專利名稱：一種用于直拉法生長單晶的坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能光伏行業(yè)中的坩堝，具體說是一種直拉法生長單晶熱場的坩禍。
背景技術(shù)：
目前任何一種熔體生長晶體都與盛放熔體的坩堝材料密切相關(guān)。一般對坩堝的主要要求有坩堝材料在熔體中不溶或微溶、不能從坩堝引入有害雜質(zhì)到熔體中去、坩堝要便于清潔處理、氣孔率低、容易機械加工或成型等?；谝陨显瓌t通常作為坩堝的材料主要有鎢、鉬、氧化鋯、氧化鋁、鉬、二氧化硅、石墨等。石墨材料是多晶硅、單晶硅制造業(yè)熱場中耐熱材料的首選基礎(chǔ)性材料。石墨熱場結(jié)構(gòu)(如圖1)通常由保溫系統(tǒng)(主要有上保溫蓋1、下保溫蓋2、導(dǎo)流筒 12、上保溫筒3、中保溫筒4、下保溫筒5、保溫底板6等)、發(fā)熱系統(tǒng)(加熱器8)和支撐傳動系統(tǒng)(坩堝軸7、托盤9、石墨坩堝10等)組成。在支撐傳動系統(tǒng)中托盤置于坩堝軸之上，而石墨坩堝(一般為三瓣對稱結(jié)構(gòu))分別放置并拼湊配合于托盤之上，石英坩堝安置于石墨坩堝之中，硅原料安裝熔化于石英坩堝之內(nèi)。在高溫情況下石英坩堝處于軟化狀態(tài)，與石墨坩堝接觸較緊密容易與石墨坩堝產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)如下，反應(yīng)一 C(s)+Si02(s) — SiO(g) +CO(g),反應(yīng)二 SiO (g)+C (s) — SiC(s)+C0(g)，隨著使用時間的延長，石墨坩堝內(nèi)側(cè)面由于化學(xué)反應(yīng)，分瓣面附近R (圓角)部分發(fā)生消耗，其厚度變薄。同時受反應(yīng)二的影響，內(nèi)側(cè)面發(fā)生體積膨脹， 引起坩堝變形，分瓣面上部開裂等不良影響。石墨坩堝外側(cè)面由于硅蒸氣或SiO氣體而發(fā)生硅蒸氣的凝結(jié)，并出現(xiàn)SiC (如同碳化硅涂層)現(xiàn)象，但是SiC生成的厚度比內(nèi)側(cè)面薄。再者石墨坩堝外側(cè)面的硅蒸氣凝結(jié)較多，一旦升溫會變成硅液順著坩堝外側(cè)流下，最后在坩堝R部形成滴狀殘留。綜因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生在坩堝表面的硅、碳化硅等物與石墨坩堝本體的熱膨脹系數(shù)差異較大，反復(fù)開爐停爐加熱冷卻過程中，受到較大拉應(yīng)力作用，一定程度上影響了石墨坩堝的使用壽命。目前市場上用等靜壓石墨做成的坩堝其平均使用壽命為30-35 爐左右，主要表現(xiàn)在R (圓角)部位開裂等。在單晶爐熱場不同部位對石墨材質(zhì)的要求也不相同，尤其是石墨坩堝，對石墨材質(zhì)的要求比較高，石墨坩堝是直拉法生長單晶熱場中非常重要的部件之一，是硅原料所盛放的石英坩堝的依托載體。傳統(tǒng)石墨坩堝為三瓣組合，在加工制作過程中首先在石墨塊料中掏出一部分做成一體的毛坯，在一體毛坯的基礎(chǔ)上再縱向?qū)ΨQ切割成三瓣。普通坩堝組裝后如圖2、圖3所示。近幾年隨著太陽能行業(yè)的迅猛發(fā)展，隨之新興出現(xiàn)一種新的保溫材料，即碳-碳復(fù)合材料。碳-碳復(fù)合材料(CFC)是一種由高強度碳素纖維和碳素基質(zhì)經(jīng)過石墨化增強處理后構(gòu)成的材料，可以廣泛應(yīng)用在高溫環(huán)境下的各類結(jié)構(gòu)件，加熱器和容器。