專利名稱:硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝及利用其的硅熔融精煉裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種硅熔融坩堝(Crucible),更詳細(xì)說,涉及一種能夠通過結(jié)合基于坩堝熱的間接熔融方式和基于電磁感應(yīng)的無接觸直接熔融方式,可高效熔融硅的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝及利用其的硅熔融精煉裝置。
背景技術(shù):
由于基于電磁感應(yīng)的直接熔融方式能夠在短時間內(nèi)熔融金屬等物質(zhì),因而具有較高的生產(chǎn)率并能使原料的污染最小化?;陔姶鸥袘?yīng)的直接熔融方式一般根據(jù)如下的原理進(jìn)行。當(dāng)在圍繞坩堝的感應(yīng)線圈中輸入交流電流而引起磁場(Magnetic Field)變化時, 需要熔化的金屬表面上形成感應(yīng)電流,通過由此產(chǎn)生的焦耳熱(Joule’ s Heat)熔融金屬。 并且,感應(yīng)電流與磁場發(fā)生作用而在金屬熔液中生成電磁力(Lorentz force)。即使線圈電流的方向發(fā)生改變,所生成的電磁力根據(jù)弗萊明的左手定律始終朝向坩堝內(nèi)部中心方向,具有與電磁壓(Electromagnetic Pressure) 一同產(chǎn)生作用的效果 (Pinch Effect),從而能夠防止熔液和坩堝內(nèi)側(cè)壁的接觸。但是,在熔融硅等半導(dǎo)體時,無法采用上述基于電磁感應(yīng)的直接熔融方式。其理由在于,硅具有1400°C以上的非常高的熔點,且與金屬不同,在700°C以下的溫度電導(dǎo)率低, 因此無法進(jìn)行基于電磁感應(yīng)的直接感應(yīng)。由此,在熔融硅等半導(dǎo)體時,主要利用基于石墨坩堝熱量的間接熔融方式,其理由在于,石墨雖是非金屬材質(zhì),但其電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率非常高,因而容易實現(xiàn)基于電磁感應(yīng)的坩堝加熱。但是,石墨坩堝的電磁波被石墨屏蔽,無法向坩堝內(nèi)部傳遞電磁力。因此,到目前為止,石墨坩堝中的硅等半導(dǎo)體的熔融只采用基于石墨坩堝熱的間接熔融方式。在石墨坩堝中進(jìn)行硅間接熔融的情況下,在硅熔融時,熔液和石墨坩堝表面將會接觸。這將使熔液和石墨容易進(jìn)行反應(yīng),造成由碳引起的硅污染或坩堝內(nèi)側(cè)表面的污染,進(jìn)而在石墨坩堝內(nèi)側(cè)表面生成碳化硅化合物層,根據(jù)情況可能引發(fā)石墨坩堝裂開的問題。為了解決上述問題,日本公開專利公報第2005-281085號(2005年10月13日公開)中公開了用碳化硅(SiC)等涂敷與硅接觸的石墨坩堝內(nèi)部表面,或是對石墨坩堝內(nèi)部表面進(jìn)行高密度處理的技術(shù)。圖1是用碳化硅(SiC)涂敷了內(nèi)部表面的石墨坩堝的剖視圖。參照圖1,涂敷于石墨坩堝內(nèi)壁表面的碳化硅110抑制石墨和熔液的反應(yīng)。由此, 能夠防止硅或坩堝的污染。并且,能夠抑制在石墨基質(zhì)中分散有碳化硅的復(fù)合層120針對石墨基材130的厚度增厚,從而能夠解決石墨坩堝裂開的問題。但是,在上述方法中,存在由于在石墨坩堝中融解硅的過程中碳化硅涂敷膜110 脫落的剝離現(xiàn)象,因而導(dǎo)致石墨坩堝的壽命受限,并在防止硅的污染時受到局限性的問題。為了在硅熔融中防止熔液和坩堝接觸,也利用有水冷銅坩堝,水冷銅坩堝雖然具有坩堝和熔液因電磁感應(yīng)而不接觸的優(yōu)點,但是存在需要用于形成初始熔液的輔助熱源,并且較多熱量無法應(yīng)用于硅熔融而通過冷卻水損失掉的大問題。為了解決如上所述的利用水冷銅坩堝的硅熔融的問題,日本公開專利公報第 2001-19594號(2001年01月23日公開)中公開了利用等離子體作為輔助熱源的技術(shù)。但是,利用等離子體作為輔助熱源的方式存在使得用于硅熔融的設(shè)備變得復(fù)雜的問題,并且還存在由冷卻銅引起的30%以上的熱損失而導(dǎo)致效率降低的問題。為了解決上述石墨坩堝的問題和水冷銅坩堝的問題,韓國公開專利公報第 10-2006-0016659號(2006年02月22日公開)中公開了水冷銅坩堝(冷坩堝)和石墨坩堝(熱坩堝)結(jié)合的坩堝結(jié)構(gòu)。圖2中示出上述結(jié)構(gòu)。圖2所示的坩堝具有在銅材質(zhì)的冷坩堝220上部放置石墨材質(zhì)的熱坩堝250的結(jié)構(gòu)。