用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A reflection device for increasing the growth rate of Czochralski single crystals

【技术实现步骤摘要】
用于提高直拉单晶生长速度的热辐射反射装置
本专利技术涉及直拉单晶生长
，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。
技术介绍
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)专利技术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。
技术实现思路
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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有以下优点：本专利技术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。基于上述理由本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术
技术介绍
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为本专利技术为本专利技术
技术介绍
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为本专利技术实施例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是本专利技术实施例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是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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°。


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【专利技术属性】
技术研发人员：王利伟，尹嘉琦，李万朋，滕野，陈召彬，
申请(专利权)人：大连连城数控机器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21