CN102177282A - 硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用其的硅熔融精炼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够实现间接熔融及直接熔融的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用该石墨坩埚的硅熔融精炼装置。本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚是上部开放以装入硅原料，外侧壁被感应线圈围绕的呈圆筒形结构的石墨材质的坩埚，在该石墨坩埚中，形成有贯通上述坩埚的外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个第一狭缝，并形成有从圆板形坩埚底部的边缘到中心方向的铅直方向的多个第二狭缝。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅熔融坩埚(Crucible)，更详细说，涉及一种能够通过结合基于坩埚热的间接熔融方式和基于电磁感应的无接触直接熔融方式，可高效熔融硅的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用其的硅熔融精炼装置。
背景技术
由于基于电磁感应的直接熔融方式能够在短时间内熔融金属等物质，因而具有较高的生产率并能使原料的污染最小化。基于电磁感应的直接熔融方式一般根据如下的原理进行。
当在围绕坩埚的感应线圈中输入交流电流而引起磁场(Magnetic Field)变化时，需要熔化的金属表面上形成感应电流，通过由此产生的焦耳热(Joule’s Heat)熔融金属。并且，感应电流与磁场发生作用而在金属熔液中生成电磁力(Lorentz force)。
即使线圈电流的方向发生改变，所生成的电磁力根据弗莱明的左手定律始终朝向坩埚内部中心方向，具有与电磁压(Electromagnetic Pressure)一同产生作用的效果(Pinch Effect)，从而能够防止熔液和坩埚内侧壁的接触。
但是，在熔融硅等半导体时，无法采用上述基于电磁感应的直接熔融方式。其理由在于，硅具有1400℃以上的非常高的熔点，且与金属不同，在700℃以下的温度电导率低，因此无法进行基于电磁感应的直接感应。
由此，在熔融硅等半导体时，主要利用基于石墨坩埚热量的间接熔融方式，其理由在于，石墨虽是非金属材质，但其电导率及热导率非常高，因而容易实现基于电磁感应的坩埚加热。
但是，石墨坩埚的电磁波被石墨屏蔽，无法向坩埚内部传递电磁力。因此，到目前为止，石墨坩埚中的硅等半导体的熔融只采用基于石墨坩埚热的间接熔融方式。
在石墨坩埚中进行硅间接熔融的情况下，在硅熔融时，熔液和石墨坩埚表面将会接触。这将使熔液和石墨容易进行反应，造成由碳引起的硅污染或坩埚内侧表面的污染，进而在石墨坩埚内侧表面生成碳化硅化合物层，根据情况可能引发石墨坩埚裂开的问题。
为了解决上述问题，日本公开专利公报第2005-281085号(2005年10月13日公开)中公开了用碳化硅(SiC)等涂敷与硅接触的石墨坩埚内部表面，或是对石墨坩埚内部表面进行高密度处理的技术。图1是用碳化硅(SiC)涂敷了内部表面的石墨坩埚的剖视图。
参照图1，涂敷于石墨坩埚内壁表面的碳化硅110抑制石墨和熔液的反应。由此，能够防止硅或坩埚的污染。并且，能够抑制在石墨基质中分散有碳化硅的复合层120针对石墨基材130的厚度增厚，从而能够解决石墨坩埚裂开的问题。
但是，在上述方法中，存在由于在石墨坩埚中融解硅的过程中碳化硅涂敷膜110脱落的剥离现象，因而导致石墨坩埚的寿命受限，并在防止硅的污染时受到局限性的问题。
为了在硅熔融中防止熔液和坩埚接触，也利用有水冷铜坩埚，水冷铜坩埚虽然具有坩埚和熔液因电磁感应而不接触的优点，但是存在需要用于形成初始熔液的辅助热源，并且较多热量无法应用于硅熔融而通过冷却水损失掉的大问题。
为了解决如上所述的利用水冷铜坩埚的硅熔融的问题，日本公开专利公报第2001-19594号(2001年01月23日公开)中公开了利用等离子体作为辅助热源的技术。但是，利用等离子体作为辅助热源的方式存在使得用于硅熔融的设备变得复杂的问题，并且还存在由冷却铜引起的30％以上的热损失而导致效率降低的问题。
为了解决上述石墨坩埚的问题和水冷铜坩埚的问题，韩国公开专利公报第10-2006-0016659号(2006年02月22日公开)中公开了水冷铜坩埚(冷坩埚)和石墨坩埚(热坩埚)结合的坩埚结构。图2中示出上述结构。
