一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚制造技术

本发明专利技术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-碳复合材料的侧壁和下层的石墨材料的底部，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术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-碳复合材料的侧壁和下层的石墨材料的底部，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。本专利技术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。【专利说明】一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚
本专利技术涉及一种坩埚，尤其是一种直拉法制备单晶硅所使用的坩埚。
技术介绍
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I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。有鉴于此特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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-碳复合材料的侧壁和下层的石墨材料的底部，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-碳复合材料的侧壁和下层的石墨材料的底部。或者，所述的坩埚为三段式坩埚结构，包括上层的碳-碳复合材料的侧壁和下层的石墨材料的底部，两层之间设有一连接段，连接段为碳-碳复合材料或石墨材料，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。本专利技术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Rl大于或等于R2。所述的碳-碳复合材料的侧壁厚度为IOmm~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。本专利技术坩埚侧壁采用碳-碳复合材料的强度和韧性都大大优于石墨材料，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-碳复合材料的侧壁强度足够大，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% ο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-碳复合材料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，本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果。本专利技术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。下面结合附图对本专利技术的【具体实施方式】作进一步详细的描述。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术所述的坩埚结构示意图；图2是本专利技术所述的坩埚侧壁示意图；图3是图2的A-A向示意图；图4是本专利技术所述的坩埚连接段示意图；图5是本专利技术所述的坩埚底部示意图。【具体实施方式】如图1至图5所示，本专利技术所述的坩埚，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I根据材料的不同自上到下至少分成两段，包括上层的碳-碳复合材料的侧壁11和下层的石墨材料的底部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5~20_，两相邻导热孔2边界之间的距离LI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，向本文档来自技高网...

【技术保护点】
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?碳复合材料的侧壁和下层的石墨材料的底部，侧壁上均匀分布有多个导热孔。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周俭，李德建，陈昌林，陈锐，陈剑春，付雁清，薛东，李福龙，
申请(专利权)人：上海杰姆斯电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：