CN102167501B

CN102167501B - 一种可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法

Info

Publication number: CN102167501B
Application number: CN2011100038024A
Authority: CN
Inventors: 韩东; 王璐; 赵亮; 吴立龙; 姚世民
Original assignee: Saint Gobain Quartz Jinzhou Co Ltd
Current assignee: Saint Gobain Quartz Jinzhou Co Ltd
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2031-01-10
Also published as: CN102167501A

Abstract

一种可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法，先统计出生产电弧坩埚时电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度及电极对应的分段消耗长度平均值，在每根电极下端套上石英护套并使电极尖端裸露在外，进行坩埚生产，在生产过程中分段提升石英护套下端的高度，使分段提升量等于对应的该段电极消耗长度统计平均值的1～1.3倍，并定期清理掉石英护套表面的二氧化硅沉积物直至石英护套无法使用时进行更换。由于采用石英护套，使熔制过程中二氧化硅蒸汽与电极上套有石英护套部位无法接触，利用二氧化硅沉积物与石英护套同质，沉积物可牢固附着，从而减少乃至消除“白点”和附着物等缺陷，提高坩埚的质量与合格率，进而减少拉晶缺陷，提高拉晶率。

Description

一种可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法。

背景技术

石英玻璃坩埚用于熔融硅拉制单晶硅，而单晶硅广泛应用于半导体或太阳能电池等的单晶硅。采用切克劳斯基（Czochralski）法拉制单晶硅时，石英玻璃坩埚被用于容纳硅熔体。在此方法中，一粒具有预定取向的种晶被浸入熔体，然后缓缓拉出。种晶和熔体以不同方向旋转。种晶和熔体之间的表面张力使得熔体随种晶被拉出，所述熔体逐渐凝固，最终固化成一个不断生长的硅单晶。在石英坩埚的熔制过程中，由于电弧温度很高，内表面会被部分气化，产生二氧化硅蒸汽，这些气体遇到石墨电极相对低温区域（电极尖端由于接近电弧温度较高致使二氧化硅蒸汽无法沉积），会在其上沉积并形成石英沉积物包裹结构。由于该结构较疏松并且与石墨电极不同质，因此附着极为不牢固，在震动、气流或电弧的影响下，会部分脱落，在坩埚内表面形成固态附着物或类似“白点”的结构。石英坩埚作为熔融硅的容器，内表面直接与硅液接触，长时间处于高温低压的条件下，受到硅液的侵蚀，与硅液反应，不断的向其中熔解。由于这些从电极脱落的沉积物带有杂质，在拉制单晶过程中增加了该杂质区域析晶的可能性，同时该区域被硅液侵蚀，会将杂质释放到硅液，严重影响单晶拉制过程以及晶棒质量。

目前解决这一问题的方法主要有两种。一种是采用增加排风的方法，将从电极脱落的二氧化硅碎屑随气流排出。这种方法并不能将所有的碎屑排出，一些较大的颗粒还是会落入坩埚。另一种是用高速气流冲击沉积区域，将沉积物吹走。这种方法同样不能去除所有的碎屑，而且可能会将一些不易脱落的沉积物吹落入坩埚。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法，以减少乃至消除二氧化硅沉积物的脱落，从而减少乃至消除“白点”和附着物等缺陷，提高坩埚的质量与合格率，进而提高拉晶率。

本发明涉及的一种可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法，先统计出生产电弧坩埚时电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度及电极对应的分段消耗长度平均值，在每根电极下端套上石英护套并使电极尖端裸露在外，使电极尖端裸露的长度等于电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度统计平均值的0.6 ~1.2倍，进行坩埚生产，在生产过程中分段提升石英护套下端的高度，使分段提升量等于对应的该段电极消耗长度统计平均值的1~1.3倍，使电极尖端始终裸露在外，并定期清理掉石英护套表面的二氧化硅沉积物直至石英护套无法使用时进行更换。

上述的分段提升为将石英护套整体上移。

上述的分段提升为通过采用伸缩结构的石英护套使石英护套下端的高度提升。

石英护套整体上移是通过在电极上以石英护套的分段提升量间隔打孔，并用石英销钉将石英护套固定在电极上，每生产完一只坩埚，按照石英护套的分段提升量将石英护套上移并固定在电极上。

上述的伸缩结构的石英护套包括内、外套，外套固定在电极上，并在外套上按照分段提升量间断刻槽，通过插入外套相应槽内并穿过内套的石英卡板将内套固定在外套上，每生产完一只坩埚，按照石英护套的分段提升量将内套上移并通过石英卡板将其固定在外套上。

