TW202240032A - 單晶爐的石墨坩堝及其製造方法，坩堝組件和單晶爐 - Google Patents

單晶爐的石墨坩堝及其製造方法，坩堝組件和單晶爐 Download PDF

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Abstract

一種單晶爐的石墨坩堝及其製造方法、坩堝組件和單晶爐，石墨坩堝包括本體，本體為石墨件且限定出盛放腔，盛放腔的壁面上具有開鑿部，開鑿部處形成有凹槽，凹槽沿本體的周向延伸以形成為環形結構，其中，對坩堝半成品、與坩堝半成品適配的石英坩堝以及盛裝於石英坩堝內的熔湯進行熱場模擬，得到熔湯的高溫區的等溫線，在本體的縱截面上，凹槽的形狀適於與等溫線的部分的形狀相一致，坩堝半成品構造成在坩堝半成品的內壁面上加工出凹槽以形成本體，高溫區的溫度高於熔湯的其餘任一區域的溫度。根據本發明的單晶爐的石墨坩堝，可以降低熔湯邊緣處的溫度，從而降低熔湯氧含量，有利於提升晶棒品質。

Description

單晶爐的石墨坩堝及其製造方法，坩堝組件和單晶爐
本發明涉及坩堝技術領域，尤其是涉及一種單晶爐的石墨坩堝及其製造方法、坩堝組件和單晶爐。
相關技術中，單晶爐內的坩堝組件包括石英坩堝和石墨坩堝，坩堝組件內盛放有原材料，在單晶爐內加熱器的加熱作用下，坩堝組件內的原材料熔化為矽熔湯；其中矽熔湯中的氧主要來自於石英坩堝，如果熔湯內氧含量過高，會導致晶體內會出現大量的OISF及氧沉澱，尤其是矽熔湯的邊緣部分溫度較高，在整個晶體生長過程中矽熔湯邊緣部分溶解的氧較多，導致矽熔湯邊緣處氧含量過高，特別是在沒有外加磁場裝置的情況下，會出現偏析現象，影響晶體品質。
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明提出一種單晶爐的石墨坩堝，所述石墨坩堝可以減少加熱器傳導、輻射至熔湯高溫區的熱量，降低熔湯邊緣處的溫度，從而降低熔湯氧含量，有利於提升晶棒品質。
本發明還提出一種具有上述石墨坩堝的坩堝組件。
本發明還提出一種具有上述坩堝組件的單晶爐。
本發明還提出一種石墨坩堝的製造方法。
根據本發明第一方面的單晶爐的石墨坩堝，包括：本體，所述本體為石墨件且限定出盛放腔，所述盛放腔的壁面上具有開鑿部，所述開鑿部處形成有凹槽，所述凹槽沿所述本體的周向延伸以形成為環形結構，其中，對坩堝半成品、與所述坩堝半成品適配的石英坩堝以及盛裝於所述石英坩堝內的熔湯進行熱場模擬，得到熔湯的高溫區的等溫線，在所述本體的縱截面上，所述凹槽的形狀適於與所述等溫線的部分的形狀相一致，所述坩堝半成品構造成在所述坩堝半成品的內壁面上加工出所述凹槽以形成所述本體，所述高溫區的溫度高於所述熔湯的其餘任一區域的溫度。
根據本發明的單晶爐的石墨坩堝，通過對坩堝半成品、石英坩堝以及熔湯進行熱場模擬，以精確得到熔湯的高溫區的等溫線，並在開鑿部處根據等溫線的形狀形成凹槽，從而在石墨坩堝應用於單晶爐中時，可以在保證石墨坩堝結構強度的前提下，減少加熱器傳導、輻射至熔湯高溫區的熱量，以起到減弱熱傳導的作用，從而可以降低熔湯邊緣處的溫度，降低熔湯氧含量，進而有效提升晶體的品質。
在一些實施例中，所述石墨坩堝用於直拉法拉晶，在拉晶過程中，所述等溫線為多條且隨所述熔湯的液位的下降由上向下佈置，多條所述等溫線對應於所述坩堝半成品的壁面上的區域為開鑿區域，所述開鑿部為多個且均位於所述開鑿區域內。
在一些實施例中，多個所述開鑿部沿所述本體的軸向間隔設置，且適於與多條所述等溫線分別對應，每個所述開鑿部處形成有一個所述凹槽，所述凹槽的形狀適於與對應所述等溫線的部分的形狀相一致；優選地，所述開鑿部適於與對應所述等溫線的上端部齊平。
