CN202465943U - 一种用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，由若干块坩埚护板和一块坩埚盖板构成，所述坩埚护板为平板状，位于所述硅铸锭炉内的石英坩埚的四周；所述坩埚盖板为平板状，位于所述硅铸锭炉内的石英坩埚的上方，所述坩埚盖板上还设有导气口，用于导入保护气体的气流；其中，所述坩埚护板由护板主体和不挥发碳元素表层构成，所述坩埚盖板由盖板主体和不挥发碳元素底层构成，所述不挥发碳元素表层、不挥发碳元素底层与石英坩埚壁面及石英坩埚中硅料表面围成内部空腔。本实用新型结构简单、安装方便、使用安全，应用在硅铸锭生产过程中，能有效地防止热场中的碳元素导入到硅料中，从而有效地降低铸锭产品中碳元素含量。

Description

一种用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置

技术领域

本实用新型属于半导体行业中制造晶体硅所用设备领域，具体涉及一种用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置。

背景技术

硅铸锭炉是一种硅重熔再结晶设备，用于生产太阳能级硅铸锭(简称硅锭)。硅铸锭炉的腔体内放置的是石墨和石墨毡为材料的热场，该热场包括隔热保温层、加热器、石英坩埚、坩埚护板及用于放置坩埚的热交换台，用于重熔的硅原料放置在石英坩埚内，通过加热器的热量导入，使石英坩埚内的硅原料熔化形成硅熔液，然后通过改变加热功率和隔热保温层的位置，使硅熔液实现定向凝固，再结晶后得到产品硅铸锭。现有技术中，硅铸锭炉的热场结构具体有很多种形式，例如申请号为200710070539.4的中国发明专利申请公开了其中一种热场结构。

硅铸锭的生产工艺过程包括升温、熔化、长晶、退火和冷却几个过程。硅铸锭的生产过程需要在1500度左右的高温下进行。用于生长硅铸锭的原料多晶硅放置在石英坩埚内，然而石英坩埚在高温下有软化现象，为了防止石英坩埚不变形，通常需要在石英坩埚的四周放置石墨材料加工的坩埚护板。石墨坩埚护板围成与石英坩埚四周相适应的形状，防止石英坩埚因受热变形。另外为了保证石英坩埚内的硅料受热均匀，行业内还常常在石英坩埚上方盖上石墨或炭炭复合材料(CFC)材料加工的坩埚盖板，通常坩埚盖板为平板状，通过坩埚护板的支撑作用水平放置。

另外，为保证硅铸锭生产过程中适当的压力及周围的气氛一致，并及时带走从硅原料中挥发出的杂质，需要持续从石英坩埚上方通过坩埚盖板中央的开孔通入保护气体，并流经硅料表面。常用的保护气体为惰性气体氩气。然而，当保护气体与坩埚盖板及坩埚护板接触时会带入热场挥发物杂质(主要为碳元素)，这些挥发物杂质中的一部分在气流分布不当的情况下将继续随气流进入到硅料(包括硅原料、硅原料熔化后形成的硅熔液，以及硅熔液凝固后形成的硅锭)中，最终导致硅锭的碳元素含量或其它杂质含量偏高，影响硅锭作为太阳能级硅原料使用的效能。

发明内容

本实用新型提供了一种用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，结构简单，安装方便，使用安全，有效地防止热场中的碳元素导入到硅料(指硅原料、硅熔液或硅锭，下同)中。

一种用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，由若干块坩埚护板和一块坩埚盖板构成；所述坩埚护板为平板状，位于所述硅铸锭炉内的石英坩埚的四周；所述坩埚盖板为平板状，位于所述硅铸锭炉内的石英坩埚的上方，并由所述坩埚护板支撑，所述坩埚盖板上还设有导气口，用于导入保护气体的气流；其中，所述坩埚护板由护板主体和不挥发碳元素表层构成，所述坩埚盖板由盖板主体和不挥发碳元素底层构成，所述不挥发碳元素表层、不挥发碳元素底层与石英坩埚壁面及石英坩埚中硅料表面围成内部空腔。

