專利名稱：一種直拉單晶爐用組合坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種直拉單晶爐用的坩堝，特別是一種用于承托石英坩堝的組合坩堝。
背景技術(shù)：
目前，在半導(dǎo)體和太陽能行業(yè)單晶硅的生產(chǎn)過程中，較多采用的是直拉法生產(chǎn)工藝，其所采用的設(shè)備是直拉單晶爐。利用單晶爐拉制單晶硅棒時(shí)，需要把硅料加熱至1420°C 以上使其熔化，然后拉晶成型。拉制時(shí)，硅料是盛裝在高純石英坩堝內(nèi)加熱熔化，由于石英在1100°C以上變軟，所以在石英坩堝的外面一般采用石墨坩堝來承托，同時(shí)也因?yàn)楣枇虾褪佑|會發(fā)生反應(yīng)，所以不能直接使用石墨坩堝承載硅料。為了防止硅料的熱膨脹使其開裂，石墨坩堝多加工成兩瓣或者三瓣的形式，故稱多瓣坩堝；多瓣坩堝下方使用堝托托住。為了保證強(qiáng)度，多瓣坩堝和堝托通常采用各向同性石墨制作。該種結(jié)構(gòu)的坩堝在使用過程中存在的主要問題一是，多瓣坩堝上部受結(jié)構(gòu)限制，厚度做不了很大，采用石墨材質(zhì)， 強(qiáng)度差，容易開裂，影響坩堝的使用壽命，同時(shí)，多瓣式坩堝通常采用柱狀整料(也有部分采用碗形材料)加工出來，加工耗材多，增加了生產(chǎn)成本；二是，由于采用了多瓣形式，每瓣之間有接縫，接縫處容易受SiO2和Si蒸氣的侵蝕、損耗，雖然有的廠家在接縫處鋪設(shè)低純度石墨紙(98% 99% )，但由于低純度石墨紙內(nèi)堿金屬較多，反而加快了侵蝕的速度，坩堝使用壽命短。近年來，出現(xiàn)了炭/炭復(fù)合材料坩堝代替石墨坩堝，運(yùn)用于單晶爐拉制單晶硅棒的生產(chǎn)中。炭/炭復(fù)合材料的強(qiáng)度比各向同性石墨強(qiáng)度高2. 5倍以上，因此能大大提高坩堝的使用壽命。但炭/炭復(fù)合材料坩堝是仿石墨坩堝外形生產(chǎn)，形狀復(fù)雜制造難度大，且因炭/炭復(fù)合材料本身造價(jià)就高，坩堝制造成本高，難以得到大量的可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。因此，如何提高坩堝的使用壽命和降低生產(chǎn)成本成為技術(shù)人員努力研究的方向。

實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本實(shí)用新型提供了一種新的直拉單晶爐用組合坩堝，其加工簡單，制造成本低，且使用壽命長，能顯著降低生產(chǎn)成本。本實(shí)用新型是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種直拉單晶爐用組合坩堝，其包括圓盤狀的石墨材質(zhì)的底座，設(shè)在底座上與底座配合的由炭/炭復(fù)合材料制成的圓筒狀的筒體，在筒體與底座形成的空腔底部設(shè)有石墨材質(zhì)的墊塊，所述墊塊沿周向由至少兩瓣組成， 墊塊具有與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面。本實(shí)用新型中筒體部分采用炭/炭復(fù)合材料制作，整體成型，炭/炭復(fù)合材料強(qiáng)度高，能大大提高坩堝的使用壽命，同時(shí)因?yàn)槲撮_瓣，圓周方向無腐蝕接縫面，可大大提高其使用壽命；分瓣設(shè)計(jì)的墊塊既可防止硅料熱膨脹使底座脹裂，同時(shí)也降低了墊塊的加工難度，也省料；底座采用石墨材料制作，石墨的可加工性能良好，只需要較薄板料即可加工成型，可大大節(jié)省材料和成本。[0008]本實(shí)用新型中底座的上表面可以是平面，但為了便于承托石英坩堝并方便帶動其一起旋轉(zhuǎn)，本實(shí)用新型的底座的中心部位設(shè)有凸臺，所述凸臺的表面具有與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面，墊塊的底端套設(shè)于該凸臺上，墊塊的凹形曲面與該凸臺的凹形曲面平滑銜接。底座的凸臺可與周圍的墊塊一起承托石英坩堝的重量，由于底座直接與石英坩堝底部接觸，因此，能更容易地帶動其旋轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型中，筒體與底座之間的連接可采用多種結(jié)構(gòu)形式，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡單及可靠性，可采用如下結(jié)構(gòu)形式所述底座的外緣帶有臺階狀的配合面，筒體的下端與該臺階狀配合面配合。本實(shí)用新型中，每一瓣墊塊既可采用整體式，也可采用組合式，考慮到加工方便及加工省料，每一瓣墊塊由至少兩塊帶有相應(yīng)的凹形曲面的小墊塊組合而成，小墊塊的凹形曲面組合后形成與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面。