[发明专利]硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用其的硅熔融精炼装置

说明书

技术领域

本发明涉及硅熔融坩埚(Crucible)，更详细说，涉及一种能够通过结合基于坩埚热的间接熔融方式和基于电磁感应的直接熔融方式的方式，高效率地熔融硅等半导体的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用该坩埚的硅熔融精炼装置。

背景技术

由于基于电磁感应的直接熔融方式能够在短时间内熔融金属等物质，因而具有较高的生产率，并能使原料的污染最小化。基于电磁感应的直接熔融方式一般根据如下的原理进行。

当在围绕坩埚的感应线圈中输入交流电流而引起磁场(Magnetic Field)变化时，需要熔化的金属表面上形成感应电流，通过由此产生的焦耳热(Joule heating)熔融金属。并且，感应电流与磁场发生作用，而在金属熔液中生成电磁力(Lorentz force)。

即使线圈电流的方向发生改变，所生成的电磁力根据弗莱明的左手定律始终朝向坩埚内部中心方向，具有与电磁压(Electromagnetic Pressure)一同产生作用的效果(Pinch Effect)，从而能够防止熔液和坩埚内侧壁的接触。

但是，在熔融硅等半导体时，无法采用上述基于电磁感应的直接熔融方式。其理由在于，硅具有1400℃以上的非常高的熔点，且与金属的情况不同，其在700℃以下的温度下的电导率低，因此无法进行基于电磁感应的直接感应。

由此，在熔融硅等半导体时，主要利用基于石墨坩埚热量的间接熔融方式，其理由在于，石墨虽是非金属材质，但其电导率及热导率非常高，从而容易实现基于电磁感应的坩埚加热。

但是，在利用石墨坩埚时，由于电磁波被石墨屏蔽，无法向坩埚内部传递电磁力。因此，到目前为止，石墨坩埚中的硅等半导体的熔融只采用基于石墨坩埚热量的间接熔融方式。

在石墨坩埚中进行硅间接熔融的情况下，在硅熔融时，熔液和石墨坩埚表面将会接触。这将使熔液和石墨容易进行反应，造成由碳引起硅污染或坩埚内侧表面的污染问题，进而在石墨坩埚内侧表面生成碳化硅化合物层，根据情况可能引发石墨坩埚裂开的问题。

为了解决上述问题，日本公开专利公报第2005-281085号(2005年10月13日公开)中公开了用碳化硅(SiC)等涂敷与硅接触的石墨坩埚内部表面，或是对石墨坩埚内部表面进行高密度处理的技术。图1是用碳化硅(SiC)涂敷了内部表面的石墨坩埚的剖视图。

参照图1，涂敷于石墨坩埚内壁表面的碳化硅110抑制石墨和熔液的反应。由此，能够防止硅或坩埚的污染。并且，能够抑制在石墨基质中分散有碳化硅的复合层120针对石墨基材130的厚度增厚，从而能够解决石墨坩埚裂开的问题。

但是，在上述方法中，存在由于在石墨坩埚中融解硅的过程中碳化硅涂敷膜110脱落的剥离现象，因而石墨坩埚的寿命受限，并在防止硅的污染时受到局限性的问题。

为了在硅熔融中防止熔液和坩埚接触，也利用有水冷铜坩埚，水冷铜坩埚虽然具有坩埚和熔液因电磁感应而不接触的优点，但是存在需要用于形成初始熔液的辅助热源，并且较多热量无法应用于硅的熔融而通过冷却水损失掉的大问题。

为了解决如上所述的利用水冷铜坩埚的硅熔融的问题，日本公开专利公报第2001-19594号(2001年01月23日公开)中公开了利用等离子作为辅助热源的技术。但是，利用等离子作为辅助热源的方式存在使得用于硅熔融的设备变得复杂的问题，并且还存在由冷却铜引起的30％以上的热损失而导致效率降低的问题。

为了解决上述石墨坩埚的问题和水冷铜坩埚的问题，韩国公开专利公报第10-2006-0016659号(2006年02月22日公开)中公开了水冷铜坩埚(冷坩埚)和石墨坩埚(热坩埚)结合的坩埚结构。图2示出上述结构。

图2所示的坩埚具有在铜材质的冷坩埚220上部放置石墨材质的热坩埚250的结构。热坩埚250的上端部沿圆周方向形成一体，从热坩埚250的下端部到冷坩埚220下端部，由纵方向的多个狭缝(slit)230分割成区间(segment)240。并且，热坩埚250外部被绝热材260绝热，以提高硅的加热效果和保护感应线圈210。

能够通过上述坩埚结构，在使用石墨材质的热坩埚250形成初始熔液后，将遍及熔液的整个纵向区间作用于熔液的电磁压保持在大于熔液的静水压(hydrostatic pressure)的状态，并对原料进行加热及熔融，从而提高加热及熔融效率。