[发明专利]用于硅熔炼的石墨坩埚及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种熔炼用坩埚，具体涉及一种用于硅熔炼的石墨坩埚及其使用方法。

背景技术

硅有无定型和晶体两种同素异形体，具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32-2.34g/cm³，熔点1410℃，沸点3231.6℃(1atm气压下)，具有金刚石的晶体结构，电离能8.151电子伏特。加热下能同单质的卤素、氮、碳等非金属作用，也能同某些金属如Mg、Ca、Fe、Pt等作用。生成硅化物。不溶于一般无机酸中，可溶于碱溶液中，并有氢气放出，形成相应的碱金属硅酸盐溶液，于赤热温度下，与水蒸气能发生作用。硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素，以石英砂和硅酸盐出现。

目前，硅主要有以下几方面的应用：

（1）高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。在开发能源方面是一种很有前途的材料。另外广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括计算机内的芯片和CPU)都是用硅做的原材料。单晶硅作为半导体器件的核心材料,大大地促进了信息技术的革命。自20世纪中叶以来，单晶硅随着半导体工业的需要而迅速发展。

（2）金属陶瓷、宇宙航行的重要材料。将陶瓷和金属混合烧结，制成金属陶瓷复合材料，它耐高温，富韧性，可以切割，既继承了金属和陶瓷的各自的优点，又弥补了两者的先天缺陷。可应用于军事武器的制造。第一架航天飞机“哥伦比亚号”能抵挡住高速穿行稠密大气时摩擦产生的高温，主要依靠其三万一千块硅瓦拼砌成的外壳。

（3）光导纤维通信，最新的现代通信手段。用纯二氧化硅可以拉制出高透明度的玻璃纤维。激光可在玻璃纤维的通路里，发生无数次全反射而向前传输，代替了笨重的电缆。光纤通信容量高，一根头发丝细的玻璃纤维，可以同时传输256路电话；并且还不受电、磁的干扰，不怕窃听，具有高度的保密性。

（4）性能优异的硅有机化合物。有机硅化合物，是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚硅氧烷，是有机硅化合物中为数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的90%以上。

（5）硅与有机橡胶合成的材料俗称硅胶，柔软度、韧性和防水性都优于普通橡胶，是人造血管、骨骼的最佳材料。

目前，在硅的熔炼过程中使用的坩埚通常有铜坩埚、石墨坩埚、石英坩埚、碳化硅坩埚和氮化硅坩埚。铜坩埚由于铜自身的熔点低，所以需要有不断的水冷保护，结构复杂，工艺繁琐。碳化硅坩埚和氮化硅坩埚由于成本高，使用率不高。石英坩埚性能优良，但是比较容易破碎，变相的增加了使用成本。因而普遍采用石墨坩埚进行加热。

传统工业中，石墨坩埚为开口向上的一体式结构，石墨坩埚在高温下，石墨坩埚中的杂质容易渗透到熔融的硅液中，从而对硅液造成了污染，还经常发生硅液与石墨坩埚内壁粘连。另外，石墨坩埚在高温下容易氧化，在坩埚壁上形成气孔，影响导电率。以上的缺点造成了石墨坩埚寿命短，增加了成本。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种用于硅熔炼的石墨坩埚及其使用方法，通过感应加热的方法，使在熔炼过程中，硅液不接触坩埚壁，能够避免硅液被污染，提高坩埚使用寿命。

本发明所述的一种用于硅熔炼的石墨坩埚，包括坩埚体，坩埚体的外壁缠绕有电磁线圈，坩埚体由坩埚底和坩埚壁组成，所述的坩埚壁由沿坩埚体圆周方向上等距排列的至少12片石墨板组成。

由于坩埚壁不再是整体是结构，而是由至少12片石墨板组成，相邻的石墨板之间有缝隙。电磁线圈连接交流电电源，电磁线圈产生的电磁场从缝隙中渗透到石墨坩埚内最大化，起到了增强石墨坩埚内壁电磁场的作用，形成足够的电磁压力，同时交流电在空间产生的电磁场能量得到最大化利用。

其中，石墨板与相邻石墨板的缝隙的面积比优选为2～4：1。

石墨板与坩埚底优选采用插接的方式连接，采用插接的方式保证了每一块石墨板都是独立的，如果其中一块无法使用时，可以随时更换代替，从而延长了石墨坩埚的整体使用寿命。