在一些實施例中，所述本體包括側壁部和底壁部，所述側壁部形成為筒狀結構，所述底壁部連接在所述側壁部的底部以封閉所述側壁部的底部，所述凹槽形成在所述側壁部和/或所述底壁部上。
在一些實施例中，所述凹槽內填充有隔熱件，所述隔熱件的導熱率低於所述本體的導熱率；任選地，所述隔熱件為碳纖維材料件。
在一些實施例中，所述凹槽適於與所述等溫線的上端部的形狀相一致。
根據本發明第二方面的坩堝組件，包括石墨坩堝，所述石墨坩堝為根據本發明上述第一方面的單晶爐的石墨坩堝；石英坩堝，所述石英坩堝安裝於所述盛放腔。
根據本發明的坩堝組件，通過採用上述的石墨坩堝，可以減少加熱器傳導、輻射至熔湯高溫區的熱量，降低熔湯邊緣處的溫度，從而降低熔湯氧含量，有利於提升晶棒品質。
根據本發明第三方面的單晶爐，包括：爐體；和坩堝組件，所述坩堝組件為根據本發明上述第二方面的坩堝組件，且所述坩堝組件設在所述爐體內。
根據本發明的單晶爐，通過採用上述的坩堝組件，可以降低熔湯邊緣處的溫度，從而降低熔湯氧含量，有利於提升晶棒品質。
根據本發明第四方面的石墨坩堝的製造方法，石墨坩堝為根據本發明上述第一方面的單晶爐的石墨坩堝，所述製造方法包括以下步驟：S1：對坩堝半成品、與所述坩堝半成品適配的石英坩堝以及盛裝於所述石英坩堝內的熔湯進行熱場模擬；S2：提取所述步驟S1中的模擬結果，得到所述熔湯的高溫區的等溫線，所述高溫區的溫度高於所述熔湯的其餘任一區域的溫度；S3：在所述坩堝半成品的縱截面上，根據所述等溫線的形狀確定所述凹槽的形狀，並在所述開鑿部處加工所述凹槽，以形成所述本體。
根據本發明的石墨坩堝的製造方法，通過對坩堝半成品、石英坩堝以及熔湯進行熱場模擬，以精確得到熔湯的高溫區的等溫線，並根據等溫線確定凹槽的形狀，可以有效減少加熱器傳導、輻射至熔湯高溫區的熱量，降低熔湯邊緣處的溫度，從而降低熔湯氧含量，有利於提升晶棒品質。
在一些實施例中，在所述步驟S1中，將所述坩堝半成品用於直拉法拉晶進行熱場模擬，以在所述步驟S2中得到多條所述等溫線，多條所述等溫線隨所述熔湯的液位的下降由上向下佈置，多條所述等溫線對應於所述坩堝半成品的壁面上的區域為開鑿區域，所述步驟S3還包括：在所述開鑿區域內確定所述開鑿部的位置。
在一些實施例中，在所述開鑿區域內確定所述開鑿部的位置，包括：將所述等溫線導入所述坩堝半成品的圖紙中，以確定所述開鑿區域；選取多條所述等溫線中的一部分，並根據選取的所述等溫線的位置確定所述開鑿部的位置。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本發明所屬技術領域具通常知識者可以意識到其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。
下面，參考附圖描述根據本發明實施例的單晶爐的石墨坩堝100。
如圖1所示，石墨坩堝100包括本體1，本體1為石墨件，且本體1限定出盛放腔1a，盛放腔1a可以用於盛放原材料，加熱之後，盛放腔1a內的原材料熔化為熔湯300。盛放腔1a的壁面上具有開鑿部10，開鑿部10處形成有凹槽1b，則凹槽1b形成在本體1的內壁面上，且凹槽1b由盛放腔1a的部分壁面凹入形成；其中，凹槽1b沿石墨坩堝100的周向延伸以形成為環形結構，有利於保證石墨坩堝100的結構強度。
需要說明的是，石墨坩堝100具有中心軸線L，在本申請的描述中，本體1的軸向為沿石墨坩堝100中心軸線L的方向，本體1的周向為繞石墨坩堝100中心軸線L的方向。例如，在圖1的示例中，石墨坩堝100可以形成為回轉體結構，該回轉體結構的旋轉中心線為石墨坩堝100的中心軸線L；當然，石墨坩堝100的形狀不限於此。