图2所示的坩埚具有在铜材质的冷坩埚220上部放置石墨材质的热坩埚250的结构。热坩埚250的上端部沿圆周方向形成一体，从热坩埚250的下端部到冷坩埚220下端部，由纵方向的多个狭缝(slit)230分割成区间(segment)240。并且，热坩埚250外部被绝热材260绝热，以提高硅的加热效果和保护感应线圈210。
能够通过上述坩埚结构，在使用石墨材质的热坩埚250形成初始熔液后，将遍及熔液的整个纵向区间作用于熔液的电磁压保持在大于熔液的静水压(hydraulic pressure)的状态，并对原料进行加热及熔融，从而提高加热及熔融效率。
但是，上述坩埚结构作为冷坩埚和热坩埚结合的结构，比石墨坩埚等一体型坩埚难制作。并且，如图2所示，上部石墨材质的热坩埚只起到作为辅助热源的作用，还是主要在冷坩埚中进行硅铸造，因此存在无法避免由水冷引起的热损失的问题。
并且，现有的水冷铜坩埚能够通过电磁感应熔融防止熔液和坩埚内侧壁接触，但因熔液和坩埚内部底部的接触而依然存在硅或坩埚污染的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用其的硅熔融精炼装置，其能够解决在石墨坩埚中熔液和石墨接触的问题和水冷铜坩埚中由水冷引起的热损失问题。
根据本发明中的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，该石墨坩埚是上部开放以装入硅原料，外侧壁被感应线圈围绕的呈圆筒形结构的石墨材质的坩埚，其特征在于，形成有贯通上述坩埚的外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个第一狭缝，并形成有从圆板形坩埚底部的边缘到中心方向的铅直方向的多个第二狭缝。
根据本发明的利用硅电磁感应熔融用石墨坩埚的硅熔融精炼装置，其特征在于，包括：坩埚，其为石墨材质，具有圆筒形结构，该坩埚的上部开放，并具有贯通外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个第一狭缝及从圆板形坩埚底部的边缘处到中心方向的铅直方向的多个第二狭缝，以及感应线圈，其围绕上述坩埚的外侧壁；由上述坩埚的上部装入的硅原料被间接熔融而形成的熔液不与坩埚的内侧壁及坩埚的内部底面接触地进行感应熔融。
由于本发明即便利用廉价的石墨坩埚，也能够结合间接熔融方式和基于电磁感应的非接触直接熔融方式，因而能够消除熔液和石墨接触的问题和热损失问题，而实现高效的硅电磁感应熔融，并且提供基于硅熔液搅拌的高纯度精炼效果。
附图说明
图1表示现有技术中的碳化硅涂敷在表面的石墨坩埚剖面。
图2表示现有技术中的在冷坩埚上部结合有热坩埚的坩埚结构。
图3表示多个第一狭缝形成于侧壁的硅电磁感应熔融用石墨坩埚结构。
图4及图5表示在现有水冷铜坩埚和侧壁显示本发明的石墨坩埚的坩埚内部磁场密度的数值分析结果。
图6表示在侧壁形成有多个第一狭缝时的作用于硅熔液的静水压和电磁压的数据分析结果。
图7表示本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚结构。
图8表示本发明的在硅电磁感应熔融用石墨坩埚的底部沿铅直方向形成有多个第二狭缝时的作用于硅熔液的表面的电磁压数据分析结果。
图9表示形成于图7所示的石墨坩埚的底部的第二狭缝的例子。
具体实施方式
以下，参照附图对根据本发明的优选实施例的硅电磁感应熔融用石墨坩埚及利用其的硅熔融精炼装置进行详细说明。
图3表示多个第一狭缝形成于侧壁的硅电磁感应熔融用石墨坩埚结构
图3所示的硅电磁感应熔融用石墨坩埚300构成上部开放的圆筒形结构。坩埚的外侧壁321在进行硅熔融工序时被感应线圈301围绕。硅原料通过开放的坩埚上部装入坩埚内部。
参照图3，形成有贯通内侧壁322和外侧壁321的铅直方向的多个第一狭缝310。在未形成有狭缝的一般的硅熔融用石墨坩埚的情况下，电磁波被石墨屏蔽，因此在坩埚内部电磁力几乎不发生作用。
但是，实验结果表明，如图3所示，当形成了贯通坩埚外侧壁321和内侧壁322的铅直方向的多个第一狭缝310时，即使是石墨材质的坩埚也未屏蔽电磁波，电磁力强烈作用于坩埚内部。
图4及图5表示在现有水冷铜坩埚和侧壁显示本发明的石墨坩埚的坩埚内部磁场密度的数值分析结果。参照图4及图5可以看出，如同本发明一样在石墨坩埚中形成铅直方向的多个第一狭缝(图5)的情况相比现有水冷铜坩埚(图4)，石墨坩埚内部的磁场密度反而更高。这就表明，在石墨坩埚中形成铅直方向的第一狭缝的情况下，电磁力也相应地强烈地向坩埚内部中心方向发生作用。
