专利名称：一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚的制作方法
技术领域：
一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚技术领域[0001]本实用新型涉及一种石墨坩埚，尤其是一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚。
背景技术：
[0002]当前制备单晶硅主要由两种技术，根据晶体生长方式不同，可以分为区熔单晶硅和直拉单晶硅。直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。[0003]直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固液界面处，藉由熔体温度下降，将产生由液体转换成固态的相变化。为了生长质量合格(硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分布、 碳含量、金属杂质含量、缺陷等)的单晶硅棒，在采用直拉法生长时，必须考虑以下问题。首先是根据技术要求，选择使用合适的单晶生长设备，其次是要掌握一整套单晶硅的制备工艺、技术，包括(1)单晶硅系统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；(2) 单晶硅生长I系统内的氩气气体系统设计；(3)单晶硅挟持技术系统的设计；(4)为了提高生产效率的连续加料系统的设计；(5)单晶硅制备工艺的过程控制。[0004]热的传输靠三种主要模式，亦即辐射、对流及热传导。由于晶体的生长是在高温下进行，所以这三种模式都存在于系统中。在直拉法里，熔体是藉由石墨加热器的辐射热而被加热，而熔体内部的热传导则是主要靠着对流，晶棒内部的热传输主要靠着传导。另外，从液面及晶棒表面散失到外围的热则是藉由辐射作用。系统内的温度分布对晶体生长质量有很大的影响。包括缺陷的密度与分布、氧的析出物生成等。[0005]CZ法内的硅晶体的生长界面通常是向上扩展(沿晶体生长方向)，所以，常用的盛放硅料的石英坩埚其内底表面呈球状或弧状，石英坩埚置于石墨坩埚内，石墨坩埚的内底表面呈相适应的球状或弧状，坩埚外底部也做成相适应的球状。制备硅籽晶时，由坩埚侧面的加热器件提供热源，造成熔体的外侧温度比中心轴高，熔体底端比液面温度高，由于硅料的密度随温度增加而降低，因此底部的熔体会藉由浮力往上流动，制备体系通过石墨坩埚壁与两侧的加热元件进行热交换，而弧状的石墨坩埚壁散热效果不太理想。由于现有石墨坩埚的结构简单，存在着传热效率低、加热缓慢、加热时间长、能耗高等缺点；此外，硅的制备过程中会产生气体，气体遇冷后凝结成液体会顺着弧形的底面流到石墨坩埚的底托上， 最后造成石墨坩埚与底托粘连。减少了坩埚的使用寿命，不利于单晶硅的生产。[0006]有鉴于此特提出本实用新型。实用新型内容[0007]本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种直拉法制备单晶硅所使用的侧壁外表面带螺纹状气体导流槽的石墨坩埚，使其具有更理想的传热性能， 并且优化热场温度控制稳定性，改善拉晶过程中的气流导向，使得排气更顺畅。[0008]为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是一种直拉法制备单晶娃所使用的石墨樹祸，包括由底部与侧壁组成的石墨樹祸本体，所述的石墨樹祸本体侧壁外表面均匀分布有内凹的螺纹状气体导流槽，螺纹状气体导流槽与水平面之间具有 20° 70°的倾斜夹角。[0009]所述的螺纹状气体导流槽间隔为2 10mm，螺纹状气体导流槽宽度为2 10mm， 深度小于10mm。[0010]优选的，所述的螺纹状气体导流槽与水平面之间的倾斜夹角为35° 55°。[0011]制备单晶硅的过程中根据单晶的生长状况，需要适当的升温或者降温以让单晶顺利生长，提高石墨坩埚的导热性能非常重要。增加坩埚表面螺纹后，增大了热传导面积，提高热传导速度，这样对热场温度的控制就会更有效及平稳。在化料过程中，能够更快的吸收加热器供及的热量，使化料速度加快；降温与稳定过程，能够更快的散热，使温度能够更快的降到目标温度。[0012]所述的螺纹状气体导流槽旋转方向为左旋或右旋。旋转的方向为左旋还是右旋可根据搭配的设备及拉晶工艺设定决定，例如单晶炉进排气位置，石墨坩埚旋转方向等。在石墨坩埚旋转时，单晶炉内气体会在螺纹状气体导流槽的推动下加速向下，这样就使得炉内排气更顺畅，减少氧化物的堆积，使成晶率更高。