專利名稱：一種用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導體行業(yè)中晶體硅鑄造設備領(lǐng)域，具體涉及一種晶體硅鑄錠爐內(nèi)的坩堝保護裝置。
背景技術(shù)：
晶體硅鑄錠爐內(nèi)有用于提供晶體硅生長所需熱場的裝置，可以提供晶體硅生長所需的高溫溫度區(qū)，該裝置通常由耐高溫材料制成，主要部件包括石墨加熱器和碳纖維保溫層，對石墨加熱器輸入電流生成焦爾熱，加熱放置在熱場中央的硅原料，碳纖維保溫層保持高溫，將硅原料熔化后重新結(jié)晶生長晶體硅。
上述過程中，放置硅原料的容器為石英坩堝，由于石英坩堝的軟化溫度低于硅的熔點，因此在高溫環(huán)境下，石英坩堝必須由保護板圍合加以固定，防止石英坩堝變形太嚴重導致石英坩堝破裂。所用的保護板通常用石墨材料加工而成，引起石英坩堝變形的力來自于硅原料熔化后，硅熔液對坩堝側(cè)面和底面的液體靜壓力，因此，坩堝側(cè)面的保護板的高度需要高于硅熔液的液面高度。所述硅原料通常為西門子法生成的塊狀原生多晶硅，在堆積時具有30%左右的空隙率，為了充分利用石英坩堝，裝料時硅原料往往堆放得盡量高，一般會高于石英坩堝10(T250mm，即使這樣，在硅原料熔化后，硅液面離石英坩堝上端仍有100"200mm 的余量。在現(xiàn)有晶體硅鑄錠爐內(nèi)的坩堝保護裝置中，有兩種類型一種是不具有氣體導流作用的坩堝保護裝置，如圖I所示，該裝置包括一塊放置在石英坩堝底部的坩堝底板和4塊保護坩堝側(cè)面的坩堝側(cè)板，坩堝側(cè)板之間通過螺紋連接緊固在一起，為了節(jié)約坩堝側(cè)板的材料和加工成本，坩堝側(cè)板的高度僅高于硅熔液液面(Tl50mm，但低于石英坩堝的高度。另一種裝置是具有氣體導流作用的坩堝保護裝置，如圖2所示，該裝置除了設有坩堝底板和坩堝側(cè)板外，還設有坩堝蓋板，坩堝蓋板放置在坩堝側(cè)板上面，在坩堝蓋板中央設有開孔，通常氣體從氣體導入管導入，通過坩堝蓋板的開孔，流入到硅熔液液面上方，最后從坩堝側(cè)板上的開孔或開槽流出(圖2中所示為開孔)。所述的氣體通常為氬氣或氫氣，可以在熱場內(nèi)部形成保護氣氛，同時帶走從硅熔液揮發(fā)出的雜質(zhì)。在不具有氣體導流作用的坩堝保護裝置中，坩堝側(cè)板的高度較低，只要坩堝側(cè)板的高度高于硅液面的高度，即可起到防止石英坩堝軟化的作用；而在具有氣體導流作用的坩堝保護裝置中，坩堝側(cè)板的高度需要高于石英坩堝20(T300mm，目的在于放置坩堝蓋板之后，坩堝蓋板不會與堆放高度高于石英坩堝的硅原料相接觸。由此可見，如果坩堝保護裝置需要起到氣體導流作用，則坩堝側(cè)板的高度需要增加25(T500mm，而常用的制造坩堝側(cè)板的耐高溫材料為等靜壓石墨，大尺寸高強度的等靜壓石墨材料制造難度比尺寸相對較小的等靜壓石墨要高很多，這將導致坩堝側(cè)板的采購制造加工成本提高很多。采用加高的坩堝側(cè)板還存在另外一個不利影響，由于坩堝側(cè)板為石墨材料加工而成，其主要元素為碳元素，氣體從坩堝蓋板上方氣體導入管導入，經(jīng)坩堝蓋板開孔，流入到硅熔液液面上方，最終從坩堝側(cè)板的孔或槽流出，在氣體流出坩堝側(cè)板的孔或槽之前，將反復沖刷坩堝側(cè)板的表面，坩堝側(cè)板的碳元素被氣流帶入到硅熔液中，導致最終的晶體硅質(zhì)量下降。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供了一種結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用安全的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，能夠有效降低坩堝保護裝置的成本，同時減少晶體硅中被氣流帶入的坩堝側(cè)板表面的碳兀素，提聞晶體娃的質(zhì)量。