通常，所述导气口位于所述坩埚盖板的中心。

现有技术中，坩埚护板和坩埚盖板通常由石墨材料或CFC(炭炭复合)材料加工而成，在高温下石墨材料和CFC材料具有良好的导热性和强度，同时还具有耐高温金属材料所不具备的低热膨胀率和高温下的刚性。因此很适合与石英坩埚一起使用。而且，石墨材料或CFC材料价格比耐高温金属材料或碳化硅等耐高温陶瓷材料更低，有利于降低制造成本。因此，本实用新型中，所述坩埚护板和坩埚盖板可以通过对现有技术进行简单改进得到，即：将现有技术中的坩埚护板作为护板主体(可为石墨主体或CFC主体)，再在护板主体上覆盖不挥发碳元素表层即可；将现有技术中的坩埚盖板作为盖板主体(可为石墨主体或CFC主体)，再在盖板主体上覆盖不挥发碳元素底层即可，这样可以最低程度降低成本。

所述不挥发碳元素表层和不挥发碳元素底层可以采用耐高温金属材料(例如钨、钼等)加工而成，也可以采用陶瓷材料加工而成。另外，如果在石墨材料或CFC材料进行表面处理，使其表面加工一层陶瓷材料(如碳化硅)涂层或者使其表面覆盖一层热解碳层，由于碳化硅和热解碳都比石墨本身更稳定，也能起到减少碳元素从表面挥发的目的。从成本角度考虑，所用材料的最佳选择为金属钼或含钼的耐高温合金。

因此，优选的技术方案中，所述不挥发碳元素表层为碳化硅涂层、热解碳层、钼板或含钼的合金板，所述不挥发碳元素底层为碳化硅涂层、热解碳层、钼板或含钼的合金板。所述的含钼的合金板应选择含钼的耐高温合金板，能够在1500摄氏度下长时间工作，如钨钼合金板，铼钼合金板等。

优选的技术方案中，在所述坩埚护板上设有出气口，所述出气口的中心位于所述石英坩埚的顶端上方0-10cm处，使得所述内部空腔的气流可以及时通畅流出。

优选的技术方案中，所述出气口为开孔或开槽。

现有技术中硅铸锭炉内采用石墨坩埚护板和CFC坩埚盖板作为坩埚保护装置，保护气体从石英坩埚上方通入之后，虽然可以起到带走从硅料中挥发出的杂质的作用，但同时也会在由坩埚护板的石墨表面、坩埚盖板的CFC表面、石英坩埚壁面和硅料表面围成的空间(相当于内部空腔)形成回旋的流场，将坩埚护板的石墨表面的碳元素和坩埚盖板的CFC表面的碳元素带入到硅料之中，导致硅锭产品中的碳元素含量偏高。

而在硅铸锭炉内安装本实用新型的坩埚保护装置后，由于坩埚护板和坩埚盖板均采取双层结构，在坩埚护板主体结构上覆盖有不挥发碳元素表层，在坩埚盖板主体结构上覆盖有不挥发碳元素底层，且不挥发碳元素表层、不挥发碳元素底层与石英坩埚壁面及石英坩埚中硅料表面围成内部空腔，这样，在所述内部空腔中，与气流(包括导入的保护气体气流以及含有硅料表面带走的挥发性物质的气流)相接触的面为不挥发碳元素表层、不挥发碳元素底层、石英坩埚壁面及石英坩埚中硅料表面。因此，在生产过程中，保护气体的气流从坩埚盖板导气口导入后，在流经硅料表面时，气流与不挥发碳元素的表面接触，这样一来，即使在内部空腔形成回旋的气流，也不会将碳元素或其他挥发性杂质带入硅料内，有效地起到降低铸锭产品中碳元素含量的目的。

本实用新型中，所述坩埚护板中，不挥发碳元素表层与护板主体的接触面与护板主体表面的大小和形状可以相同，也可以不同。不挥发碳元素表层与护板主体的接触面与护板主体表面的大小和形状相同时，不挥发碳元素表层完全覆盖护板主体表面；不挥发碳元素表层与护板主体的接触面与护板主体表面的大小和形状不同时，不挥发碳元素表层只能部分覆盖护板主体表面，仅覆盖护板主体位于石英坩埚顶部与坩埚盖板之间的部分，并不覆盖石英坩埚与坩埚护板相接触的部分，此时，由于不挥发碳元素表层的尺寸较小，更可有效降低成本。

