一种石英坩埚以及单晶热场的制作方法

1.本实用新型涉及直拉单晶技术领域，尤其涉及一种石英坩埚以及单晶热场。


背景技术：

2.随着直拉法单晶连续拉晶时间的不断加长，单晶热场中各热场部件失效时间也随之延长，单晶热场中各部件的可靠使用时间也需要随之加长。
3.目前，单晶热场中使用的石英坩埚包括由内至外的透明层和气泡层。但在使用过程中，外层的气泡层中的微小气泡会不断长大，从而导致石英坩埚的外壁变的疏松多孔。
4.疏松多孔的石英坩埚外侧会增大与其他热场部件发生反应的面积，造成石英坩埚外侧失效反应的加剧，从而致使石英坩埚外侧出现的析晶层加厚，进而导致石英坩埚出现漏硅、鼓包等不良。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种石英坩埚以及单晶热场，以提供一种降低石英坩埚外层外侧失效反应，延长坩埚使用寿命的技术方案。
6.第一方面，本实用新型提供一种石英坩埚，应用于单晶热场中，石英坩埚包括第一石英层、石英叠层以及第二石英层。从石英坩埚内层至外层的方向，第一石英层、石英叠层与第二石英层层叠设置。其中，石英叠层至少包括第一石英气泡层，第一石英层和第二石英层中单位面积上的气泡数量均小于第一石英气泡层中单位面积上的气泡数量，且第一石英层和第二石英层中气泡的尺寸参数小于第一石英气泡层中气泡的尺寸参数。
7.在采用上述技术方案的情况下，从石英坩埚内层至外层的方向，本实用新型提高的石英坩埚包括第一石英层、石英叠层与第二石英层，其中，石英叠层至少包括第一石英气泡层。相对于现有技术中石英坩埚仅包括透明层和气泡层，本实用新型在气泡层的外层设置第二石英层，由于第二石英层中气泡的尺寸参数小于第一石英气泡层中气泡的尺寸参数，故在利用本实用新型中的石英坩埚进行熔硅时，第二石英层中气泡的长大程度较现有技术中气泡层中气泡的长大程度小，且由于第二石英层中单位面积上的气泡数量小于第一石英气泡层中单位面积上的气泡数量，故相对于现有技术，本实用新型中单位面积上的气泡所占的比例减小，可以降低石英坩埚外层外侧失效反应的发生，从而可以在同等拉晶条件使用后，减少石英坩埚的外侧析晶层厚度，提高石英坩埚外侧析晶层的致密程度，因此，本实用新型可以提高石英坩埚的使用寿命。
8.在一种可能的实现方式中，第一石英层和第二石英层中单位面积上的气泡数量与石英气泡层中单位面积上的气泡数量之比小于第一阈值。示例性的，第一阈值小于3％。
9.在采用上述技术方案的情况下，可以得到，第一石英层和第二石英层中单位面积上的气泡数量远小于石英气泡层中单位面积上的气泡数量。故在利用本发明中的石英坩埚进行熔硅时，不仅可以使第一石英层和第二石英层为石英坩埚提供更强的支撑力，还可以进一步降低石英坩埚外层外侧失效反应的发生，从而进一步提高石英坩埚的使用寿命。
10.在一种可能的实现方式中，第一石英层中气泡的尺寸参数和第二石英层中气泡的尺寸参数均小于第二阈值。第一石英层中气泡的尺寸参数为第一石英层中气泡的直径，第二石英层中气泡的尺寸参数为第二石英层中气泡的直径。第二阈值小于50μm。
11.在采用上述技术方案的情况下，第一石英层和第二石英层中的气泡直径均较小，即使在利用本发明中的石英坩埚进行熔硅时，即使气泡会长大，第二石英层中的气泡体积所占的比例也不会过大，因此，也可以在一定程度上降低石英坩埚外层外侧失效反应的发生。
12.在一种可能的实现方式中，第一石英气泡层中的气泡的尺寸参数满足第三阈值。第一石英气泡层中的气泡的尺寸参数为第一石英气泡层中的气泡的直径。第三阈值的范围为20μm-500μm。
13.在采用上述技术方案的情况下，在第一石英气泡层中的气泡的直径为20μm-500μm的情况下，在使用该石英坩埚进行熔硅时，第一石英气泡层可以均匀整个石英坩埚的加热效果。
14.在一种可能的实现方式中，第一石英层和第二石英层的厚度之和，与石英坩埚的总厚度之比满足第四阈值。和/或，第一石英层的厚度和第二石英层的厚度之差，与第一石英层的厚度或第二石英层的厚度之比满足第五阈值。示例性的，所述第四阈值的范围为0.2-0.5；和/或，所述第五阈值小于0.1。
