CN211872143U - 用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，包括设置在直拉单晶炉的炉盖内侧的反射装置，所述反射装置具有至少一个用于反射热辐射的反射面。本实用新型提供的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，通过在炉盖处增加反射环，实现将原本经由炉盖内壁反射至单晶棒的热辐射、以及经由炉盖反射至热屏与单晶棒之间的空间区域的热辐射，反射至炉盖的低温区，从而降低单晶棒温度，并提高单晶棒纵向温度梯度，实现加快单晶棒散热的目的，从而提高单晶生长速度。

Description

用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置

技术领域

本实用新型涉及直拉单晶生长技术领域，尤其涉及一种用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置。

背景技术

直拉单晶生长法又称为切克劳斯基法，它是1918年由切克劳斯基(Czochralski)实用新型的一种晶体生长方法，简称CZ法。CZ法的特点是在一个直筒型的热场中，通过加热将装在坩埚中的原料熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放肩、转肩、等径生长、收尾等过程，一支棒状单晶晶体材料就生长出来了。直拉法可应用于多种单晶晶体材料生长中，包括硅、锗、锑化铟等半导体材料，以及氧化物和其他绝缘类型的大晶体的制备，也可以利用直拉法生长一些单晶金属。目前直拉法在单晶硅晶体生长中得到广泛的应用。直拉单晶生长过程中，存在以下热平衡：

总加热器功率+结晶潜热等效功率＝总散热功率(炉室冷却水带走+氩气流吸热功率)(1)

即：结晶潜热等效功率＝总散热功率(炉室冷却水带走+氩气流吸热功率)-总加热器功率(2)

从等式(2)可以看出，当长晶等径过程中，维持加热功率不变时，增强晶棒侧(即炉盖侧)的散热将能够提高结晶潜热等效功率，也就是说，将提高直拉单晶生长速度。

经过计算，当拉制8.4英寸单晶硅的等径拉速在100mm/h时，可知此时结晶潜热放热的等效功率是4.24kw。如果能够增强散热，那么根据热平衡分析，将能够提高直拉单晶生长速度。

【热场模拟与讨论分析】

(1)直壁式热屏与斜壁式热屏热场模拟结果

如图1所示，在直拉单晶生长过程中，分别采用直壁热屏(a)与斜壁热屏(b)的热场模拟对比分析。模拟结果显示，直壁式热屏的单晶棒纵向温度梯度明显高于斜壁式热屏，在与热屏上沿与单晶棒等高处，斜壁式热屏的温度要高出200K。晶棒纵向方向的温度梯度的降低将会降低晶棒的纵向传热速度，根据前面的长晶热物理分析，我们知道这会降低直拉单晶生长速度。

(2)直壁式热屏与斜壁式热屏温度梯度差异的原因分析

A，隔热屏的影响有限，可以排除。

直壁式与斜壁式隔热屏都可以起到很好的隔热效果。

B，直壁与斜壁两者不同导致的氩气气流变化带来的影响很有限，也可以排除。

氩气流量为80NL/min时，假定氩气由常温升高至1600K，计算氩气吸热等效功率为1.6kw，而等径时单晶炉加热功率为50kw左右，相比之下氩气吸热功率很小，而直壁式与斜壁式并不会显著影响氩气的吸热速率，所以氩气气流不是温度梯度发生明显变化的原因。

C，温度梯度发生显著变化的原因是由于热辐射方式被改变。

根据斯蒂芬玻尔兹曼公式：

j*＝εσT⁴

黑体表面辐射总热流密度j*与黑体表面热力学温度T的四次方成正比，而高温情况下物体的辐射能力与黑体近似。经过计算，1700K的绝对黑体表面辐射的能量通量密度为473564w/m²，对应一平方厘米辐射功率约为47.36w，辐射功率较大。高温情况下物体的辐射能力可以与黑体近似。导流筒内液面温度T接近1700K，因此该区域往上向炉盖产生的辐射强度较高。

下面就两种热屏的辐射变化情况进行分析：

如图2所示，图(c)是直壁式热屏，图(d)是斜壁式热屏。由于直壁式热屏的阻挡作用，长晶界面附近的高温热辐射射向了炉筒；而由于斜壁式热屏的开放式角度，将会使得由高温区出去的热辐射被炉盖内壁反射回单晶棒，反射回的热辐射回到晶棒上，从而提高单晶棒的温度，因此斜壁式热屏单晶棒的纵向温度梯度降低。

