一种单晶炉用组合坩埚的制作方法

本实用新型涉及半导体硅单晶制造技术领域，具体是一种单晶炉用组合坩埚。

背景技术：

半导体硅单晶的制造大多采用直拉(czochralski)法(简称cz法)，cz法中硅单晶生长过程为：将多晶硅装入石英坩埚内，加热熔化，然后将熔硅稍微降温，给予一定的过冷度，将一支特定晶向的硅单晶体(称做籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速度，使籽晶放肩长大至目标直径时，调整提升速度，使单晶体以恒定的直径生长，生长过程接近完成时，通过增加晶体的提升速度和调整对埚的供热，使晶体直径渐渐减少形成一个锥体，当锥尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。在单晶硅棒拉制过程中，炉内温度高达1550℃左右，此时，石英坩埚会变软，需要靠外面的坩埚承托，拉晶后残留的石英坩埚常紧贴外面的承托坩埚内壁。

传统的承托坩埚即单晶炉用坩埚有整体埚、两瓣埚、三瓣埚、两节埚或多节埚。一方面，整体埚、两瓣埚、三瓣埚在局部破损或失效后会使得整个埚报废，两节埚或多节埚在局部破损或失效后会使得整节埚或多节埚报废，这样对未破损或未失效的部分来说是极大的浪费。另一方面，由于石英坩埚是一次性工装，必须逐炉更换，当承托坩埚为整体结构时，则石英坩埚去除较为困难，去除时甚至损坏坩埚埚体；当坩埚埚体采用多瓣结构时，如石墨坩埚，因其力学性能较差，在高温环境中使用，要承托石英坩埚及原材料的重量，并处于旋转状态，在外力的作用下容易发生破裂。

中国专利cn201420512775.2中公开了一种四节式炭素材料组合坩埚，包括炭-炭坩埚、石墨坩埚，炭-炭坩埚由炭-炭坩埚上段、炭-炭坩埚中段和炭-炭坩埚下段对接构成。此方案中的坩埚为四节坩埚，承接坩埚的破损通常发生在两节坩埚的对接处，这样，当对接处的坩埚部分破损也容易造成整体报废的情况，造成浪费，而且采用该方案对提高加热器的热辐射效率有限。因此，有必要设计一种新型的单晶炉用组合坩埚。

技术实现要素：

本实用新型针对所要解决的技术问题，提供一种新型的单晶炉用组合坩埚，能够有效降低材料的浪费、降低硅单晶的生产成本，还能有效提高加热器的热辐射效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种单晶炉用组合坩埚，包括相互扣合的埚筒和埚碗，所述埚筒包括上埚环、下埚环、n根埚条以及2n个紧固件，其中，

n根所述埚条的两端分别可拆卸的连接所述上埚环和下埚环并形成筒状结构，相邻两根所述埚条之间具有间隙，所述下埚环可拆卸的连接埚碗的口端，筒状结构与埚碗2内部共同围设形成一个容纳腔；

其中n个所述紧固件连接所述上埚环与埚条的一端，另外n个所述紧固件连接所述下埚环与埚条的另一端。

进一步的，所述上埚环的截面和下埚环的截面为镜像结构或旋转对称结构。

进一步的，所述上埚环和下埚环靠近所述埚条的一端均开设有埚槽、另一端的内侧或外侧均开设有定位台阶；所述上埚环和下埚环位于所述埚槽的两侧壁上开设有贯穿的固定孔；

所述埚条端部夹持于所述埚槽内部，并通过穿设于固定孔内的紧固件固定；所述定位台阶与所述埚碗开口端部的台阶配合以限定两者之间的径向移动。

进一步的，所述固定孔为销钉孔，所述紧固件为销钉。

在其中一个实施例中，所述固定孔为螺纹孔，所述紧固件为螺丝。

进一步的，所述埚条两端对称开设有通孔，埚条与埚槽配合时所述通孔与固定孔同轴。

进一步的，所述埚条数量n的取值范围是：60≤n≤360。

进一步的，相邻两埚条之间的间隙为：0.01～2mm。

进一步的，所述埚筒和埚碗的表面均涂覆有抗氧化涂层。

进一步的，所述埚碗分为多瓣，采用等静压石墨或碳-碳复合材料制作而成；所述埚条、上埚环、下埚环和紧固件均采用碳-碳复合材料制作而成。

与现有技术相比，本实用新型的有益之处是：

一、本实用新型提供的单晶炉用组合坩埚采用上埚环、下埚环、多条埚条以及紧固件实现埚筒的整体结构设计，结构简单，安装拆卸方便；在制造半导体硅单晶的过程中出现埚筒局部破损或失效时，只需更换部分埚条或上埚环、下埚环，而不会造成整个坩埚报废，节约了碳-碳复合材料资源，降低了半导体硅单晶的生产成本；