由于采用较小尺寸的不挥发碳元素表层时，石英坩埚会与护板主体石墨表面相接触，会以反应生成CO的形式释放出含碳元素的气体。这部分气流也有可能进入到硅料中，为此，在坩埚护板上设置出气口，且出气口的高度与石英坩埚的高度接近(出气口的中心位于石英坩埚的顶端上方0-10cm处)，这样，从石英坩埚与坩埚护板的接触面挥发出的含碳气体就可以在最短时间内被保护气体流出内部空腔的气流卷吸并带出内部空腔了，从而最大可能地降低硅料中的碳含量。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

结构简单、安装方便、使用安全，应用在硅铸锭生产过程中，能有效地防止热场中的碳元素导入到硅料中，从而有效地降低铸锭产品中碳元素含量。

附图说明

图1是现有技术的坩埚保护装置用于硅铸锭炉内的结构示意图。

图2是本实用新型的坩埚保护装置用于硅铸锭炉内的一种实施方式的剖面结构示意图。

图3是本实用新型的坩埚保护装置用于硅铸锭炉内的另一种实施方式的剖面结构示意图。

图4是本实用新型中坩埚护板的开孔方式示意图。

具体实施方式

如图1所示，现有技术的坩埚保护装置由坩埚护板1和坩埚盖板2构成。坩埚护板1和坩埚盖板2均为平板状，坩埚盖板2的中心设有一开口。其中坩埚护板1采用石墨材料加工，坩埚盖板2采用CFC材料加工。坩埚盖板2通过坩埚护板1承重，并且水平放置。坩埚护板1放置在石英坩埚3的四周。石英坩埚3放置在坩埚底板4的上面。在石英坩埚3内放置的是硅料5。坩埚护板1的石墨表面、坩埚盖板2的CFC表面、石英坩埚3的壁面和硅料5的表面之间形成了内部空腔6。当气流从坩埚盖板2的中心开口通入后，气流会在内部空腔6中形成回旋的流场，将坩埚护板1的石墨表面的碳元素和坩埚盖板2的CFC表面的碳元素带入到硅料之中，导致硅锭产品中的碳元素含量偏高。

以下将结合实施例和附图对本实用新型进行详细的描述，但本实用新型并不仅限于此。

实施例1

如图2所示，一种坩埚保护装置由四块坩埚护板7和一块坩埚盖板8构成。坩埚护板7和坩埚盖板8均为平板状，坩埚盖板8的中心还设有导气口，用于导入保护气体的气流。坩埚盖板8通过坩埚护板7承重(即，坩埚盖板8由坩埚护板7支撑)，并且水平放置在石英坩埚3的上方。坩埚护板7放置在石英坩埚3的四周。石英坩埚3放置在坩埚底板4的上面。在石英坩埚3内放置的是硅料5。

上述装置中，坩埚护板7和坩埚盖板8均为双层结构，坩埚护板7由石墨基材(即护板主体)9和碳化硅陶瓷表层10组成，坩埚盖板8由CFC板(即盖板主体)11和碳化硅陶瓷底层12组成，安装时，碳化硅陶瓷表层10位于坩埚护板7的内侧并靠近石英坩埚3的外壁，碳化硅陶瓷底层12位于CFC板11的下面并靠近石英坩埚3的顶部，这样，碳化硅陶瓷表层10、碳化硅陶瓷底层12、石英坩埚壁面及石英坩埚中硅料表面围成内部空腔6。内部空腔6为几乎封闭的空间，仅有导气口供气流导入和流出。

上述装置中，碳化硅陶瓷表层10通过化工工艺与石墨基材9加工成一个整体(例如在石墨基材9上涂覆或镀一层碳化硅涂层)，碳化硅陶瓷底层12通过化工工艺与CFC板11加工成一个整体(例如在CFC板11上涂覆或镀一层碳化硅涂层)。

将上述装置应用在硅铸锭炉内进行硅铸锭生产时，当气流从坩埚盖板8中心的导气口通入后，气流会在内部空腔6中形成回旋的流场，但是由于其所接触的碳化硅陶瓷表层10或碳化硅陶瓷底层12相对于CFC材料和石墨材料更干净，也不挥发出含碳的杂质或其他影响硅锭质量的杂质，这样就确保了硅锭产品中碳元素的含量降到最低。

