上的晶体提拉速度，有效缩短单晶生长周期，节约单晶生产成本。因此，本实用新型在提高单晶质量、降低生产成本方面具有较为显著的促进作用。
【附图说明】
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[0021]图1为本实用新型一种高速单晶生长装置的概略构成剖面图。
[0022]图2为晶体生长三相点附近的装置局部概略构成剖面图。
[0023]图3为导流筒三维概略构成图。
[0024]图4为水冷套三维概略构成图。
[0025]图5为全局模拟所得的凝固界面形状对比图。
[0026]图6为全局模拟所得的凝固界面径向温度梯度分布对比图。
[0027]图7为全局模拟所得的凝固界面热应力分布对比图。
[0028]图中:I为导流筒，2为隔热层，3为石墨加热器，4为水冷套，5为娃晶体，6为炉壁，7为石墨坩祸，8为石英坩祸，9为硅熔体，1为支撑轴，11为提拉装置，12为绝热环。
【具体实施方式】
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[0029]下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0030]参见图1，是本实用新型一种高速单晶生长装置的概略构成剖面图，包括导流筒1、隔热层2、石墨加热器3、水冷套4、晶体5、炉壁6、石墨坩祸7、石英坩祸8、硅熔体9、支撑轴10和提拉装置U。石墨坩祸7和石英坩祸8外侧为石墨加热器3，石墨加热器3外侧为防止热散失的隔热层2，硅晶体5上方为控制晶体提拉和旋转的拉晶装置U。本实用新型核心区设计图如图2所示。
[0031]装置中导流筒I和水冷套4为本实用新型的核心部件。导流筒三维示意图如图3所示，其外侧为支撑层，内侧为耐高温绝热材料。导流筒的作用为引导炉腔内氛围气流的流通，同时将晶体与加热器侧的高温区隔离。本实用新型针对导流筒进行的核心设计为:在导流筒下部区域，设计如图所示水平几何结构，增加垂直方向的厚度，同时内部填充隔热材料，在晶体生长三相点附近形成一个局部绝热环，如图2所示。液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm。绝热环厚度为20-150mm;内壁距离晶体水平距离约10-100mm。水冷套是本实用新型的另一个核心部件，各类水冷套在本实用新型中均适用，本实用新型中仅以一种较为常见的水冷套为例，其三维示意图如图4所示。为达到最大冷却效果，本实用新型中水冷套下沿位置须尽量靠近晶体生长三相点附近，水冷套的底面与绝热环之间的距离为5-100mm。同时，为方便观测熔体液面情况，水冷套下部做开窗处理，如图4所示。
[0032]通过计算机全局数值模拟，可获得本实用新型高速单晶生长装置与传统直拉法单晶硅生长装置生长单晶硅时所获得的热场结果。图5至图7中三种工况分别为:Case I代表采用无水冷的传统直拉法单晶硅生长装置获得的结果;Case 2代表采用有水冷的传统直拉法单晶硅生长装置获得的结果；Case 3代表本实用新型高速单晶生长装置获得的结果。Case I与Case 2采用相同的晶体提拉速度，Case 3提拉速度较前两种工况提高20%。
[0033]从图5可以看出，采用本实用新型装置，即使晶体提拉速度提高20%，凝固界面相比于传统单晶硅生长装置都更为平坦，本实用新型装置对凝固界面的控制更有效。
[0034]图6为三种工况下计算获得的凝固界面处晶体内径向温度梯度的分布。从图中可以看出，采用水冷套的传统单晶硅生长装置在凝固界面上方的径向温度梯度最大，其径向温度梯度的最大值较传统无水冷套单晶硅生长装置中的最大值提高了约30%，过大的径向温度梯度会造成晶体内部热应力增大和位错增殖，对生长高质量的单晶硅不利。而采用本实用新型方法，即使在提拉速度提高20%的情况下，凝固界面上方的径向温度梯度较传统无水冷套单晶硅生长装置下降了约30%，说明采用本实用新型装置可以有效控制凝固界面上方的热流方向，降低凝固界面上方的径向温度梯度。
[0035]图7所示为三种工况下计算获得的凝固界面上方热应力的分布，可以发现:有水冷套的传统单晶硅生长装置，其凝固界面上方热应力值最大，而采用本实用新型装置，凝固界面上方的热应力值最小，其最大热应力较无水冷套的传统单晶硅生长装置计算出的热应力降低了约20 %。
[0036]以上结果表明，采用本实用新型装置，可有效控制凝固界面上方热流方向，即使在提高20%晶体提拉速度的情况下，依然可以保持较低的径向温度梯度和热应力水平，本实用新型装置效果显著。
[0037]需要强调的是，本实用新型适用于各类直拉法生长单晶装置，上述具体实施例仅用于更详细地说明本实用新型的内容，并不限定其保护范围，本领域技术人员通过借鉴本实用新型的思路做出的改变或替代后的技术方案，均没有脱离本实用新型的实用新型本质和保护范围。
【主权项】
1.一种高速单晶生长装置，其特征在于，包括由外至内依次设置的炉壁(6)和隔热层(2)，在隔热层(2)中心处的底部设置有支撑轴(10)，支撑轴(10)上依次设置有石墨坩祸(7)和石英坩祸(8)，支撑轴(10)用于带动石墨坩祸(7)和石英坩祸(8)升降及旋转，在石墨坩祸(7)外侧上设置有石墨加热器(3);在石英坩祸(8)内设置有导流筒(I)，且导流筒(I)的顶端与隔热层(2)的顶端相连;在导流筒(I)内设置有水冷套(4)，且水冷套(4)的顶端与炉壁(6)的内壁相连； 使用时，石英坩祸(8)内为硅熔体(9)，硅熔体(9)的液面低于导流筒(I)的底面，生长的硅晶体(5)依次穿过导流筒(I)内腔和水冷套(4)内腔提升至单晶快速生长装置外。2.根据权利要求1所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，导流筒(I)的底部内侧还设置有一体化成型的绝热环(12)，其中，硅熔体(9)的液面低于绝热环(12)，水冷套(4)的底面设置在绝热环上方。3.根据权利要求2所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，硅熔体(9)的液面与绝热环之间的垂直距离为10-50mm，绝热环厚度为20-150mm，内壁距离晶体水平距离为10-1OOmm04.根据权利要求1所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，生长的硅晶体(5)通过提拉装置(11)提升至单晶快速生长装置外。5.根据权利要求1所述的一种高速单晶生长装置，其特征在于，水冷套(4)包括水冷壁面和内部水流通道，水冷壁面采用高导热系数耐高温材料不锈钢、铜、或钼制成;水冷套(4)延伸到绝热环(12)附近，且水冷套底面与绝热环(12)上表面之间的垂直距离为5-100mm。
【专利摘要】本实用新型公开了一种高速单晶生长装置，其特点为在坩埚上方设有导流筒，导流筒在三相点附近的形状经特殊设计以控制凝固界面上方的热流方向；在导流筒内设置水冷套以强化晶体侧的传热。本实用新型通过设计导流筒结构，能够使水冷套长度延伸到固液界面附近，相比于传统水冷套设计能大幅强化晶体侧的散热能力，进而提高晶体提拉速度；同时克服因水冷套过于靠近固液界面导致固液界面凹度增大的技术难点，在整个拉晶过程中均能获得较为平坦的凝固界面形状，且晶体内热应力值也控制在较低水平。因此采用本实用新型有利于快速提拉出高品质的单晶。
【IPC分类】C30B29/06, C30B15/00
【公开号】CN205295534
【申请号】
【发明人】刘立军, 赵文翰, 丁俊岭
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月8日