CN201678762U - 一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，该石墨坩埚包括由底部与侧壁组成的石墨坩埚本体，该石墨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，所述的外底面为平面，外侧面平行于竖直中心轴，外底面与外侧面相互垂直。本实用新型能够进一步优化直拉法制备单晶硅的热场，并能有效避免石墨坩埚底部与底托粘连，延长石墨坩埚的使用寿命。

Description

一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚

技术领域

本实用新型涉及一种坩埚，特别涉及一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚。

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***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***内的氩气气体***设计；(3)单晶硅挟持技术***的设计；(4)为了提高生产效率的连续加料***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***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，晶绑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***的热则是藉由辐射作用。***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。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。

中国专利CN201351186，申请号为200920113530.1公开了一种新型石墨坩埚，该石墨坩埚由坩埚体组成，坩埚体是由至少两块相同的坩埚壁组件以及与坩埚壁组件相配合的坩埚底组件组成，该石墨坩埚与常规的石墨坩埚相比，减少了每个部分的体积，从而能够降低石墨坩埚的加工成本，且避免了原有石墨坩埚组件底部含有尖端，可能存在尖端处磕碰造成渗硅、漏硅的隐患。但其采用弧状的坩埚壁组件仍然无法克服气体液化后造成的坩埚壁组件与坩埚底组件之间的粘连问题。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，使其具有更理想的传热性能并且解决现有技术中坩埚与底座粘连的技术问题。为了实现该目的，本实用新型采用如下技术方案：一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，包括由底部与侧壁组成的石墨坩埚本体，该石墨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，其特征在于：所述的外底面为平面，外侧面平行于竖直中心轴，外底面与外侧面相互垂直。

所述的石墨坩埚本体包括至少两块相同的由底部和侧壁构成的石墨坩埚组件。

所述的石墨坩埚本体的内侧面与竖直中心轴平行，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。

所述的石墨坩埚底部设有一圈挡片。

所述的石墨坩埚底部纵向呈倒凸状。

所述的石墨坩埚外侧面与外底面构成圆柱体或棱柱体。

所述的棱柱体棱边为4-16个。

所述的棱柱体棱边为8-12个。

所述的石墨坩埚底部厚度与侧壁厚度的比值范围为1∶3-3∶1。

所述的石墨坩埚底部厚度与侧壁厚度的比值范围为1∶2-2∶1。

本实用新型公开了一种石墨坩埚，包括由底部与侧壁组成的石墨坩埚本体，该石墨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，外底面为平面，外侧面平行于竖直中心轴，外底面与外侧面相互垂直。

制备单晶硅的过程中会产生热蒸汽，热蒸汽冷凝后形成液体顺着石墨坩埚的外壁流向底部，将石墨坩埚的外侧面与外底面设为垂直后，液体可直接沿坩埚的外壁底下，有效避免液体造成坩埚与底托粘连。当热蒸汽冷凝后的液体较少时，可能存在液体沿外壁垂直流下后又流入底部与底托的结合处造成粘接。因此，本实用新型还可选在底部设有挡片或将坩埚底部设成倒凸状，进一步避免液体流向底部，而直接沿侧壁滴下。

石墨坩埚本体的内表面形状与石英坩埚底部的形状相适应，其内侧面与竖直中心轴平行，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。

由于石墨坩埚的形状对单晶硅制备时的热场有很大的影响，研究发现当石墨坩埚的外表面呈圆柱体或者棱柱体时，由于外表面积变大，热交换面积变大，制备时的热场能得以进一步优化。当外表面呈棱柱体时，棱边为4-16个，优选8-12个。为了方便石墨坩埚的取放和清理，石墨坩埚一股做成由至少两块相同的由底部和侧壁构成的石墨坩埚组件组成的多瓣埚。本实用新型优选做成三瓣埚或四瓣埚。

此外，发明人在对直拉法制备单晶硅时的热场作了***研究，发现改变石墨坩埚侧壁厚度与底部厚度对石墨坩埚的热传导效果均存在影响，由于石墨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，发明人做了大量实验，进一步的发现当石墨坩埚侧壁厚度与底部厚度的比值范围为1∶3-3∶1时，石磨坩埚的导热性能较理想，当比值范围为1∶2-2∶1时，效果最佳。

采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：1.将石墨坩埚的外表面做成柱体有利于坩埚散热，从而进一步优化了***的热场。

2.热蒸汽冷凝后的液体能顺着坩埚外壁或挡片滴下，避免液体造成坩埚与底托粘连。

3.大大提高坩埚的使用寿命。

附图说明

图1本实用新型的纵向剖视图图2本实用新型的纵向剖视图图3本实用新型的纵向剖视图图4本实用新型的结构示意图图5本实用新型的结构示意图1石墨坩埚本体  2石墨坩埚组件  11底部  12侧壁  13挡片B11内底面  B12内侧面  A11外底面  A12外侧面。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进行进一步详细的说明。

