专利名称：一种用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体行业中晶体硅铸造设备领域，具体涉及一种晶体硅铸锭炉内的坩埚保护装置。
背景技术：
晶体硅铸锭炉内有用于提供晶体硅生长所需热场的装置，可以提供晶体硅生长所需的高温温度区，该装置通常由耐高温材料制成，主要部件包括石墨加热器和碳纤维保温层，对石墨加热器输入电流生成焦尔热，加热放置在热场中央的硅原料，碳纤维保温层保持高温，将硅原料熔化后重新结晶生长晶体硅。
上述过程中，放置硅原料的容器为石英坩埚，由于石英坩埚的软化温度低于硅的熔点，因此在高温环境下，石英坩埚必须由保护板围合加以固定，防止石英坩埚变形太严重导致石英坩埚破裂。所用的保护板通常用石墨材料加工而成，引起石英坩埚变形的力来自于硅原料熔化后，硅熔液对坩埚侧面和底面的液体静压力，因此，坩埚侧面的保护板的高度需要高于硅熔液的液面高度。所述硅原料通常为西门子法生成的块状原生多晶硅，在堆积时具有30%左右的空隙率，为了充分利用石英坩埚，装料时硅原料往往堆放得尽量高，一般会高于石英坩埚10(T250mm，即使这样，在硅原料熔化后，硅液面离石英坩埚上端仍有100"200mm 的余量。在现有晶体硅铸锭炉内的坩埚保护装置中，有两种类型一种是不具有气体导流作用的坩埚保护装置，如图I所示，该装置包括一块放置在石英坩埚底部的坩埚底板和4块保护坩埚侧面的坩埚侧板，坩埚侧板之间通过螺纹连接紧固在一起，为了节约坩埚侧板的材料和加工成本，坩埚侧板的高度仅高于硅熔液液面(Tl50mm，但低于石英坩埚的高度。另一种装置是具有气体导流作用的坩埚保护装置，如图2所示，该装置除了设有坩埚底板和坩埚侧板外，还设有坩埚盖板，坩埚盖板放置在坩埚侧板上面，在坩埚盖板中央设有开孔，通常气体从气体导入管导入，通过坩埚盖板的开孔，流入到硅熔液液面上方，最后从坩埚侧板上的开孔或开槽流出(图2中所示为开孔)。所述的气体通常为氩气或氢气，可以在热场内部形成保护气氛，同时带走从硅熔液挥发出的杂质。在不具有气体导流作用的坩埚保护装置中，坩埚侧板的高度较低，只要坩埚侧板的高度高于硅液面的高度，即可起到防止石英坩埚软化的作用；而在具有气体导流作用的坩埚保护装置中，坩埚侧板的高度需要高于石英坩埚20(T300mm，目的在于放置坩埚盖板之后，坩埚盖板不会与堆放高度高于石英坩埚的硅原料相接触。由此可见，如果坩埚保护装置需要起到气体导流作用，则坩埚侧板的高度需要增加25(T500mm，而常用的制造坩埚侧板的耐高温材料为等静压石墨，大尺寸高强度的等静压石墨材料制造难度比尺寸相对较小的等静压石墨要高很多，这将导致坩埚侧板的采购制造加工成本提高很多。采用加高的坩埚侧板还存在另外一个不利影响，由于坩埚侧板为石墨材料加工而成，其主要元素为碳元素，气体从坩埚盖板上方气体导入管导入，经坩埚盖板开孔，流入到硅熔液液面上方，最终从坩埚侧板的孔或槽流出，在气体流出坩埚侧板的孔或槽之前，将反复冲刷坩埚侧板的表面，坩埚侧板的碳元素被气流带入到硅熔液中，导致最终的晶体硅质量下降。
实用新型内容本实用新型提供了一种结构简单，安装方便，使用安全的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，能够有效降低坩埚保护装置的成本，同时减少晶体硅中被气流带入的坩埚侧板表面的碳兀素，提闻晶体娃的质量。一种用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，包括坩埚底板、带有导气孔的坩埚盖板、绕所述坩埚底板边缘立置的坩埚侧板，所述坩埚侧板的顶部设有支撑所述坩埚盖板的支撑柱。石英坩埚放置在坩埚底板上，坩埚侧板围在石英坩埚外侧，坩埚侧板顶部的支撑·柱用于延伸坩埚侧板的高度，因为生长晶体硅所用的硅原料通常为西门子法生成的块状原生多晶硅，在堆积时具有30%左右的空隙率，为了充分利用石英坩埚，装料时硅原料往往堆放得尽量高，高于石英坩埚侧壁的高度，为了装料后，坩埚盖板不与硅原料相接触，支撑柱的上端面需高于石英坩埚上端面，带有导气孔的坩埚盖板放置在支撑柱顶端。所述的坩埚侧板的高度至少不低于硅溶液液面的高度，支撑柱起到了延伸坩埚侧板的作用，在达到保护石英坩埚目的的同时，大大降低了坩埚侧板的高度，减少了坩埚侧板的制造加工成本。所述支撑柱可由石墨或钥等耐高温材料加工而成，可以加工成圆柱形或长方体形，将支撑柱插入坩埚侧板上端面相应的孔中，坩埚盖板可以用相同的方式固定在支撑柱上方。