[实用新型]一种直拉法制备单晶硅所使用的石墨坩埚

说明书

技术领域

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

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。

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1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。

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。

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。

有鉴于此特提出本实用新型。

实用新型内容

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。

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20°～70°的倾斜夹角。

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。

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°。

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。

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。

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R1大于或等于R2。

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。