對坩堝半成品101、與坩堝半成品101適配的石英坩堝200以及盛裝於石英坩堝200內的熔湯300進行熱場模擬，得到熔湯300的高溫區的等溫線R，在本體1的縱截面上，凹槽1b的形狀適於與等溫線R的部分的形狀相一致；其中，坩堝半成品101構造成在坩堝半成品101的內壁面上加工出凹槽1b以形成本體1，則坩堝半成品101為石墨件，且坩堝半成品101限定出半成品腔101a，在半成品腔101a的壁面上加工出凹槽1b就可以形成本體1，顯然，半成品腔101a對應於盛放腔1a，且半成品腔101a與盛放腔1a的區別在於壁面上是否形成有凹槽1b，而高溫區的溫度高於熔湯300的其餘任一區域的溫度，則高溫區為熔湯300溫度最高的區域，高溫區位於熔湯300的邊緣處。
可以理解的是，在坩堝半成品101上加工凹槽1b後，坩堝半成品101的中心軸線可以形成為本體1的中心軸線。本體1的縱截面可以理解為經過石墨坩堝100中心軸線L的平面。
當石墨坩堝100應用於單晶爐時，盛放腔1a內適於安裝石英坩堝200，原材料適於盛放在石英坩堝200內；單晶爐運行時，單晶爐內的加熱器對石墨坩堝100、石英坩堝200以及石英坩堝200內的原材料進行加熱，使得原材料熔化為熔湯300；由於加熱器設在石墨坩堝100的徑向外側和/或底側，則熔湯300邊緣處（外側邊緣和/或底側邊緣）的高溫區的溫度最高，易導致熔湯300邊緣處氧含量過高，而本申請在盛放腔1a的壁面上設置開鑿部10、並在開鑿部10處形成凹槽1b，石英坩堝200安裝於石墨坩堝100時，石英坩堝200的外壁面無法與凹槽1b的壁面接觸、貼合，石英坩堝200與凹槽1b可以限定出空腔部1c（如圖4所示），該空腔部1c的導熱率明顯低於石墨的導熱率，即空腔部1c的導熱率明顯低於本體1的導熱率，可以減少自加熱器傳導、輻射至熔湯300邊緣處的熱量，有利於降低熔湯300邊緣處的溫度，由於在晶體生長過程中，石英坩堝在高溫環境下分解成氧原子和矽原子並進入熔湯中，從而有利於削弱熔湯300邊緣處的氧溶解速度、降低氧含量，進而提升晶棒的品質。
而且，在本體1的縱截面上，凹槽1b的形狀適於與高溫區的等溫線R的部分的形狀相一致，則凹槽1b的形狀根據高溫區的等溫線R的形狀來設置，從而使得凹槽1b可以與高溫區相匹配，以有效減小高溫區的區域面積，進一步有效減少自加熱器傳導、輻射至熔湯300高溫區的熱量，有利於削弱熔湯300高溫區的氧溶解速度、降低氧含量，有效提升晶棒品質，且不會過多削弱石墨坩堝100的結構強度；由於每個熱場的等溫線都是不同的，本申請通過對坩堝半成品101、石英坩堝200以及熔湯300進行模擬的方式可以很精確地得到熔湯300高溫區的等溫線R，從而精確得到凹槽1b的形狀，避免因經驗認為某處屬於高溫區而實際不在高溫區範圍內、導致單晶爐熱場結構受到影響，繼而影響到晶棒的成晶率，進而本申請有利於保證晶棒的成晶率。
由此，根據本發明實施例的單晶爐的石墨坩堝100，通過對坩堝半成品101、石英坩堝200以及熔湯300進行熱場模擬，以精確得到熔湯300的高溫區的等溫線R，以精確得到凹槽1b的形狀，從而在石墨坩堝100應用於單晶爐中時，可以在保證石墨坩堝100結構強度的前提下，減少加熱器傳導、輻射至熔湯300高溫區的熱量，以起到減弱熱傳導的作用，從而可以降低熔湯300高溫區的溫度、降低熔湯300邊緣處的溫度，降低熔湯300氧含量，進而有效提升晶體的品質。
在一些實施例中，如圖5所示，石墨坩堝100用於直拉法拉晶，在拉晶過程中，熔湯300液位逐漸下降，在不同階段或時刻，高溫區的等溫線R的位置不同，則在整個拉晶過程中具有多條等溫線R，且多條等溫線R隨熔湯300的液位的下降由上向下佈置，多條等溫線R對應於坩堝半成品101的壁面上的區域為開鑿區域，或者說，多條等溫線R沿坩堝半成品101的徑向覆蓋在坩堝半成品101的壁面上的區域為開鑿區域，開鑿部10為多個且多個開鑿部10均位於開鑿區域內，從而可以根據等溫線R精確得到開鑿部10的設置區域，以便於簡化開鑿部10位置的設計，同時可以使得多個凹槽1b也位於開鑿區域內，以有效保證在不同階段，不同的凹槽1b起到減弱熱傳導的作用，以實現在整個拉晶過程中，凹槽1b可以減弱熱傳導。