实施例2

如图3所示，一种坩埚保护装置由四块坩埚护板13和一块坩埚盖板14构成。坩埚护板13和坩埚盖板14均为平板状，坩埚盖板14的中心还设有导气口，用于导入保护气体的气流。坩埚盖板14通过坩埚护板13承重(即，坩埚盖板14由坩埚护板13支撑)，并且水平放置在石英坩埚3的上方。坩埚护板13放置在石英坩埚3的四周。石英坩埚3放置在坩埚底板4的上面。在石英坩埚3内放置的是硅料5。

上述装置中，坩埚护板13和坩埚盖板14均为双层结构，坩埚护板13由石墨板(即护板主体)15和表层钼板16拼接而成，坩埚盖板14由CFC板(即盖板主体)17和底层钼板18组成，安装时，表层钼板16位于坩埚护板13的内侧并靠近石英坩埚3的外壁，底层钼板18位于CFC板17的下面并靠近石英坩埚3的顶部，这样，表层钼板16、底层钼板18、石英坩埚3的壁面及石英坩埚3中硅料5的表面围成内部空腔6。内部空腔6为几乎封闭的空间，仅有导气口供气流导入和流出。

本实施例中，为了减少较为昂贵的钼材料的使用量，表层钼板16的尺寸比较小，仅仅只覆盖石墨板15与内部空腔6相邻的表面(即仅覆盖坩埚护板13位于石英坩埚3顶部与底层钼板18之间的部分)，此时，坩埚护板13中围成内部空腔6的部分仍为表层钼板16，而不会是石墨板15的某个部分，这样就可以防止将碳元素带入到气流中了。可以通过在石墨板15上部的内侧加工出一定尺寸的台阶，再在台阶上拼接表层钼板16来形成上述坩埚护板13。当然，表层钼板16的尺寸也可以覆盖石墨板15的整个表面。

将上述装置应用在硅铸锭炉内进行硅铸锭生产时，当气流从坩埚盖板14中心的导气口通入后，气流会在内部空腔6中形成回旋的流场，但是由于气流所接触的表层钼板16和底层钼板18不含碳元素，因此并没有含碳的杂质带入到气流而影响硅料的碳含量，这样就确保了硅锭产品中碳元素的含量降到最低。

实施例3

采用与实施例2相同的方式，不同之处在于坩埚护板13上加工有一排开孔。开孔的位置与形状如图4所示。图4为图3在实施例3中A方向的视图。开孔的形状为直径25mm的圆孔19，圆孔与圆孔之间间距为100mm，数量共10个。坩埚护板13安装好后，圆孔19的中心高度正好与石英坩埚3的顶端高度相同(图3中箭头所指的位置)。

由于石墨板15与石英坩埚3相接触后会以CO的形式挥发出碳元素，因此，本实施例中增加的圆孔19，可以以最快速度将CO气体随保护气体气流流出内部空腔6，从而防止这部分碳元素随气流进入到硅料5中，确保了硅锭产品中碳元素的含量降到最低。

Claims (5)

1.一种用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，由若干块坩埚护板和一块坩埚盖板构成；所述坩埚护板为平板状，位于所述硅铸锭炉内的石英坩埚的四周；所述坩埚盖板为平板状，位于所述硅铸锭炉内的石英坩埚的上方，并由所述坩埚护板支撑，所述坩埚盖板上还设有导气口，用于导入保护气体的气流；其特征在于，所述坩埚护板由护板主体和不挥发碳元素表层构成，所述坩埚盖板由盖板主体和不挥发碳元素底层构成，所述不挥发碳元素表层、不挥发碳元素底层与石英坩埚壁面及石英坩埚中硅料表面围成内部空腔。

2.如权利要求1所述的用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，其特征在于，所述导气口位于所述坩埚盖板的中心。

3.如权利要求1或2所述的用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，其特征在于，所述不挥发碳元素表层为碳化硅涂层、热解碳层、钼板或含钼的合金板，所述不挥发碳元素底层为碳化硅涂层、热解碳层、钼板或含钼的合金板。

4.如权利要求1或2所述的用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，其特征在于，在所述坩埚护板上设有出气口，所述出气口的中心位于所述石英坩埚的顶端上方0-10cm处。

5.如权利要求4所述的用于硅铸锭炉内的坩埚保护装置，其特征在于，所述出气口为开孔或开槽。

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