CN208604238U - 一种单晶硅坩埚 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单晶硅坩埚，包括坩埚部本体，配置为盛放石英坩埚；所述坩埚部包括孔单元，设置于坩埚部本体的侧壁，连通坩埚部的内外空间；孔单元在第二坩埚单元圆周方向上所占的比例，自坩埚部底部一侧向另一侧逐渐增大；所述坩埚部由碳‑碳复合材料制成。本实用新型提供一种单晶硅坩埚，采用碳‑碳复合材料作为坩埚侧壁，减少侧壁厚度，增大坩埚的容积，提高了单晶硅的产量；侧壁孔单元的设置，提高了加热器发热体对石英坩埚及硅熔体的热量传递，通过在侧壁上设置不同尺寸、不同形状或者分布密度不同的孔单元，可以有效控制硅熔体内部温度梯度的分布，控制硅熔体的对流，从而降低单晶硅的氧含量。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体及太阳能晶体生长设备技术领域，具体地说，涉及一种单晶硅坩埚。
背景技术
单晶硅为一种半导体材料，一股用于制造集成电路和其它电子元件，进入21世纪后，为应对日益严重的环境问题，对清洁能源的需求促进了光伏市场的发展，晶体硅太阳能电池是光伏行业的主导产品，占市场份额的90％。在中国市场的拉动下，我国太阳能光伏发电产业发展迅速，我国太阳能电池年产量由原来占世界份额的1％发展到世界份额的70％以上。与其它晶体硅太阳能电池相比，单晶硅太阳能电池的转化率较高，但其生产成本也高。随着世界各国对太阳能光伏产业的进一步重视，特别是中国等用电大国制定了一系列的扶持政策，鼓励开发利用太阳能，另外，随着硅太阳能电池应用面的不断扩大，太阳能电池的需求量越来越大，硅单晶材料的需求量也就同比扩大。
单晶硅生长技术有两种：区熔法和直拉法，其中直拉法是目前普遍采用的方法。在直拉法生长单晶硅的方法中，主要运用的是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：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；单晶硅生长系统内的氩气气体系统设计；单晶硅挟持技术系统的设计；为了提高生产效率的连续加料系统的设计；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的速度(即产量，进而成本)有很大的影响，其对单晶质量也有很大的影响，包括单晶内部缺陷的大小、密度与分布，氧的含量及氧的析出物生成等。
申请号为CN201510369177.3的中国专利公开了一种单晶炉用炭素材料组合坩埚，包括由炭-炭复合材料或石墨材料制成的组合坩埚埚体，所述组合坩埚埚体包括埚筒、埚碗、埚托，所述埚筒为圆筒状，所述埚碗底部设有圆孔，埚碗由至少2瓣埚碗构件组成；所述埚托中间设有与埚碗底部圆孔相适配的凸台，凸台上设有与石英坩埚相适配的凹圆弧，埚碗装配在埚托上，埚筒装配在埚碗上沿，埚筒的底端与埚碗上部搭接。
虽然上述现有技术提供了一种使用炭素材料组合的坩埚，但由于炭素材料由纯碳元素组成的炭纤维增强炭基体复合材料，其成型由炭纤维网胎和炭布经叠层复合成预制件，其径向导热性能较差，存在着能源消耗过大、且得到的单晶硅氧含量高，进而影响其电性能的问题。
因此，有必要对现有技术的不足和缺陷进行改进，提供一种单晶硅坩埚，底部由瓣体结构围成，拆卸便捷；并且将坩埚本体设置为两段式结构，提高了侧壁与底部连接部分的应力承受能力，进而延长坩埚的使用寿命；由于采用碳-碳复合材料的坩埚侧壁可以减少了侧壁厚度，相对增大了坩埚的容积，提高单晶硅的产量；侧壁孔单元的设置，提高了加热器发热体对石英坩埚及硅熔体的热量传递，在使用时节省能源，通过在侧壁上设置不同尺寸、不同形状或者分布密度不同的孔单元，可以有效控制硅熔体内部温度梯度的分布，控制硅熔体的对流，从而降低单晶硅的氧含量等优点。
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，提供一种可以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的直拉式单晶硅坩埚。
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：一种单晶硅坩埚，包括
坩埚部本体，配置为盛放石英坩埚；
所述坩埚部包括
孔单元，设置于坩埚部本体的侧壁，连通坩埚部的内外空间；
坩埚部内部通过孔单元与外部空间接触的面积，自坩埚部底部一侧向另一侧逐渐增大。
其中，所述坩埚部由碳-碳复合材料制成，这样设置增强了坩埚侧壁与底部连接部分的应力承受能力，进而延长了坩埚的使用寿命，同时由于采用碳-碳复合材料的特性，坩埚侧壁可以减少了侧壁厚度，相对增大了坩埚的容积，提高了产能。
在一个实施例中，所述坩埚部壁厚为6mm至15mm。
此外，所述坩埚部包括至少两部分的瓣体围成，多瓣结构的设置提高了坩埚部的应力承受能力，也便于去除石英坩埚的残体。