可以理解的是，在整個拉晶過程中，如果晶棒長度連續變化，則等溫線R也連續變化，從而具有無數條等溫線R。上述的直拉法又稱為丘克勞斯基法，可以是CZ法（Czochralski）、CCZ法（continuous CZ）、MCZ法（Magnetic CZ）等。
例如，本體1包括側壁部11和底壁部12，側壁部11形成為筒狀結構，底壁部12連接在側壁部11的底部以封閉側壁部11的底部；當單晶爐的加熱器只設在側壁部11的徑向外側時，高溫區位於熔湯300徑向外側邊緣處，則多條等溫線R均對應於側壁部11佈置，此時多條等溫線R可以沿本體1的軸向由上向下依次佈置，開鑿區域位於側壁部11上，凹槽1b只形成在側壁部11上；當單晶爐的加熱器只設在底壁部12的下側時，高溫區會位於熔湯300的底部邊緣處，則多條等溫線R均對應於底壁部12佈置，由於底壁部12內壁對應的曲面的中部向下凹陷，則多條等溫線R仍可以隨熔湯300的液位的下降由上向下依次佈置，開鑿區域位於底壁部12上，凹槽1b只形成在底壁部12上；當單晶爐的加熱器包括設在側壁部11徑向外側的第一加熱器和設在底壁部12底側的第二加熱器時，高溫區會位於熔湯300的徑向外側邊緣處，而如果第二加熱器功率較大，高溫區也會位於熔湯300底部邊緣處，此時多條等溫線R對應於側壁部11和底壁部12佈置，且多條等溫線R由上向下依次佈置，開鑿區域位於側壁部11和底壁部12上，側壁部11和底壁部12上分別形成有凹槽1b。
可以理解的是，凹槽1b沿本體1的厚度方向凹入形成，或者說，凹槽1b沿本體1的徑向凹入形成；例如，凹槽1b形成在側壁部11上時，凹槽1b沿側壁部11的厚度方向凹入形成，而凹槽1b形成在底壁部12上時，凹槽1b沿底壁部12的厚度方向凹凸形成。
在一些實施例中，如圖4和圖5所示，多個開鑿部10沿本體1的軸向間隔設置，且多個開鑿部10適於與多條等溫線R分別對應，每個開鑿部10處形成有一個凹槽1b，則凹槽1b為多個，且多個凹槽1b沿本體1的軸向間隔設置，便於保證石墨坩堝100的結構強度，減弱凹槽1b對本體1的削弱作用，相鄰兩個凹槽1b之間具有間隔凸起，間隔凸起的自由端的端面與其餘未形成有凹槽1b的盛放腔1a的壁面位於同一光滑曲面上。
例如，當開鑿部10僅形成在本體1的側壁部11上時，多個開鑿部10沿本體1的軸向間隔設置；當開鑿部10僅形成在本體1的底壁部12上時，由於底壁部12內壁對應的曲面的中部向下凹陷，則多個開鑿部10也可以沿本體1的軸向間隔設置；當側壁部11和底壁部12上分別形成有開鑿部10時，所有開鑿部10可以沿本體1的軸向間隔設置。當然，開鑿部10還可以為一個，此時凹槽1b為一個。
可以理解的是，在滿足石墨坩堝100強度要求的前提下，凹槽1b在本體1徑向上的深度盡可能小，凹槽1b在本體1軸向上的寬度盡可能較大，以有效提升凹槽1b減弱熱傳導的能力；選取的高溫區的多條等溫線R中任意相鄰兩條對應的溫度差可以根據實際應用具體設置，每條等溫線R對應的具體溫度值可以根據實際應用具體設置。在本申請的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
其中，凹槽1b的形狀適於與對應等溫線R的部分的形狀相一致。例如，選取一部分等溫線R，多個開鑿部10的位置可以與上述一部分等溫線R的位置一一對應，則每個凹槽1b的位置可以與對應等溫線R的位置相對應，例如在坩堝半成品101的軸向上，開鑿部10的位置可以與對應等溫線R的上端部齊平設置，從而可以根據等溫線R確定凹槽1b的位置，便於簡化凹槽1b位置的設計。其中，凹槽的形狀適於與對應等溫線的部分的形狀相一致，由於與多個開鑿部10對應的多條等溫線R的形狀一般不同，則根據等溫線的形狀確定對應凹槽的形狀，便於使得凹槽的形狀更加符合實際生產。
