專利名稱：一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種石墨坩堝，尤其是一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝。
背景技術(shù)：
[0002]當(dāng)前制備單晶硅主要由兩種技術(shù)，根據(jù)晶體生長(zhǎng)方式不同，可以分為區(qū)熔單晶硅和直拉單晶硅。直拉單晶硅主要應(yīng)用于微電子集成電路和太陽(yáng)能電池方面，是單晶硅的主體。[0003]直拉法是運(yùn)用熔體的冷凝結(jié)晶驅(qū)動(dòng)原理，在固液界面處，藉由熔體溫度下降，將產(chǎn)生由液體轉(zhuǎn)換成固態(tài)的相變化。為了生長(zhǎng)質(zhì)量合格(硅單晶電阻率、氧含量及氧濃度分布、 碳含量、金屬雜質(zhì)含量、缺陷等)的單晶硅棒，在采用直拉法生長(zhǎng)時(shí)，必須考慮以下問(wèn)題。首先是根據(jù)技術(shù)要求，選擇使用合適的單晶生長(zhǎng)設(shè)備，其次是要掌握一整套單晶硅的制備工藝、技術(shù)，包括(1)單晶硅系統(tǒng)內(nèi)的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，確保晶體生長(zhǎng)有合理穩(wěn)定的溫度梯度；(2) 單晶硅生長(zhǎng)I系統(tǒng)內(nèi)的氬氣氣體系統(tǒng)設(shè)計(jì)；(3)單晶硅挾持技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；(4)為了提高生產(chǎn)效率的連續(xù)加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；(5)單晶硅制備工藝的過(guò)程控制。[0004]熱的傳輸靠三種主要模式，亦即輻射、對(duì)流及熱傳導(dǎo)。由于晶體的生長(zhǎng)是在高溫下進(jìn)行，所以這三種模式都存在于系統(tǒng)中。在直拉法里，熔體是藉由石墨加熱器的輻射熱而被加熱，而熔體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)則是主要靠著對(duì)流，晶棒內(nèi)部的熱傳輸主要靠著傳導(dǎo)。另外，從液面及晶棒表面散失到外圍的熱則是藉由輻射作用。系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布對(duì)晶體生長(zhǎng)質(zhì)量有很大的影響。包括缺陷的密度與分布、氧的析出物生成等。[0005]CZ法內(nèi)的硅晶體的生長(zhǎng)界面通常是向上擴(kuò)展(沿晶體生長(zhǎng)方向)，所以，常用的盛放硅料的石英坩堝其內(nèi)底表面呈球狀或弧狀，石英坩堝置于石墨坩堝內(nèi)，石墨坩堝的內(nèi)底表面呈相適應(yīng)的球狀或弧狀，坩堝外底部也做成相適應(yīng)的球狀。制備硅籽晶時(shí)，由坩堝側(cè)面的加熱器件提供熱源，造成熔體的外側(cè)溫度比中心軸高，熔體底端比液面溫度高，由于硅料的密度隨溫度增加而降低，因此底部的熔體會(huì)藉由浮力往上流動(dòng)，制備體系通過(guò)石墨坩堝壁與兩側(cè)的加熱元件進(jìn)行熱交換，而弧狀的石墨坩堝壁散熱效果不太理想。由于現(xiàn)有石墨坩堝的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存在著傳熱效率低、加熱緩慢、加熱時(shí)間長(zhǎng)、能耗高等缺點(diǎn)；此外，硅的制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣體，氣體遇冷后凝結(jié)成液體會(huì)順著弧形的底面流到石墨坩堝的底托上， 最后造成石墨坩堝與底托粘連。減少了坩堝的使用壽命，不利于單晶硅的生產(chǎn)。[0006]有鑒于此特提出本實(shí)用新型。實(shí)用新型內(nèi)容[0007]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種直拉法制備單晶硅所使用的側(cè)壁外表面帶螺紋狀氣體導(dǎo)流槽的石墨坩堝，使其具有更理想的傳熱性能， 并且優(yōu)化熱場(chǎng)溫度控制穩(wěn)定性，改善拉晶過(guò)程中的氣流導(dǎo)向，使得排氣更順暢。[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用技術(shù)方案的基本構(gòu)思是一種直拉法制備單晶娃所使用的石墨樹(shù)禍，包括由底部與側(cè)壁組成的石墨樹(shù)禍本體，所述的石墨樹(shù)禍本體側(cè)壁外表面均勻分布有內(nèi)凹的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽與水平面之間具有 20° 70°的傾斜夾角。