與傳統(tǒng)的工程材料相比碳碳復(fù)合材料具有高強度、耐高溫、抗熱沖擊性、低熱膨脹系數(shù)、熱容量小、低密度等優(yōu)良特點，是目前代替石墨制作易損易耗熱場部件的最優(yōu)選擇。采用碳-碳復(fù)合材料制成的坩堝結(jié)構(gòu)為一體，采用碳-碳復(fù)合材料制成的坩堝使用壽命較長，平均約100爐以上， 但其價格昂貴，使用成本高，使用后堝底料和石英坩堝取出比較麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用壽命長、操作方便、且降低了成本的坩堝。技術(shù)方案為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于直拉法生長單晶的坩堝，包括上部圓環(huán)和采用碳-碳復(fù)合材料制成的堝底；所述上部圓環(huán)安裝于堝底的上方。本發(fā)明中所述上部圓環(huán)和堝底的連接處采用卡槽連接，或采用斜面式連接。本發(fā)明中所述上部圓環(huán)使用等靜壓石墨材質(zhì)或碳-碳復(fù)合材料制成。等靜壓石墨屬于石墨材料中的精品，具有其他普通石墨不具備的優(yōu)異性能，由于等靜壓石墨材料的具備高強、高密、各向同性好，制成的石墨部件在使用過程中受熱、加熱都較均勻，同時由于材料的密度均勻能夠有效的減小材料受急冷急熱而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，抗熱震性能好，故可大大延長設(shè)備或器具的使用壽命周期，所以采用等靜壓石墨制成的上部圓環(huán)，加熱受熱均勻，抗熱震性能好，延長了坩堝的使用壽命。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點
(1)本發(fā)明改變傳統(tǒng)石墨和碳-碳坩堝結(jié)構(gòu)，采用上下兩種材質(zhì)結(jié)合拼接成坩堝，在高溫下易于石英坩堝反應(yīng)的部位由優(yōu)良性能的碳-碳復(fù)合材料代替石墨材質(zhì)從而減緩反應(yīng)， 大大減少了圓角R部位的開裂，延長了使用壽命；
(2)本發(fā)明中采用上部圓環(huán)，下部堝底的分體式連接，代替了碳-碳一體坩堝，使得碳-碳復(fù)合材料的用料減少，降低制造成本；
(3)本發(fā)明采用上下可分離的分體式結(jié)構(gòu)，在停爐冷卻時，可以輕便地取出堝底料，取坩堝的堝底料時可以分別取出上下兩部分，減輕了勞動強度，簡化了結(jié)構(gòu)簡單，降低了事故損失。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中單晶爐熱場的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中普通坩堝的組裝示意圖。圖3為現(xiàn)有技術(shù)中普通坩堝的剖面示意圖。圖4為本發(fā)明中坩堝的剖面示意圖。圖5為本發(fā)明中坩堝上部圓環(huán)和堝底連接的卡槽配合示意圖。圖6為本發(fā)明中坩堝上部圓環(huán)和堝底連接的斜面配合示意圖。圖7為本發(fā)明中坩堝上部圓環(huán)的俯視圖。圖8為本發(fā)明中坩堝上部圓環(huán)的剖視圖。圖9為本發(fā)明中坩堝堝底的的俯視圖。圖10為本發(fā)明中坩堝堝底的的剖視圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。實施例1
如圖4所示的一種用于直拉法生長單晶的坩堝，它包括上部圓環(huán)13和堝底14 ；所述上部圓環(huán)13安裝于堝底14的上方；所述上部圓環(huán)13采用等靜壓石墨制成；所述堝底14采用碳-碳復(fù)合材料制成；上部圓環(huán)和堝底的連接處采用卡槽連接，如圖5所示。對比試驗