熱坩堝250的上端部沿圓周方向形成一體,從熱坩堝250的下端部到冷坩堝220下端部,由縱方向的多個狹縫(slit)230分割成區(qū)間(Segment)240。并且,熱坩堝250外部被絕熱材260絕熱,以提高硅的加熱效果和保護(hù)感應(yīng)線圈210。能夠通過上述坩堝結(jié)構(gòu),在使用石墨材質(zhì)的熱坩堝250形成初始熔液后,將遍及熔液的整個縱向區(qū)間作用于熔液的電磁壓保持在大于熔液的靜水壓(hydraulic pressure)的狀態(tài),并對原料進(jìn)行加熱及熔融,從而提高加熱及熔融效率。但是,上述坩堝結(jié)構(gòu)作為冷坩堝和熱坩堝結(jié)合的結(jié)構(gòu),比石墨坩堝等一體型坩堝難制作。并且,如圖2所示,上部石墨材質(zhì)的熱坩堝只起到作為輔助熱源的作用,還是主要在冷坩堝中進(jìn)行硅鑄造,因此存在無法避免由水冷引起的熱損失的問題。并且,現(xiàn)有的水冷銅坩堝能夠通過電磁感應(yīng)熔融防止熔液和坩堝內(nèi)側(cè)壁接觸,但因熔液和坩堝內(nèi)部底部的接觸而依然存在硅或坩堝污染的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝及利用其的硅熔融精煉裝置,其能夠解決在石墨坩堝中熔液和石墨接觸的問題和水冷銅坩堝中由水冷引起的熱損失問題。根據(jù)本發(fā)明中的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,該石墨坩堝是上部開放以裝入硅原料,外側(cè)壁被感應(yīng)線圈圍繞的呈圓筒形結(jié)構(gòu)的石墨材質(zhì)的坩堝,其特征在于,形成有貫通上述坩堝的外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁的鉛直方向的多個第一狹縫,并形成有從圓板形坩堝底部的邊緣到中心方向的鉛直方向的多個第二狹縫。根據(jù)本發(fā)明的利用硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝的硅熔融精煉裝置,其特征在于, 包括坩堝,其為石墨材質(zhì),具有圓筒形結(jié)構(gòu),該坩堝的上部開放,并具有貫通外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁的鉛直方向的多個第一狹縫及從圓板形坩堝底部的邊緣處到中心方向的鉛直方向的多個第二狹縫,以及感應(yīng)線圈,其圍繞上述坩堝的外側(cè)壁;由上述坩堝的上部裝入的硅原料被間接熔融而形成的熔液不與坩堝的內(nèi)側(cè)壁及坩堝的內(nèi)部底面接觸地進(jìn)行感應(yīng)熔融。由于本發(fā)明即便利用廉價的石墨坩堝,也能夠結(jié)合間接熔融方式和基于電磁感應(yīng)的非接觸直接熔融方式,因而能夠消除熔液和石墨接觸的問題和熱損失問題,而實現(xiàn)高效的硅電磁感應(yīng)熔融,并且提供基于硅熔液攪拌的高純度精煉效果。
圖1表示現(xiàn)有技術(shù)中的碳化硅涂敷在表面的石墨坩堝剖面。圖2表示現(xiàn)有技術(shù)中的在冷坩堝上部結(jié)合有熱坩堝的坩堝結(jié)構(gòu)。圖3表示多個第一狹縫形成于側(cè)壁的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝結(jié)構(gòu)。
圖4及圖5表示在現(xiàn)有水冷銅坩堝和側(cè)壁顯示本發(fā)明的石墨坩堝的坩堝內(nèi)部磁場密度的數(shù)值分析結(jié)果。圖6表示在側(cè)壁形成有多個第一狹縫時的作用于硅熔液的靜水壓和電磁壓的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。圖7表示本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝結(jié)構(gòu)。圖8表示本發(fā)明的在硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝的底部沿鉛直方向形成有多個第二狹縫時的作用于硅熔液的表面的電磁壓數(shù)據(jù)分析結(jié)果。圖9表示形成于圖7所示的石墨坩堝的底部的第二狹縫的例子。