[0009]所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽間隔為2 10mm，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽寬度為2 10mm， 深度小于10mm。[0010]優(yōu)選的，所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽與水平面之間的傾斜夾角為35° 55°。[0011]制備單晶硅的過(guò)程中根據(jù)單晶的生長(zhǎng)狀況，需要適當(dāng)?shù)纳郎鼗蛘呓禍匾宰寙尉ы樌L(zhǎng)，提高石墨坩堝的導(dǎo)熱性能非常重要。增加坩堝表面螺紋后，增大了熱傳導(dǎo)面積，提高熱傳導(dǎo)速度，這樣對(duì)熱場(chǎng)溫度的控制就會(huì)更有效及平穩(wěn)。在化料過(guò)程中，能夠更快的吸收加熱器供及的熱量，使化料速度加快；降溫與穩(wěn)定過(guò)程，能夠更快的散熱，使溫度能夠更快的降到目標(biāo)溫度。[0012]所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮蛴倚?。旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)樽笮€是右旋可根據(jù)搭配的設(shè)備及拉晶工藝設(shè)定決定，例如單晶爐進(jìn)排氣位置，石墨坩堝旋轉(zhuǎn)方向等。在石墨坩堝旋轉(zhuǎn)時(shí)，單晶爐內(nèi)氣體會(huì)在螺紋狀氣體導(dǎo)流槽的推動(dòng)下加速向下，這樣就使得爐內(nèi)排氣更順暢，減少氧化物的堆積，使成晶率更高。[0013]所述的石墨坩堝本體包括限定內(nèi)部容積的內(nèi)底面、內(nèi)側(cè)面以及限定傳熱面積的外底面、外側(cè)面，石墨坩堝本體的內(nèi)底面形狀與石英坩堝底部的形狀相適應(yīng)，其中，外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面均與石墨坩堝的中心軸平行，內(nèi)底面呈球弧狀，弧度半徑為R1，內(nèi)底面與內(nèi)側(cè)面之間為球弧形連接，弧度半徑為R2，所述的Rl大于或等于R2。[0014]所述的石墨坩堝本體側(cè)壁由至少兩塊相同的側(cè)壁部件組成；石墨坩堝本體底部為一獨(dú)立的個(gè)體結(jié)構(gòu)，或者由與側(cè)壁部件數(shù)量相同的底部部件組成，每個(gè)底部部件對(duì)應(yīng)與每個(gè)側(cè)壁部件為一體。[0015]為了方便石墨坩堝的取放和清理，石墨坩堝一般做成由至少三塊相同的由底部和側(cè)壁部件構(gòu)成的多瓣堝。本實(shí)用新型所述的石墨坩堝本體側(cè)壁包括三塊或四塊相同的側(cè)壁部件。[0016]此外改變石墨坩堝本體側(cè)壁厚度與底部厚度對(duì)石墨坩堝的熱傳導(dǎo)效果均存在影響，由于石墨坩堝本體底部呈球弧狀，側(cè)壁與底部也呈弧球狀連接，因此側(cè)壁與底部的厚度均為一個(gè)數(shù)值范圍，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨坩堝本體側(cè)壁厚度與底部厚度的比值范圍為I: 3 3 :1時(shí)，石墨坩堝的導(dǎo)熱性能較理想，當(dāng)比值范圍為I :2 2 :1時(shí)，效果最佳。[0017]采用上述技術(shù)方案后，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果。[0018]本實(shí)用新型在石墨坩堝側(cè)壁外表面設(shè)有螺紋狀氣體導(dǎo)流凹槽，能夠使得熱場(chǎng)排氣呈渦流狀，排氣更順暢，減少氧化物的堆積，使成晶率更高；實(shí)驗(yàn)表明，在該結(jié)構(gòu)輔助改善氣流的情況下，保持同等拉晶爐內(nèi)壓，氣體排出量多了 6% 10%，成晶率有2% 3%的提高。[0019]另外，螺紋狀氣體導(dǎo)流凹槽相對(duì)增大了石墨坩堝外表面的熱傳導(dǎo)面積，提高了熱傳導(dǎo)速度，這樣對(duì)熱場(chǎng)溫度的控制就會(huì)更有效及平穩(wěn)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在嚴(yán)格控制加工技術(shù)的情況下，增加表明螺紋對(duì)坩堝本身壽命沒(méi)有明顯影響；化料時(shí)間縮短了 4% 6% ;因?yàn)闇囟瓤刂聘_，成晶率相對(duì)有1% 2%的提高。[0020]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。4
[0021]圖I是本實(shí)用新型石墨坩堝結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖2是圖I中石墨坩堝A向示意圖；[0023]圖3是圖2中B處局部放大示意圖；[0024]圖4是本實(shí)用新型石墨樹(shù)禍本體底部不意圖。