在一个实施例中，所述孔单元为设置于第二坩埚单元的圆形或椭圆形孔状结构。
在一个实施例中，所述孔单元为设置于第二坩埚单元的多边形通孔结构。
在一个实施例中，所述孔单元在第二坩埚单元圆周方向上的分布数量，自坩埚部底部一侧向另一侧逐渐增多。
在一个实施例中，所述孔单元在第二坩埚单元轴向方向上、自坩埚部底部一侧向另一侧，彼此之间的距离逐渐减小。
在一个实施例中，所述孔单元沿第二坩埚单元轴线方向，其尺寸自坩埚部底部一侧向另一侧逐渐增大。
孔单元在第二坩埚单元上渐变的设置，使得坩埚内部温度和对流可以得到合理地控制，熔体底部的温度比熔体上部温度略低，来避免熔体内部大面积的翻腾，从而可以避免硅熔体与石英坩埚接触面临近部位富氧硅熔体被对流输送到单晶结晶部位的下方，可以降低硅晶体中氧的含量，使得得到的单晶硅晶体氧含量降低、纯度更高，避免所产生的氧导致的缺陷以及太阳能电池由于氧造成的光衰。
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：
1、本实用新型将所述的坩埚侧壁采用碳-碳复合材料、底部采用石墨材料的设置减少侧壁厚度，增大坩埚的容积，提高了单晶硅的产量；
2、侧壁孔单元的设置，提高了加热器发热体对石英坩埚及硅熔体的热量传递，通过在侧壁上设置不同尺寸、不同形状或者分布密度不同的孔单元，可以有效控制硅熔体内部温度梯度的分布，控制硅熔体的对流，从而降低单晶硅的氧含量；
3、设置了多瓣式的坩埚结构，提高坩埚力学性能的同时，便于去除石英坩埚的残体。
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
附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
在附图中：
图1是本实用新型单晶硅坩埚剖视示意图；
图2是本实用新型单晶硅坩埚俯视示意图。
图中：1、坩埚部；2、第一坩埚单元；3、第二坩埚单元；4、孔单元；5、通孔。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在常规技术中，所述的炭-炭复合材料是由纯碳元素组成的炭纤维增强炭基体复合材料，其成型由炭纤维网胎和炭布经叠层复合成预制件，再通过化学气相沉积增密和/或浸渍增密后制成坯体，最后经过机加工成埚筒1、埚碗2，其密度为1.2g/cm3；埚托3由等静压石墨材料制成，但由于炭素材料由纯碳元素组成的炭纤维增强炭基体复合材料，其成型由炭纤维网胎和炭布经叠层复合成预制件，其径向导热性能较差，存在着能源消耗过大、且得到的单晶硅氧含量高，进而影响其电性能的问题，为解决上述技术问题，本实用新型提出如下技术方案。
如图1至图2所示，本实用新型一种单晶硅坩埚，包括坩埚部1本体，配置为盛放石英坩埚，在单晶硅的提炼过程中，由于坩埚部1长时间处于温度的交替变换，由于温度变化所产生的冷胀热缩和变形，在冷却过程中会向外产生巨大的推力，会对坩埚部1损坏，缩短其寿命，因此，为了更好的传递热量并且提高力学性能，以及延长坩埚部1的寿命，本实用新型将坩埚部1设置成上下两部分，即第一坩埚单元2和第二坩埚单元3，第一坩埚单元2，配置为坩埚部1的底部，用于盛放石英坩埚的主要受力位置，第二坩埚单元3与第一坩埚单元2连接，配置为坩埚部1的侧壁，同时由于单晶硅提炼过程中，会有热量的不断传递，由于温度过高，熔体底部的温度比熔体上部温度略低，来避免熔体内部大面积的翻腾，从而可以避免硅熔体与石英坩埚接触面临近部位富氧硅熔体被对流输送到单晶结晶部位的下方，可以降低硅晶体中氧的含量，使得得到的单晶硅晶体氧含量降低、纯度更高，避免所产生的氧导致的缺陷以及太阳能电池由于氧造成的光衰。
因此，本实用新型在坩埚部1的侧壁设置了孔单元4，增加了坩埚部1的热的传递，在加热过程中，热量从孔单元4传热坩埚部1内，增加了热量的流动，并且在坩埚部1侧壁上面对孔单元4的分布进行了设置，便于在加热过程中对坩埚部1内部的对流控制，熔体底部的温度比熔体上部温度略低，来避免熔体内部大面积的翻腾，从而可以避免硅熔体与石英坩埚接触面临近部位富氧硅熔体被对流输送到单晶结晶部位的下方，可以降低硅晶体中氧的含量，使得晶种在长晶过程中，其单晶硅纯度更高，晶种从坩埚部1内部被缓慢引上，由于坩埚部1上部设置的孔单元4密度或者尺寸大于底部的孔单元4，因此，热量被更快的传递出去，加快了结晶的速度，避免了能源的浪费，在同等能量下，本实用新型所述坩埚部1效率更高，同时由于采用了碳-碳复合材料，使得侧壁的厚度得到减少，单次提炼单晶过程中的容纳量更高，避免了重复劳动，提高了生产效率，应用到实施例中，具体如下，
实施例一
