[实用新型]一种用于直拉法生长单晶的坩埚

说明书

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏行业中的坩埚，具体说是一种直拉法生长单晶热场的坩埚。

背景技术

目前任何一种熔体生长晶体都与盛放熔体的坩埚材料密切相关。一般对坩埚的主要要求有坩埚材料在熔体中不溶或微溶、不能从坩埚引入有害杂质到熔体中去、坩埚要便于清洁处理、气孔率低、容易机械加工或成型等。基于以上原则通常作为坩埚的材料主要有钨、钼、氧化锆、氧化铝、铂、二氧化硅、石墨等。石墨材料是多晶硅、单晶硅制造业热场中耐热材料的首选基础性材料。

石墨热场结构（如图1）通常由保温系统（主要有上保温盖1、下保温盖2、导流筒12、上保温筒3、中保温筒4、下保温筒5、保温底板6等）、发热系统（加热器8）和支撑传动系统（坩埚轴7、托盘9、石墨坩埚10等）组成。在支撑传动系统中托盘置于坩埚轴之上，而石墨坩埚（一般为三瓣对称结构）分别放置并拼凑配合于托盘之上，石英坩埚安置于石墨坩埚之中，硅原料安装熔化于石英坩埚之内。

在高温情况下石英坩埚处于软化状态，与石墨坩埚接触较紧密容易与石墨坩埚产生一系列化学反应如下，反应一：C(s)+SiO2(s)→SiO(g)+CO(g)，反应二：SiO(g)+C(s)→SiC(s)+CO(g)，随着使用时间的延长，石墨坩埚内侧面由于化学反应，分瓣面附近R（圆角）部分发生消耗，其厚度变薄。同时受反应二的影响，内侧面发生体积膨胀，引起坩埚变形，分瓣面上部开裂等不良影响。石墨坩埚外侧面由于硅蒸气或SiO气体而发生硅蒸气的凝结，并出现SiC（如同碳化硅涂层）现象，但是SiC生成的厚度比内侧面薄。再者石墨坩埚外侧面的硅蒸气凝结较多，一旦升温会变成硅液顺着坩埚外侧流下，最后在坩埚R部形成滴状残留。综因化学反应产生在坩埚表面的硅、碳化硅等物与石墨坩埚本体的热膨胀系数差异较大，反复开炉停炉加热冷却过程中，受到较大拉应力作用，一定程度上影响了石墨坩埚的使用寿命。目前市场上用等静压石墨做成的坩埚其平均使用寿命为30-35炉左右，主要表现在R（圆角）部位开裂等。

在单晶炉热场不同部位对石墨材质的要求也不相同，尤其是石墨坩埚，对石墨材质的要求比较高，石墨坩埚是直拉法生长单晶热场中非常重要的部件之一，是硅原料所盛放的石英坩埚的依托载体。传统石墨坩埚为三瓣组合，在加工制作过程中首先在石墨块料中掏出一部分做成一体的毛坯，在一体毛坯的基础上再纵向对称切割成三瓣。普通坩埚组装后如图2、图3所示。

近几年随着太阳能行业的迅猛发展，随之新兴出现一种新的保温材料，即碳-碳复合材料。碳-碳复合材料 (CFC)是一种由高强度碳素纤维和碳素基质经过石墨化增强处理后构成的材料，可以广泛应用在高温环境下的各类结构件，加热器和容器。与传统的工程材料相比碳碳复合材料具有高强度、耐高温、抗热冲击性、低热膨胀系数、热容量小、低密度等优良特点，是目前代替石墨制作易损易耗热场部件的最优选择。采用碳-碳复合材料制成的坩埚结构为一体，采用碳-碳复合材料制成的坩埚使用寿命较长，平均约100炉以上，但其价格昂贵，使用成本高，使用后埚底料和石英坩埚取出比较麻烦。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用寿命长、操作方便、且降低了成本的坩埚。

技术方案：为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于直拉法生长单晶的坩埚，包括：上部圆环和采用碳-碳复合材料制成的埚底；所述上部圆环安装于埚底的上方。

本实用新型中所述上部圆环和埚底的连接处采用卡槽连接，或采用斜面式连接。

本实用新型中所述上部圆环使用等静压石墨材质或碳-碳复合材料制成。等静压石墨属于石墨材料中的精品，具有其他普通石墨不具备的优异性能，由于等静压石墨材料的具备高强、高密、各向同性好，制成的石墨部件在使用过程中受热、加热都较均匀，同时由于材料的密度均匀能够有效的减小材料受急冷急热而产生的内应力，抗热震性能好，故可大大延长设备或器具的使用寿命周期，所以采用等静压石墨制成的上部圆环，加热受热均匀，抗热震性能好，延长了坩埚的使用寿命。

有益效果：本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

（1）本实用新型改变传统石墨和碳-碳坩埚结构，采用上下两种材质结合拼接成坩埚，在高温下易于石英坩埚反应的部位由优良性能的碳-碳复合材料代替石墨材质从而减缓反应，大大减少了圆角R部位的开裂，延长了使用寿命；

（2）本实用新型中采用上部圆环，下部埚底的分体式连接，代替了碳-碳一体坩埚，使得碳-碳复合材料的用料减少，降低制造成本；