15.在采用上述技术方案的情况下，当石英坩埚中的第一石英层和第二石英层的厚度之和与石英坩埚的总厚度之比满足第四阈值时，第一石英层和第二石英层可以为石英坩埚提供较好的支撑力，且此时，石英叠层中的石英气泡层可以较好的均匀石英坩埚的加热效果。
16.在一种可能的实现方式中，所述石英叠层包括第一石英气泡层；或，从所述石英坩埚内层至外层的方向，所述石英叠层包括层叠设置的第二石英气泡层、第三石英层以及第三石英气泡层；所述第二石英气泡层与所述第一石英层层叠在一起，所述第三石英气泡层与所述第二石英层层叠在一起。
17.在采用上述技术方案的情况下，当石英叠层中包括层叠设置的第一石英气泡层、第三石英层以及第二石英气泡层时，由于石英叠层具有两层石英气泡层，因此，本实用新型可以更好的均匀整个石英坩埚的加热效果。且当石英叠层还包括第三石英层时，可以对整个石英坩埚提供更好的支撑力。
18.在一种可能的实现方式中，所述第一石英层的厚度和所述第二石英层的厚度均大于目标值；
19.其中，所述目标值由石英坩埚使用后，第二石英层外侧生成的析晶层的厚度确定。
20.在采用上述技术方案的情况下，由于第二石英层的厚度大于目标值，该目标值由石英坩埚失效后，第二石英层外侧生成的析晶层的厚度确定，故第一石英层和第二石英层均可以保证石英坩埚的使用寿命。
21.第二方面，本实用新型还提供一种单晶热场。该单晶热场包括第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的石英坩埚。
22.第二方面或第二方面的任一可能的实现方式提供的单晶热场的有益效果与第一方面或任一可能的实现方式所描述的石英坩埚的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
24.图1示出了本实用新型提供的一种石英坩埚的俯视图示意图；
25.图2示出了本实用新型提供的一种石英坩埚的剖视图；
26.图3示出了图2中b区域的局部放大图。
27.附图标记：
28.10-石英坩埚，101-第一石英层，102-石英叠层，103-第二石英层。
具体实施方式
29.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
34.随着直拉法单晶连续拉晶时间的不断加长，单晶热场中各热场部件失效时间也随之延长，单晶热场中各部件的可靠使用时间也需要随之加长。
35.目前，单晶热场中使用的石英坩埚包括由内至外的透明层和气泡层。但在使用过程中，外层的气泡层中的微小气泡会不断长大，从而导致石英坩埚的外壁变的疏松多孔。
36.疏松多孔的石英坩埚外侧会增大与其他热场部件发生反应的面积，造成石英坩埚外侧失效反应的加剧，从而致使石英坩埚外侧出现的析晶层加厚，进而导致石英坩埚出现漏硅、鼓包等不良。
37.基于此，本实用新型公开了一种石英坩埚，应用于单晶热场中。参照图1至图3，其
中，图1为本实用新型石英坩埚的俯视图，图2为图1中的石英坩埚沿方向a-a剖开得到的剖视图，图3为图2中b区域的局部放大图。
38.上述石英坩埚10包括第一石英层101、石英叠层102以及第二石英层103。从石英坩埚内层至外层的方向，第一石英层101、石英叠层102与第二石英层103层叠设置。其中，石英叠层102至少包括第一石英气泡层。
39.在实际应用中，上述第一石英层101、石英叠层102以及第二石英层103应用于石英坩埚整体。
40.上述第一石英层101和第二石英层103中单位面积上的气泡数量均小于第一石英气泡层中单位面积上的气泡数量，且第一石英层101和第二石英层103中气泡的尺寸参数小于第一石英气泡层中气泡的尺寸参数。
41.可以理解，本实用新型实施例相对于现有技术中的石英坩埚仅包括透明层和气泡层，本实用新型实施例在气泡层的外层设置第二石英层103，由于第二石英层103中气泡的尺寸参数小于石英气泡层中气泡的尺寸参数，故在利用本实用新型中的石英坩埚进行熔硅时，第二石英层103中气泡的长大程度较现有技术中气泡层中气泡的长大程度小，且由于第二石英层103中单位面积上的气泡数量小于石英气泡层中单位面积上的气泡数量，故相对于现有技术，本实用新型的第二石英层103中单位面积上的气泡在第二石英层103中所占的比例减小，因此，本实用新型可以降低石英坩埚外层外侧失效反应的发生。