具體實施例方式以下,參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝及利用其的硅熔融精煉裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。圖3表示多個第一狹縫形成于側(cè)壁的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝結(jié)構(gòu)圖3所示的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝300構(gòu)成上部開放的圓筒形結(jié)構(gòu)。坩堝的外側(cè)壁321在進(jìn)行硅熔融工序時被感應(yīng)線圈301圍繞。硅原料通過開放的坩堝上部裝入坩堝內(nèi)部。參照圖3,形成有貫通內(nèi)側(cè)壁322和外側(cè)壁321的鉛直方向的多個第一狹縫310。 在未形成有狹縫的一般的硅熔融用石墨坩堝的情況下,電磁波被石墨屏蔽,因此在坩堝內(nèi)部電磁力幾乎不發(fā)生作用。但是,實驗結(jié)果表明,如圖3所示,當(dāng)形成了貫通坩堝外側(cè)壁321和內(nèi)側(cè)壁322的鉛直方向的多個第一狹縫310時,即使是石墨材質(zhì)的坩堝也未屏蔽電磁波,電磁力強(qiáng)烈作用于坩堝內(nèi)部。圖4及圖5表示在現(xiàn)有水冷銅坩堝和側(cè)壁顯示本發(fā)明的石墨坩堝的坩堝內(nèi)部磁場密度的數(shù)值分析結(jié)果。參照圖4及圖5可以看出,如同本發(fā)明一樣在石墨坩堝中形成鉛直方向的多個第一狹縫(圖5)的情況相比現(xiàn)有水冷銅坩堝(圖4),石墨坩堝內(nèi)部的磁場密度反而更高。這就表明,在石墨坩堝中形成鉛直方向的第一狹縫的情況下,電磁力也相應(yīng)地強(qiáng)烈地向坩堝內(nèi)部中心方向發(fā)生作用。由此,隨著電流在感應(yīng)線圈301中流通而引起的電磁力向坩堝內(nèi)部的中心方向發(fā)生作用,從而使熔融的硅因電磁力不會與坩堝內(nèi)側(cè)壁322接觸。即使電磁力向坩堝內(nèi)部中心方向發(fā)生作用,如果其作用力小于重力引起的靜水壓,則熔液將會擴(kuò)張。因此,需要有大于靜水壓的電磁力向坩堝內(nèi)部中心方向發(fā)生作用。圖6表示本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝的鉛直方向的熔液的靜水壓和電磁壓。參照圖6可以看出,在石墨坩堝中未形成多個第一狹縫310的情況下,作用于硅熔液的電磁壓低于靜水壓。因此,在這種情況下,幾乎不可能實現(xiàn)硅熔液的無接觸熔融。但是,可以看出在石墨坩堝中沿鉛直方向形成12個或24個狹縫310的情況下,向坩堝內(nèi)部中心方向發(fā)生作用的電磁壓相對高于要使熔液擴(kuò)張的靜水壓。
鉛直方向的多個第一狹縫310可以形成為從坩堝上部到達(dá)坩堝下部面324,如圖3 所示,也可以形成為從坩堝上部到達(dá)坩堝內(nèi)部的底面323。為了使要熔融的硅因電磁力而不會與坩堝內(nèi)側(cè)壁322進(jìn)行接觸,電磁力應(yīng)當(dāng)向坩堝內(nèi)部中心方向發(fā)生作用。為此,優(yōu)選的是,鉛直方向的多個第一狹縫310不傾向某一方向而以規(guī)定的間隔形成,使得由第一狹縫310分割的區(qū)間(Segment)具有相同的大小。并且,優(yōu)選的是,鉛直方向的多個第一狹縫310沿坩堝半徑方向(中心方向)形成,使得電磁力向坩堝內(nèi)部中心方向發(fā)生作用。熔液會與坩堝內(nèi)部底面323接觸,因此需要防止熔液和坩堝內(nèi)部底面323的石墨發(fā)生接觸。為此,在本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝中,不僅形成有上述多個第一狹縫 310,而且還在圓板形坩堝底部形成有多個第二狹縫。圖7表示本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝結(jié)構(gòu)。參照圖7,在本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝600中不僅形成有貫通外側(cè)壁 321和內(nèi)側(cè)壁322的鉛直方向的多個第一狹縫310,而且還形成有從坩堝底部(圖9的800) 的邊緣810沿中心820方向的鉛直方向的多個第二狹縫610。形成于坩堝底部800的多個第二狹縫610起到使從形成于坩堝側(cè)壁的多個第一狹縫310集中到地面的渦電流(eddy current)分散的作用。此時,由于通過外部電磁場形成的渦電流在坩堝內(nèi)側(cè)壁322和底部800的坩堝內(nèi)部底面323表面集中而流通,因而即使多個第二狹縫610沒有像外側(cè)壁321似的完全斷路,也能充分形成下部熔液的無接觸。