[发明专利]一种重复多次拉制单晶硅用石英坩埚及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及在光伏领域或半导体行业中，能够重复多次用于拉制单晶硅的电弧法制备的熔融石英坩埚，以及降低石英坩埚气泡空乏层中微气泡含量和抑制微气泡在石英坩埚使用过程中膨胀的方法。

背景技术

单晶硅，其广泛应用于半导体器件和太阳能电池，在现有技术中主要通过直拉法（Czochralski，Cz法）制备。根据直拉法，单晶硅的生长是在晶体提拉炉中进行，将初始原料多晶硅装填到石英坩埚中，通过环绕石英坩埚的加热器将其熔化。然后将晶种浸入熔融的硅液中，然后缓慢地向上提拉和相对旋转来完成单晶硅的生长。在此生长过程中，石英坩埚担任着非常重要的角色，作为承载盛装容器，同时又要承受连续高温和熔融硅液的侵蚀。

在目前现有的技术中，旋转模具真空法是制备石英坩埚的主要制造方法，即将石英砂在旋转的、具有一定孔洞的模具内表面成型，通过设置在模具内部的电极放电电弧加热石英砂使其熔化后冷却形成。在制备过程中，从模具的外侧抽真空，从而形成内侧为气泡空乏层（也称透明层）、外层为气泡复合层（也称气泡层）的这种具有双层复合结构的石英坩埚。

根据紧密堆积理论，石英砂颗粒之间总是存在一定的空隙（空隙中包含着空气），在石英坩埚制造过程中即使抽真空，也无法将所有的空气排尽，这些空气以直径在微米级的微气泡存在石英坩埚的气泡空乏层中；同时由于石英玻璃即使在1700℃的高温下其黏度为106dPa·S这一特性，在黏性和惯性的双重作用下，表面部分已经熔化的石英砂会将周围未熔的石英砂包裹，同时夹杂着石英砂颗粒的之间所包含着的大量的空气，最终导致形成的石英坩埚内表层具有很高的微气泡含量，这些气泡的直径在微米级，且集中在内表面1mm深度内。

在单晶硅生长过程中，上述微气泡会在连续高温环境下慢慢膨胀长大，合并，严重影响石英坩埚的使用时间。尤其是集中在坩埚内表层的微气泡，一旦破裂，会将石英碎片杂质带入到熔融的硅液中，加剧石英坩埚与熔融硅液的反应程度，严重的将会导致漏硅这样严重的生产事故。由于石英坩埚为一次性消耗品，单晶硅生长厂家出于成本压力，迫切希望石英坩埚能够承受更长时间的高温，满足多次拉晶的需求。

同时需要一种降低石英坩埚中气泡空乏层中微气泡含量，抑制微气泡在石英坩埚使用过程中膨胀，满足多次投料、拉晶需求的石英坩埚制备方法。

发明内容

本发明涉及一种重复多次拉制单晶硅用石英坩埚，其包括气泡空乏的内层（也称透明层）和富含气泡的外层（也称气泡层），该石英坩埚内层气泡空乏层的内表面1mm深度内的微气泡体积密度低于0.0005%，外层气泡层中气泡体积密度为40%～80%。

本发明还涉及制造上述能够重复多次拉制单晶硅使用石英坩埚的方法。

在石英坩埚熔制过程中采用的石墨电极中心有一直径为3～10mm的小孔。

在石英坩埚熔制过程中通入氢气、氮气、氦气、氩气或其他惰性气体中的一种气体或几种混合气体。

其中，通入混合气体时，混合气中某一种气体的含量为1%～99%。

气体经过石墨电极的中心孔进入到石墨模具的内腔。

通入气体的压力为0.05～0.2Mpa，流量为0.5～4 m3/h。

通入气体开始是在石英砂刮制形成坩埚形状胚体后，开启抽真空之前。

通入气体结束是在关闭抽真空之后。

在石英坩埚制备的不同阶段，调节模具旋转速度、遮热装置与模具外套上口边缘距离、通入气体的压力及流量、真空泵抽气压力、电极位置和熔制功率，来实现能够重复多次拉制单晶硅使用的石英坩埚，具体方法步骤如下：

（1）向旋转的模具中供给石英砂原料形成坩埚形状胚体：将模具连同模具外套安装到旋转轴上，使该模具在电机驱动下围绕该旋转轴以50～120转/分钟的速度旋转，以便将石英砂良好地压到模具的内壁上；用具有一定尺寸弧度的成型棒将压在模具内壁的石英砂刮制成所需要的形状。所述的模具装备有能够施加吸气/抽气的通道，这些通过模具外套的腔室被连接到真空泵；将石英坩埚遮热装置设置于所述模具的上方，所述的石英坩埚遮热装置可在模具上方上下移动；将石墨电极组可移动地安装在模具上方（电极组的轴线与旋转轴同轴），所述的石墨电极组中的石墨电极为中间开有小孔，可在石英坩埚熔制形成阶段向石英坩埚形状胚体内部空腔通入气体；