在一些實施例中，如圖1和圖5所示，開鑿部10適於與對應等溫線R的上端部齊平，例如開鑿部10的頂端可以與對應等溫線R的頂端齊平，以便於根據選取的等溫線R的位置快速確定開鑿部10的位置，同時單晶爐的加熱器包括設在石墨坩堝100徑向外側的部分，熔湯300高溫區的等溫線R在上端具有凸部，開鑿部10可以與該凸部對應設置，以有效降低熔湯300邊緣處的溫度，從而降低熔湯300氧含量。
例如，當本體1的側壁部11上形成有開鑿部10時，相應等溫線R對應於側壁部11佈置，等溫線R的趨勢與側壁部11的內壁形狀有關，每條等溫線R的整體趨勢由上向下延伸，開鑿部10適於與對應等溫線R的上端部齊平；當本體1的底壁部12上形成有開鑿部10時，相應等溫線R對應於底壁部12佈置，等溫線R的趨勢與底壁部12的內壁形狀有關，由於底壁部12內壁對應的曲面的中部向下凹陷，每條等溫線R的整體趨勢由上向下延伸，開鑿部10適於與對應等溫線R的上端部齊平。當然，開鑿部10的設置位置不限於此。
在一些實施例中，如圖1所示，本體1包括側壁部11和底壁部12，側壁部11形成為筒狀結構，底壁部12連接在側壁部11的底部以封閉側壁部11的底部，凹槽1b形成在側壁部11和/或底壁部12上。例如，當單晶爐的加熱器只設在石墨坩堝100的徑向外側時，凹槽1b可以形成在側壁部11上；當單晶爐的加熱器包括設在石墨坩堝100徑向外側的第一加熱器和設在石墨坩堝100底側的第二加熱器時，如果第二加熱器功率較大，高溫區會位於石墨坩堝100的底部，此時側壁部11和底壁部12上可以分別形成有凹槽1b。由此，凹槽1b位置設置靈活，便於滿足實際差異化需求。
需要說明的是，在本申請的描述中，“和/或”的含義為，包括三個並列的方案，以“A和/或B”為例，包括A方案，或B方案，或A和B同時滿足的方案；例如，凹槽1b形成在側壁部11和/或底壁部12上，包括：1、側壁部11上形成有凹槽1b，底壁部12上未形成有凹槽1b；2、側壁部11上未形成有凹槽1b，底壁部12上形成有凹槽1b；3、側壁部11和底壁部12上分別形成有凹槽1b。
其中，“筒狀結構”應作廣義理解，包括但不限於此圓筒結構、錐筒結構、多邊形筒狀結構。
在一些實施例中，凹槽1b內填充有隔熱件，隔熱件的導熱率低於本體1的導熱率，以保證凹槽1b可以減弱加熱器與熔湯300之間的熱傳導。
可以理解的是，當凹槽1b為一個時，該凹槽1b內可以填充有隔熱件；當凹槽1b為多個時，多個凹槽1b中的至少一個內填充有隔熱件。
當然，凹槽1b內還可以不填充其他部件，則當石墨坩堝100應用於單晶爐時，石英坩堝200安裝於盛放腔1a，此時凹槽1b內為空氣，空氣的導熱率遠小於石墨的導熱率，同樣可以達到減弱熱傳導的作用。
在一些實施例中，隔熱件為碳纖維材料件。碳纖維材料件有明顯的各向異性，在垂直於碳纖維長絲的方向，碳纖維材料件的導熱和導電性能較差，具有良好的保溫、隔熱作用，同時碳纖維材料件具有良好的耐高溫性，以保證在高溫下碳纖維材料件的使用可靠性。
當然，隔熱件還可以為其他材料件，而不限於碳纖維材料件。
在一些實施例中，如圖5所示，等溫線R的上端部具有彎折部分以形成凸部，凹槽1b的形狀適於與等溫線R的上端部的形狀相一致，以實現凹槽1b的設置。
可以理解的是，當本體1的側壁部11上形成有開鑿部10時，相應等溫線R的整體趨勢由上向下延伸，側壁部11上的凹槽1b適於與對應等溫線R的上端部的形狀相一致；當本體1的底壁部12上形成有開鑿部10時，相應等溫線R的整體趨勢由上向下延伸，底壁部12上的凹槽1b適於與對應等溫線R的上端部的形狀相一致。