42.再者，应理解，在实际中，第二石英层中的气泡数量以及第二石英层中的气泡大小均与析晶层厚度有关，当第二石英层中的气泡数量越多，且第二石英层中的气泡越大时，石英坩埚的外侧析晶层厚度越厚，且析晶层致密度越低。当第二石英层中的气泡数量越少，且第二石英层中的气泡越小时，石英坩埚的外侧析晶层厚度越薄，且析晶层致密度越高。而本实用新型实施例中，相对于现有技术，本实用新型实施例提供的第二石英层中的气泡大小和气泡数量均小于现有技术，因此，在同等拉晶条件使用后，本实用新型实施例中的第二石英层可以减少石英坩埚的外侧析晶层厚度，提高石英坩埚外侧析晶层的致密程度，因此，本实用新型可以提高石英坩埚的使用寿命。
43.在实际的实验后得到，在相同条件下，本实用新型实施例提供的石英坩埚高温形变率较现有技术中的透明层-气泡层双层复合型石英坩埚形变率低13.8％。且，本实用新型中的石英坩埚在同等条件下使用后外壁的析晶层厚度较现有技术中的透明层-气泡层双层复合型石英坩埚薄0.55mm，本实用新型中的析晶层更致密。
44.进一步的，为了使第一石英层101和第二石英层103可以对石英坩埚提供更强的支撑力，本实用新型中的第一石英层101和第二石英层103中单位面积上的气泡数量与石英气泡层中单位面积上的气泡数量之比小于第一阈值。
45.更优的，第一石英层101和第二石英层103中单位面积上的气泡数量需要远小于石英气泡层中单位面积上的气泡数量。例如，上述第一阈值为3％。此时，在利用本发明中的石英坩埚进行熔硅时，不仅可以使第一石英层101和第二石英层103为石英坩埚提供更强的支撑力，还可以进一步降低石英坩埚外层外侧失效反应的发生，从而进一步提高石英坩埚的使用寿命。
46.在实际应用中，上述第一石英层101和第二石英层103中单位面积上的气泡数量与石英气泡层中单位面积上的气泡数量之比可以为2％。此时，当石英气泡层中单位面积上的
气泡数量为100个时，第一石英层101和第二石英层103中单位面积上的气泡数量为2个。
47.可以理解，上述第一石英层101和第二石英层103中单位面积上的气泡数量与石英气泡层中单位面积上的气泡数量之比可以为其他数值，只要小于3％就行，本发明实施例对此不作具体的限定。
48.在一种优选的实施例中，第一石英层101中气泡的尺寸参数和第二石英层103中气泡的尺寸参数均小于第二阈值。第一石英层101中气泡的尺寸参数为第一石英层101中气泡的直径，第二石英层103中气泡的尺寸参数为第二石英层103中气泡的直径。第二阈值小于50μm。
49.在本实用新型实施例中，第一石英层101和第二石英层103用于为石英坩埚提供支撑力。为了提供更好的支撑力，最优的情况是，第一石英层101和第二石英层103中不存在气泡，但鉴于工艺难度以及制作成本，可以在正常工艺范围内，尽可能的使第一石英层101和第二石英层103中的气泡尺寸减小和数量减少。
50.可以理解，由于第一石英层101和第二石英层103中的气泡直径均较小，即使在利用本发明中的石英坩埚进行熔硅时，即使气泡会长大，第二石英层103中的气泡体积所占的比例也不会过大，因此，也可以在一定程度上降低石英坩埚外层外侧失效反应的发生。
51.在一种具体的实施方式中，第一石英层101中气泡的直径为40μm，第二石英层103中气泡的直径为38μm，或第一石英层101中气泡的直径和第二石英层103中气泡的直径均为30μm。可以理解，第一石英层101中气泡的直径和第二石英层103中气泡的直径可以相同也可以不同，本实用新型对此不作限定。
52.优选的，第一石英气泡层中的气泡的尺寸参数满足第三阈值。第一石英气泡层中的气泡的尺寸参数为第一石英气泡层中的气泡的直径。第三阈值的范围为20μm-500μm。