1、選取三臺京運通90爐作為實驗單晶爐臺，分別稱作單晶爐1、單晶爐2、單晶爐3。單晶爐1作為普通石墨坩堝(三瓣結(jié)構(gòu))的實驗爐臺，單晶爐2作為碳碳坩堝的實驗爐臺，單晶爐3作為實施例1所述坩堝的實驗爐臺。2、檢查并調(diào)整單晶爐1、2、3熱場結(jié)構(gòu)相同(保溫系統(tǒng)、發(fā)熱系統(tǒng)和支撐傳動系統(tǒng)尺寸)。安裝單晶爐1 (石墨坩堝)和單晶爐2 (碳碳坩堝)時操作人員需較大用力才能使坩堝放置于托盤之上，安裝單晶爐3 (實施例1所述坩堝)時先安裝碳碳一體堝部分，再安裝上部石墨圓環(huán)部分，小心地卡在碳碳一體堝上。3、將相同廠家相同規(guī)格的石英坩堝分別放置于單晶爐1 (石墨坩堝)、單晶爐2 (碳碳坩堝)、單晶爐3 (實施例1所述坩堝)上進行拉制。4、以上爐臺在拆爐提取堝底料時，單晶爐1 (石墨坩堝)需要將堝底料全部取出后再取出坩堝；單晶爐2(碳碳坩堝)需要將堝底料取出后再利用特殊的工裝使碳碳坩堝取出， 比較耗費人力；單晶爐3 (實施例1所述坩堝)可先將上部的石墨圓環(huán)取出，使堝底料能較大視野暴露在外，便于操作取出。之后可直接將下部碳碳一體部分取出，分量較輕。5、統(tǒng)計三臺單晶爐不同坩堝的使用壽命，單晶爐1 (石墨坩堝)使用32爐R處開裂；單晶爐2 (碳碳坩堝)使用95爐開裂，單晶爐3 (實施例1所述坩堝)上部的石墨圓環(huán)壽命25爐，下部碳碳一體部分超出100爐仍未損壞。實施例2
一種用于直拉法生長單晶的坩堝，它包括上部圓環(huán)13和堝底14 ；所述上部圓環(huán)13安裝于堝底14的上方；所述上部圓環(huán)13采用碳-碳復(fù)合材料制成；所述堝底14采用碳-碳復(fù)合材料制成；上部圓環(huán)和堝底的連接處采用斜面式連接，如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種用于直拉法生長單晶的坩堝，其特征在于它包括上部圓環(huán)和采用碳-碳復(fù)合材料制成的堝底；所述上部圓環(huán)安裝于堝底的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直拉法生長單晶的坩堝，其特征在于所述上部圓環(huán)和堝底的連接處采用卡槽連接，或采用斜面式連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于直拉法生長單晶的坩堝，其特征在于所述上部圓環(huán)使用等靜壓石墨材質(zhì)或碳-碳復(fù)合材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于直拉法生長單晶的坩堝，它包括上部圓環(huán)和采用碳-碳復(fù)合材料制成的堝底；所述上部圓環(huán)安裝于堝底的上方。本發(fā)明改變傳統(tǒng)石墨和碳-碳坩堝結(jié)構(gòu)，采用上下兩種材質(zhì)結(jié)合拼接成坩堝，在高溫下易于石英坩堝反應(yīng)的部位由優(yōu)良性能的碳-碳復(fù)合材料代替石墨材質(zhì)從而減緩反應(yīng)，大大減少了圓角R部位的開裂，延長了使用壽命，同時降低了制造成本。
文檔編號C30B15/10GK102191537SQ20111014591
公開日2011年9月21日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者馮立學(xué), 吳亞軍, 姜慶堂, 梁會寧, 胡元慶 申請人:奧特斯維能源(太倉)有限公司