[实用新型]一种直拉单晶炉用组合坩埚

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种直拉单晶炉用的坩埚，特别是一种用于承托石英坩埚的组合坩埚。

背景技术

目前，在半导体和太阳能行业单晶硅的生产过程中，较多采用的是直拉法生产工艺，其所采用的设备是直拉单晶炉。利用单晶炉拉制单晶硅棒时，需要把硅料加热至1420℃以上使其熔化，然后拉晶成型。拉制时，硅料是盛装在高纯石英坩埚内加热熔化，由于石英在1100℃以上变软，所以在石英坩埚的外面一般采用石墨坩埚来承托，同时也因为硅料和石墨接触会发生反应，所以不能直接使用石墨坩埚承载硅料。为了防止硅料的热膨胀使其开裂，石墨坩埚多加工成两瓣或者三瓣的形式，故称多瓣坩埚；多瓣坩埚下方使用埚托托住。为了保证强度，多瓣坩埚和埚托通常采用各向同性石墨制作。该种结构的坩埚在使用过程中存在的主要问题：一是，多瓣坩埚上部受结构限制，厚度做不了很大，采用石墨材质，强度差，容易开裂，影响坩埚的使用寿命，同时，多瓣式坩埚通常采用柱状整料(也有部分采用碗形材料)加工出来，加工耗材多，增加了生产成本；二是，由于采用了多瓣形式，每瓣之间有接缝，接缝处容易受SiO₂和Si蒸气的侵蚀、损耗，虽然有的厂家在接缝处铺设低纯度石墨纸(98％～99％)，但由于低纯度石墨纸内碱金属较多，反而加快了侵蚀的速度，坩埚使用寿命短。

近年来，出现了炭/炭复合材料坩埚代替石墨坩埚，运用于单晶炉拉制单晶硅棒的生产中。炭/炭复合材料的强度比各向同性石墨强度高2.5倍以上，因此能大大提高坩埚的使用寿命。但炭/炭复合材料坩埚是仿石墨坩埚外形生产，形状复杂制造难度大，且因炭/炭复合材料本身造价就高，坩埚制造成本高，难以得到大量的可以实现产业化的应用。

因此，如何提高坩埚的使用寿命和降低生产成本成为技术人员努力研究的方向。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种新的直拉单晶炉用组合坩埚，其加工简单，制造成本低，且使用寿命长，能显著降低生产成本。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：一种直拉单晶炉用组合坩埚，其包括圆盘状的石墨材质的底座，设在底座上与底座配合的由炭/炭复合材料制成的圆筒状的筒体，在筒体与底座形成的空腔底部设有石墨材质的垫块，所述垫块沿周向由至少两瓣组成，垫块具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。

本实用新型中筒体部分采用炭/炭复合材料制作，整体成型，炭/炭复合材料强度高，能大大提高坩埚的使用寿命，同时因为未开瓣，圆周方向无腐蚀接缝面，可大大提高其使用寿命；分瓣设计的垫块既可防止硅料热膨胀使底座胀裂，同时也降低了垫块的加工难度，也省料；底座采用石墨材料制作，石墨的可加工性能良好，只需要较薄板料即可加工成型，可大大节省材料和成本。

本实用新型中底座的上表面可以是平面，但为了便于承托石英坩埚并方便带动其一起旋转，本实用新型的底座的中心部位设有凸台，所述凸台的表面具有与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面，垫块的底端套设于该凸台上，垫块的凹形曲面与该凸台的凹形曲面平滑衔接。底座的凸台可与周围的垫块一起承托石英坩埚的重量，由于底座直接与石英坩埚底部接触，因此，能更容易地带动其旋转。

本实用新型中，筒体与底座之间的连接可采用多种结构形式，考虑到结构设计的简单及可靠性，可采用如下结构形式：所述底座的外缘带有台阶状的配合面，筒体的下端与该台阶状配合面配合。

本实用新型中，每一瓣垫块既可采用整体式，也可采用组合式，考虑到加工方便及加工省料，每一瓣垫块由至少两块带有相应的凹形曲面的小垫块组合而成，小垫块的凹形曲面组合后形成与单晶炉的石英坩埚埚底相配合的凹形曲面。该种结构形式的垫块，既方便垫块的更换，加工时采用边角余料即可加工成型，能大大节省材料成本。

为了防止坩埚的接缝处受SiO₂和Si蒸气的侵蚀、损耗，缩短坩埚使用寿命，在筒体与底座及垫块形成的空腔内沿内侧壁铺设高纯度石墨纸。由于石墨纸纯度高，不会腐蚀筒体和底座，还起到了保护作用。

所述石墨纸的厚度一般为0.3mm～3mm，优选1mm。

由于炭/炭复合材料与各向同性石墨两者热膨胀系数不一致，所以在筒体的内径与底座的台阶配合面之间应留有合适的间隙，该间隙为0.05mm～3mm。

为了进一步卸载膨胀热应力，还可以在筒体的侧壁上开设有一条贯通其轴向长度的槽。为了同样的目的，筒体的侧壁上开设有至少一条不贯通其轴向长度的槽，一方面保证膨胀热应力能及时卸载，同时保证筒体的整体强度。