CN201942783U - 一种直拉单晶炉用组合坩埚 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直拉单晶炉用组合坩埚，是一种用于承托石英坩埚的组合坩埚。其包括圆盘状的石墨材质的底座(1)，设在底座(1)上与底座(1)配合的由炭/炭复合材料制成的圆筒状的筒体(3)，在筒体(3)与底座(1)形成的空腔底部设有石墨材质的垫块(2)，所述垫块(2)沿周向由至少两瓣组成，垫块(2)具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。本实用新型具有强度高、使用寿命长、加工简单，制造成本低的优点。

Description

一种直拉单晶炉用组合坩埚

技术领域

本实用新型涉及一种直拉单晶炉用的坩埚，特别是一种用于承托石英坩埚的组合坩埚。

背景技术

目前，在半导体和太阳能行业单晶硅的生产过程中，较多采用的是直拉法生产工艺，其所采用的设备是直拉单晶炉。利用单晶炉拉制单晶硅棒时，需要把硅料加热至1420℃以上使其熔化，然后拉晶成型。拉制时，硅料是盛装在高纯石英坩埚内加热熔化，由于石英在1100℃以上变软，所以在石英坩埚的外面一般采用石墨坩埚来承托，同时也因为硅料和石墨接触会发生反应，所以不能直接使用石墨坩埚承载硅料。为了防止硅料的热膨胀使其开裂，石墨坩埚多加工成两瓣或者三瓣的形式，故称多瓣坩埚；多瓣坩埚下方使用埚托托住。为了保证强度，多瓣坩埚和埚托通常采用各向同性石墨制作。该种结构的坩埚在使用过程中存在的主要问题：一是，多瓣坩埚上部受结构限制，厚度做不了很大，采用石墨材质，强度差，容易开裂，影响坩埚的使用寿命，同时，多瓣式坩埚通常采用柱状整料(也有部分采用碗形材料)加工出来，加工耗材多，增加了生产成本；二是，由于采用了多瓣形式，每瓣之间有接缝，接缝处容易受SiO₂和Si蒸气的侵蚀、损耗，虽然有的厂家在接缝处铺设低纯度石墨纸(98％～99％)，但由于低纯度石墨纸内碱金属较多，反而加快了侵蚀的速度，坩埚使用寿命短。

近年来，出现了炭/炭复合材料坩埚代替石墨坩埚，运用于单晶炉拉制单晶硅棒的生产中。炭/炭复合材料的强度比各向同性石墨强度高2.5倍以上，因此能大大提高坩埚的使用寿命。但炭/炭复合材料坩埚是仿石墨坩埚外形生产，形状复杂制造难度大，且因炭/炭复合材料本身造价就高，坩埚制造成本高，难以得到大量的可以实现产业化的应用。

因此，如何提高坩埚的使用寿命和降低生产成本成为技术人员努力研究的方向。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种新的直拉单晶炉用组合坩埚，其加工简单，制造成本低，且使用寿命长，能显著降低生产成本。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：一种直拉单晶炉用组合坩埚，其包括圆盘状的石墨材质的底座，设在底座上与底座配合的由炭/炭复合材料制成的圆筒状的筒体，在筒体与底座形成的空腔底部设有石墨材质的垫块，所述垫块沿周向由至少两瓣组成，垫块具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。

本实用新型中筒体部分采用炭/炭复合材料制作，整体成型，炭/炭复合材料强度高，能大大提高坩埚的使用寿命，同时因为未开瓣，圆周方向无腐蚀接缝面，可大大提高其使用寿命；分瓣设计的垫块既可防止硅料热膨胀使底座胀裂，同时也降低了垫块的加工难度，也省料；底座采用石墨材料制作，石墨的可加工性能良好，只需要较薄板料即可加工成型，可大大节省材料和成本。

本实用新型中底座的上表面可以是平面，但为了便于承托石英坩埚并方便带动其一起旋转，本实用新型的底座的中心部位设有凸台，所述凸台的表面具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面，垫块的底端套设于该凸台上，垫块的凹形曲面与该凸台的凹形曲面平滑衔接。底座的凸台可与周围的垫块一起承托石英坩埚的重量，由于底座直接与石英坩埚底部接触，因此，能更容易地带动其旋转。

本实用新型中，筒体与底座之间的连接可采用多种结构形式，考虑到结构设计的简单及可靠性，可采用如下结构形式：所述底座的外缘带有台阶状的配合面，筒体的下端与该台阶状配合面配合。

本实用新型中，每一瓣垫块既可采用整体式，也可采用组合式，考虑到加工方便及加工省料，每一瓣垫块由至少两块带有相应的凹形曲面的小垫块组合而成，小垫块的凹形曲面组合后形成与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。该种结构形式的垫块，既方便垫块的更换，加工时采用边角余料即可加工成型，能大大节省材料成本。

为了防止坩埚的接缝处受SiO₂和Si蒸气的侵蚀、损耗，缩短坩埚使用寿命，在筒体与底座及垫块形成的空腔内沿内侧壁铺设高纯度石墨纸。由于石墨纸纯度高，不会腐蚀筒体和底座，还起到了保护作用。

所述石墨纸的厚度一般为0.3mm～3mm，优选1mm。

由于炭/炭复合材料与各向同性石墨两者热膨胀系数不一致，所以在筒体的内径与底座的台阶配合面之间应留有合适的间隙，该间隙为0.05mm～3mm。

为了进一步卸载膨胀热应力，还可以在筒体的侧壁上开设有一条贯通其轴向长度的槽。为了同样的目的，筒体的侧壁上开设有至少一条不贯通其轴向长度的槽，一方面保证膨胀热应力能及时卸载，同时保证筒体的整体强度。

