本發(fā)明屬于直拉法單晶生長(zhǎng)裝置領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)化學(xué)熱沉強(qiáng)化冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶體快速生長(zhǎng)的單晶爐。

背景技術(shù)：
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直拉法是單晶生長(zhǎng)的主要技術(shù)之一。以晶體硅為例，它是當(dāng)代人工智能、自動(dòng)控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料，同時(shí)在光伏產(chǎn)業(yè)中也有龐大的市場(chǎng)。單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)的多晶硅電池效率高出5％，然而單晶硅的生產(chǎn)成本偏高。因此，在保證晶體質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，降低能耗，成為降低單晶硅制備成本的突破口。目前，提高生產(chǎn)效率主要有兩種方法，提高拉晶速度和增大拉晶尺寸。然而隨著提拉速度的提高和尺寸的增大，晶體在結(jié)晶過(guò)程中釋放出的結(jié)晶潛熱急劇增加。為了保證拉晶過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，晶體側(cè)的散熱能力必須強(qiáng)化。

現(xiàn)有的單晶爐裝置，基本采用氣冷方式對(duì)晶體進(jìn)行冷卻，因?yàn)闅饫浞绞绞腔诟淖儦怏w的顯焓移除生長(zhǎng)過(guò)程中晶體表面的散熱量，因此，其散熱能力非常有限，從而限制了進(jìn)一步提高晶體拉速和晶體尺寸空間。近幾年，化學(xué)熱沉作為一種新型的高效冷卻方式，在移除高熱流密度，比如超高音速飛行器、燃?xì)廨啓C(jī)葉片、大功率激光發(fā)射器、大規(guī)模集成電路等方面得到廣泛的研究。與氣冷方式通過(guò)改變冷卻介質(zhì)的顯焓從而帶走局部熱量的冷卻方式不同，化學(xué)熱沉冷卻方式是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程吸熱的特性，主動(dòng)移除局部的高密度熱流，冷卻效果非常顯著。但是該技術(shù)在晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域至今沒(méi)有應(yīng)用方面的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供通過(guò)化學(xué)熱沉強(qiáng)化冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶體快速生長(zhǎng)的單晶爐，以解決采用傳統(tǒng)氣冷方式難以快速移除晶體高拉速條件下大量結(jié)晶潛熱的散熱問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

通過(guò)化學(xué)熱沉強(qiáng)化冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶體快速生長(zhǎng)的單晶爐，包括爐體，設(shè)置爐體內(nèi)側(cè)底部的保溫筒，與保溫筒內(nèi)側(cè)頂部相連的導(dǎo)流筒，以及設(shè)置在保溫筒頂部、導(dǎo)流筒頂部與導(dǎo)流筒內(nèi)側(cè)的供反應(yīng)物進(jìn)行化學(xué)吸熱反應(yīng)的反應(yīng)裝置。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，反應(yīng)裝置包括緊貼導(dǎo)流筒內(nèi)側(cè)的石墨筒，以及設(shè)置在石墨筒內(nèi)并經(jīng)過(guò)保溫筒頂部和導(dǎo)流筒頂部引出至爐體外的反應(yīng)筒，工作時(shí)，熔體通過(guò)石英坩堝放置在保溫筒內(nèi)，熔體液面低于同平面設(shè)置的導(dǎo)流筒底部和石墨筒底部，通過(guò)反應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)的晶體穿過(guò)石墨筒內(nèi)腔并提升至爐體外。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，反應(yīng)筒由中空螺旋盤(pán)管環(huán)繞而成，其兩端伸出到爐體外部，一端為反應(yīng)物的進(jìn)口，另一端為反應(yīng)不完全的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的出口，所述中空螺旋盤(pán)管內(nèi)部充有流動(dòng)的進(jìn)行化學(xué)吸熱反應(yīng)的反應(yīng)物。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述中空螺旋盤(pán)管采用雙層結(jié)構(gòu)，反應(yīng)物首先由進(jìn)口通入，依次經(jīng)過(guò)內(nèi)層盤(pán)管和外層盤(pán)管，后由出口排出爐體。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，中空螺旋盤(pán)管的壁厚為3-10mm，內(nèi)徑10-30mm。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，中空螺旋盤(pán)管采用鉬、鎢鉬合金、鈦合金或碳碳材料中任意一種制成。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，通入發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)的反應(yīng)物為質(zhì)量比為1：(5-10)的碳粉和二氧化碳?xì)怏w，或者癸烷。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述石墨筒為倒圓臺(tái)形，其錐度為0°-60°。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，石墨筒的底部與晶體之間的距離為10-40mm。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，石墨筒的底部與熔體之間的距離為10-40mm。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