根據本發明第二方面實施例的坩堝組件1000，如圖3所示，坩堝組件1000包括石墨坩堝100和石英坩堝200，石英坩堝200安裝於石墨坩堝100的盛放腔1a。其中，石墨坩堝100為根據本發明上述第一方面實施例的單晶爐的石墨坩堝100。
根據本發明實施例的坩堝組件1000，通過採用上述的石墨坩堝100，可以在保證坩堝組件1000使用可靠的前提下，降低坩堝組件1000內熔湯300邊緣處的溫度，從而降低熔湯300氧含量，有效提升晶體的品質。
根據本發明第三方面實施例的單晶爐，包括爐體和坩堝組件1000，坩堝組件1000設在爐體內。其中，坩堝組件1000為根據本發明上述第二方面實施例的坩堝組件1000。
根據本發明實施例的單晶爐，通過採用上述的坩堝組件1000，可以降低坩堝組件1000內熔湯300邊緣處的溫度，從而降低熔湯300氧含量，提升單晶爐生產的晶棒的品質。
根據本發明實施例的單晶爐的其他構成以及操作對於本發明所屬技術領域具通常知識者而言都是已知的，這裡不再詳細描述。
根據本發明第四方面實施例的石墨坩堝100的製造方法，石墨坩堝100為根據本發明上述第一方面實施例的單晶爐的石墨坩堝100，石墨坩堝100的製造方法包括以下步驟： S1：對坩堝半成品101、與坩堝半成品101適配的石英坩堝200以及盛裝於石英坩堝200內的熔湯300進行熱場模擬。 S2：提取步驟S1中的模擬結果，得到熔湯300的高溫區的等溫線R，高溫區的溫度高於熔湯300的其餘任一區域的溫度，則高溫區為熔湯300溫度最高的區域。 S3：在坩堝半成品101的縱截面上，根據等溫線R的形狀確定凹槽1b的形狀，例如在坩堝半成品101的縱截面上，凹槽1b的形狀可以與對應等溫線R的上端部的形狀一致，並在開鑿部10處加工凹槽1b，以形成本體1。顯然，坩堝半成品101構造成在坩堝半成品101的內壁面上加工出凹槽1b以形成本體1，石英坩堝200也可以與本申請中的石墨坩堝100相適配。
這裡，需要說明的是，各步驟之間可以具有先後順序，而同一步驟中、各動作先後順序不是固定的。例如，步驟S1、步驟S2和步驟S3先後依次進行，使得步驟S1中的“熱場模擬”位於步驟S2中的“得到等溫線R”之前。
由此，根據本發明實施例的石墨坩堝100的製造方法，通過對坩堝半成品101、石英坩堝200以及熔湯300進行熱場模擬，以精確得到熔湯300的高溫區的等溫線R，並根據等溫線R的形狀確定凹槽1b的形狀，可以有效減少加熱器傳導、輻射至熔湯300高溫區的熱量，降低熔湯300邊緣處的溫度，從而降低熔湯氧含量，有利於提升晶棒品質。
在一些實施例中，步驟S1中的熱場模擬可以選取晶棒生長階段進行熱場模擬。其中，熱場模擬的參數可以採用晶棒生長階段中的參數，使得模擬結果更加符合實際應用。
在一些實施例中，在步驟S1中，將坩堝半成品101用於直拉法拉晶進行熱場模擬，以在步驟S2中得到多條等溫線R，多條等溫線R隨熔湯300的液位的下降由上向下佈置，多條等溫線R對應於坩堝半成品101的壁面上的區域為開鑿區域。步驟S3還包括：在開鑿區域內確定開鑿部10的位置。
在一些實施例中，如圖所示，在開鑿區域內確定開鑿部10的位置，包括：將等溫線R導入坩堝半成品101的圖紙中，以確定開鑿區域；選取多條等溫線R中的一部分，並根據選取的等溫線R的位置確定開鑿部10的位置，例如多個開鑿部10可以與選取的多條等溫線R的上端部一一對應齊平，以便於精確確定開鑿部10和凹槽1b的位置。
例如，將等溫線R按照1：1的比例導入坩堝半成品的CAD圖紙中，則等溫線R上任意點的坐標即為該點的實際坐標，以便根據多條等溫線R的位置快速確定開鑿區域，合理選擇多條等溫線R以確定開鑿部10的位置，簡單、便捷。可以理解的是，選取的等溫線R表示的具體溫度值可以根據實際要求選取。