該種結(jié)構(gòu)形式的墊塊，既方便墊塊的更換，加工時(shí)采用邊角余料即可加工成型，能大大節(jié)省材料成本。為了防止坩堝的接縫處受SiO2和Si蒸氣的侵蝕、損耗，縮短坩堝使用壽命，在筒體與底座及墊塊形成的空腔內(nèi)沿內(nèi)側(cè)壁鋪設(shè)高純度石墨紙。由于石墨紙純度高，不會腐蝕筒體和底座，還起到了保護(hù)作用。所述石墨紙的厚度一般為0. 3謹(jǐn) 3謹(jǐn)，優(yōu)選1謹(jǐn)。由于炭/炭復(fù)合材料與各向同性石墨兩者熱膨脹系數(shù)不一致，所以在筒體的內(nèi)徑與底座的臺階配合面之間應(yīng)留有合適的間隙，該間隙為0. 05mm 3mm。為了進(jìn)一步卸載膨脹熱應(yīng)力，還可以在筒體的側(cè)壁上開設(shè)有一條貫通其軸向長度的槽。為了同樣的目的，筒體的側(cè)壁上開設(shè)有至少一條不貫通其軸向長度的槽，一方面保證膨脹熱應(yīng)力能及時(shí)卸載，同時(shí)保證筒體的整體強(qiáng)度。本實(shí)用新型的有益效果是由于其筒體部分采用炭/炭復(fù)合材料制作，整體成型， 坩堝的強(qiáng)度高，使用壽命長；同時(shí)，炭/炭復(fù)合材料比各向同性石墨強(qiáng)度高2. 5倍以上，相比原石墨材質(zhì)能減薄一半左右的厚度，大大節(jié)省了材料；其次，在筒體不開瓣的情況下，圓周方向無腐蝕接縫面，可大大提高其使用壽命；分瓣設(shè)計(jì)的墊塊既防止了硅料熱膨脹使底座脹裂，同時(shí)也降低了墊塊的加工難度，節(jié)省了材料；而底座由于使用可加工性能良好的各向同性石墨材料制作，只需要較薄板料即可加工成型，加工簡單，且相比原結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了材料和成本。因此，本實(shí)用新型具有加工簡單，制造成本低，強(qiáng)度高，使用壽命長的特點(diǎn)，可大大降低生產(chǎn)成本。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的俯視圖(圖中省略了筒體)；圖3是實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是側(cè)壁帶有貫通軸向長度的槽的筒體的主視圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6是側(cè)壁帶有不貫通軸向長度的槽的筒體的主視圖；圖7是圖6的俯視圖；圖8是現(xiàn)有技術(shù)的石墨坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖；[0024]圖9是直拉單晶爐裝料示意圖；圖中，1是底座，2是墊塊，3是筒體，4是石墨紙，5是墊塊一，6是墊塊二，7是凸臺， 8是堝托，9是石墨坩堝，10是硅料，11是石英坩堝，12、13是槽。
具體實(shí)施方式
下面通過非限定性的實(shí)施例并結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明實(shí)施例1如圖1，圖2，圖4，圖5所示，一種直拉單晶爐用組合坩堝，包括圓盤狀的底座1，設(shè)在底座1上的圓筒狀的筒體3，設(shè)在筒體3與底座1形成的空腔底部的墊塊2。其中，筒體 3由炭/炭復(fù)合材料制成，整體成型。底座1采用各向同性石墨制作，其外緣帶有臺階狀的配合面，筒體3的下端與該臺階狀配合面配合，對筒體3進(jìn)行安裝定位，底座1的中心部位設(shè)有凸臺7，所述凸臺7的表面具有與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面。墊塊2也采用各向同性石墨制作，其由至少兩瓣組成，優(yōu)選三瓣，每瓣具有相應(yīng)的凹形曲面，組合后形成具有與單晶爐的石英坩堝堝底相適配的凹形曲面。本實(shí)施例中圖2所示為三瓣結(jié)構(gòu)， 沿圓周均勻分為三瓣。墊塊2的底端套設(shè)在底座1的凸臺7上，墊塊2的凹形曲面與凸臺7 的凹形曲面平滑銜接，形成整體與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的曲面。在形成的空腔內(nèi)沿其內(nèi)側(cè)壁整體鋪設(shè)高純度石墨紙4，石墨紙4的雜質(zhì)含量小于300ppm，厚度0. 3 3mm，優(yōu)選1mm，由于石墨紙純度高，不會腐蝕筒體和底座，還起到了保護(hù)作用，可以多次重復(fù)使用。另外，由于炭/炭復(fù)合材料與各向同性石墨兩者熱膨脹系數(shù)不一致，所以在筒體 3的內(nèi)徑與底座1的臺階配合面之間應(yīng)留有合適的間隙，該間隙一般為0. 05 3mm，優(yōu)選 0. 