导气孔连接有气体导入管，用于将气流导入到硅溶液上方，带走硅溶液挥发出的杂质。作为优选，所述支撑柱至少为四根，相邻的支撑柱间留有气体流出间隙。支撑柱可以排列成栅栏状，支撑柱间形成的间隙，起到排出保护气流的作用，若支撑柱由石墨材料加工而成，栅栏状的结构也减少了被气流冲刷的支撑柱的石墨表面，减少了在娃晶体中带入碳兀素的几率，提闻了娃晶体的品质。作为优选，相邻的支撑柱间设有耐高温挡板。保护气体滞留硅溶液表面的时间越长，带走硅溶液挥发出的杂质的效果越好，因此，需要增加保护气流从支撑柱间隙流出的阻力，可以通过在部分支撑柱间隙设置耐高温薄板来实现。所述的耐高温薄板不应挥发出碳元素，同时，采购制造成本应尽可能低，可以采用厚度为O. 2^2mm的钥片或含钥的耐高温合金片，通过螺栓或其他方式固定在支撑柱、坩埚侧板或坩埚盖板上。作为优选，所述的耐高温挡板贴近所述坩埚盖板设置，所述气体流出间隙位于所述耐高温挡板与坩埚侧板之间。作为优选，所述支撑柱与坩埚侧板通过螺纹连接。支撑柱与坩埚侧板通过螺纹连接，可以使连接更加牢固。[0023]作为优选，所述坩埚盖板的导气孔位于坩埚盖板的中央。坩埚盖板的导气孔位于坩埚盖板的中央可以使保护气流均匀分布在硅溶液液面。作为优选，所述坩埚盖板由至少两块板拼接而成，所述坩埚盖板设有加强肋条。为尽可能减少坩埚盖板表面的碳元素挥发，坩埚盖板可使用不挥发碳元素的材料，如采用钥或含钥耐高温合金。坩埚盖板也可以用多层结构，面向硅溶液的一面为耐高温含钥合金加工的薄片，薄片的上方用石墨或碳纤维制成的肋条加固，考虑到成本因素，面向硅溶液一面的耐高温薄片可以用多块板拼接而成，在拼接处用耐高温材料加固。坩埚盖板面积大于石英坩埚开口截面积。常用的石英坩埚开口截面为正方形，坩埚盖板为了充分覆盖石英坩埚开口，也应加工为近似正方形，其面积应大于石英坩埚的开口截面积。作为优选，所述导气孔为圆形。导气孔为圆形，可以使引入的保护气流均匀覆盖硅溶液表面。本实用新型提供的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，在有效保护石英坩埚的同时，大大降低坩埚保护装置的加工制造成本，同时，减少了晶体硅产品中碳元素的含量，提闻了晶体娃的质量。
图I是现有技术中不具有气流导流作用的坩埚保护装置；图2是现有技术中具有气流导流作用的坩埚保护装置；图3是本实用新型坩埚保护装置的第一种实施方式的示意图；图4是本实用新型坩埚保护装置的第二种实施方式的示意图；图5是本实用新型坩埚保护装置的第三种实施方式的示意图；图6是本实用新型坩埚保护装置的第四种实施方式的示意图。
具体实施方式
图I为现有技术中不具有气体导流作用的晶体硅铸锭炉内的坩埚保护装置示意图。该装置由坩埚侧板7和坩埚底板2构成,坩埚侧板7和坩埚底板2均采用石墨材料加工。四块坩埚侧板7放置在石英坩埚3的四个侧面，坩埚底板2放置在石英坩埚3的底部，其中坩埚侧板7的高度低于石英坩埚3的高度。四块坩埚侧板I之间用螺杆和螺母连接在一起，防止石英坩埚变形。图2为现有技术中具有气体导流作用的晶体硅铸锭炉内的坩埚保护装置示意图，与图I不同之处在于坩埚侧板7的高度高于石英坩埚3的高度，在坩埚侧板7上安装了坩埚盖板6，坩埚盖板6中央有导气孔，导气孔连接有气体导入管9，坩埚盖板6水平放置在坩埚侧板7上。坩埚侧板7上，对应高于石英坩埚的位置留有开孔10，以方便气流流出。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
做进一步描述。实施例I如图3所示，一种用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置包括四块坩埚侧板7、一块坩埚底板2、十二根支撑柱8、一根气体导入管9和一块坩埚盖板6。坩埚底板2、坩埚侧板7和坩埚盖板6均为平板状。石英坩埚3放置在坩埚底板2上，四块坩埚侧板7放置在石英坩埚3的外侧，支撑柱8通过螺纹安装在坩埚侧板7的上端面，坩埚盖板6放置在支撑柱8的上面，由支撑柱承重。坩埚盖板6的中心设有导体孔，气体导入管9与导气孔连通。坩埚侧板7和坩埚底板2由石墨材料加工，坩埚盖板6由钥材料加工，支撑柱8由石墨材料加工。安装后，支撑柱8的上端面高度高于石英坩埚3的高度，这样在坩埚盖板6与石英坩埚3上端面之间留出了足够的间隙，保证装料时，块状硅原料堆放高度高于石英坩埚的高度时，坩埚盖板不与硅原料接触。