53.在实际中，第一石英气泡层中的气泡用于均匀石英坩埚的加热效果。在第一石英气泡层中的气泡的直径为20μm-500μm的情况下，在使用该石英坩埚进行熔硅时，第一石英气泡层可以更好的均匀整个石英坩埚的加热效果。
54.在一种可能的实现方式中，上述第一石英气泡层中的气泡的直径为50μm，或第一石英气泡层中的气泡的直径为80μm，或，第一石英气泡层中的气泡的直径为200μm，或第一石英气泡层中的气泡的直径为500μm。
55.在一种可能的实现方式中，第一石英层101和第二石英层103的厚度之和，与石英坩埚的总厚度之比满足第四阈值。当石英坩埚中的第一石英层101和第二石英层103的厚度之和与石英坩埚的总厚度之比满足第四阈值时，第一石英层101和第二石英层103可以为石英坩埚提供较好的支撑力，且此时，石英叠层102具有一定的厚度，增加坩埚强度和抗热震性，石英叠层102中的石英气泡层可以较好的均匀石英坩埚的加热效果。
56.在实际中，上述第四阈值的范围为0.2-0.5。示例性的，第四阈值的范围为0.2或0.3或0.5。
57.上述第一石英层101的厚度和第二石英层103的厚度之差，与第一石英层101的厚度或第二石英层103的厚度之比满足第五阈值。基于此，可以保证第一石英层101和第二石英层103的厚度基本相同，以使第一石英层101和第二石英层103为石英坩埚提供均匀的内外支撑力。
58.值得注意的是，第一石英层的r弧处内层厚度大于其他区域，用于保证r弧处的支
撑强度。
59.上述第五阈值小于0.1。示例性的，第五阈值为0.05或0.03或0.08。
60.在一种可能的实现方式中，上述石英叠层102仅包括第一石英气泡层。此时，石英坩埚具有较好的热均匀性以及支撑力。
61.在另一种可能的实现方式中，上述石英叠层102可以包括层叠设置的第二石英气泡层、第三石英层以及第三石英气泡层；第二石英气泡层与第一石英层101层叠在一起，第三石英气泡层与第二石英层103层叠在一起。此时，由于具有两层石英气泡层，因此，本实用新型实施例可以更好的均匀整个石英坩埚的加热效果。且当石英叠层102还包括第三石英层时，可以对整个石英坩埚提供更好的支撑力。
62.可以理解，上述石英叠层102可以包括多个石英气泡层和多个石英层，只需要将两层石英气泡层用石英层间隔开，或将两层石英层用石英气泡层间隔开就行，本实用新型实施例对石英叠层102中具体包括的石英气泡层和石英层的层数不作限定。
63.在本发明实施例中，第一石英层的厚度和第二石英层的厚度均大于目标值；其中，目标值由石英坩埚使用后，第二石英层外侧生成的析晶层的厚度确定。
64.在采用上述技术方案的情况下，由于第二石英层的厚度大于目标值，该目标值由石英坩埚失效后，第二石英层外侧生成的析晶层的厚度确定，故第一石英层和第二石英层均可以保证石英坩埚的使用寿命。其中，第一石英层用于在石英坩埚的使用过程中，均匀且致密析晶，阻止熔硅与石英叠层反应、延长石英坩埚使用时间。第二石英层用于致密析晶层、减少产生气相反应、延长石英坩埚的使用时间。
65.在一种可能的实现方式中，上述石英坩埚的制作方法包括：利用电弧发制备上述石英坩埚。熔制过程分成a.b.c三个阶段：a阶段为第一石英层形成阶段；b阶段为第一石英气泡成形成阶段；c阶段为第二石英层形成阶段。
66.电弧法石英坩埚a阶段熔制过程中开启真空泵，使电弧法石英坩埚处于真空状态，以形成第一石英层。电弧法石英坩埚b阶段熔制过程中关闭真空泵，使电弧法石英坩埚处于非真空状态，形成第一石英气泡层。电弧法石英坩埚c阶段熔制过程中开启真空泵，使电弧法石英坩埚处于真空状态，形成第二石英层。
67.本实用新型实施例还提供一种单晶热场。该单晶热场包括上述石英坩埚。
68.本实用新型提供的单晶热场的有益效果与上述石英坩埚的有益效果相同，此处不做赘述。
69.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
70.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。