8mmο為了能有效卸載膨脹熱應(yīng)力，筒體3在成型后也可在筒體側(cè)壁開設(shè)一貫通其軸向長度的槽12，如圖4和圖5所示，用以卸載熱膨脹應(yīng)力；或在筒體側(cè)壁開設(shè)至少一條不貫通其軸向長度的槽13，如圖6、圖7所示是在筒體側(cè)壁上開設(shè)有兩條開口相反的槽13。本實(shí)施例的其他部分采用已有技術(shù)，在此不再贅述。實(shí)施例2如附圖3所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于本實(shí)施例中墊塊的結(jié)構(gòu)形式與實(shí)施例1中的不同。本實(shí)施例中，墊塊由兩塊帶有相應(yīng)的凹形曲面的小墊塊墊塊一 5和墊塊二 6組合而成，墊塊一 5和墊塊二 6的凹形曲面組合后形成與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面。本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1基本相同，在此不再贅述。上述實(shí)施例僅用于對本發(fā)明的說明，并非對其的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改。
權(quán)利要求1.一種直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是其包括圓盤狀的石墨材質(zhì)的底座(1)，設(shè)在底座(1)上與底座(1)配合的由炭/炭復(fù)合材料制成的圓筒狀的筒體(3)，在筒體C3)與底座(1)形成的空腔底部設(shè)有石墨材質(zhì)的墊塊O)，所述墊塊(2)沿周向由至少兩瓣組成，墊塊(2)具有與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是底座(1)的中心部位設(shè)有凸臺(7)，所述凸臺(7)的表面具有與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面，墊塊 (2)的底端套設(shè)于凸臺(7)上，墊塊O)的凹形曲面與凸臺(7)的凹形曲面平滑銜接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是所述底座(1)的外緣帶有臺階狀的配合面，筒體(3)的下端與該臺階狀配合面配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是每一瓣墊塊O)由至少兩塊帶有相應(yīng)的凹形曲面的小墊塊組合而成，小墊塊的凹形曲面組合后形成與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是在筒體C3)與底座 (1)及墊塊(2)形成的空腔內(nèi)沿內(nèi)側(cè)壁鋪設(shè)高純度石墨紙G)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是所述石墨紙的厚度為0. 3mm-3mm0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是所述石墨紙的厚度為1mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是筒體(3)的內(nèi)徑與底座 ⑴的臺階面之間留有0. 05mm-3mm的間隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是筒體(3)的側(cè)壁上開設(shè)有一條貫通其軸向長度的槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的直拉單晶爐用組合坩堝，其特征是筒體(3)的側(cè)壁上開設(shè)有至少一條不貫通其軸向長度的槽。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種直拉單晶爐用組合坩堝，是一種用于承托石英坩堝的組合坩堝。其包括圓盤狀的石墨材質(zhì)的底座(1)，設(shè)在底座(1)上與底座(1)配合的由炭/炭復(fù)合材料制成的圓筒狀的筒體(3)，在筒體(3)與底座(1)形成的空腔底部設(shè)有石墨材質(zhì)的墊塊(2)，所述墊塊(2)沿周向由至少兩瓣組成，墊塊(2)具有與單晶爐的石英坩堝堝底相配合的凹形曲面。本實(shí)用新型具有強(qiáng)度高、使用壽命長、加工簡單，制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C30B15/10GK201942783SQ20102069146
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者劉添華, 張江城, 張洪義, 薛偉, 鄒志勇, 靳忠磊 申請人:山東偉基炭科技有限公司