二、本实用新型的埚碗分为多瓣、埚筒组合为整体结构设计，综合了多瓣结构容易去除石英坩埚的残体，又保留了整体埚优良的力学性能的优点；

三、本实用新型的埚条与埚条之间预留间隙，在制造半导体硅单晶的过程中能有效提高炉内加热器的热辐射效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

图1是实施例一中所述单晶炉用组合坩埚的全剖视图；

图2是实施例一中所述单晶炉用组合坩埚的俯视图；

图3是图1中a的局部放大图；

图4是图1中b的局部放大图；

图5是实施例一中所述上埚环/下埚环的截面视图；

图6是实施例一/实施例二中所述埚条的结构示意图；

图7是实施例二中所述单晶炉用组合坩埚的全剖视图；

图8是图7中c的局部放大图；

图9是图7中d的局部放大图；

图10是实施例二中所述上埚环/下埚环的截面视图；

1、埚筒；2、埚碗；3、上埚环；4、下埚环；5、埚条；6、紧固件；7、固定孔；8、埚槽；9、定位台阶；10、通孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例一

如图1至图2所示的一种单晶炉用组合坩埚，包括相互扣合的埚筒1和埚碗2，埚碗2分为多瓣，优选为2至4瓣；埚筒1组合为整体结构设计，综合了多瓣结构容易去除石英坩埚的残体，又保留了整体埚优良的力学性能。在本实施例中，所述埚筒1具体包括上埚环3、下埚环4、60根埚条5以及120个紧固件6，其中，上埚环3、下埚环4为环状结构，60根所述埚条5的两端分别可拆卸的连接所述上埚环3和下埚环4并形成筒状结构，可以是圆筒状结构，也可以根据需要做成锥筒状，相邻两根所述埚条5之间具有2mm的间隙，实现在制造半导体硅单晶的过程中能有效提高炉内加热器的热辐射效率；所述下埚环4可拆卸的连接埚碗2的口端，筒状结构与埚碗2内部共同围设形成一个容纳腔；60个所述紧固件6连接所述上埚环3与埚条5的一端，60个所述紧固件6连接所述下埚环4与埚条5的另一端，结构简单，安装拆卸方便。

在本实施例中，所述上埚环3的截面和下埚环4的截面为镜像结构，如图3至图5所示，所述上埚环3和下埚环4靠近所述埚条5的一端均开设有埚槽8、另一端的外侧均开设有定位台阶9，与之对应的，埚碗2的壁沿内侧开设定位凹槽；当埚筒1与埚碗2配合时，下埚环4的定位台阶9与埚碗2的定位凹槽配合定位。

在本实用新型的另一个实施例中，所述上埚环3的截面和下埚环4的截面为镜像结构，如图7至图10所示，所述上埚环3和下埚环4沿平行中心线方向的另一端的内侧均开设有定位台阶9，与之对应的，埚碗2的壁沿外侧开设定位凹槽；当埚筒1与埚碗2配合时，下埚环4的定位台阶9与埚碗2的定位凹槽配合定位。

作为优选，所述上埚环3和下埚环4位于所述埚槽8的两侧壁上开设有贯穿的固定孔7，所述埚条5端部夹持于所述埚槽8内部，并通过穿设于固定孔7内的紧固件6固定；所述定位台阶9与所述埚碗2开口端部的台阶配合以限定两者之间的径向移动，从而实现上埚环3与埚条5一端的固定连接、下埚环4与埚条5另一端的固定连接。

在本实施例中，所述固定孔7为销钉孔，所述紧固件6为销钉，所述销钉孔与销钉为过盈配合，过盈量为0.01～0.05mm，进一步优选为0.03mm；所述销钉的直径为4～10mm，进一步优选为6mm。