如图1和图2所示，本实施例所述的一种直拉单晶硅坩埚，包括坩埚部1本体，配置为盛放石英坩埚；所述坩埚部1包括孔单元4，设置于坩埚部1本体的侧壁，连通坩埚部1的内外空间；孔单元4在第二坩埚单元3圆周方向上所占的比例，自坩埚部1底部一侧向另一侧逐渐增大，由于在提炼单晶硅的过程中，通过孔单元4的设置更好的控制热量的传到，控制熔融液体上下的温度分布，同时在长晶的过程中也可以节省更多的能源，通过在坩埚部1的侧壁设置了孔单元4，增加了坩埚部1的透气性，在加热过程中，热量从孔单元4传热坩埚部1内，增加了热量的流动，并且在坩埚部1侧壁上面对孔单元4的分布进行了设置，便于在加热过程中对坩埚部1内部的对流控制，从而避免熔体内部大面积的翻腾，从而可以避免硅熔体与石英坩埚接触面临近部位富氧硅熔体被对流输送到单晶结晶部位的下方，可以降低硅晶体中氧的含量。
实施例二
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一的进一步限定，本实施例所述一种单晶硅坩埚，将坩埚部1的材料设置为碳-碳复合材料，由于碳-碳复合材料的特殊性，其结构为交织分布，其传热效果较差，因此，在其表面设置了若干孔单元4，增加了坩埚部1的透气性、透光性，在加热过程中，热量从孔单元4传热坩埚部1内，增加了热量的传递，并且在坩埚部1侧壁上面对孔单元4的分布进行了设置，便于在加热过程中对坩埚部1内部的对流控制，从而降低单晶硅的氧含量。
此外，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，本实用新型将壁厚设置在6mm至15mm，坩埚侧壁可以减少了侧壁厚度，相对增大了坩埚的容积，提高了产能。
实施例三
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一的进一步限定，本实施例所述的一种单晶硅坩埚，包括坩埚部1本体，配置为盛放石英坩埚；所述坩埚部1包括第一坩埚单元2，配置为坩埚部1的底部,包括至少两部分的瓣体围成，第一坩埚单元2的中心设置有通孔5；第二坩埚单元3，与第一坩埚单元2连接，形成坩埚部1的侧壁；孔单元4，设置于第二坩埚单元3，连通坩埚部1的内外空间；坩埚部1内部通过孔单元4与外部空间接触的面积，自坩埚部1底部一侧向另一侧逐渐增大。
本实用新型将坩埚设置为两段式结构，提高了侧壁与底部连接部分的应力，增强了坩埚部1的力学性能，进而延长坩埚的使用寿命，其中，所述第一坩埚单元2由石墨材料制成，将底部埚体设置为石墨材料，便于温度场稳定性的控制，且由于石墨材料成本和材料特性，使得石墨坩埚部1分的工艺简单、成本低廉，同时又延长了坩埚的使用寿命。
此外，所述第二坩埚单元3由碳-碳复合材料制成，这样设置增强了坩埚侧壁与底部连接部分的应力承受能力，进而严惩了坩埚的使用寿命，同时由于采用碳-碳复合材料的特性，坩埚侧壁可以减少了侧壁厚度，相对增大了坩埚的容积，提高了产能。
实施例四
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例三任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述的一种单晶硅坩埚，在坩埚部1的侧壁设置有孔单元4，进一步地，所述孔单元4沿第二坩埚单元3轴线方向，其尺寸自坩埚部1底部一侧向另一侧逐渐增大，孔单元4在第二坩埚单元3上渐变的设置，使得熔体底部的温度比熔体上部温度略低，来避免熔体内部大面积的翻腾，从而可以避免硅熔体与石英坩埚接触面临近部位富氧硅熔体被对流输送到单晶结晶部位的下方，可以降低硅晶体中氧的含量，使得得到的单晶硅晶体氧含量降低、纯度更高，避免所产生的氧导致的缺陷以及太阳能电池由于氧造成的光衰。
使得坩埚内部温度和对流可以得到合理地控制，通过在侧壁上设置不同尺寸、不同形状或者分布密度不同的孔单元，可以有效控制硅熔体内部温度梯度的分布，控制硅熔体的对流，从而单晶硅的氧含量。
实施例五
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例三任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述的一种单晶硅坩埚，在坩埚部1的侧壁设置有孔单元4，进一步地，所述孔单元4沿第二坩埚单元3轴线方向，其分布密度自坩埚部1底部一侧向另一侧逐渐增大，孔单元4在第二坩埚单元3上渐变的设置，使得坩埚内部温度和对流可以得到合理地控制，温度高的部位加快了硅原子与氧原子的分离，降低了硅中氧的含量，使得得到的单晶硅晶体氧含量降低，纯度更高。
实施例六
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例五任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述的一种单晶硅坩埚，其设置于坩埚部1侧壁或者第二坩埚单元3上的孔单元4，为圆形孔。
实施例七
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例五任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述的一种单晶硅坩埚，其设置于坩埚部1侧壁或者第二坩埚单元3上的孔单元4，为椭圆形长条孔。