由此，随着电流在感应线圈301中流通而引起的电磁力向坩埚内部的中心方向发生作用，从而使熔融的硅因电磁力不会与坩埚内侧壁322接触。
即使电磁力向坩埚内部中心方向发生作用，如果其作用力小于重力引起的静水压，则熔液将会扩张。因此，需要有大于静水压的电磁力向坩埚内部中心方向发生作用。
图6表示本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚的铅直方向的熔液的静水压和电磁压。参照图6可以看出，在石墨坩埚中未形成多个第一狭缝310的情况下，作用于硅熔液的电磁压低于静水压。因此，在这种情况下，几乎不可能实现硅熔液的无接触熔融。
但是，可以看出在石墨坩埚中沿铅直方向形成12个或24个狭缝310的情况下，向坩埚内部中心方向发生作用的电磁压相对高于要使熔液扩张的静水压。
铅直方向的多个第一狭缝310可以形成为从坩埚上部到达坩埚下部面324，如图3所示，也可以形成为从坩埚上部到达坩埚内部的底面323。
为了使要熔融的硅因电磁力而不会与坩埚内侧壁322进行接触，电磁力应当向坩埚内部中心方向发生作用。为此，优选的是，铅直方向的多个第一狭缝310不倾向某一方向而以规定的间隔形成，使得由第一狭缝310分割的区间(Segment)具有相同的大小。
并且，优选的是，铅直方向的多个第一狭缝310沿坩埚半径方向(中心方向)形成，使得电磁力向坩埚内部中心方向发生作用。
熔液会与坩埚内部底面323接触，因此需要防止熔液和坩埚内部底面323的石墨发生接触。为此，在本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚中，不仅形成有上述多个第一狭缝310，而且还在圆板形坩埚底部形成有多个第二狭缝。
图7表示本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚结构。
参照图7，在本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚600中不仅形成有贯通外侧壁321和内侧壁322的铅直方向的多个第一狭缝310，而且还形成有从坩埚底部(图9的800)的边缘810沿中心820方向的铅直方向的多个第二狭缝610。
形成于坩埚底部800的多个第二狭缝610起到使从形成于坩埚侧壁的多个第一狭缝310集中到地面的涡电流(eddy current)分散的作用。此时，由于通过外部电磁场形成的涡电流在坩埚内侧壁322和底部800的坩埚内部底面323表面集中而流通，因而即使多个第二狭缝610没有像外侧壁321似的完全断路，也能充分形成下部熔液的无接触。
图8表示在底部形成有多个第二狭缝的坩埚内部作用于熔液表面的电磁力的数据分析结果。可以看出，在坩埚底部800形成有多个第二狭缝610的情况下，即使没有像外侧壁321似的完全断路，也如同图6所示的在底部如同形成有多个第二狭缝的坩埚一样具有充分大于熔液静水压的电磁力。
此时，如图9所示，作为坩埚底部的第二狭缝610的交叉点的底部中心点820使所有底部的第二狭缝610都在此断路，以防止涡电流集中到底部中心部。这种形成于底部中心820的断路部分起到防止底部800涡电流的集中现象，并防止由此引起的中心部的温度急剧上升的作用。
图9是表示形成于图7所示的石墨坩埚的底部的多个第二狭缝的例子的图。在这里，坩埚底部800呈圆板形，其上部面成为坩埚内部底面323，下部面与坩埚底部324一致。
参照图9，多个第二狭缝610形成为从坩埚底部800的边缘810到达中心820，此时底部800的中心必须要断路。多个第二狭缝610与第一狭缝310相同，优选为以规定的间隔形成。根据不同情况，多个第一狭缝310和多个第二狭缝610可以形成为部分或全部相连。
硅在本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚600中被熔融的过程如下。
当电流在围绕坩埚外侧壁321的感应线圈301流通时，石墨坩埚将进行感应加热。装入石墨坩埚内部的硅原料通过经加热的石墨坩埚的热量从底部开始间接熔融，经过规定时间后，形成1400℃～1500℃左右的熔液。
由于硅在熔融温度以上的温度下具有导电体性质，因而通过间接熔融形成的熔液进行感应熔融，同时向上部方向移动而进行熔液搅拌。并且，在向坩埚内部中心方向作用的电磁力的作用下，熔液不与坩埚内侧壁322的接触地实现直接的电磁感应熔融。而且，由于在坩埚底部800形成从边缘810沿中心820方向的铅直方向的多个第二狭缝610，因而集中到坩埚底部800的涡电流进行分散，并在坩埚内部底面323的表面集中而流通，从而熔液也不会与坩埚内部底面323接触。
