盘管排除炉体。为避免高温下与反应物发生反应，中空螺旋盘管采用高熔点材料，如钼、钨钼合金、钛合金等制成。最后，石墨筒和晶体之间的距离设置为10-40mm，能够避免拉晶过程中晶体晃动接触石墨筒现象的发生。
在拉晶过程中，向反应筒中的进口通入反应物，在反应筒内发生化学吸热反应，降低晶体附近区域的温度，相比于传统的冷却方式，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，最终提高晶体的生长速率。
附图说明：
图1为本发明单晶炉的示意图。
图2为反应筒的局部示意图。
图3为反应筒的剖视图。
图4为反应筒的三维视图。
图5为气体冷却方式下生长晶体内部温度分布图。
图6为化学热沉冷却方式下生长晶体内部温度分布图。
图7为两种冷却方式下固液界面处晶体侧温度梯度的分布图。
图8为两种冷却方式下结晶界面形状图。
图中：1-炉体；2-晶体；3-导流筒；4-熔体；5-反应装置；6-保温筒；7-石墨筒；8-反应筒；9-中空螺旋盘管；10-进口；11-出口；12-内层盘管；13-外层盘管。
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1-4所示，通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，主要涉及输送反应物并在其内部进行化学吸热反应的反应装置5。反应装置5由两个具有锥度的部件组成，所述组合部件为圆台形中空的石墨筒7和提供化学反应场所的反应筒8。石墨筒7内部放置反应筒8，能够稳定晶体附近的气体的流动。石墨筒7的锥度为0°-60°，下端面与晶体2之间的距离为10-40mm，与熔体4之间的距离为10-40mm。反应筒8采用中空螺旋盘管9环绕而成，其两端伸出到炉体1外部，一端为反应物的进口10，另一端为反应不完全的反应物和反应产物的出口11。为强化冷却的效果，中空螺旋盘管9分为两层结构，温度较低的反应物由进口通入后，依次经过内层盘管10和外层盘管11，并在盘管内发生化学吸热反应，从而降低反应装置5表面及其附近区域氩气流的温度，通过高温辐射快速移除晶体表面的热量，最后反应不完全的反应物和反应产物经由出口11排出炉体。中空螺旋盘管9的壁厚为3-10mm，内径为10-30mm，采用钼、钨钼合金、钛合金、碳碳材料任意一种高熔点惰性材料制成。
为说明本方案的可行性和有效性，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的效果。化学吸热反应以C粉和CO2气体反应生成CO为例。
模拟结果如图5-图8所示，模拟对象为8英寸单晶硅生长炉。对比图5和图6可以发现，与气冷方式相比较，当采用化学吸热反应冷却方式时，晶体内的温差可以提高100K。同时，通过图7可以发现，采用化学吸热反应冷却方式时，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。除此之外，从图8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。
本发明的反应装置不限于所示图例，还可以有很多变形，如改变进气口的位置。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。
Claims (10)
1.通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，包括炉体(1)，设置炉体(1)内侧底部的保温筒(6)，与保温筒(6)内侧顶部相连的导流筒(3)，以及设置在保温筒(6)顶部、导流筒(3)顶部与导流筒(3)内侧的供反应物进行化学吸热反应的反应装置(5)。
2.根据权利要求1所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，反应装置(5)包括紧贴导流筒(3)内侧的石墨筒(7)，以及设置在石墨筒(7)内并经过保温筒(6)顶部和导流筒(3)顶部引出至炉体(1)外的反应筒(8)，工作时，熔体(4)通过石英坩埚放置在保温筒(6)内，熔体(4)液面低于同平面设置的导流筒(3)底部和石墨筒(7)底部，通过反应装置(5)实现晶体(2)的生长，生长的晶体(2)穿过石墨筒(7)内腔并提升至炉体(1)外。
3.根据权利要求2所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，反应筒(8)由中空螺旋盘管(9)环绕而成，其两端伸出到炉体(1)外部，一端为反应物的进口(10)，另一端为反应不完全的反应物和反应产物的出口(11)，所述中空螺旋盘管(9)内部充有流动的进行化学吸热反应的反应物。
4.根据权利要求3所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，所述中空螺旋盘管(9)采用双层结构，反应物首先由进口(10)通入，依次经过内层盘管(12)和外层盘管(13)，后由出口(11)排出炉体(1)。
5.根据权利要求3所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，中空螺旋盘管(9)的壁厚为3-10mm，内径10-30mm。
6.根据权利要求3所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，中空螺旋盘管(9)采用钼、钨钼合金、钛合金或碳碳材料中任意一种制成。
7.根据权利要求3所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，通入发生化学吸热反应的反应物为质量比为1：(5-10)的碳粉和二氧化碳气体，或者癸烷。
8.根据权利要求2所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，所述石墨筒(7)为倒圆台形，其锥度为0°-60°。
9.根据权利要求2所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，石墨筒(7)的底部与晶体(2)之间的距离为10-40mm。
10.根据权利要求2所述的通过化学热沉强化冷却技术实现晶体快速生长的单晶炉，其特征在于，石墨筒(7)的底部与熔体(4)之间的距离为10-40mm。
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