实施例八
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例五任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述的一种单晶硅坩埚，其设置于坩埚部1侧壁或者第二坩埚单元3上的孔单元4，为多边形通孔结构，例如长方形孔、矩形孔、菱形孔等。
实施例九
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例五任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述孔单元4在第二坩埚单元3圆周方向上的分布数量，自坩埚部1底部一侧向另一侧逐渐增多。
实施例十
如图1和图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例五任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述孔单元4沿第二坩埚单元3轴线方向，其尺寸自坩埚部1底部一侧向另一侧逐渐增大。
实施例十一
如图2所示，本实施例为上述实施例一至实施例十任一所述实施例的进一步限定，本实施例所述的一种单晶硅坩埚，在坩埚部1底部即第一坩埚单元2的中心设置有通孔5，避免了当坩埚受热时，内部石英坩埚膨胀带来的应力集中，提高了坩埚的力学性能，延长了使用的寿命。
同时，坩埚部1被至少两部分瓣体围成，在底部还设置有一底座(附图未标出)本实施例所述瓣体为三瓣，坩埚部1被分割成越多的瓣数，其力学性能越好，当要取出石英坩埚时，只需拿掉上盖，分开瓣式结构坩埚壁，石英坩埚就留在了底座(附图未标出)上，这样方便拆卸，省时省力，使用方法简洁。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。
除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。
Claims (7)
1.一种单晶硅坩埚，包括
坩埚部(1)本体，配置为盛放石英坩埚；
其特征在于：所述坩埚部(1)包括
孔单元(2)，设置于坩埚部(1)本体的侧壁，连通坩埚部(1)的内外空间；
孔单元(4)在第二坩埚单元(3)圆周方向上所占的比例，自坩埚部(1)底部一侧向另一侧逐渐增大；
坩埚部(1)由碳-碳复合材料制成；
坩埚部(1)壁厚为6mm至15mm。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅坩埚，其特征在于：所述坩埚部(1)包括至少两部分的瓣体围成。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅坩埚，其特征在于：所述孔单元(4)为设置于第二坩埚单元(3)的圆形或椭圆形孔状结构。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅坩埚，其特征在于：所述孔单元(4)为设置于第二坩埚单元(3)的多边形通孔结构。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种单晶硅坩埚，其特征在于：所述孔单元(4)在第二坩埚单元(3)圆周方向上的数量，自坩埚部(1)底部一侧向另一侧逐渐增多。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种单晶硅坩埚，其特征在于：所述孔单元(4)在第二坩埚单元(3)轴向方向上、自坩埚部(1)底部一侧向另一侧，彼此之间的距离逐渐减小。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种单晶硅坩埚，其特征在于：所述孔单元(4)沿第二坩埚单元(3)轴线方向，其尺寸自坩埚部(1)底部一侧向另一侧逐渐增大。
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|---|---|---|---|
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| CN208604238U true CN208604238U (zh) | 2019-03-15 |
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Cited By (1)
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| CN108396372A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-08-14 | 周俭 | 一种单晶硅坩埚 |
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