实施例1如图1所示的石墨坩埚，包括由底部11与侧壁12组成的石墨坩埚本体1，该石墨坩埚本体1包括限定内部容积的内底面B11、内侧面B12以及限定传热面积的外底面A11、外侧面A12，外底面A11为平面，外侧面A12平行于竖直中心轴，外底面A11与外侧面A12相互垂直。

石墨坩埚本体1的内侧面B12与竖直中心轴平行，内底面B11呈球弧状，弧度半径为R1，内底面B11与内侧面B12之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于R2。石墨坩埚外侧面A12与外底面A11构成圆柱体。

石墨坩埚底部11厚度与侧壁12厚度的比值范围为1∶3-1∶1。

实施例2如图1所示的石墨坩埚，包括由底部11与侧壁12组成的石墨坩埚本体1，该石墨坩埚本体1包括限定内部容积的内底面B11、内侧面B12以及限定传热面积的外底面A11、外侧面A12，外底面A11为平面，外侧面A12平行于竖直中心轴，外底面A11与外侧面A12相互垂直。

石墨坩埚本体1的内侧面B12与竖直中心轴平行，内底面B11呈球弧状，弧度半径为R1，内底面B11与内侧面B12之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于或等于R2。

如图4所示，石墨坩埚本体1为三瓣埚，包括三块相同的由底部11和侧壁12构成的石墨坩埚组件2。石墨坩埚外侧面A12与外底面A11构成圆柱体。为了进一步防止液体流向石墨坩埚底部11，如图2所示，可在石墨坩埚底部11设有一圈挡片13。

石墨坩埚底部11厚度与侧壁12厚度的比值范围为1∶1-3∶1。

实施例3如图1所示的石墨坩埚，包括由底部11与侧壁12组成的石墨坩埚本体1，该石墨坩埚本体1包括限定内部容积的内底面B11、内侧面B12以及限定传热面积的外底面A11、外侧面A12，所述的外底面A11为平面，外侧面A12平行于竖直中心轴，外底面A11与外侧面A12相互垂直。

石墨坩埚本体1的内侧面B12与竖直中心轴平行，内底面B11呈球弧状，弧度半径为R1，内底面B11与内侧面B12之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于或等于R2。

石墨坩埚本体1为四瓣埚，包括四块相同的由底部11和侧壁12构成的石墨坩埚组件2。石墨坩埚外侧面A12与外底面A11构成圆柱体。如图3所示，石墨坩埚底部11纵向呈倒凸状。防止液体流向石墨坩埚底部11。

石墨坩埚底部11厚度与侧壁12厚度的比值范围为1∶3-2∶1。

实施例4如图1所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，包括由底部11与侧壁12组成的石墨坩埚本体1，该石墨坩埚本体1包括限定内部容积的内底面B11、内侧面B12以及限定传热面积的外底面A11、外侧面A12，其特征在于：所述的外底面A11为平面，外侧面A12平行于竖直中心轴，外底面A11与外侧面A12相互垂直。

石墨坩埚本体1的内侧面B12与竖直中心轴平行，内底面B11呈球弧状，弧度半径为R1，内底面B11与内侧面B12之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于或等于R2。

如图5所示，石墨坩埚本体1为四瓣埚，包括四块相同的由底部11和侧壁12构成的石墨坩埚组件2。石墨坩埚外侧面A12与外底面A11构成四棱柱。

石墨坩埚底部11厚度与侧壁12厚度的比值范围为1∶2-2∶1。

实施例5-7与实施例4相同，区别在于外表面的棱柱体棱边分别为为3个、8个、12个、16个。

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 (10)

1.一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，包括由底部(11)与侧壁(12)组成的石墨坩埚本体(1)，该石墨坩埚本体(1)包括限定内部容积的内底面(B11)、内侧面(B12)以及限定传热面积的外底面(A11)、外侧面(A12)，其特征在于：所述的外底面(A11)为平面，外侧面(A12)平行于竖直中心轴，外底面(A11)与外侧面(A12)相互垂直。

2.如权利要求1所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的石墨坩埚本体(1)包括至少两块相同的由底部(11)和侧壁(12)构成的石墨坩埚组件(2)。

3.如权利要求1或2所述的石墨坩埚，其特征在于，所述的石墨坩埚本体(1)的内侧面(B12)与竖直中心轴平行，内底面(B11)呈球弧状，弧度半径为R1，内底面(B11)与内侧面(B12)之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于或等于R2。

4.如权利要求3所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的石墨坩埚底部(11)设有一圈挡片(13)。

5.如权利要求3所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的石墨坩埚底部(11)纵向呈倒凸状。

6.如权利要求3所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的石墨坩埚外侧面(A12)与外底面(A11)构成圆柱体或棱柱体。

7.如权利要求6所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的棱柱体棱边为4-16个。

8.如权利要求7所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的棱柱体棱边为8-12个。

9.如权利要求6所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的石墨坩埚底部(11)厚度与侧壁(12)厚度的比值范围为1∶3-3∶1。

10.如权利要求9所述的石墨坩埚，其特征在于：所述的石墨坩埚底部(11)厚度与侧壁(12)厚度的比值范围为1∶2-2∶1。

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