本发明通过在石墨电极外加石英护套的方法，结合在坩埚熔制过程中，电极在高温下消耗会逐渐变短的特点，使石英护套下端高度在每生产完一只坩埚后上移，上移距离与电极消耗长度相当，从而保持电极下端始终裸露在外并且不影响电弧对坩埚的熔制。由于采用石英护套，使熔制过程中二氧化硅蒸汽与电极上套有石英护套部位无法接触，利用二氧化硅沉积物与石英护套同质，沉积物可牢固附着，从而减少乃至消除“白点”和附着物等缺陷，提高坩埚的质量与合格率，进而减少了拉晶缺陷，提高拉晶率。

附图说明

图1是本发明中石英护套初始位置示意图（对应实例1）；

图2是图1中石英护套提升后位置示意图；

图3是本发明中石英护套初始位置示意图（对应实例2和实例3）；

图4是图3中石英护套内套提升后位置示意图；

图5是图3中石英卡板结构示意图。

具体实施方式

以下为用来描述本发明的实施例，但除非所附权利要求中另有指明，并不意味着对本发明的限制。

实例1

如图1、图2所示，以熔制18英寸坩埚实验中所用三相石墨电极（长度620mm）为例，先统计出生产电弧坩埚时20组电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度平均值为60mm，及一组电极对应的连续生产电弧坩埚的分段消耗长度平均值（一组电极共熔制10 坩埚，第一段消耗长度为熔制第一只坩埚时电极消耗的长度，第二段消耗长度为熔制第二只坩埚时电极消耗的长度，依此类推，第十段消耗长度为熔制第十只坩埚时电极消耗的长度），分别为8mm，12mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm；在电极1上以十段消耗长度平均值为间隔距离进行间隔打孔，在每根电极1分别套上一根打孔的石英护套2，并用石英销钉3将石英护套2固定在电极1上的间隔孔101内，使电极1尖端裸露在外，电极1尖端裸露的长度等于45mm。然后进行坩埚生产，在生产过程中每生产完一只坩埚通过将石英护套2整体上移至上一间隔孔101位置并通过石英销钉3固定在电极1上实现分段提升石英护套2下端的高度，并且分段提升量等于对应的该段电极消耗长度，即分别为8mm，12mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm；使电极1尖端始终裸露在外，更换电极1后重新装上石英护套2，重复上述工作过程，并定期清理掉石英护套2表面的二氧化硅沉积物直至石英护套2无法使用时进行更换。

起始功率控制在450kw左右，30 kwh后将功率升至550kw左右，直到80kwh熔制结束。使用过程中，电极1上未发现明显的二氧化硅沉积物，在石英护套2的外侧有一层致密二氧化硅沉积层，没有明显的脱落现象。石英护套2的下端没有明显的熔化和变形等现象。

总共熔制了900只坩埚。检测结果，合格率为93.6%，比原来平均提高11.3%。不合格品中白点占1.7 %，附着物占0 %，分别比原来平均降低4.2 %，8.7 % 。对坩埚的杂质元素含量进行分析，与未用石英护套生产的坩埚相比基本一致，统计结果如下：

	Al	Ca	Fe	K	Li	Na
							含量（ppm）	14.3	0.5	0.2	0.6	0.6	0.8

对坩埚的表面气泡进行分析，结果也属正常。坩埚经国内客户使用后，反应效果良好。

实例2

如图3、图4和图5所示，以熔制18英寸坩埚实验中所用三相石墨电极（长度620mm）为例，先统计出生产18英寸电弧坩埚时电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度平均值为60mm，及一组电极对应的分段消耗长度平均值（一组电极共熔制10 坩埚），分别为8mm，12mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm，15mm；在每根电极1下端套上伸缩结构的石英护套2并使电极1尖端裸露在外，电极1尖端裸露的长度等于72mm，上述的伸缩结构的石英护套2包括内套201、外套202，外套202通过锁紧螺母固定在电极1上，并在外套202上按照分段提升量间断刻槽，所述的分段提升量分别为10mm，14mm，16mm，16mm，16mm，16mm，16mm，16mm，17mm，19mm，通过插入外套相应槽203内并穿过内套201的石英卡板3将内套201固定在外套202上，在坩埚生产中每生产完一只坩埚，按照石英护套2的分段提升量将内套201上移使内套201下端的高度提升并且提升后通过石英卡板3将其固定在外套202上，使电极1尖端始终裸露在外，更换电极1后重新装上石英护套2，重复上述工作过程，并定期清理掉石英护套2表面的二氧化硅沉积物直至石英护套2无法使用时进行更换。

