CN202744654U

CN202744654U - 一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚

Info

Publication number: CN202744654U
Application number: CN 201220439464
Authority: CN
Inventors: 周俭; 李德建; 陈昌林; 陈锐; 陈剑春; 付雁清; 薛东; 李福龙
Original assignee: SHANGHAI JMS ELECTRONIC MATERIALS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI JMS ELECTRONIC MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2022-08-30

Abstract

本实用新型公开了一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，包括由底部与侧壁组成的坩埚本体，所述的坩埚为分段式坩埚结构，坩埚本体根据材料的不同自上到下至少分成两段，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部，侧壁上均匀分布有多个导热孔；所述的导热孔直径为5～20mm，导热孔边界之间的距离根据不同的孔密度为10～50mm；所述侧壁上均匀分布所述导热孔的区域为距离侧壁上沿2～6cm，向下垂直方向的宽度为16～25cm，该区域侧壁的内表面平行于坩埚的中心轴。本实用新型所述的坩埚具有导热性好，温度控制性能好，使用寿命长，装料量大的特点。

Description

一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚

技术领域

本实用新型涉及一种坩埚，尤其是一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚。

背景技术

当前制备单晶硅主要由两种技术，根据晶体生长方式不同，可以分为区熔单晶硅和直拉单晶硅。直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。

直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固液界面处，藉由熔体温度下降，将产生由液体转换成固态的相变化。为了生长质量合格（硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分布、碳含量、金属杂质含量、缺陷等）的单晶硅棒，在采用直拉法生长时，必须考虑以下问题。首先是根据技术要求，选择使用合适的单晶生长设备，其次是要掌握一整套单晶硅的制备工艺、技术，包括：（1）单晶硅系统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；（2）单晶硅生长1系统内的氩气气体系统设计；（3）单晶硅挟持技术系统的设计；（4）为了提高生产效率的连续加料系统的设计；（5）单晶硅制备工艺的过程控制。

热的传输靠三种主要模式，亦即辐射、对流及热传导。由于晶体的生长是在高温下进行，所以这三种模式都存在于系统中。在直拉法里，熔体是藉由石墨加热器的辐射热而被加热，而熔体内部的热传导则是主要靠着对流，晶棒内部的热传输主要靠着传导。另外，从液面及晶棒表面散失到外围的热则是藉由辐射作用。系统内的温度分布对晶体生长质量有很大的影响。包括缺陷的密度与分布、氧的析出物生成等。

CZ法内的硅晶体的生长界面通常是向上扩展（沿晶体生长方向），所以，常用的盛放硅料的石英坩埚其内底表面呈球状或弧状，石英坩埚置于石墨坩埚内，石墨坩埚的内底表面呈相适应的球状或弧状，坩埚外底部也做成相适应的球状。制备硅籽晶时，由坩埚侧面的加热器件提供热源，造成熔体的外侧温度比中心轴高，熔体底端比液面温度高，由于硅料的密度随温度增加而降低，因此底部的熔体会藉由浮力往上流动，制备体系通过石墨坩埚壁与两侧的加热元件进行热交换，而弧状的石墨坩埚壁散热效果不太理想。由于现有石墨坩埚的结构简单，存在着传热效率低、加热缓慢、加热时间长、能耗高等缺点；此外，硅的制备过程中会产生气体，气体遇冷后凝结成液体会顺着弧形的底面流到石墨坩埚的底托上，最后造成石墨坩埚与底托粘连。减少了坩埚的使用寿命，不利于单晶硅的生产。

有鉴于此特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，在侧壁开有导热孔且坩埚根据不同的材料至少由上下两段构成，该分段式结构的坩埚导热性好，且温度控制性能好，使用寿命长。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，包括由底部与侧壁组成的坩埚本体，所述的坩埚为分段式坩埚结构，坩埚本体根据材料的不同自上到下至少分成两段，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部，侧壁上均匀分布有多个导热孔。