如圖9和圖10所示，示出了坩堝半成品101（即方案一，未設置凹槽1b）、本申請設置凹槽1b且在凹槽1b內填充隔熱件的石墨坩堝100（方案二）以及本申請設置凹槽1b且凹槽1b內並未填充材料件的石墨坩堝100（方案三）三種方案的熱場模擬結果示意圖，圖10中“200-origin”對應於方案一，“200-fiber”對應於方案二，“200-none”對應於方案三，且圖10中示出了圖9中三種方案熔湯高溫區的等溫線，通過對比可以得出，根據本申請的方案二和方案三，高溫區（≥1696.5K）區域相比於方案一顯著減小，且方案三更為明顯，高溫區下移僅有少部分落在開鑿部，由此真空槽有效減弱熱量向熔湯傳入。顯然，凹槽1b有效減少了傳遞至熔湯300的熱量。
如圖11和圖12所示，示出了坩堝半成品（即方案一，未設置凹槽1b）和在凹槽1b填充隔熱件（方案二）兩種方案的坩堝內壁溫度分佈對比以及熔湯邊緣氧含量對比，可以明顯看出，方案二高溫區溫度較方案一降低1-2℃，熔湯300邊緣氧含量也相應減少，高溫區溫度與坩堝氧釋放相關性明顯。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“厚度”、“上”、“下”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1000:坩堝組件 200:石英坩堝 300:熔湯 R:等溫線 100:石墨坩堝 L:中心軸線 101:坩堝半成品 101a:半成品腔 1:本體 10:開鑿部 1a:盛放腔 1b:凹槽 1c:空腔部 11:側壁部 12:底壁部
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中： 圖1是根據本發明一個實施例的石墨坩堝的示意圖； 圖2是圖1中框示的A部的放大圖； 圖3是根據本發明一個實施例的坩堝組件的示意圖； 圖4是圖3中所示的坩堝組件的局部放大圖； 圖5是圖3中所示的坩堝組件內的熔湯加熱時在高溫區的等溫線示意圖； 圖6是根據本發明一個實施例的石墨坩堝的製作方法流程示意圖； 圖7是圖6中所示的在坩堝半成品上加工凹槽的示意圖； 圖8是根據本發明另一個實施例的石墨坩堝的製作方法流程示意圖； 圖9是坩堝半成品（即方案一，未設置凹槽）、本申請設置凹槽且在凹槽內填充隔熱件的石墨坩堝（方案二）以及本申請設置凹槽且凹槽內並未填充材料件的石墨坩堝（方案三）三種方案的熱場模擬結果示意圖； 圖10是圖9中所示的三種方案的高溫區的等溫線對比圖； 圖11是圖9中所示的方案一與方案二的坩堝內壁溫度分佈對比圖； 圖12是圖9中所示的方案一與方案二的熔湯邊緣氧含量的對比圖。
100:石墨坩堝
L:中心軸線
1:本體
1a:盛放腔
1b:凹槽
11:側壁部
12.:底壁部
A:部分側壁部

Claims (11)

  1. 一種單晶爐的石墨坩堝(100)，其特徵在於，包括： 本體(1)，所述本體(1)為石墨件且限定出盛放腔(1a)，所述盛放腔(1a)的壁面上具有開鑿部(10)，所述開鑿部(10)處形成有凹槽(1b)，所述凹槽(1b)沿所述本體(1)的周向延伸以形成為環形結構， 其中，對坩堝半成品(101)、與所述坩堝半成品(101)適配的石英坩堝(200)以及盛裝於所述石英坩堝(200)內的熔湯(300)進行熱場模擬，得到所述熔湯(300)的高溫區的等溫線(R)，在所述本體(1)的縱截面上，所述凹槽(1b)的形狀適於與所述等溫線(R)的部分的形狀相一致，所述坩堝半成品(101)構造成在所述坩堝半成品(101)的內壁面上加工出所述凹槽(1b)以形成所述本體(1)，所述高溫區的溫度高於所述熔湯(300)的其餘任一區域的溫度。