本实用新型的有益效果是：由于其筒体部分采用炭/炭复合材料制作，整体成型，坩埚的强度高，使用寿命长；同时，炭/炭复合材料比各向同性石墨强度高2.5倍以上，相比原石墨材质能减薄一半左右的厚度，大大节省了材料；其次，在筒体不开瓣的情况下，圆周方向无腐蚀接缝面，可大大提高其使用寿命；分瓣设计的垫块既防止了硅料热膨胀使底座胀裂，同时也降低了垫块的加工难度，节省了材料；而底座由于使用可加工性能良好的各向同性石墨材料制作，只需要较薄板料即可加工成型，加工简单，且相比原结构大大节省了材料和成本。因此，本实用新型具有加工简单，制造成本低，强度高，使用寿命长的特点，可大大降低生产成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是图1的俯视图(图中省略了筒体)；

图3是实施例2的结构示意图；

图4是侧壁带有贯通轴向长度的槽的筒体的主视图；

图5是图4的俯视图；

图6是侧壁带有不贯通轴向长度的槽的筒体的主视图；

图7是图6的俯视图；

图8是现有技术的石墨坩埚的结构示意图；

图9是直拉单晶炉装料示意图；

图中，1是底座，2是垫块，3是筒体，4是石墨纸，5是垫块一，6是垫块二，7是凸台，8是埚托，9是石墨坩埚，10是硅料，11是石英坩埚，12、13是槽。

具体实施方式

下面通过非限定性的实施例并结合附图对本实用新型作进一步的说明：

实施例1

如图1，图2，图4，图5所示，一种直拉单晶炉用组合坩埚，包括圆盘状的底座1，设在底座1上的圆筒状的筒体3，设在筒体3与底座1形成的空腔底部的垫块2。其中，筒体3由炭/炭复合材料制成，整体成型。底座1采用各向同性石墨制作，其外缘带有台阶状的配合面，筒体3的下端与该台阶状配合面配合，对筒体3进行安装定位，底座1的中心部位设有凸台7，所述凸台7的表面具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。垫块2也采用各向同性石墨制作，其由至少两瓣组成，优选三瓣，每瓣具有相应的凹形曲面，组合后形成具有与单晶炉的石英坩埚埚底相适配的凹形曲面。本实施例中图2所示为三瓣结构，沿圆周均匀分为三瓣。垫块2的底端套设在底座1的凸台7上，垫块2的凹形曲面与凸台7的凹形曲面平滑衔接，形成整体与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的曲面。在形成的空腔内沿其内侧壁整体铺设高纯度石墨纸4，石墨纸4的杂质含量小于300ppm，厚度0.3～3mm，优选1mm，由于石墨纸纯度高，不会腐蚀筒体和底座，还起到了保护作用，可以多次重复使用。

另外，由于炭/炭复合材料与各向同性石墨两者热膨胀系数不一致，所以在筒体3的内径与底座1的台阶配合面之间应留有合适的间隙，该间隙一般为0.05～3mm，优选0.8mm。

为了能有效卸载膨胀热应力，筒体3在成型后也可在筒体侧壁开设一贯通其轴向长度的槽12，如图4和图5所示，用以卸载热膨胀应力；或在筒体侧壁开设至少一条不贯通其轴向长度的槽13，如图6、图7所示是在筒体侧壁上开设有两条开口相反的槽13。

本实施例的其他部分采用已有技术，在此不再赘述。

实施例2

如附图3所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中垫块的结构形式与实施例1中的不同。本实施例中，垫块由两块带有相应的凹形曲面的小垫块：垫块一5和垫块二6组合而成，垫块一5和垫块二6的凹形曲面组合后形成与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。

本实施例的其他部分与实施例1基本相同，在此不再赘述。

上述实施例仅用于对本发明的说明，并非对其的限制，本领域的技术人员还可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改。

Claims (10)

1.一种直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：其包括圆盘状的石墨材质的底座(1)，设在底座(1)上与底座(1)配合的由炭/炭复合材料制成的圆筒状的筒体(3)，在筒体(3)与底座(1)形成的空腔底部设有石墨材质的垫块(2)，所述垫块(2)沿周向由至少两瓣组成，垫块(2)具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。

2.根据权利要求1所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：底座(1)的中心部位设有凸台(7)，所述凸台(7)的表面具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面，垫块(2)的底端套设于凸台(7)上，垫块(2)的凹形曲面与凸台(7)的凹形曲面平滑衔接。

3.根据权利要求1或2所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：所述底座(1)的外缘带有台阶状的配合面，筒体(3)的下端与该台阶状配合面配合。

4.根据权利要求1或2所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：每一瓣垫块(2)由至少两块带有相应的凹形曲面的小垫块组合而成，小垫块的凹形曲面组合后形成与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。

5.根据权利要求1或2所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：在筒体(3)与底座(1)及垫块(2)形成的空腔内沿内侧壁铺设高纯度石墨纸(4)。

6.根据权利要求5所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：所述石墨纸(4)的厚度为：0.3mm-3mm。

7.根据权利要求6所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：所述石墨纸(4)的厚度为：1mm。

8.根据权利要求3所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：筒体(3)的内径与底座(1)的台阶面之间留有0.05mm-3mm的间隙。

9.根据权利要求1所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：筒体(3)的侧壁上开设有一条贯通其轴向长度的槽。

10.根据权利要求1或9所述的直拉单晶炉用组合坩埚，其特征是：筒体(3)的侧壁上开设有至少一条不贯通其轴向长度的槽。

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