在本实用新型的另一个实施例中，所述固定孔7为螺纹孔，所述紧固件6为螺丝，所述螺纹孔与螺丝螺纹连接，螺丝优选为内六角平头螺丝，可以尽量减少螺丝的伸出长度。

为了方便安装，如图6所示，所述埚条5两端对称开设有通孔10，埚条5与埚槽8配合时所述通孔10与固定孔7同轴，方便埚条5与上埚环3、下埚环4之间的固定连接。

作为优选，所述埚筒1和埚碗2的表面均涂覆有抗氧化涂层，在本实施例中，抗氧化涂层为sic涂层，涂层的厚度为10～90um，可以有效提高埚筒1和埚碗2的抗氧化性。

作为优选，所述埚碗2采用等静压石墨或碳-碳复合材料制作而成；所述埚条5、上埚环3、下埚环4和紧固件6均采用碳-碳复合材料制作而成。其中，所述等静压石墨的密度≥1.78g/cm³，所述碳-碳复合材料的密度≥1.3g/cm³，所述等静压石墨的抗弯强度≥35mpa，所述碳-碳复合材料的抗弯强度≥80mpa。值得注意的是：碳-碳复合材料是碳纤维增强碳基体的高性能复合材料，制作周期长，价格昂贵，因此减少碳-碳复合材料的浪费可以大大降低半导体硅单晶的生产成本。

本实用新型的具体使用过程是：

组装时，首先组装埚筒1：将每根埚条5一端安装在上埚环3的埚槽8中、另一端安装在下埚环4的埚槽8中，此时固定孔7和通孔10重合，将紧固件6分别从上埚环3和下埚环4的固定孔7中插入直到一端与上埚环3/下埚环4的内侧壁平齐，至此完成埚筒1的组装，然后组装埚筒1与埚碗2，只需将下埚环4端部开设的定位台阶9对准埚碗2的定位凹槽定位安装即可，至此完成本实用新型的组装。使用时，当在制造半导体硅单晶的过程中出现埚筒1局部破损或失效时，只需将损坏或失效的埚条5拆出紧固件，取出并更换埚条5，当出现上埚环3和/或下埚环4损坏或失效时，则取出并更换上埚环3和/或下埚环4即可。

实施例二

如图1至图10所示的一种单晶炉用组合坩埚，包括相互扣合的埚筒1和埚碗2，在本实施例中，所述埚筒1具体包括上埚环3、下埚环4、360根埚条5以及720个紧固件6，其中，上埚环3、下埚环4为环状结构，360根所述埚条5的两端分别可拆卸的连接所述上埚环3和下埚环4并形成筒状结构，相邻两根所述埚条5之间具有0.01mm的间隙，实现在制造半导体硅单晶的过程中能有效提高炉内加热器的热辐射效率；所述下埚环4可拆卸的连接埚碗2；60个所述紧固件6连接所述上埚环3与埚条5的一端，60个所述紧固件6连接所述下埚环4与埚条5的另一端。

与实施例一的区别在于，埚条5和紧固件6使用的数量更多，组合坩埚的整体体积更大，适用于大规模半导体硅单晶的制造，其他使用过程和原理与实施例一相同。

实施例三

本发明还提供另一种单晶炉用组合坩埚，包括相互扣合的埚筒1和埚碗2，所述埚筒1包括上埚环3、下埚环4、n根埚条5以及2n个紧固件6，其中，n根所述埚条5的两端分别可拆卸的连接所述上埚环3和下埚环4并形成筒状结构，相邻两根所述埚条5之间具有间隙，所述下埚环4可拆卸的连接埚碗2；n个所述紧固件6连接所述上埚环3与埚条5的一端，n个所述紧固件6连接所述下埚环4与埚条5的另一端。

在本实施例中，所述上埚环3的截面和下埚环4的截面旋转对称结构，所述上埚环3和下埚环4沿平行中心线方向的一端中部均开设有埚槽8、另一端的外侧均开设有定位台阶9，与实施例一不同的是：埚碗2的壁沿外侧开设定位凹槽，当埚筒1与埚碗2配合时，下埚环4的定位台阶9与埚碗2的定位凹槽配合定位。

在本实用新型的另一个实施例中，所述上埚环3的截面和下埚环4的截面旋转对称结构，所述上埚环3和下埚环4沿平行中心线方向的一端中部均开设有埚槽8、另一端的内侧均开设有定位台阶9，与实施例一不同的是：埚碗2的壁沿内侧开设定位凹槽，当埚筒1与埚碗2配合时，下埚环4的定位台阶9与埚碗2的定位凹槽配合定位。

根据需要选择上埚环3、下埚环4的定位台阶9和埚碗2的定位凹槽的开设方向；其他使用过程和原理与实施例一相同。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。