在晶体硅铸锭炉内进行晶体硅生长时，在所用石英坩埚外部安装此坩埚保护装置，气流从气体导入管流入，流经硅熔液液面，最终从支撑柱与支撑柱之间的间隙流出。由于支撑柱的表面较小，挥发出的碳元素及杂质也相应较少，因此与现有技术(见图2)相比，将进入硅熔液的碳元素与杂质含量降到尽可能低，提高了硅晶体产品的质量。另外，与现有技术相比，大大减小了所用的坩埚侧板7的尺寸，使得坩埚保护装置制造成本大幅下降。实施例2 本实用新型的第二种实施方式如图4所示，与第一种实施方式的不同之处在于为了使气流尽可能地滞留在硅熔液液面上方，用O. 5mm的钥片Ila将支撑柱8之间的大部分间隙围住，仅在石英坩埚3上方留有IOmm的缝隙，作为气流流出的通道。在提高气流在硅熔液液面滞留时间的同时，由于钥片不挥发碳元素，还隔离了部分支撑柱8的碳元素挥发表面，使得降低硅熔液中碳元素含量的效果得到了进一步提升。实施例3本实用新型的第三种实施方式如图5所示，与第二种实施方式的不同之处在于钥片Ilb盖住了石英坩埚与坩埚盖板之间的全部间隙，为了使气流流出，在钥片Ilb上设有开孔13。实施例3的方式可使硅熔液中碳元素的含量得到更进一步的降低。实施例4本实用新型第四种实施方式如图6所示，与第三种实施方式的不同之处在于坩埚盖板6由两种材料加工而成，面向硅熔液的一面用4片耐高温钥铼合金加工的合金薄片15a、合金薄片15b、合金薄片15c和合金薄片15d拼接而成,在合金薄片的拼接处上方，同时也是支撑柱的承重位置，用碳碳复合材料加工的肋片16加固。合金薄片的厚度为O. 2mm。这样既可以降低合金薄片的厚度，降低成本，又可以保证坩埚盖板具有足够的强度，面向硅溶液的合金薄片不挥发碳元素，保证了晶体硅的质量。
权利要求1.一种用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，包括坩埚底板(2)、带有导气孔的坩埚盖板(6)、绕所述坩埚底板(2)边缘立置的坩埚侧板(7)，其特征在于，所述坩埚侧板(7)的顶部设有支撑所述坩埚盖板(6)的支撑柱(8)。
2.如权利要求I所述的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，其特征在于，所述支撑柱(8)至少为四根，相邻的支撑柱(8)间留有气体流出间隙。
3.如权利要求2所述的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，其特征在于，相邻的支撑柱(8)间设有耐高温挡板。
4.如权利要求3所述的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，其特征在于，所述的耐高温挡板贴近所述坩埚盖板(6)设置，所述气体流出间隙位于所述耐高温挡板与坩埚侧板(7)之间。
5.如权利要求I所述的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，其特征在于，所述支撑柱(8)与坩埚侧板(7)通过螺纹连接。
6.如权利要求I所述的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，其特征在于，所述坩埚盖板(6)的导气孔位于坩埚盖板(6)的中央。
7.如权利要求I飞任一所述的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，其特征在于，所述坩埚盖板(6)由至少两块板拼接而成，所述坩埚盖板(6)设有加强肋条(16)。
8.如权利要求7所述的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，其特征在于，所述导气孔为圆形。
专利摘要本实用新型公开了一种用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，包括坩埚底板、带有导气孔的坩埚盖板、绕所述坩埚底板边缘立置的坩埚侧板，所述坩埚侧板的顶部设有支撑所述坩埚盖板的支撑柱。本实用新型提供的用于晶体硅铸锭炉的坩埚保护装置，在有效保护石英坩埚的同时，大大降低坩埚保护装置的加工制造成本，同时减少了晶体硅产品中碳元素的含量，提高了晶体硅的质量。
文档编号C30B28/06GK202595326SQ201220207658
公开日2012年12月12日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者熊红兵 申请人:熊红兵