完全熔融的熔液不与坩埚内侧壁322接触，并且在熔液内部继续进行搅拌，同时杂质向熔液的表面移动。通过上述过程，能够得到高纯度的硅。
本发明的硅电磁感应熔融用石墨坩埚可以适用于硅熔融精炼装置。在这种情况下，硅熔融精炼装置包括图7所示的石墨坩埚600和围绕坩埚的外侧壁321的感应线圈301。
利用电磁感应熔融进行硅的熔融精炼，具体通过结合以下间接熔融及直接熔融而进行。
在进行硅的熔融精炼时，由坩埚上部装入的硅原料通过因在感应线圈301中流通的电流而感应加热的石墨坩埚的热量进行间接熔融而形成熔液，由在感应线圈301中流通的电流产生的电磁力向坩埚内部中心方向产生作用，从而熔液不与坩埚内侧壁322接触地进行感应熔融。并且，向坩埚底部800集中的涡电流通过形成于底部800的多个第二狭缝610进行分散，从而熔液也不会与坩埚内部底面323接触。
此时，从硅原料到熔液的形成过程由于是通过石墨坩埚的热量而实现，因而可视为间接熔融，熔液不与坩埚内侧壁及坩埚内部底面323接触地实现感应熔融的过程可视为直接熔融。
本发明的硅熔融精炼装置即便利用廉价的石墨坩埚，也能够实现坩埚内侧壁322及坩埚内部底面323的无接触熔融，因此能够防止硅或坩埚的污染。并且，由于在熔融初期通过石墨坩埚的热量实现间接熔融，因而不需要额外的热源。并且，由于利用石墨材质的坩埚而不需要水冷，因而不存在造成热损失的问题。
以上以本发明的实施例为中心进行了说明，但是本领域的技术人员能够对本发明进行若干变更或变形。上述变更和变形在不脱离本发明的范围的情况下也应视为本发明的保护范围。因此，本发明的权利范围应当由权利要求书中记载的内容进行限定。
Claims (12)
1.一种硅电磁感应熔融用石墨坩埚，该石墨坩埚是上部开放以装入硅原料，外侧壁被感应线圈围绕的呈圆筒形结构的石墨材质的坩埚，其特征在于，
形成有贯通上述坩埚的外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个第一狭缝，
并形成有从圆板形的坩埚底部的边缘到中心方向的铅直方向的多个第二狭缝。
2.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，上述多个第二狭缝从上述坩埚底部的边缘形成到上述坩埚底部的中心为止，但在上述坩埚底部的中心断路。
3.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，上述多个第一狭缝从上述坩埚的上部形成到上述坩埚的内部的底面部分为止。
4.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，上述多个第一狭缝和上述多个第二狭缝以规定的间隔形成。
5.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，上述多个第一狭缝沿上述坩埚的内部中心方向形成。
6.根据权利要求1所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，上述硅原料被感应加热的上述坩埚间接熔融而形成熔液。
7.根据权利要求6所述的硅电磁感应熔融用石墨坩埚，其特征在于，由在上述感应线圈中流通的电流产生的电磁力向上述坩埚的内部中心方向发生作用，从而使上述形成的熔液因向上述坩埚的内部中心方向发生作用的电磁力而不会与上述坩埚的内侧壁接触地进行感应熔融。
8.一种硅熔融精练装置，其特征在于，
包括：
坩埚，其为石墨材质，具有圆筒形结构，该坩埚的上部开放，并具有贯通外侧壁和内侧壁的铅直方向的多个第一狭缝及从圆板形的坩埚底部的边缘处到中心方向的铅直方向的多个第二狭缝，以及
感应线圈，其围绕上述坩埚的外侧壁；
由上述坩埚的上部装入的硅原料被间接熔融而形成的熔液不与坩埚的内侧壁及坩埚的内部底面接触地进行感应熔融。
9.根据权利要求8所述的硅熔融精练装置，其特征在于，上述多个第二狭缝从上述坩埚底部的边缘形成到上述坩埚的底部的中心为止，但在上述坩埚底部的中心断路。
10.根据权利要求8所述的硅熔融精练装置，其特征在于，上述多个第一狭缝从上述坩埚的上部形成到上述坩埚的内部的底面部分为止。
11.根据权利要求8所述的硅熔融精练装置，其特征在于，上述多个第一狭缝和上述多个第二狭缝以规定的间隔形成。
12.根据权利要求8所述的硅熔融精练装置，其特征在于，上述多个第一狭缝沿上述坩埚的内部中心方向形成。
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