一種用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，包括坩堝底板、帶有導氣孔的坩堝蓋板、繞所述坩堝底板邊緣立置的坩堝側(cè)板，所述坩堝側(cè)板的頂部設有支撐所述坩堝蓋板的支撐柱。石英坩堝放置在坩堝底板上，坩堝側(cè)板圍在石英坩堝外側(cè)，坩堝側(cè)板頂部的支撐·柱用于延伸坩堝側(cè)板的高度，因為生長晶體硅所用的硅原料通常為西門子法生成的塊狀原生多晶硅，在堆積時具有30%左右的空隙率，為了充分利用石英坩堝，裝料時硅原料往往堆放得盡量高，高于石英坩堝側(cè)壁的高度，為了裝料后，坩堝蓋板不與硅原料相接觸，支撐柱的上端面需高于石英坩堝上端面，帶有導氣孔的坩堝蓋板放置在支撐柱頂端。所述的坩堝側(cè)板的高度至少不低于硅溶液液面的高度，支撐柱起到了延伸坩堝側(cè)板的作用，在達到保護石英坩堝目的的同時，大大降低了坩堝側(cè)板的高度，減少了坩堝側(cè)板的制造加工成本。所述支撐柱可由石墨或鑰等耐高溫材料加工而成，可以加工成圓柱形或長方體形，將支撐柱插入坩堝側(cè)板上端面相應的孔中，坩堝蓋板可以用相同的方式固定在支撐柱上方。導氣孔連接有氣體導入管，用于將氣流導入到硅溶液上方，帶走硅溶液揮發(fā)出的雜質(zhì)。作為優(yōu)選，所述支撐柱至少為四根，相鄰的支撐柱間留有氣體流出間隙。支撐柱可以排列成柵欄狀，支撐柱間形成的間隙，起到排出保護氣流的作用，若支撐柱由石墨材料加工而成，柵欄狀的結(jié)構(gòu)也減少了被氣流沖刷的支撐柱的石墨表面，減少了在娃晶體中帶入碳兀素的幾率，提聞了娃晶體的品質(zhì)。作為優(yōu)選，相鄰的支撐柱間設有耐高溫擋板。保護氣體滯留硅溶液表面的時間越長，帶走硅溶液揮發(fā)出的雜質(zhì)的效果越好，因此，需要增加保護氣流從支撐柱間隙流出的阻力，可以通過在部分支撐柱間隙設置耐高溫薄板來實現(xiàn)。所述的耐高溫薄板不應揮發(fā)出碳元素，同時，采購制造成本應盡可能低，可以采用厚度為O. 2^2mm的鑰片或含鑰的耐高溫合金片，通過螺栓或其他方式固定在支撐柱、坩堝側(cè)板或坩堝蓋板上。作為優(yōu)選，所述的耐高溫擋板貼近所述坩堝蓋板設置，所述氣體流出間隙位于所述耐高溫擋板與坩堝側(cè)板之間。作為優(yōu)選，所述支撐柱與坩堝側(cè)板通過螺紋連接。支撐柱與坩堝側(cè)板通過螺紋連接，可以使連接更加牢固。[0023]作為優(yōu)選，所述坩堝蓋板的導氣孔位于坩堝蓋板的中央。坩堝蓋板的導氣孔位于坩堝蓋板的中央可以使保護氣流均勻分布在硅溶液液面。作為優(yōu)選，所述坩堝蓋板由至少兩塊板拼接而成，所述坩堝蓋板設有加強肋條。為盡可能減少坩堝蓋板表面的碳元素揮發(fā)，坩堝蓋板可使用不揮發(fā)碳元素的材料，如采用鑰或含鑰耐高溫合金。坩堝蓋板也可以用多層結(jié)構(gòu)，面向硅溶液的一面為耐高溫含鑰合金加工的薄片，薄片的上方用石墨或碳纖維制成的肋條加固，考慮到成本因素，面向硅溶液一面的耐高溫薄片可以用多塊板拼接而成，在拼接處用耐高溫材料加固。坩堝蓋板面積大于石英坩堝開口截面積。常用的石英坩堝開口截面為正方形，坩堝蓋板為了充分覆蓋石英坩堝開口，也應加工為近似正方形，其面積應大于石英坩堝的開口截面積。作為優(yōu)選，所述導氣孔為圓形。導氣孔為圓形，可以使引入的保護氣流均勻覆蓋硅溶液表面。本實用新型提供的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，在有效保護石英坩堝的同時，大大降低坩堝保護裝置的加工制造成本，同時，減少了晶體硅產(chǎn)品中碳元素的含量，提聞了晶體娃的質(zhì)量。