圖8表示在底部形成有多個第二狹縫的坩堝內(nèi)部作用于熔液表面的電磁力的數(shù)據(jù)分析結(jié)果??梢钥闯?,在坩堝底部800形成有多個第二狹縫610的情況下,即使沒有像外側(cè)壁321似的完全斷路,也如同圖6所示的在底部如同形成有多個第二狹縫的坩堝一樣具有充分大于熔液靜水壓的電磁力。此時,如圖9所示,作為坩堝底部的第二狹縫610的交叉點的底部中心點820使所有底部的第二狹縫610都在此斷路,以防止渦電流集中到底部中心部。這種形成于底部中心820的斷路部分起到防止底部800渦電流的集中現(xiàn)象,并防止由此引起的中心部的溫度急劇上升的作用。圖9是表示形成于圖7所示的石墨坩堝的底部的多個第二狹縫的例子的圖。在這里,坩堝底部800呈圓板形,其上部面成為坩堝內(nèi)部底面323,下部面與坩堝底部324 —致。參照圖9,多個第二狹縫610形成為從坩堝底部800的邊緣810到達(dá)中心820,此時底部800的中心必須要斷路。多個第二狹縫610與第一狹縫310相同,優(yōu)選為以規(guī)定的間隔形成。根據(jù)不同情況,多個第一狹縫310和多個第二狹縫610可以形成為部分或全部相連。硅在本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝600中被熔融的過程如下。當(dāng)電流在圍繞坩堝外側(cè)壁321的感應(yīng)線圈301流通時,石墨坩堝將進(jìn)行感應(yīng)加熱。 裝入石墨坩堝內(nèi)部的硅原料通過經(jīng)加熱的石墨坩堝的熱量從底部開始間接熔融,經(jīng)過規(guī)定時間后,形成1400°C 1500°C左右的熔液。由于硅在熔融溫度以上的溫度下具有導(dǎo)電體性質(zhì),因而通過間接熔融形成的熔液進(jìn)行感應(yīng)熔融,同時向上部方向移動而進(jìn)行熔液攪拌。并且,在向坩堝內(nèi)部中心方向作用的電磁力的作用下,熔液不與坩堝內(nèi)側(cè)壁322的接觸地實現(xiàn)直接的電磁感應(yīng)熔融。而且,由于在坩堝底部800形成從邊緣810沿中心820方向的鉛直方向的多個第二狹縫610,因而集中到坩堝底部800的渦電流進(jìn)行分散,并在坩堝內(nèi)部底面323的表面集中而流通,從而熔液也不會與坩堝內(nèi)部底面323接觸。完全熔融的熔液不與坩堝內(nèi)側(cè)壁322接觸,并且在熔液內(nèi)部繼續(xù)進(jìn)行攪拌,同時雜質(zhì)向熔液的表面移動。通過上述過程,能夠得到高純度的硅。本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝可以適用于硅熔融精煉裝置。在這種情況下,硅熔融精煉裝置包括圖7所示的石墨坩堝600和圍繞坩堝的外側(cè)壁321的感應(yīng)線圈 301。利用電磁感應(yīng)熔融進(jìn)行硅的熔融精煉,具體通過結(jié)合以下間接熔融及直接熔融而進(jìn)行。在進(jìn)行硅的熔融精煉時,由坩堝上部裝入的硅原料通過因在感應(yīng)線圈301中流通的電流而感應(yīng)加熱的石墨坩堝的熱量進(jìn)行間接熔融而形成熔液,由在感應(yīng)線圈301中流通的電流產(chǎn)生的電磁力向坩堝內(nèi)部中心方向產(chǎn)生作用,從而熔液不與坩堝內(nèi)側(cè)壁322接觸地進(jìn)行感應(yīng)熔融。并且,向坩堝底部800集中的渦電流通過形成于底部800的多個第二狹縫 610進(jìn)行分散,從而熔液也不會與坩堝內(nèi)部底面323接觸。此時,從硅原料到熔液的形成過程由于是通過石墨坩堝的熱量而實現(xiàn),因而可視為間接熔融,熔液不與坩堝內(nèi)側(cè)壁及坩堝內(nèi)部底面323接觸地實現(xiàn)感應(yīng)熔融的過程可視為
直接熔融。本發(fā)明的硅熔融精煉裝置即便利用廉價的石墨坩堝,也能 夠?qū)崿F(xiàn)坩堝內(nèi)側(cè)壁322 及坩堝內(nèi)部底面323的無接觸熔融,因此能夠防止硅或坩堝的污染。并且,由于在熔融初期通過石墨坩堝的熱量實現(xiàn)間接熔融,因而不需要額外的熱源。并且,由于利用石墨材質(zhì)的坩堝而不需要水冷,因而不存在造成熱損失的問題。以上以本發(fā)明的實施例為中心進(jìn)行了說明,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行若干變更或變形。