[0013]所述的石墨坩埚本体包括限定内部容积的内底面、内侧面以及限定传热面积的外底面、外侧面，石墨坩埚本体的内底面形状与石英坩埚底部的形状相适应，其中，外侧面、内侧面均与石墨坩埚的中心轴平行，内底面呈球弧状，弧度半径为R1，内底面与内侧面之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的Rl大于或等于R2。[0014]所述的石墨坩埚本体侧壁由至少两块相同的侧壁部件组成；石墨坩埚本体底部为一独立的个体结构，或者由与侧壁部件数量相同的底部部件组成，每个底部部件对应与每个侧壁部件为一体。[0015]为了方便石墨坩埚的取放和清理，石墨坩埚一般做成由至少三块相同的由底部和侧壁部件构成的多瓣埚。本实用新型所述的石墨坩埚本体侧壁包括三块或四块相同的侧壁部件。[0016]此外改变石墨坩埚本体侧壁厚度与底部厚度对石墨坩埚的热传导效果均存在影响，由于石墨坩埚本体底部呈球弧状，侧壁与底部也呈弧球状连接，因此侧壁与底部的厚度均为一个数值范围，经过实验，发现当石墨坩埚本体侧壁厚度与底部厚度的比值范围为I: 3 3 :1时，石墨坩埚的导热性能较理想，当比值范围为I :2 2 :1时，效果最佳。[0017]采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。[0018]本实用新型在石墨坩埚侧壁外表面设有螺纹状气体导流凹槽，能够使得热场排气呈涡流状，排气更顺畅，减少氧化物的堆积，使成晶率更高；实验表明，在该结构辅助改善气流的情况下，保持同等拉晶炉内压，气体排出量多了 6% 10%，成晶率有2% 3%的提高。[0019]另外，螺纹状气体导流凹槽相对增大了石墨坩埚外表面的热传导面积，提高了热传导速度，这样对热场温度的控制就会更有效及平稳；实验数据表明，在严格控制加工技术的情况下，增加表明螺纹对坩埚本身寿命没有明显影响；化料时间缩短了 4% 6% ;因为温度控制更精确，成晶率相对有1% 2%的提高。[0020]
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的描述。4
[0021]图I是本实用新型石墨坩埚结构示意图；[0022]图2是图I中石墨坩埚A向示意图；[0023]图3是图2中B处局部放大示意图；[0024]图4是本实用新型石墨樹祸本体底部不意图。
具体实施方式
[0025]如图I至图4所示，本实用新型所述的石墨坩埚，包括由底部11与侧壁12组成的石墨坩埚本体1，所述的石墨坩埚本体侧壁12外表面均匀分布有内凹的螺纹状气体导流槽 2，螺纹状气体导流槽2与水平面之间具有倾斜夹角α，α为20° 70°，优选为35° 55° ;螺纹状气体导流槽2间隔LI为2 10mm，螺纹状气体导流槽宽度L2为2 10mm， 深度L3小于IOmm (参阅图3)，石墨坩埚本体侧壁12厚度与底部11厚度的比值范围为I : 3 3 :1。[0026]所述的螺纹状气体导流槽2旋转方向为左旋或右旋。旋转的方向为左旋还是右旋可根据搭配的设备及拉晶工艺设定决定，例如单晶炉进排气位置，石墨坩埚旋转方向等。在石墨坩埚旋转时，单晶炉内气体会在螺纹状气体导流槽的推动下加速向下，这样就使得炉内排气更顺畅，减少氧化物的堆积，使成晶率更高。如图I所示，螺纹状气体导流槽2的旋转方向为左旋。[0027]所述的石墨坩埚本体I包括限定内部容积的内底面D11、内侧面D12以及限定传热面积的外底面CU、外侧面C12，外底面Cll与外侧面C12相互垂直；石墨坩埚本体的内侧面 D12与竖直中心轴平行，内底面Dll呈球弧状，弧度半径为Rl，内底面Dll与内侧面D12之间为球弧形连接，弧度半径为R2，Rl大于R2。[0028]所述的石墨坩埚本体侧壁12由至少两块相同的侧壁部件13组成；石墨坩埚本体底部11为一独立的个体结构,或者由与侧壁部件数量相同的底部部件组成,每个底部部件对应与每个侧壁部件为一体。[0029]实施例一[0030]本实施所述的螺纹状气体导流槽2与水平面之间的倾斜夹角α为35° 55°， 螺纹状气体导流槽2间隔LI为3 6mm，螺纹状气体导流槽宽度L2为4 8mm，深度L3为2 5mm0[0031]所述的石墨坩埚本体底部11厚度与侧壁12厚度的比值范围为I :2 2 :1。[0032]实施例二[0033]本实施所述的螺纹状气体导流槽2与水平面之间的倾斜夹角α为40° 50°， 螺纹状气体导流槽2间隔LI为4 6mm，螺纹状气体导流槽宽度L2为5 8mm，深度L3为3 6mm ο[0034]所述的石墨坩埚本体底部11厚度与侧壁12厚度的比值范围为I :2 I :1。