CN102191537A

CN102191537A - 一种用于直拉法生长单晶的坩埚

Info

Publication number: CN102191537A
Application number: CN 201110145911
Authority: CN
Inventors: 吴亚军; 姜庆堂; 冯立学; 梁会宁; 胡元庆
Original assignee: Altusvia Energy Taicang Co Ltd
Current assignee: Altusvia Energy Taicang Co Ltd
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明公开了一种用于直拉法生长单晶的坩埚，它包括：上部圆环和采用碳-碳复合材料制成的埚底；所述上部圆环安装于埚底的上方。本发明改变传统石墨和碳-碳坩埚结构，采用上下两种材质结合拼接成坩埚，在高温下易于石英坩埚反应的部位由优良性能的碳-碳复合材料代替石墨材质从而减缓反应，大大减少了圆角R部位的开裂，延长了使用寿命，同时降低了制造成本。

Description

一种用于直拉法生长单晶的坩埚

技术领域

本发明涉及太阳能光伏行业中的坩埚，具体说是一种直拉法生长单晶热场的坩埚。

背景技术

目前任何一种熔体生长晶体都与盛放熔体的坩埚材料密切相关。一般对坩埚的主要要求有坩埚材料在熔体中不溶或微溶、不能从坩埚引入有害杂质到熔体中去、坩埚要便于清洁处理、气孔率低、容易机械加工或成型等。基于以上原则通常作为坩埚的材料主要有钨、钼、氧化锆、氧化铝、铂、二氧化硅、石墨等。石墨材料是多晶硅、单晶硅制造业热场中耐热材料的首选基础性材料。

石墨热场结构（如图1）通常由保温系统（主要有上保温盖1、下保温盖2、导流筒12、上保温筒3、中保温筒4、下保温筒5、保温底板6等）、发热系统（加热器8）和支撑传动系统（坩埚轴7、托盘9、石墨坩埚10等）组成。在支撑传动系统中托盘置于坩埚轴之上，而石墨坩埚（一般为三瓣对称结构）分别放置并拼凑配合于托盘之上，石英坩埚安置于石墨坩埚之中，硅原料安装熔化于石英坩埚之内。

在高温情况下石英坩埚处于软化状态，与石墨坩埚接触较紧密容易与石墨坩埚产生一系列化学反应如下，反应一：C(s)+SiO2(s)→SiO(g)+CO(g)，反应二：SiO(g)+C(s)→SiC(s)+CO(g)，随着使用时间的延长，石墨坩埚内侧面由于化学反应，分瓣面附近R（圆角）部分发生消耗，其厚度变薄。同时受反应二的影响，内侧面发生体积膨胀，引起坩埚变形，分瓣面上部开裂等不良影响。石墨坩埚外侧面由于硅蒸气或SiO气体而发生硅蒸气的凝结，并出现SiC（如同碳化硅涂层）现象，但是SiC生成的厚度比内侧面薄。再者石墨坩埚外侧面的硅蒸气凝结较多，一旦升温会变成硅液顺着坩埚外侧流下，最后在坩埚R部形成滴状残留。综因化学反应产生在坩埚表面的硅、碳化硅等物与石墨坩埚本体的热膨胀系数差异较大，反复开炉停炉加热冷却过程中，受到较大拉应力作用，一定程度上影响了石墨坩埚的使用寿命。目前市场上用等静压石墨做成的坩埚其平均使用寿命为30-35炉左右，主要表现在R（圆角）部位开裂等。

在单晶炉热场不同部位对石墨材质的要求也不相同，尤其是石墨坩埚，对石墨材质的要求比较高，石墨坩埚是直拉法生长单晶热场中非常重要的部件之一，是硅原料所盛放的石英坩埚的依托载体。传统石墨坩埚为三瓣组合，在加工制作过程中首先在石墨块料中掏出一部分做成一体的毛坯，在一体毛坯的基础上再纵向对称切割成三瓣。普通坩埚组装后如图2、图3所示。

近几年随着太阳能行业的迅猛发展，随之新兴出现一种新的保温材料，即碳-碳复合材料。碳-碳复合材料 (CFC)是一种由高强度碳素纤维和碳素基质经过石墨化增强处理后构成的材料，可以广泛应用在高温环境下的各类结构件，加热器和容器。与传统的工程材料相比碳碳复合材料具有高强度、耐高温、抗热冲击性、低热膨胀系数、热容量小、低密度等优良特点，是目前代替石墨制作易损易耗热场部件的最优选择。采用碳-碳复合材料制成的坩埚结构为一体，采用碳-碳复合材料制成的坩埚使用寿命较长，平均约100炉以上，但其价格昂贵，使用成本高，使用后埚底料和石英坩埚取出比较麻烦。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用寿命长、操作方便、且降低了成本的坩埚。

技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种用于直拉法生长单晶的坩埚，包括：上部圆环和采用碳-碳复合材料制成的埚底；所述上部圆环安装于埚底的上方。