使用过程中，电极1上未发现明显的二氧化硅沉积物，在石英护套2的外侧有一层致密二氧化硅沉积层，没有明显的脱落现象。石英护套2的下端没有明显的熔化和变形等现象。

总共熔制了800只坩埚。检测结果，合格率为95%，比原来平均提高12.7%。不合格品中白点占2.5%，附着物占0 %，分别比原来平均降低3.4%，8.7 % 。对坩埚的杂质元素含量进行分析，与未用石英护套生产的坩埚相比基本一致，统计结果如下：

	Al	Ca	Fe	K	Li	Na
							含量（ppm）	13.9	0.7	0.4	0.7	0.6	1.0

实例3

如图3、图4和图5所示，以熔制20英寸坩埚实验中所用三相石墨电极（长度620mm）为例，先统计出生产20英寸电弧坩埚时电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度平均值为70mm，及一组电极对应的分段消耗长度平均值（一组电极共熔制8只坩埚），分别为10mm，14mm，20mm，20mm，20mm，20mm，20mm，20mm；在每根电极1下端套上伸缩结构的石英护套2并使电极1尖端裸露在外，电极1尖端裸露的长度等于70mm，上述的伸缩结构的石英护套2包括内套201、外套202，外套202固定在电极1上，并在外套202上按照分段提升量间断刻槽，所述的分段提升量分别为10mm，18mm，21mm，21mm，21mm，21mm，22mm，22mm，通过插入外套相应槽203内并穿过内套201的石英卡板3将内套201固定在外套202上，在坩埚生产中每生产完一只坩埚，按照石英护套2的分段提升量将内套201上移使内套201下端的高度提升并且提升后通过石英卡板3将其固定在外套202上，使电极1尖端始终裸露在外，更换电极1后重新装上石英护套2，重复上述工作过程，并定期清理掉石英护套2表面的二氧化硅沉积物直至石英护套2无法使用时进行更换。

总共熔制了800只坩埚。检测结果，合格率为94%，比原来平均提高13%。不合格品中白点占2%，附着物占0 %，分别比原来平均降低4.9%，9.3 % 。对坩埚的杂质元素含量进行分析，与未用石英护套生产的坩埚相比基本一致，统计结果如下：

	Al	Ca	Fe	K	Li	Na
							含量（ppm）	14.1	0.6	0.5	0.7	0.5	0.8

上述实例1中的石英护套可用实例2中的伸缩结构的石英护套替代，实例2、实例3中的伸缩结构的石英护套也可用实例1中的石英护套替代。

通过以上的分析，采用加装石英护套的方法在保证坩埚质量的同时，明显的提高了合格率，减少了由电极上二氧化硅沉积物带来的坩埚质量的影响。

Claims

1.一种可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法，其特征是：先统计出生产电弧坩埚时电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度及电极对应的分段消耗长度平均值，在每根电极下端套上石英护套并使电极尖端裸露在外，使电极尖端裸露的长度等于电极尖端无二氧化硅沉积物区域的轴向长度统计平均值的0.6 ~1.2倍，进行坩埚生产，在生产过程中分段提升石英护套下端的高度，使分段提升量等于对应的该段电极消耗长度统计平均值的1~1.3倍，使电极尖端始终裸露在外，并定期清理掉石英护套表面的二氧化硅沉积物直至石英护套无法使用时进行更换。

2.根据权利要求1所述的可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法，其特征是：所述的分段提升为将石英护套整体上移。

3.根据权利要求1所述的可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法，其特征是：所述的分段提升为通过采用伸缩结构的石英护套使石英护套下端的高度提升，所述的伸缩结构的石英护套包括内、外套，外套固定在电极上，并在外套上按照分段提升量间断刻槽，通过插入外套相应槽内并穿过内套的石英卡板将内套固定在外套上，每生产完一只坩埚，按照石英护套的分段提升量将内套上移并通过石英卡板将其固定在外套上。

4.根据权利要求2 所述的可减少石英玻璃坩埚内表面因电极沉积物产生的质量缺陷的方法，其特征是：石英护套整体上移是通过在电极上以石英护套的分段提升量间隔打孔，并用石英销钉将石英护套固定在电极上，每生产完一只坩埚，按照石英护套的分段提升量将石英护套上移并固定在电极上。