具體實(shí)施方式
[0025]如圖I至圖4所示，本實(shí)用新型所述的石墨坩堝，包括由底部11與側(cè)壁12組成的石墨坩堝本體1，所述的石墨坩堝本體側(cè)壁12外表面均勻分布有內(nèi)凹的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽 2，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2與水平面之間具有傾斜夾角α，α為20° 70°，優(yōu)選為35° 55° ;螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2間隔LI為2 10mm，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽寬度L2為2 10mm， 深度L3小于IOmm (參閱圖3)，石墨坩堝本體側(cè)壁12厚度與底部11厚度的比值范圍為I : 3 3 :1。[0026]所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮蛴倚?。旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)樽笮€是右旋可根據(jù)搭配的設(shè)備及拉晶工藝設(shè)定決定，例如單晶爐進(jìn)排氣位置，石墨坩堝旋轉(zhuǎn)方向等。在石墨坩堝旋轉(zhuǎn)時(shí)，單晶爐內(nèi)氣體會(huì)在螺紋狀氣體導(dǎo)流槽的推動(dòng)下加速向下，這樣就使得爐內(nèi)排氣更順暢，減少氧化物的堆積，使成晶率更高。如圖I所示，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮0027]所述的石墨坩堝本體I包括限定內(nèi)部容積的內(nèi)底面D11、內(nèi)側(cè)面D12以及限定傳熱面積的外底面CU、外側(cè)面C12，外底面Cll與外側(cè)面C12相互垂直；石墨坩堝本體的內(nèi)側(cè)面 D12與豎直中心軸平行，內(nèi)底面Dll呈球弧狀，弧度半徑為Rl，內(nèi)底面Dll與內(nèi)側(cè)面D12之間為球弧形連接，弧度半徑為R2，Rl大于R2。[0028]所述的石墨坩堝本體側(cè)壁12由至少兩塊相同的側(cè)壁部件13組成；石墨坩堝本體底部11為一獨(dú)立的個(gè)體結(jié)構(gòu),或者由與側(cè)壁部件數(shù)量相同的底部部件組成,每個(gè)底部部件對(duì)應(yīng)與每個(gè)側(cè)壁部件為一體。[0029]實(shí)施例一[0030]本實(shí)施所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2與水平面之間的傾斜夾角α為35° 55°， 螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2間隔LI為3 6mm，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽寬度L2為4 8mm，深度L3為2 5mm0[0031]所述的石墨坩堝本體底部11厚度與側(cè)壁12厚度的比值范圍為I :2 2 :1。[0032]實(shí)施例二[0033]本實(shí)施所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2與水平面之間的傾斜夾角α為40° 50°， 螺紋狀氣體導(dǎo)流槽2間隔LI為4 6mm，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽寬度L2為5 8mm，深度L3為3 6mm ο[0034]所述的石墨坩堝本體底部11厚度與側(cè)壁12厚度的比值范圍為I :2 I :1。[0035]實(shí)施例三[0036]本實(shí)施例所述的石墨坩堝本體為兩瓣堝，包括兩塊相同的石墨坩堝組件，每塊石墨坩堝組件由底部部件和側(cè)壁部件構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)。[0037]實(shí)施例四[0038]本實(shí)施例所述的石墨坩堝本體為三瓣堝，包括三塊相同的石墨坩堝組件，每塊石墨坩堝組件由底部部件和側(cè)壁部件構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)。[0039]實(shí)施例五[0040]本實(shí)施例與實(shí)施例四的區(qū)別在于所述的石墨坩堝本體底部為一獨(dú)立的整體(參閱圖I和圖2)。[0041]實(shí)施例六[0042]本實(shí)施例所述的石墨坩堝本體為四瓣堝，包括由四塊相同側(cè)壁部件構(gòu)成的石墨坩堝本體側(cè)壁和一獨(dú)立的石墨坩堝本體底部。[0043]實(shí)施例七[0044]本實(shí)施例所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橛倚?