本发明中所述上部圆环和埚底的连接处采用卡槽连接，或采用斜面式连接。

本发明中所述上部圆环使用等静压石墨材质或碳-碳复合材料制成。等静压石墨属于石墨材料中的精品，具有其他普通石墨不具备的优异性能，由于等静压石墨材料的具备高强、高密、各向同性好，制成的石墨部件在使用过程中受热、加热都较均匀，同时由于材料的密度均匀能够有效的减小材料受急冷急热而产生的内应力，抗热震性能好，故可大大延长设备或器具的使用寿命周期，所以采用等静压石墨制成的上部圆环，加热受热均匀，抗热震性能好，延长了坩埚的使用寿命。

有益效果：本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明改变传统石墨和碳-碳坩埚结构，采用上下两种材质结合拼接成坩埚，在高温下易于石英坩埚反应的部位由优良性能的碳-碳复合材料代替石墨材质从而减缓反应，大大减少了圆角R部位的开裂，延长了使用寿命；

（2）本发明中采用上部圆环，下部埚底的分体式连接，代替了碳-碳一体坩埚，使得碳-碳复合材料的用料减少，降低制造成本；

（3）本发明采用上下可分离的分体式结构，在停炉冷却时，可以轻便地取出埚底料，取坩埚的埚底料时可以分别取出上下两部分，减轻了劳动强度，简化了结构简单，降低了事故损失。

附图说明

图1为现有技术中单晶炉热场的结构示意图。

图2为现有技术中普通坩埚的组装示意图。

图3为现有技术中普通坩埚的剖面示意图。

图4为本发明中坩埚的剖面示意图。

图5为本发明中坩埚上部圆环和埚底连接的卡槽配合示意图。

图6为本发明中坩埚上部圆环和埚底连接的斜面配合示意图。

图7为本发明中坩埚上部圆环的俯视图。

图8为本发明中坩埚上部圆环的剖视图。

图9为本发明中坩埚埚底的的俯视图。

图10为本发明中坩埚埚底的的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

如图4所示的一种用于直拉法生长单晶的坩埚，它包括：上部圆环13和埚底14；所述上部圆环13安装于埚底14的上方；所述上部圆环13采用等静压石墨制成；所述埚底14采用碳-碳复合材料制成；上部圆环和埚底的连接处采用卡槽连接，如图5所示。

对比试验

1、选取三台京运通90炉作为实验单晶炉台，分别称作单晶炉1、单晶炉2、单晶炉3。

单晶炉1作为普通石墨坩埚（三瓣结构）的实验炉台，单晶炉2作为碳碳坩埚的实验炉台，单晶炉3作为实施例1所述坩埚的实验炉台。

2、检查并调整单晶炉1、2、3热场结构相同（保温系统、发热系统和支撑传动系统尺寸）。

安装单晶炉1（石墨坩埚）和单晶炉2（碳碳坩埚）时操作人员需较大用力才能使坩埚放置于托盘之上，安装单晶炉3（实施例1所述坩埚）时先安装碳碳一体埚部分，再安装上部石墨圆环部分，小心地卡在碳碳一体埚上。

3、将相同厂家相同规格的石英坩埚分别放置于单晶炉1（石墨坩埚）、单晶炉2（碳碳坩埚）、单晶炉3（实施例1所述坩埚）上进行拉制。

4、以上炉台在拆炉提取埚底料时，单晶炉1（石墨坩埚）需要将埚底料全部取出后再取出坩埚；单晶炉2（碳碳坩埚）需要将埚底料取出后再利用特殊的工装使碳碳坩埚取出，比较耗费人力；单晶炉3（实施例1所述坩埚）可先将上部的石墨圆环取出，使埚底料能较大视野暴露在外，便于操作取出。之后可直接将下部碳碳一体部分取出，分量较轻。

5、统计三台单晶炉不同坩埚的使用寿命，单晶炉1（石墨坩埚）使用32炉R处开裂；单晶炉2（碳碳坩埚）使用95炉开裂，单晶炉3（实施例1所述坩埚）上部的石墨圆环寿命25炉，下部碳碳一体部分超出100炉仍未损坏。

实施例2

一种用于直拉法生长单晶的坩埚，它包括：上部圆环13和埚底14；所述上部圆环13安装于埚底14的上方；所述上部圆环13采用碳-碳复合材料制成；所述埚底14采用碳-碳复合材料制成；上部圆环和埚底的连接处采用斜面式连接，如图7所示。

Claims

1.一种用于直拉法生长单晶的坩埚，其特征在于：它包括：上部圆环和采用碳-碳复合材料制成的埚底；所述上部圆环安装于埚底的上方。

2.根据权利要求1所述的一种用于直拉法生长单晶的坩埚，其特征在于：所述上部圆环和埚底的连接处采用卡槽连接，或采用斜面式连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于直拉法生长单晶的坩埚，其特征在于：所述上部圆环使用等静压石墨材质或碳-碳复合材料制成。