[實用新型]一種直拉法制備單晶硅所使用的坩堝

有效

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• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN202744654U
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周儉;李德建;陳昌林;陳銳;陳劍春;付雁清;薛東;李福龍
• 申請（專利權(quán)）人: 上海杰姆斯電子材料有限公司
• 主分類號: C30B15/10
• 分類號: C30B15/10;C30B29/06
• 代理公司: 北京元中知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11223
• 代理人: 王明霞

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種坩堝，尤其是一種直拉法制備單晶硅所使用的坩堝。

背景技術(shù)

當前制備單晶硅主要由兩種技術(shù)，根據(jù)晶體生長方式不同，可以分為區(qū)熔單晶硅和直拉單晶硅。直拉單晶硅主要應(yīng)用于微電子集成電路和太陽能電池方面，是單晶硅的主體。

直拉法是運用熔體的冷凝結(jié)晶驅(qū)動原理，在固液界面處，藉由熔體溫度下降，將產(chǎn)生由液體轉(zhuǎn)換成固態(tài)的相變化。為了生長質(zhì)量合格（硅單晶電阻率、氧含量及氧濃度分布、碳含量、金屬雜質(zhì)含量、缺陷等）的單晶硅棒，在采用直拉法生長時，必須考慮以下問題。首先是根據(jù)技術(shù)要求，選擇使用合適的單晶生長設(shè)備，其次是要掌握一整套單晶硅的制備工藝、技術(shù)，包括：（1）單晶硅系統(tǒng)內(nèi)的熱場設(shè)計，確保晶體生長有合理穩(wěn)定的溫度梯度；（2）單晶硅生長1系統(tǒng)內(nèi)的氬氣氣體系統(tǒng)設(shè)計；（3）單晶硅挾持技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計；（4）為了提高生產(chǎn)效率的連續(xù)加料系統(tǒng)的設(shè)計；（5）單晶硅制備工藝的過程控制。

熱的傳輸靠三種主要模式，亦即輻射、對流及熱傳導。由于晶體的生長是在高溫下進行，所以這三種模式都存在于系統(tǒng)中。在直拉法里，熔體是藉由石墨加熱器的輻射熱而被加熱，而熔體內(nèi)部的熱傳導則是主要靠著對流，晶棒內(nèi)部的熱傳輸主要靠著傳導。另外，從液面及晶棒表面散失到外圍的熱則是藉由輻射作用。系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布對晶體生長質(zhì)量有很大的影響。包括缺陷的密度與分布、氧的析出物生成等。

CZ法內(nèi)的硅晶體的生長界面通常是向上擴展（沿晶體生長方向），所以，常用的盛放硅料的石英坩堝其內(nèi)底表面呈球狀或弧狀，石英坩堝置于石墨坩堝內(nèi)，石墨坩堝的內(nèi)底表面呈相適應(yīng)的球狀或弧狀，坩堝外底部也做成相適應(yīng)的球狀。制備硅籽晶時，由坩堝側(cè)面的加熱器件提供熱源，造成熔體的外側(cè)溫度比中心軸高，熔體底端比液面溫度高，由于硅料的密度隨溫度增加而降低，因此底部的熔體會藉由浮力往上流動，制備體系通過石墨坩堝壁與兩側(cè)的加熱元件進行熱交換，而弧狀的石墨坩堝壁散熱效果不太理想。由于現(xiàn)有石墨坩堝的結(jié)構(gòu)簡單，存在著傳熱效率低、加熱緩慢、加熱時間長、能耗高等缺點；此外，硅的制備過程中會產(chǎn)生氣體，氣體遇冷后凝結(jié)成液體會順著弧形的底面流到石墨坩堝的底托上，最后造成石墨坩堝與底托粘連。減少了坩堝的使用壽命，不利于單晶硅的生產(chǎn)。

有鑒于此特提出本實用新型。

實用新型內(nèi)容

本實用新型要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種直拉法制備單晶硅所使用的坩堝，在側(cè)壁開有導熱孔且坩堝根據(jù)不同的材料至少由上下兩段構(gòu)成，該分段式結(jié)構(gòu)的坩堝導熱性好，且溫度控制性能好，使用壽命長。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用技術(shù)方案的基本構(gòu)思是：一種直拉法制備單晶硅所使用的坩堝，包括由底部與側(cè)壁組成的坩堝本體，所述的坩堝為分段式坩堝結(jié)構(gòu)，坩堝本體根據(jù)材料的不同自上到下至少分成兩段，包括上層的碳-碳復合結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和下層的石墨結(jié)構(gòu)的底部，側(cè)壁上均勻分布有多個導熱孔。

進一步的方案為，所述的導熱孔直徑為5～20mm，導熱孔邊界之間的距離根據(jù)不同的孔密度為10～50mm。

所述側(cè)壁上均勻分布所述導熱孔的區(qū)域為距離側(cè)壁上沿2～6cm，向下垂直方向的寬度為16～25cm，該區(qū)域側(cè)壁的內(nèi)表面平行于坩堝的中心軸。

優(yōu)選的，所述側(cè)壁上均勻分布所述導熱孔的區(qū)域為距離側(cè)壁上沿3cm，向下垂直方向的寬度為20cm。

所述的坩堝為兩段式坩堝結(jié)構(gòu)，包括上層的碳-碳復合結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和下層的石墨結(jié)構(gòu)的底部。

或者，所述的坩堝為三段式坩堝結(jié)構(gòu)，包括上層的碳-碳復合結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和下層的石墨結(jié)構(gòu)的底部，兩層之間設(shè)有一連接段，連接段為碳-碳復合結(jié)構(gòu)或石墨結(jié)構(gòu)，連接段的內(nèi)壁為連接上層側(cè)壁內(nèi)表面和下層底部內(nèi)表面的弧形面。

本實用新型所述的坩堝本體包括限定內(nèi)部容積的內(nèi)底面、內(nèi)側(cè)面以及限定傳熱面積的外底面、外側(cè)面，其中，外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面均與坩堝的中心軸平行，內(nèi)底面呈球弧狀，弧度半徑為R1，內(nèi)底面與內(nèi)側(cè)面之間為球弧形連接，弧度半徑為R2，所述的R1大于或等于R2。

所述的碳-碳復合結(jié)構(gòu)的側(cè)壁厚度為10mm～17mm。

制備單晶硅的過程中，坩堝經(jīng)過反復的升溫降溫、與石英坩堝的摩擦及應(yīng)力作用及與石英坩堝側(cè)壁的不斷反應(yīng)后，坩堝側(cè)壁容易越來越薄，然后發(fā)生應(yīng)力開裂。本實用新型坩堝側(cè)壁采用碳-碳復合結(jié)構(gòu)的強度和韌性都大大優(yōu)于石墨結(jié)構(gòu)，用碳-碳復合材料制作的坩堝側(cè)壁使用壽命將大大優(yōu)于傳統(tǒng)石墨坩堝，壽命延長兩倍以上。