上述變更和變形在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此,本發(fā)明的權(quán)利范圍應(yīng)當(dāng)由權(quán)利要求書中記載的內(nèi)容進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,該石墨坩堝是上部開放以裝入硅原料,外側(cè)壁被感應(yīng)線圈圍繞的呈圓筒形結(jié)構(gòu)的石墨材質(zhì)的坩堝,其特征在于,形成有貫通上述坩堝的外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁的鉛直方向的多個第一狹縫,并形成有從圓板形的坩堝底部的邊緣到中心方向的鉛直方向的多個第二狹縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,其特征在于,上述多個第二狹縫從上述坩堝底部的邊緣形成到上述坩堝底部的中心為止,但在上述坩堝底部的中心斷路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,其特征在于,上述多個第一狹縫從上述坩堝的上部形成到上述坩堝的內(nèi)部的底面部分為止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,其特征在于,上述多個第一狹縫和上述多個第二狹縫以規(guī)定的間隔形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,其特征在于,上述多個第一狹縫沿上述坩堝的內(nèi)部中心方向形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,其特征在于,上述硅原料被感應(yīng)加熱的上述坩堝間接熔融而形成熔液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝,其特征在于,由在上述感應(yīng)線圈中流通的電流產(chǎn)生的電磁力向上述坩堝的內(nèi)部中心方向發(fā)生作用,從而使上述形成的熔液因向上述坩堝的內(nèi)部中心方向發(fā)生作用的電磁力而不會與上述坩堝的內(nèi)側(cè)壁接觸地進(jìn)行感應(yīng)熔融。
8.一種硅熔融精練裝置,其特征在于,包括坩堝,其為石墨材質(zhì),具有圓筒形結(jié)構(gòu),該坩堝的上部開放,并具有貫通外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁的鉛直方向的多個第一狹縫及從圓板形的坩堝底部的邊緣處到中心方向的鉛直方向的多個第二狹縫,以及感應(yīng)線圈,其圍繞上述坩堝的外側(cè)壁;由上述坩堝的上部裝入的硅原料被間接熔融而形成的熔液不與坩堝的內(nèi)側(cè)壁及坩堝的內(nèi)部底面接觸地進(jìn)行感應(yīng)熔融。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅熔融精練裝置,其特征在于,上述多個第二狹縫從上述坩堝底部的邊緣形成到上述坩堝的底部的中心為止,但在上述坩堝底部的中心斷路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅熔融精練裝置,其特征在于,上述多個第一狹縫從上述坩堝的上部形成到上述坩堝的內(nèi)部的底面部分為止。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅熔融精練裝置,其特征在于,上述多個第一狹縫和上述多個第二狹縫以規(guī)定的間隔形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅熔融精練裝置,其特征在于,上述多個第一狹縫沿上述坩堝的內(nèi)部中心方向形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)間接熔融及直接熔融的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝及利用該石墨坩堝的硅熔融精煉裝置。本發(fā)明的硅電磁感應(yīng)熔融用石墨坩堝是上部開放以裝入硅原料,外側(cè)壁被感應(yīng)線圈圍繞的呈圓筒形結(jié)構(gòu)的石墨材質(zhì)的坩堝,在該石墨坩堝中,形成有貫通上述坩堝的外側(cè)壁和內(nèi)側(cè)壁的鉛直方向的多個第一狹縫,并形成有從圓板形坩堝底部的邊緣到中心方向的鉛直方向的多個第二狹縫。
文檔編號C30B13/14GK102177282SQ200880131510
公開日2011年9月7日 申請日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日
發(fā)明者劉權(quán)鐘, 安永洙, 張普允, 樸相炫, 金東國, 金儁秀 申請人:韓國 Energy 技術(shù)研究院