[0035]实施例三[0036]本实施例所述的石墨坩埚本体为两瓣埚，包括两块相同的石墨坩埚组件，每块石墨坩埚组件由底部部件和侧壁部件构成一体结构。[0037]实施例四[0038]本实施例所述的石墨坩埚本体为三瓣埚，包括三块相同的石墨坩埚组件，每块石墨坩埚组件由底部部件和侧壁部件构成一体结构。[0039]实施例五[0040]本实施例与实施例四的区别在于所述的石墨坩埚本体底部为一独立的整体(参阅图I和图2)。[0041]实施例六[0042]本实施例所述的石墨坩埚本体为四瓣埚，包括由四块相同侧壁部件构成的石墨坩埚本体侧壁和一独立的石墨坩埚本体底部。[0043]实施例七[0044]本实施例所述的螺纹状气体导流槽旋转方向为右旋，其他条件同上述实施例。[0045]上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本实用新型的优选实施例进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，包括由底部与侧壁组成的石墨坩埚本体，其特征在于所述的石墨坩埚本体侧壁外表面均匀分布有内凹的螺纹状气体导流槽，螺纹状气体导流槽与水平面之间具有20° 70°的倾斜夹角。
2.根据权利要求I所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于所述的螺纹状气体导流槽间隔为2 10mm，螺纹状气体导流槽宽度为2 10mm，深度小于 IOmm0
3.根据权利要求I或2所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于 所述的螺纹状气体导流槽与水平面之间的倾斜夹角为35° 55°。
4.根据权利要求I所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于所述的螺纹状气体导流槽旋转方向为左旋或右旋。
5.根据权利要求I所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于所述的石墨坩埚本体包括限定内部容积的内底面、内侧面以及限定传热面积的外底面、外侧面，其中，内侧面与石墨坩埚的中心轴平行，内底面呈球弧状，弧度半径为R1，内底面与内侧面之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的Rl大于或等于R2。
6.根据权利要求I所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于所述的石墨坩埚本体侧壁由至少两块相同的侧壁部件组成；石墨坩埚本体底部为一独立的个体结构，或者由与侧壁部件数量相同的底部部件组成，每个底部部件对应与每个侧壁部件为一体。
7.根据权利要求6所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于所述的石墨坩埚本体侧壁包括三块或四块相同的侧壁部件。
8.根据权利要求I所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于所述的石墨坩埚本体底部厚度与侧壁厚度的比值范围为I :3 3 :1。
9.根据权利要求8所述的一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，其特征在于所述的石墨坩埚本体底部厚度与侧壁厚度的比值范围为I :2 2 :1。
专利摘要本实用新型公开了一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚，包括由底部与侧壁组成的石墨坩埚本体，所述的石墨坩埚本体侧壁外表面均匀分布有内凹的螺纹状气体导流槽，螺纹状气体导流槽与水平面之间具有倾斜夹角。所述的石墨坩埚本体包括限定内部容积的内底面、内侧面以及限定传热面积的外底面、外侧面，石墨坩埚本体的内底面形状与石英坩埚底部的形状相适应，其中，内侧面与石墨坩埚的中心轴平行，内底面呈球弧状，弧度半径为R1，内底面与内侧面之间为球弧形连接，弧度半径为R2，所述的R1大于或等于R2。本实用新型所述石墨坩埚进一步改善拉晶过程中的气流导向，使得排气更顺畅；并且增强了坩埚导热性能，优化了热场温度控制稳定性。
文档编号C30B15/10GK202744653SQ20122043945
公开日2013年2月20日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者薛东, 李德建, 陈昌林, 陈锐, 陈剑春, 付雁清, 李福龙 申请人:上海杰姆斯电子材料有限公司