综上所述，现有热屏的使用，由于斜壁式开口的设计，不可避免的使得一部分热辐射经炉盖直接反射回到单晶棒上，提高单晶棒的温度并阻碍单晶生长速度的进一步提高。

实用新型内容

根据上述技术问题，而提供一种用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置。本实用新型主要利用在炉盖内安装一个反射装置，实现将原本经由炉盖内壁反射至单晶棒的热辐射、以及经由炉盖反射至热屏与单晶棒之间的空间区域的热辐射，反射至炉盖的低温区(远离单晶棒的区域)，从而降低单晶棒温度，并提高单晶棒纵向温度梯度，实现加快单晶棒散热的目的，从而提高单晶生长速度。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，包括设置在直拉单晶炉的炉盖内侧的反射装置，所述反射装置具有至少一个用于反射热辐射的反射面。

反射面将单晶生长高温区域辐射至炉盖中靠近单晶硅棒区域的热辐射反射到炉盖中远离单晶硅棒一侧区域。

进一步地，所述反射面是由母线围绕所述炉盖的轴线旋转一周形成，且所述反射面的外径从反射面的底部至所述反射面的顶部依次增大。

进一步地，所述母线为直线或折线或曲线或直线与曲线的组合或折线与曲线的组合。

进一步地，所述母线的底部与所述炉盖的轴线之间的夹角为10°～80°。

进一步地，所述母线的底部与所述炉盖的轴线之间的夹角为30°～60°。

进一步地，所述反射装置包括反射环，所述反射环的外表面与所述反射面相匹配。反射环可以为薄板结构，其可以为一体式结构也可以为分体式结构，对其结构形式并不限定，只要其具有反射面即可。

进一步地，所述反射环的顶部外沿具有用于与所述炉盖连接的连接端。

进一步地，所述炉盖上观测孔与所述炉盖的轴线的距离大于所述反射面顶部至所述炉盖的轴线的距离。或者所述炉盖上观测孔与所述炉盖的轴线的距离小于所述反射面顶部至所述炉盖的轴线的距离，且所述反射面上加工有与所述观测孔相匹配的通孔。

进一步地，反射环可以为中空结构，即所述反射环内具有夹层，且所述夹层内设有循环水。

反射环的材料可以为不锈钢、钼板、钽、钨、铌等金属材料；也可以为能承受较高温度且高强度的非金属材料，如陶瓷复合材料。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，通过在炉盖处增加反射环，实现将原本经由炉盖内壁反射至单晶棒的热辐射、以及经由炉盖反射至热屏与单晶棒之间的空间区域的热辐射，反射至炉盖的低温区(远离单晶棒的区域)，从而降低单晶棒温度，并提高单晶棒纵向温度梯度，实现加快单晶棒散热的目的，从而提高单晶生长速度。

基于上述理由本实用新型可在直拉法拉晶等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型背景技术中直壁式热屏与斜壁式热屏热场模拟图，图中图(a)为直壁热屏，图(b)为斜壁热屏。

图2为本实用新型为本实用新型背景技术中直壁式热屏与斜壁式热屏热辐射分析示意图，图(c)为直壁热屏，图(d)为斜壁热屏。

图3为本实用新型实施例1中具有反射装置和不具有反射装置热辐射路径对比图。

图4是本实用新型实施例1中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置俯视图。

图5是图4中A-A向剖视图。

图6是本实用新型实施例1中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置安装示意图。

图7是本实用新型实施例2中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置俯视图。

图8是图7中B-B向剖视图。

图9是本实用新型实施例2中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置安装示意图。

图10是本实用新型实施例3中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置结构示意图。

图11是本实用新型实施例3中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置俯视图。

图12是图11中C-C向剖视图。

图13是本实用新型实施例3中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置安装示意图。

图14是本实用新型实施例4中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置结构示意图。

图15是本实用新型实施例4中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置俯视图。

图16是图11中D-D向剖视图。

图17是本实用新型实施例4中用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置安装示意图。

图18是本实用新型具体实施方式中母线为折线示意图。

图19是本实用新型具体实施方式中母线为曲线示意图。

图20是本实用新型具体实施方式中母线为直线与曲线相组合结构示意图。

图21是本实用新型具体实施方式中母线为折线与曲线相组合结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

