[发明专利]一种防止硅沉积的拉晶炉热场

说明书

技术领域

本发明涉及一种拉晶炉的热场，具体涉及硅原料提纯用的拉晶炉所用的主要由石墨/CFC(炭炭)复合材料加工而成的热场。

背景技术

拉晶炉是一种采用丘克劳斯基法(Czochralski法，简称CZ法)制备硅晶体的设备。该设备也可以作为提纯炉，用于对低品位硅进行提纯。在采用CZ法进行晶体生长时，热场放置在拉晶炉炉体的中央，如图1所示。热场部件(统称为石墨件)包括坩埚、坩埚托盘、坩埚轴、导流筒、保温筒、加热器、石墨电极、上保温盖板、底部保温层等部件组成。通过由铜电极通入电流使加热器发热，熔化坩埚中的硅原料形成硅熔液，然后通过籽晶诱导从硅熔液液面提拉出硅晶体。热场部件(石墨件)由石墨或碳纤维为材料加工而成，具有导电性。因此，为了电绝缘的要求，在石墨电极周围还套有石英材料加工的电极石英护套。

在一般工作环境下，热场处于高温状态，周围由Ar气保护，炉压在1100Pa左右，炉内的最高温度在1600℃左右。处于液态的硅熔液在这种工作环境下，有少量的硅蒸汽会从液面挥发，最终在冷却时沉积在热场材料表面，影响热场部件的寿命。在申请号为97113523.1的发明专利中提出，可采用具有硅蒸汽吸附能力的石墨来加工热场部件，并在部分石墨材料的表面上覆盖热分解碳膜，来缓解硅沉积带来的负面影响。

然而，在工作环境需要更高的温度和更低的压力时，硅蒸汽的挥发量将剧烈上升，此时热场结构遇到的严重的硅沉积的问题。如：采用CZ法生长用于太阳能行业的硅材料时，由于硅材料的来源广泛，因此有时需要在硅晶体生长之前对硅材料进行特殊工艺的处理，或者对硅材料进行特殊工艺的提纯。在这种情况下，显然更高的炉内温度和更低的炉内压力是有利于硅材料中的杂质挥发的。这种情况下，挥发出的硅蒸汽数量众多，申请号为97113523.1的发明专利中所述的方法并不足以吸附足量的硅蒸汽。另外，在对石墨材料的表面上覆盖热分解碳膜或采用具有硅蒸汽吸附能力的石墨时需要高额的材料处理费用。

发明内容

本发明提供了一种使用方便、价格低廉的拉晶炉热场结构，能有效地解决拉晶炉热场硅沉积带来的问题，尤其适合应用于高温低压的工作环境下，适合应用于硅材料提纯工艺。

一种防止硅沉积的拉晶炉热场，置于顶部带有炉盖的拉晶炉炉体内部，包括：

用于放置硅原料及其熔化后的硅熔液的坩埚部件，由从所述拉晶炉炉体底部插入的坩埚轴，设在所述坩埚轴顶部端面上的坩埚托盘，和置于所述坩埚托盘上的坩埚组成；

用于加热所述坩埚的加热元件，由环绕所述坩埚外部配置的加热器，放置在所述拉晶炉炉体底部的铜电极，以及用于连接所述铜电极和所述加热器的石墨电极组成；所述的加热器底部端面上带有电极脚，所述的石墨电极通过连接所述铜电极与所述加热器的电极脚来连接所述铜电极和所述加热器；

和配置在所述加热元件外部的保温部件，由环绕所述加热器外部配置的保温筒，以及分别与所述保温筒顶部和底部端部相连接的上保温盖板和底部保温层组成；

以及设在所述保温筒顶部用于引导惰性气体流向的导流筒；

其中，所述的拉晶炉热场中，处于与加热器底部端面所对应平面以下的区域中的所述坩埚部件、加热元件和保温部件组成的热场部件的表面或所述的热场部件相互之间的接缝周围放置有石英砂和/或石英片。

为了保证石墨电极与加热器之外的热场部件绝缘，所述的石墨电极与所述的底部保温层之间设有间隙，所述的间隙内填满石英砂(而不是石英护套)。

所述的石英砂为颗粒状，所述的石英片为块状，可从市场上购得的高纯石英砂或石英片，但优选采用CZ法硅晶体生长后所产生的废旧石英坩埚破碎后形成的碎粒或碎片，以进一步降低成本。从保证硅材料不被污染的角度，石英砂或石英片应保证SiO₂质量百分含量在99％以上。

在所述坩埚轴与所述底部保温层之间放置有石英护套，所述石英护套套在坩埚轴周围，与所述坩埚轴之间留有间隙。所述的石英护套与所述坩埚轴之间的间隙为2～30mm。所述石英护套中，SiO₂的质量百分含量在99％以上。

上述石英材料的应用能有效地解决硅沉积带来的问题，具体分析如下：