，其他條件同上述實(shí)施例。[0045]上述實(shí)施例中的實(shí)施方案可以進(jìn)一步組合或者替換，且實(shí)施例僅僅是對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，并非對(duì)本實(shí)用新型的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)思想的前提下，本領(lǐng)域中專業(yè)技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作出的各種變化和改進(jìn)，均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，包括由底部與側(cè)壁組成的石墨坩堝本體，其特征在于所述的石墨坩堝本體側(cè)壁外表面均勻分布有內(nèi)凹的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽與水平面之間具有20° 70°的傾斜夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽間隔為2 10mm，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽寬度為2 10mm，深度小于 IOmm0
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于 所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽與水平面之間的傾斜夾角為35° 55°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于所述的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮蛴倚?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于所述的石墨坩堝本體包括限定內(nèi)部容積的內(nèi)底面、內(nèi)側(cè)面以及限定傳熱面積的外底面、外側(cè)面，其中，內(nèi)側(cè)面與石墨坩堝的中心軸平行，內(nèi)底面呈球弧狀，弧度半徑為R1，內(nèi)底面與內(nèi)側(cè)面之間為球弧形連接，弧度半徑為R2，所述的Rl大于或等于R2。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于所述的石墨坩堝本體側(cè)壁由至少兩塊相同的側(cè)壁部件組成；石墨坩堝本體底部為一獨(dú)立的個(gè)體結(jié)構(gòu)，或者由與側(cè)壁部件數(shù)量相同的底部部件組成，每個(gè)底部部件對(duì)應(yīng)與每個(gè)側(cè)壁部件為一體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于所述的石墨坩堝本體側(cè)壁包括三塊或四塊相同的側(cè)壁部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于所述的石墨坩堝本體底部厚度與側(cè)壁厚度的比值范圍為I :3 3 :1。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，其特征在于所述的石墨坩堝本體底部厚度與側(cè)壁厚度的比值范圍為I :2 2 :1。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種直拉法制備單晶硅所使用的石墨坩堝，包括由底部與側(cè)壁組成的石墨坩堝本體，所述的石墨坩堝本體側(cè)壁外表面均勻分布有內(nèi)凹的螺紋狀氣體導(dǎo)流槽，螺紋狀氣體導(dǎo)流槽與水平面之間具有傾斜夾角。所述的石墨坩堝本體包括限定內(nèi)部容積的內(nèi)底面、內(nèi)側(cè)面以及限定傳熱面積的外底面、外側(cè)面，石墨坩堝本體的內(nèi)底面形狀與石英坩堝底部的形狀相適應(yīng)，其中，內(nèi)側(cè)面與石墨坩堝的中心軸平行，內(nèi)底面呈球弧狀，弧度半徑為R1，內(nèi)底面與內(nèi)側(cè)面之間為球弧形連接，弧度半徑為R2，所述的R1大于或等于R2。本實(shí)用新型所述石墨坩堝進(jìn)一步改善拉晶過(guò)程中的氣流導(dǎo)向，使得排氣更順暢；并且增強(qiáng)了坩堝導(dǎo)熱性能，優(yōu)化了熱場(chǎng)溫度控制穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C30B15/10GK202744653SQ20122043945
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者薛東, 李德建, 陳昌林, 陳銳, 陳劍春, 付雁清, 李福龍 申請(qǐng)人:上海杰姆斯電子材料有限公司