进一步的方案为，所述的导热孔直径为5～20mm，导热孔边界之间的距离根据不同的孔密度为10～50mm。

所述侧壁上均匀分布所述导热孔的区域为距离侧壁上沿2～6cm，向下垂直方向的宽度为16～25cm，该区域侧壁的内表面平行于坩埚的中心轴。

优选的，所述侧壁上均匀分布所述导热孔的区域为距离侧壁上沿3cm，向下垂直方向的宽度为20cm。

所述的坩埚为两段式坩埚结构，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部。

或者，所述的坩埚为三段式坩埚结构，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部，两层之间设有一连接段，连接段为碳-碳复合结构或石墨结构，连接段的内壁为连接上层侧壁内表面和下层底部内表面的弧形面。

本实用新型所述的坩埚本体包括限定内部容积的内底面、内侧面以及限定传热面积的外底面、外侧面，其中，外侧面、内侧面均与坩埚的中心轴平行，内底面呈球弧状，弧度半径为R1，内底面与内侧面之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于或等于R2。

所述的碳-碳复合结构的侧壁厚度为10mm～17mm。

制备单晶硅的过程中，坩埚经过反复的升温降温、与石英坩埚的摩擦及应力作用及与石英坩埚侧壁的不断反应后，坩埚侧壁容易越来越薄，然后发生应力开裂。本实用新型坩埚侧壁采用碳-碳复合结构的强度和韧性都大大优于石墨结构，用碳-碳复合材料制作的坩埚侧壁使用寿命将大大优于传统石墨坩埚，寿命延长两倍以上。

传统的石墨坩埚强度不够，打孔后容易开裂，而碳-碳复合结构的侧壁强度足够大，在坩埚侧壁上制作导热孔后，可大大提高坩埚的导热效率；经实验，增加导热孔之后，化料时间缩短了8%～12%，整体拉晶能耗降低了3%～5%；而且加快热传导之后，对坩埚内多晶溶液的温度控制将更灵敏，增加温度稳定性，从而提高了成晶率，实验数据表明成晶率提高1%～3%。

由于碳-碳复合材料的强度大，所以可以大大减小对应制作的坩埚侧壁厚度。经过整体搭配设计坩埚内表面弧度后，同等外尺寸的碳-碳复合材料坩埚具有更大的容积，搭配定制的石英坩埚后，可以投更多的拉晶原料，极大地降低了成本。

碳-碳复合结构的坩埚侧壁为一体化圆筒形设计；衔接坩埚底部的圆环状连接段采用碳-碳复合材料或石墨材料；为了方便坩埚的取放和清理，坩埚底部可做成一块或多块拼接。

由于坩埚的底部呈球弧状，侧壁与底部也呈弧球状连接，因此侧壁与底部的厚度均为一个数值范围，坩埚侧壁厚度与底部厚度的比值范围为1：3-5：1，当比值范围为1：1-3：1时，效果最佳。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

本实用新型所述的坩埚采用侧壁设有导热孔，在加热过程坩埚导热性好，且温度控制性能好；采用不同材料的分段式结构，提高了侧壁与底部连接部分的应力，进而延长坩埚的使用寿命；由于采用碳-碳复合结构的坩埚侧壁可以减少了侧壁厚度，相对增大了坩埚的容积。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本实用新型所述的坩埚结构示意图；

图2是本实用新型所述的坩埚侧壁示意图；

图3是图2的A-A向示意图；

图4是本实用新型所述的坩埚连接段示意图；

图5是本实用新型所述的坩埚底部示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型所述的坩埚，包括由底部与侧壁组成的坩埚本体1，所述的坩埚为分段式坩埚结构，坩埚本体1根据材料的不同自上到下至少分成两段，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁11和下层的石墨结构的底部12，侧壁11上均匀分布有多个导热孔2。