圖I是現(xiàn)有技術(shù)中不具有氣流導流作用的坩堝保護裝置；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中具有氣流導流作用的坩堝保護裝置；圖3是本實用新型坩堝保護裝置的第一種實施方式的示意圖；圖4是本實用新型坩堝保護裝置的第二種實施方式的示意圖；圖5是本實用新型坩堝保護裝置的第三種實施方式的示意圖；圖6是本實用新型坩堝保護裝置的第四種實施方式的示意圖。
具體實施方式
圖I為現(xiàn)有技術(shù)中不具有氣體導流作用的晶體硅鑄錠爐內(nèi)的坩堝保護裝置示意圖。該裝置由坩堝側(cè)板7和坩堝底板2構(gòu)成,坩堝側(cè)板7和坩堝底板2均采用石墨材料加工。四塊坩堝側(cè)板7放置在石英坩堝3的四個側(cè)面，坩堝底板2放置在石英坩堝3的底部，其中坩堝側(cè)板7的高度低于石英坩堝3的高度。四塊坩堝側(cè)板I之間用螺桿和螺母連接在一起，防止石英坩堝變形。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中具有氣體導流作用的晶體硅鑄錠爐內(nèi)的坩堝保護裝置示意圖，與圖I不同之處在于坩堝側(cè)板7的高度高于石英坩堝3的高度，在坩堝側(cè)板7上安裝了坩堝蓋板6，坩堝蓋板6中央有導氣孔，導氣孔連接有氣體導入管9，坩堝蓋板6水平放置在坩堝側(cè)板7上。坩堝側(cè)板7上，對應高于石英坩堝的位置留有開孔10，以方便氣流流出。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步描述。實施例I如圖3所示，一種用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置包括四塊坩堝側(cè)板7、一塊坩堝底板2、十二根支撐柱8、一根氣體導入管9和一塊坩堝蓋板6。坩堝底板2、坩堝側(cè)板7和坩堝蓋板6均為平板狀。石英坩堝3放置在坩堝底板2上，四塊坩堝側(cè)板7放置在石英坩堝3的外側(cè)，支撐柱8通過螺紋安裝在坩堝側(cè)板7的上端面，坩堝蓋板6放置在支撐柱8的上面，由支撐柱承重。坩堝蓋板6的中心設有導體孔，氣體導入管9與導氣孔連通。坩堝側(cè)板7和坩堝底板2由石墨材料加工，坩堝蓋板6由鑰材料加工，支撐柱8由石墨材料加工。安裝后，支撐柱8的上端面高度高于石英坩堝3的高度，這樣在坩堝蓋板6與石英坩堝3上端面之間留出了足夠的間隙，保證裝料時，塊狀硅原料堆放高度高于石英坩堝的高度時，坩堝蓋板不與硅原料接觸。在晶體硅鑄錠爐內(nèi)進行晶體硅生長時，在所用石英坩堝外部安裝此坩堝保護裝置，氣流從氣體導入管流入，流經(jīng)硅熔液液面，最終從支撐柱與支撐柱之間的間隙流出。由于支撐柱的表面較小，揮發(fā)出的碳元素及雜質(zhì)也相應較少，因此與現(xiàn)有技術(shù)(見圖2)相比，將進入硅熔液的碳元素與雜質(zhì)含量降到盡可能低，提高了硅晶體產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，大大減小了所用的坩堝側(cè)板7的尺寸，使得坩堝保護裝置制造成本大幅下降。實施例2 本實用新型的第二種實施方式如圖4所示，與第一種實施方式的不同之處在于為了使氣流盡可能地滯留在硅熔液液面上方，用O. 5mm的鑰片Ila將支撐柱8之間的大部分間隙圍住，僅在石英坩堝3上方留有IOmm的縫隙，作為氣流流出的通道。在提高氣流在硅熔液液面滯留時間的同時，由于鑰片不揮發(fā)碳元素，還隔離了部分支撐柱8的碳元素揮發(fā)表面，使得降低硅熔液中碳元素含量的效果得到了進一步提升。