[发明专利]用于直拉硅单晶生长的双层坩埚

说明书

技术领域

本发明涉及直拉硅单晶生长，尤其涉及一种用于直拉硅单晶生长的双层坩埚。

背景技术

直拉硅单晶生长炉要使用石英坩埚熔化多晶硅，通常根据所生长的硅单晶的直径的大小选用石英坩埚，现在常用的有外径为18英寸、20英寸、22英寸、24英寸、28英寸、32英寸的石英坩埚。石英坩埚的形状为上部开口、下部有底的圆筒形。

在直拉硅单晶炉生长硅单晶时，在石英坩埚内存在熔体热对流，热对流是沿着坩埚壁上升，在熔体表面下流向坩埚的中心区域。热对流对坩埚壁有很强的冲刷作用加快了石英坩埚壁的熔蚀速度，石英坩埚壁熔蚀是硅单晶中氧的来源，热对流在熔体表面下流向坩埚的中心，加大了坩埚表面中心区的温度波动，尤其是在晶体生长的开始阶段。

为降低单晶中的氧浓度、提高硅熔体表面中心区的温度稳定性，现在一般使用外加电磁场使硅熔体处在磁场的环境中，磁场的阻尼作用抑制熔体的热对流，磁场的方向一般垂直于坩埚壁或熔体表面。但电磁场要消耗非常多电能，需要大的设备投资。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于直拉硅单晶生长的双层坩埚。

用于直拉硅单晶生长的双层坩埚包括坩埚、坩埚内环、流液洞，坩埚内的中心设有坩埚内环，坩埚内环下端与坩埚底部接触处设有四个对称分布的流液洞，流液洞的直径为10～20mm，坩埚内环与坩埚同轴，坩埚和坩埚内环的壁厚为8～12mm，坩埚内环的外径d与坩埚的外径D之比为 0.5～0.7，坩埚内环的高度h₂与坩埚的高度h₁之比为0.6～0.8。

所述坩埚和坩埚内环的材料为石英玻璃、氮化硅陶瓷或碳化硅陶。

本发明能够有效抑制硅单晶生长过程中硅熔体中的热对流，代替电磁场的作用，简单又节能。能有效降低石英坩埚的熔蚀速度，提高硅熔体表面中心区的温度稳定性，降低硅单晶中的氧浓度。

附图说明

图1（a）是用于直拉硅单晶生长的双层坩埚结构主视图；

图1（b）是用于直拉硅单晶生长的双层坩埚结构俯视图；

图2是使用本发明的直拉硅单晶生长炉结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，用于直拉硅单晶生长的双层坩埚包括坩埚24、坩埚内环23、流液洞25，坩埚24内的中心设有坩埚内环23，坩埚内环23下端与坩埚24底部接触处设有四个对称分布的流液洞25，流液洞25的直径为10～20mm，坩埚内环23与坩埚24同轴，坩埚24和坩埚内环23的壁厚为8～12mm，坩埚内环23的外径d与坩埚24的外径D之比为 0.5～0.7，坩埚内环23的高度h₂与坩埚24的高度h₁之比为0.6～0.8。

所述坩埚24和坩埚内环23的材料为石英玻璃、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。

如图2所示，使用本发明的直拉硅单晶生长炉结构示意图包括提拉头1、副炉室2、钢丝绳3、隔离阀4、夹头5、晶种6、石英坩埚7、石墨坩埚8、加热器9、隔热体10、电极11、坩埚上升旋转机构12、下部隔热体13、加热变压器14、控制系统15、炉体16、单晶17、硅熔体18、炉体温度探头19、上部保温罩20、炉盖21、直径控制探头22、坩埚内环23、坩埚24和流液洞25。

使用本发明的双层坩埚生长直拉硅单晶的方法与使用现在常用的石英坩埚完全一样。先装满多晶硅于双层坩埚内环23、坩埚24内，抽真空检漏，加功率升温，多晶硅完全熔化后，通过加热变压器14、计算机控制系统15、炉体温度探头19的共同作用将熔体温度稳定到硅的熔点温度以上10-30?C的范围内，提拉头1下放钢丝绳3、夹头5和晶种6直到晶种和熔体熔接，熔接后通过热变压器14、计算机控制系统15、炉体温度探头19、坩埚升降旋转机构12、提拉头1的共同作用控制熔体的温度、提拉速度、坩埚上升速度使硅单晶以晶种为中心长大到目标直径后开始等径生长，在硅单晶生长过程中坩埚内环23内的熔体不断转变成硅单晶而消耗，坩埚内环23外的熔体通过流液洞25进入坩埚内环23，使坩埚内环23内外的液面高度保持一致。当剩料达到规定值后开始晶体尾部生长，尾部生长完成后单晶与剩余熔体脱离，晶体生长过程结束。