其中，如图2和图3所示，所述的导热孔2直径d为5～20mm，两相邻导热孔2边界之间的距离L1根据不同的孔密度为10～50mm；所述侧壁11上均匀分布所述导热孔2的区域距离侧壁上沿的长度L为2～6cm，向下垂直方向的宽度H为16～25cm，该区域侧壁的内表面平行于坩埚的中心轴。坩埚侧壁11厚度与底部12厚度的比值范围为1：3-5：1。

本实用新型所述的坩埚本体1包括限定内部容积的内底面B12、内侧面B11以及限定传热面积的外底面C12、外侧面C11，其中，外侧面C11、内侧面B11均与坩埚的中心轴OP平行，内底面B12呈球弧状，弧度半径为R1，内底面B12与内侧面B11之间为球弧形连接，弧度半径为R2，R1大于或等于R2（参阅图1）。

实施例1

本实施例所述的碳-碳复合结构的坩埚侧壁11导热孔直径d为8～15mm；两相邻导热孔2边界之间的距离L1为30～50mm。

实施例2

本实施例所述的碳-碳复合结构的坩埚侧壁11导热孔直径d为10mm，两相邻导热孔2边界之间的距离L1为50mm。

实施例3

本实施例所述的坩埚为两段式坩埚结构（图中未示出），包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部，所述的导热孔设于侧壁上。

实施例4

本实施例所述的坩埚为三段式坩埚结构，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁11和下层的石墨结构的底部12，两层之间设有一连接段13（参阅图1），连接段13为碳-碳复合结构或石墨结构，连接段13的内壁14为连接上层侧壁内表面和下层底部内表面的弧形面（参阅图4），连接段13通过台阶式结构衔接侧壁11和底部12，连接段13上不设有导热孔，导热孔只设在侧壁11上。

实施例5

本实施例所述的碳-碳复合结构的侧壁的厚度为10mm～17mm，传统石墨坩埚壁厚度为约25mm，本实用新型使得坩埚容积可增大3～5升；定制相关尺寸的石英坩埚搭配使用。在其他条件同等的情况下，用此创新每炉可多投料10公斤左右，节约了生产成本。

实施例6

本实施例所述的石墨坩埚底部厚度与侧壁厚度的比值范围为2：1-3：1。

实施例7

本实施例所述的坩埚底部可以做成2～4块，以减小应力。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本实用新型的优选实施例进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，包括由底部与侧壁组成的坩埚本体，其特征在于：所述的坩埚为分段式坩埚结构，坩埚本体自上到下至少分成两段，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部，侧壁上均匀分布有多个导热孔。

2.根据权利要求1所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述的导热孔直径为5～20mm，导热孔边界之间的距离根据不同的孔密度为10～50mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述侧壁上均匀分布所述导热孔的区域为距离侧壁上沿2～6cm，向下垂直方向的宽度为16～25cm，该区域侧壁的内表面平行于坩埚的中心轴。

4.根据权利要求3所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述侧壁上均匀分布所述导热孔的区域为距离侧壁上沿3cm，向下垂直方向的宽度为20cm。

5.根据权利要求1所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述的坩埚为两段式坩埚结构，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部。

6.根据权利要求1所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述的坩埚为三段式坩埚结构，包括上层的碳-碳复合结构的侧壁和下层的石墨结构的底部，两层之间设有一连接段，连接段为碳-碳复合结构或石墨结构，连接段的内壁为连接上层侧壁内表面和下层底部内表面的弧形面。

7.根据权利要求1所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述的坩埚本体包括限定内部容积的内底面、内侧面以及限定传热面积的外底面、外侧面，其中，内侧面与坩埚的中心轴平行，内底面呈球弧状，弧度半径为R1，内底面与内侧面之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于或等于R2。

8.根据权利要求1所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述的碳-碳复合结构的侧壁厚度为10mm～17mm。

9.根据权利要求1所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述的坩埚本体底部厚度与侧壁厚度的比值范围为1：3～5：1。

10.根据权利要求9所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚，其特征在于：所述的坩埚本体底部厚度与侧壁厚度的比值范围为1：1～3：1。