本发明专利技术提供一种能够实现间接熔融及直接熔融的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用该坩埚的硅熔融精炼装置。本发明专利技术的硅电磁感应熔融用石墨坩埚是上部开放以装入硅原料，外侧壁被感应线圈围绕的呈圆筒形结构的石墨材质的坩埚，在该石墨坩埚中，形成有贯通上述坩埚的外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个狭缝，使得由在上述感应线圈中流通的电流产生的电磁力向上述坩埚内部中心方向发生作用，从而使熔融的硅因上述电磁力而不会与上述坩埚的内侧壁接触。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及硅熔融坩埚(Crucible)，更详细说，涉及一种能够通过结合基于坩埚热的间接熔融方式和基于电磁感应的直接熔融方式的方式，高效率地熔融硅等半导体的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用该坩埚的硅熔融精炼装置。
技术介绍
由于基于电磁感应的直接熔融方式能够在短时间内熔融金属等物质，因而具有较高的生产率，并能使原料的污染最小化。基于电磁感应的直接熔融方式一般根据如下的原理进行。当在围绕坩埚的感应线圈中输入交流电流而引起磁场(Magnetic Field)变化时， 需要熔化的金属表面上形成感应电流，通过由此产生的焦耳热(Joule heating)熔融金属。 并且，感应电流与磁场发生作用，而在金属熔液中生成电磁力(Lorentz force)。即使线圈电流的方向发生改变，所生成的电磁力根据弗莱明的左手定律始终朝向坩埚内部中心方向，具有与电磁压(Electromagnetic Pressure) 一同产生作用的效果 (Pinch Effect)，从而能够防止熔液和坩埚内侧壁的接触。但是，在熔融硅等半导体时，无法采用上述基于电磁感应的直接熔融方式。其理由在于，硅具有1400°C以上的非常高的熔点，且与金属的情况不同，其在700°C以下的温度下的电导率低，因此无法进行基于电磁感应的直接感应。由此，在熔融硅等半导体时，主要利用基于石墨坩埚热量的间接熔融方式，其理由在于，石墨虽是非金属材质，但其电导率及热导率非常高，从而容易实现基于电磁感应的坩埚加热。但是，在利用石墨坩埚时，由于电磁波被石墨屏蔽，无法向坩埚内部传递电磁力。 因此，到目前为止，石墨坩埚中的硅等半导体的熔融只采用基于石墨坩埚热量的间接熔融方式。在石墨坩埚中进行硅间接熔融的情况下，在硅熔融时，熔液和石墨坩埚表面将会接触。这将使熔液和石墨容易进行反应，造成由碳引起硅污染或坩埚内侧表面的污染问题， 进而在石墨坩埚内侧表面生成碳化硅化合物层，根据情况可能引发石墨坩埚裂开的问题。为了解决上述问题，日本公开专利公报第2005-281085号(2005年10月13日公开)中公开了用碳化硅(SiC)等涂敷与硅接触的石墨坩埚内部表面，或是对石墨坩埚内部表面进行高密度处理的技术。图1是用碳化硅(SiC)涂敷了内部表面的石墨坩埚的剖视图。参照图1，涂敷于石墨坩埚内壁表面的碳化硅110抑制石墨和熔液的反应。由此， 能够防止硅或坩埚的污染。并且，能够抑制在石墨基质中分散有碳化硅的复合层120针对石墨基材130的厚度增厚，从而能够解决石墨坩埚裂开的问题。但是，在上述方法中，存在由于在石墨坩埚中融解硅的过程中碳化硅涂敷膜110 脱落的剥离现象，因而石墨坩埚的寿命受限，并在防止硅的污染时受到局限性的问题。为了在硅熔融中防止熔液和坩埚接触，也利用有水冷铜坩埚，水冷铜坩埚虽然具有坩埚和熔液因电磁感应而不接触的优点，但是存在需要用于形成初始熔液的辅助热源， 并且较多热量无法应用于硅的熔融而通过冷却水损失掉的大问题。为了解决如上所述的利用水冷铜坩埚的硅熔融的问题，日本公开专利公报第 2001-19594号(2001年01月23日公开)中公开了利用等离子作为辅助热源的技术。但是， 利用等离子作为辅助热源的方式存在使得用于硅熔融的设备变得复杂的问题，并且还存在由冷却铜引起的30%以上的热损失而导致效率降低的问题。为了解决上述石墨坩埚的问题和水冷铜坩埚的问题，韩国公开专利公报第 10-2006-0016659号(2006年02月22日公开)中公开了水冷铜坩埚(冷坩埚)和石墨坩埚(热坩埚)结合的坩埚结构。图2示出上述结构。图2所示的坩埚具有在铜材质的冷坩埚220上部放置石墨材质的热坩埚250的结构。热坩埚250的上端部沿圆周方向形成一体，从热坩埚250的下端部到冷坩埚220下端部，由纵方向的多个狭缝(slit)230分割成区间(Segment)MO15并且，热坩埚250外部被绝热材260绝热，以提高硅的加热效果和保护感应线圈210。能够通过上述坩埚结构，在使用石墨材质的热坩埚250形成初始熔液后，将遍及熔液的整个纵向区间作用于熔液的电磁压保持在大于熔液的静水压(hydrostatic pressure)的状态，并对原料进行加热及熔融，从而提高加热及熔融效率。但是，上述坩埚结构作为冷坩埚和热坩埚结合的结构，比石墨坩埚等一体型坩埚难制作。并且，如图2所示，上部石墨材质的热坩埚只起到作为辅助热源的作用，还是主要在冷坩埚中进行硅铸造，因此存在无法避免由水冷引起的热损失的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高效的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用该坩埚的硅熔融精炼装置，其能够解决石墨坩埚中熔液和石墨接触的问题和水冷铜坩埚中由水冷引起的热损失问题。