  2. 如請求項1所述的單晶爐的石墨坩堝(100)，其特徵在於，所述石墨坩堝(100)用於直拉法拉晶，在拉晶過程中，所述等溫線(R)為多條且隨所述熔湯(300)的液位的下降由上向下佈置，多條所述等溫線(R)對應於所述坩堝半成品(101)的壁面上的區域為開鑿區域，所述開鑿部(10)為多個且均位於所述開鑿區域內。
  3. 如請求項2所述的單晶爐的石墨坩堝(100)，其特徵在於，多個所述開鑿部(10)沿所述本體(1)的軸向間隔設置，且適於與多條所述等溫線(R)分別對應，每個所述開鑿部(10)處形成有一個所述凹槽(1b)，所述凹槽(1b)的形狀適於與對應所述等溫線(R)的部分的形狀相一致； 優選地，所述開鑿部(10)適於與對應所述等溫線(R)的上端部齊平。
  4. 如請求項1-3中任一項所述的單晶爐的石墨坩堝(100)，其特徵在於，所述本體(1)包括側壁部(11)和底壁部(12)，所述側壁部(11)形成為筒狀結構，所述底壁部(12)連接在所述側壁部(11)的底部以封閉所述側壁部(11)的底部，所述凹槽(1b)形成在所述側壁部(11)和/或所述底壁部(12)上。
  5. 如請求項4所述的單晶爐的石墨坩堝(100)，其特徵在於，所述凹槽(1b)內填充有隔熱件，所述隔熱件的導熱率低於所述本體(1)的導熱率； 任選地，所述隔熱件為碳纖維材料件。
  6. 如請求項1所述的單晶爐的石墨坩堝(100)，其特徵在於，所述凹槽(1b)適於與所述等溫線(R)的上端部的形狀相一致。
  7. 一種坩堝組件(1000)，其特徵在於，包括： 石墨坩堝(100)，所述石墨坩堝(100)為如請求項1-6中任一項所述的單晶爐的石墨坩堝(100)； 石英坩堝(200)，所述石英坩堝(200)安裝於所述盛放腔(1a)。
  8. 一種單晶爐，其特徵在於，包括： 爐體；和 坩堝組件(1000)，所述坩堝組件(1000)為如請求項7所述的坩堝組件(1000)，且所述坩堝組件(1000)設在所述爐體內。
  9. 一種石墨坩堝(100)的製造方法，其特徵在於，所述石墨坩堝(100)為如請求項1-6中任一項所述的單晶爐的石墨坩堝(100)，所述製造方法包括以下步驟： S1：對坩堝半成品(101)、與所述坩堝半成品(101)適配的石英坩堝(200)以及盛裝於所述石英坩堝(200)內的熔湯(300)進行熱場模擬； S2：提取所述步驟S1中的模擬結果，得到所述熔湯(300)的高溫區的等溫線(R)，所述高溫區的溫度高於所述熔湯(300)的其餘任一區域的溫度； S3：在所述坩堝半成品(101)的縱截面上，根據所述等溫線(R)的形狀確定所述凹槽的形狀並在所述開鑿部(10)處加工所述凹槽(1b)，以形成所述本體(1)。
  10. 如請求項9所述的石墨坩堝(100)的製造方法，其特徵在於，在所述步驟S1中，將所述坩堝半成品(101)用於直拉法拉晶進行熱場模擬，以在所述步驟S2中得到多條所述等溫線(R)，多條所述等溫線(R)隨所述熔湯(300)的液位的下降由上向下佈置，多條所述等溫線(R)對應於所述坩堝半成品(101)的壁面上的區域為開鑿區域， 所述步驟S3還包括：在所述開鑿區域內確定所述開鑿部(10)的位置。
  11. 如請求項10所述的石墨坩堝(100)的製造方法，其特徵在於，在所述開鑿區域內確定所述開鑿部(10)的位置，包括： 將所述等溫線(R)導入所述坩堝半成品(101)的圖紙中，以確定所述開鑿區域； 選取多條所述等溫線(R)中的一部分，並根據選取的所述等溫線(R)的位置確定所述開鑿部(10)的位置。
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