[实用新型]用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置

说明书

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。

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。