实施例1

如图3～6，18～21所示，本实用新型提供了一种用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，包括设置在直拉单晶炉的炉盖1内侧的反射装置，所述反射装置具有至少一个用于反射热辐射的反射面。

反射面可将单晶生长高温区域尤其是高温硅熔体液面区域辐射至炉盖内壁且原本要反射回单晶棒区域的热辐射反射到炉盖中远离单晶硅棒的一侧区域。如图3所示，左侧实线箭头为具有反射装置热辐射路径，右侧虚线箭头为不具有反射装置热辐射路径。可以明显看出反射装置可以将原本要反射回单晶棒所在区域的热辐射反射到炉盖中远离单晶硅棒的一侧区域。

所述反射面是由母线围绕所述炉盖的轴线旋转一周形成，且所述反射面的外径从反射面的底部至所述反射面的顶部依次增大。

所述母线为直线(如图5)或折线(如图18)或曲线(如图19)或直线与曲线的组合(如图20)或折线与曲线的组合(如图21)。

本实施例中母线为直线(如图5)。

所述母线的底部与所述炉盖的轴线之间的夹角为45°。

所述反射装置包括反射环3，所述反射环3的外表面与所述反射面相匹配。反射环3可以为一体式结构也可以为分体式结构，对其结构形式并不限定，只要其具有反射面即可。

所述反射环3的顶部外沿具有用于与所述炉盖1连接的连接端4。

所述反射环3为薄板结构，所述炉盖1上观测孔5与所述炉盖1的轴线的距离大于所述反射面顶部至所述炉盖1的轴线的距离。即本实施例中的反射环3并不阻碍观测孔观察单晶棒。

实施例2

如图7～9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述炉盖上观测孔5与所述炉盖1的轴线的距离小于所述反射面顶部至所述炉盖1的轴线的距离，且所述反射面上加工有与所述观测孔5相匹配的通孔6。即本实施例中通过增加通孔6使反射环3并不阻碍观测孔5观察单晶棒。

实施例3

如图10～13所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述反射环3内具有夹层，且所述夹层内设有循环水7。所述炉盖1上观测孔5与所述炉盖1的轴线的距离大于所述反射面顶部至所述炉盖1的轴线的距离。即本实施例中的反射环3并不阻碍观测孔5观察单晶棒。

实施例4

如图14～17所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述反射环3内具有夹层，且所述夹层内设有循环水7。所述炉盖1上观测孔5与所述炉盖1的轴线的距离小于所述反射面顶部至所述炉盖1的轴线的距离，且所述反射面上加工有与所述观测孔5相匹配的通孔6。即本实施例中通过增加通孔6使反射环3并不阻碍观测孔5观察单晶棒。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于，包括设置在直拉单晶炉的炉盖内侧的反射装置，所述反射装置具有至少一个用于反射热辐射的反射面。

2.根据权利要求1所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述反射面是由母线围绕所述炉盖的轴线旋转一周形成，且所述反射面的外径从反射面的底部至所述反射面的顶部依次增大。

3.根据权利要求2所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述母线为直线或折线或曲线或直线与曲线的组合或折线与曲线的组合。

4.根据权利要求2所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述母线的底部与所述炉盖的轴线之间的夹角为10°～80°。

5.根据权利要求4所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述母线的底部与所述炉盖的轴线之间的夹角为30°～60°。

6.根据权利要求1～5任一权利要求所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述反射装置包括反射环，所述反射环的外表面与所述反射面相匹配。

7.根据权利要求6所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述反射环的顶部外沿具有用于与所述炉盖连接的连接端。

8.根据权利要求6所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述炉盖上观测孔与所述炉盖的轴线的距离大于所述反射面顶部至所述炉盖的轴线的距离。

9.根据权利要求6所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述反射环内具有夹层，且所述夹层内设有循环水。

10.根据权利要求6所述的用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置，其特征在于：

所述炉盖上观测孔与所述炉盖的轴线的距离小于所述反射面顶部至所述炉盖的轴线的距离，且所述反射面上加工有与所述观测孔相匹配的通孔。

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