根据本专利技术中的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，该石墨坩埚是上部开放以装入硅原料，外侧壁被感应线圈围绕的呈圆筒形结构的石墨材质的坩埚，其特征在于，形成有贯通上述坩埚的外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个狭缝，使得由在所述感应线圈中流通的电流产生的电磁力向上述坩埚的内部中心方向发生作用，从而使熔融的硅因上述电磁力而不会与上述坩埚的内侧壁接触。根据本专利技术的利用硅电磁感应熔融用石墨坩埚的硅熔融精炼装置，其特征在于， 包括坩埚，其为石墨材质，具有圆筒形结构，该坩埚的上部开放，并具有贯通外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个狭缝，以及感应线圈，其围绕上述坩埚的外侧壁；由上述坩埚上部装入的硅原料被感应加热的上述坩埚间接熔融而形成熔液；由在上述感应线圈中流通的电流产生的电磁力向上述坩埚的内部中心方向发生作用，从而所形成的上述熔液因上述电磁力而不会与上述坩埚的内侧壁接触地进行感应熔融。由于本专利技术即便利用廉价的石墨坩埚，也能够结合间接熔融方式和基于电磁感应的非接触直接熔融方式，因而能够消除熔液和石墨接触的问题和热损失问题，而实现高效的硅电磁感应熔融，并且提供基于硅熔液搅拌的高纯度精炼效果。附图说明图1为现有技术中的碳化硅涂敷在表面的石墨坩埚剖面；图2为现有技术中的在冷坩埚上部结合有热坩埚的坩埚结构；图3为本专利技术的硅电磁感应熔融用石墨坩埚的结构；图4为根据图3所示的结构制作的石墨坩埚的照片；图5及图6为现有水冷铜坩埚和本专利技术的石墨坩埚的坩埚内部磁场密度的数值解析结果；图7为本专利技术的硅电磁感应熔融用石墨坩埚的铅直方向的熔液的静水压和电磁压；图8为利用本专利技术的硅电磁感应熔融用石墨坩埚熔融硅时的坩埚底板、狭缝上部、硅上部表面温度；图9为利用本专利技术的硅电磁感应熔融用石墨坩埚进行熔融的硅的剖面的照片。 具体实施例方式以下，参照附图对根据本专利技术的优选实施例的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用该坩埚的硅熔融精炼装置进行详细说明。图3表示本专利技术的硅电磁感应熔融用石墨坩埚的结构。图4表示根据图3所示的结构制作的石墨坩埚的照片，在说明图3所示的石墨坩埚结构时将参照图4。参照图3，本专利技术中的硅电磁感应熔融用石墨坩埚300构成上部开放的圆筒形结构。坩埚的外侧壁321在进行硅熔融工序时被感应线圈301围绕。硅原料通过开放的坩埚上部装入坩埚内部。如图4所示，在本专利技术的硅熔融石墨坩埚300中，形成有贯通坩埚外侧壁321和内侧壁322的铅直方向的多个狭缝310。在未形成有狭缝的一般的硅熔融石墨坩埚的情况下， 电磁波被石墨屏蔽，本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种硅电磁感应熔融用石墨坩埚，所述石墨坩埚是上部开放以装入硅原料，外侧壁被感应线圈围绕的呈圆筒形结构的石墨材质的坩埚，其特征在于，形成有贯通所述坩埚的外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个狭缝，使得由在所述感应线圈中流通的电流产生的电磁力向所述坩埚的内部中心方向发生作用，从而使熔融的硅因所述电磁力而不会与所述坩埚的内侧壁接触。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2008.10.16 KR 10-2008-01016581.一种硅电磁感应熔融用石墨坩埚，所述石墨坩埚是上部开放以装入硅原料，外侧壁被感应线圈围绕的呈圆筒形结构的石墨材质的坩埚，其特征在于，形成有贯通所述坩埚的外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个狭缝，使得由在所述感应线圈中流通的电流产生的电磁力向所述坩埚的内部中心方向发生作用，从而使熔融的硅因所述电磁力而不会与所述坩埚的内侧壁接触。2.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，所述多个狭缝从所述坩埚的上部形成到所述坩埚的内部的底面部分为止，并具有规定的间隔。3.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，所述多个狭缝至少形成有12个。4.根据权利要求3所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，在所述坩埚的内径为50mm以上的情况下，至少形成有M个所述多个狭缝。5.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，所述多个狭缝分别具有0. 3 1. 5mm的狭缝宽度。6.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，在所述坩埚的内部底面涂敷有碳化硅、氮化硅中至少一种物质。7.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，所述硅原料被感应加热的所述坩埚间接熔融而形成熔液，所形成的熔液因内部的所述电磁力...
【专利技术属性】
技术研发人员：张普允，安永洙，金儁秀，金东国，刘权钟，
申请(专利权)人：韩国ENERGY技术研究院，
类型：发明
国别省市：KR
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