在單晶爐中采用上述反應(yīng)裝置，將反應(yīng)物和單晶爐中其他部件隔離，能夠有效避免反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)的同時(shí)，在爐體中引入反應(yīng)物雜質(zhì)造成爐體污染的問(wèn)題。設(shè)置在反應(yīng)筒外部的石墨筒，能夠穩(wěn)定晶體周?chē)鷼鍤鈪^(qū)域的流場(chǎng)，有利于晶體的穩(wěn)定生長(zhǎng)。為了強(qiáng)化冷卻效果，輸運(yùn)反應(yīng)物的中空螺旋盤(pán)管，采用雙層結(jié)構(gòu)。室溫下的反應(yīng)物由進(jìn)口通入后，首先經(jīng)過(guò)靠近晶體的內(nèi)層盤(pán)管并發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)，能夠充分降低晶體周?chē)臏囟?，溫度升高后的氣體經(jīng)由外層盤(pán)管排除爐體。為避免高溫下與反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，中空螺旋盤(pán)管采用高熔點(diǎn)材料，如鉬、鎢鉬合金、鈦合金等制成。最后，石墨筒和晶體之間的距離設(shè)置為10-40mm，能夠避免拉晶過(guò)程中晶體晃動(dòng)接觸石墨筒現(xiàn)象的發(fā)生。

在拉晶過(guò)程中，向反應(yīng)筒中的進(jìn)口通入反應(yīng)物，在反應(yīng)筒內(nèi)發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)，降低晶體附近區(qū)域的溫度，相比于傳統(tǒng)的冷卻方式，能夠快速移除晶體表面的熱量，顯著提升晶體內(nèi)部的軸向溫度梯度，最終提高晶體的生長(zhǎng)速率。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明單晶爐的示意圖。

圖2為反應(yīng)筒的局部示意圖。

圖3為反應(yīng)筒的剖視圖。

圖4為反應(yīng)筒的三維視圖。

圖5為氣體冷卻方式下生長(zhǎng)晶體內(nèi)部溫度分布圖。

圖6為化學(xué)熱沉冷卻方式下生長(zhǎng)晶體內(nèi)部溫度分布圖。

圖7為兩種冷卻方式下固液界面處晶體側(cè)溫度梯度的分布圖。

圖8為兩種冷卻方式下結(jié)晶界面形狀圖。

圖中：1-爐體；2-晶體；3-導(dǎo)流筒；4-熔體；5-反應(yīng)裝置；6-保溫筒；7-石墨筒；8-反應(yīng)筒；9-中空螺旋盤(pán)管；10-進(jìn)口；11-出口；12-內(nèi)層盤(pán)管；13-外層盤(pán)管。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1-4所示，通過(guò)化學(xué)熱沉強(qiáng)化冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶體快速生長(zhǎng)的單晶爐，主要涉及輸送反應(yīng)物并在其內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)吸熱反應(yīng)的反應(yīng)裝置5。反應(yīng)裝置5由兩個(gè)具有錐度的部件組成，所述組合部件為圓臺(tái)形中空的石墨筒7和提供化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所的反應(yīng)筒8。石墨筒7內(nèi)部放置反應(yīng)筒8，能夠穩(wěn)定晶體附近的氣體的流動(dòng)。石墨筒7的錐度為0°-60°，下端面與晶體2之間的距離為10-40mm，與熔體4之間的距離為10-40mm。反應(yīng)筒8采用中空螺旋盤(pán)管9環(huán)繞而成，其兩端伸出到爐體1外部，一端為反應(yīng)物的進(jìn)口10，另一端為反應(yīng)不完全的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的出口11。為強(qiáng)化冷卻的效果，中空螺旋盤(pán)管9分為兩層結(jié)構(gòu)，溫度較低的反應(yīng)物由進(jìn)口通入后，依次經(jīng)過(guò)內(nèi)層盤(pán)管10和外層盤(pán)管11，并在盤(pán)管內(nèi)發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)，從而降低反應(yīng)裝置5表面及其附近區(qū)域氬氣流的溫度，通過(guò)高溫輻射快速移除晶體表面的熱量，最后反應(yīng)不完全的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)由出口11排出爐體。中空螺旋盤(pán)管9的壁厚為3-10mm，內(nèi)徑為10-30mm，采用鉬、鎢鉬合金、鈦合金、碳碳材料任意一種高熔點(diǎn)惰性材料制成。

為說(shuō)明本方案的可行性和有效性，分別采用氣體冷卻方式和化學(xué)吸熱反應(yīng)冷卻方式的直拉法單晶硅生長(zhǎng)爐進(jìn)行全局傳熱數(shù)值模擬，研究采用化學(xué)吸熱反應(yīng)冷卻晶體的效果。化學(xué)吸熱反應(yīng)以C粉和CO₂氣體反應(yīng)生成CO為例。

模擬結(jié)果如圖5-圖8所示，模擬對(duì)象為8英寸單晶硅生長(zhǎng)爐。對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，與氣冷方式相比較，當(dāng)采用化學(xué)吸熱反應(yīng)冷卻方式時(shí)，晶體內(nèi)的溫差可以提高100K。同時(shí)，通過(guò)圖7可以發(fā)現(xiàn)，采用化學(xué)吸熱反應(yīng)冷卻方式時(shí)，結(jié)晶界面晶體側(cè)的溫度梯度得到顯著提高，表明本發(fā)明對(duì)高溫晶體具有顯著的冷卻效果。除此之外，從圖8可以發(fā)現(xiàn)，采用化學(xué)吸熱反應(yīng)冷卻方式，獲得的生長(zhǎng)界面更為平坦。在提高晶體拉速的同時(shí)，也有利于降低晶體缺陷、提高晶體品質(zhì)。

本發(fā)明的反應(yīng)裝置不限于所示圖例，還可以有很多變形，如改變進(jìn)氣口的位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。