實施例3本實用新型的第三種實施方式如圖5所示，與第二種實施方式的不同之處在于鑰片Ilb蓋住了石英坩堝與坩堝蓋板之間的全部間隙，為了使氣流流出，在鑰片Ilb上設有開孔13。實施例3的方式可使硅熔液中碳元素的含量得到更進一步的降低。實施例4本實用新型第四種實施方式如圖6所示，與第三種實施方式的不同之處在于坩堝蓋板6由兩種材料加工而成，面向硅熔液的一面用4片耐高溫鑰錸合金加工的合金薄片15a、合金薄片15b、合金薄片15c和合金薄片15d拼接而成,在合金薄片的拼接處上方，同時也是支撐柱的承重位置，用碳碳復合材料加工的肋片16加固。合金薄片的厚度為O. 2mm。這樣既可以降低合金薄片的厚度，降低成本，又可以保證坩堝蓋板具有足夠的強度，面向硅溶液的合金薄片不揮發(fā)碳元素，保證了晶體硅的質(zhì)量。
權(quán)利要求1.一種用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，包括坩堝底板(2)、帶有導氣孔的坩堝蓋板(6)、繞所述坩堝底板(2)邊緣立置的坩堝側(cè)板(7)，其特征在于，所述坩堝側(cè)板(7)的頂部設有支撐所述坩堝蓋板(6)的支撐柱(8)。
2.如權(quán)利要求I所述的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，其特征在于，所述支撐柱(8)至少為四根，相鄰的支撐柱(8)間留有氣體流出間隙。
3.如權(quán)利要求2所述的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，其特征在于，相鄰的支撐柱(8)間設有耐高溫擋板。
4.如權(quán)利要求3所述的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，其特征在于，所述的耐高溫擋板貼近所述坩堝蓋板(6)設置，所述氣體流出間隙位于所述耐高溫擋板與坩堝側(cè)板(7)之間。
5.如權(quán)利要求I所述的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，其特征在于，所述支撐柱(8)與坩堝側(cè)板(7)通過螺紋連接。
6.如權(quán)利要求I所述的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，其特征在于，所述坩堝蓋板(6)的導氣孔位于坩堝蓋板(6)的中央。
7.如權(quán)利要求I飛任一所述的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，其特征在于，所述坩堝蓋板(6)由至少兩塊板拼接而成，所述坩堝蓋板(6)設有加強肋條(16)。
8.如權(quán)利要求7所述的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，其特征在于，所述導氣孔為圓形。
專利摘要本實用新型公開了一種用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，包括坩堝底板、帶有導氣孔的坩堝蓋板、繞所述坩堝底板邊緣立置的坩堝側(cè)板，所述坩堝側(cè)板的頂部設有支撐所述坩堝蓋板的支撐柱。本實用新型提供的用于晶體硅鑄錠爐的坩堝保護裝置，在有效保護石英坩堝的同時，大大降低坩堝保護裝置的加工制造成本，同時減少了晶體硅產(chǎn)品中碳元素的含量，提高了晶體硅的質(zhì)量。
文檔編號C30B28/06GK202595326SQ201220207658
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者熊紅兵 申請人:熊紅兵