单晶硅提拉用坩埚系统

技术领域

本发明属于单晶硅制备技术领域，尤其涉及一种单晶硅提拉用坩埚系统。

背景技术

随着单晶硅片成本的快速下降以及PERC技术渗透率提升大幅提高了单晶硅太阳能电池转换率，单晶硅太阳能电池的市场份额已超过50％，其中2019年单晶硅太阳能电池市场占有率接近70％，2020年单晶硅太阳能电池市场占有率约90％。单晶硅太阳能电池市场份额的急剧增加，拉动了对单晶硅(棒)的需求量以及其生产原辅材料需求量。作为生产单晶硅(棒)的重要辅(耗)材：石英坩埚及碳基坩埚的需求量激增。

目前，单晶硅提拉用坩埚系统包括用于盛装多晶硅的石英坩埚以及支撑石英坩埚的碳基坩埚，单晶硅棒拉制过程中，单晶硅炉内温度高达1500℃左右，石英坩埚将变软，由石英坩埚外部的碳基坩埚承力。此工况下，高温下硅蒸汽及含硅气体均可进入碳基坩埚表面的孔隙中，并与碳基坩埚发生反应，导致石英坩埚与碳基坩埚粘结，冷却后难以分离。

此外，由于石英坩埚的寿命远比碳基坩埚短，为了重复利用碳基坩埚，当石英坩埚无法再次使用时，绝大部分厂家通过击打石英坩埚内壁，以此去除粘结在碳基坩埚内壁的石英坩埚，但该方法常会损坏碳基坩埚而导致不能再次使用，由于碳基坩埚的成本高，碳基坩埚的损坏造成生产成本的大大提升。如何有效解决石英坩埚和碳基坩埚之间的分离以延长碳碳复合材料坩埚的使用寿命，是进一步降低单晶硅太阳能电池的成本亟需解决得问题。

综上，有必要对现有的单晶硅提拉用坩埚系统进行改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种单晶硅提拉用坩埚系统，旨在不破坏碳基坩埚的情况下，实现与石英坩埚的分离。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

单晶硅提拉用坩埚系统，包括用于盛装多晶硅的石英坩埚以及匹配套在所述石英坩埚外的碳基坩埚，所述碳基坩埚上设有若干预留通孔，每个所述预留通孔中均匹配设有缓冲堵塞，每个所述缓冲堵塞的外侧均设有刚性锥头，所述刚性锥头的锥尖插入所述缓冲堵塞中，所述刚性锥头在外力作用下能够刺穿所述缓冲堵塞对所述石英坩埚施加载荷。

具体的，所述预留通孔通过所述缓冲堵塞密封，所述缓冲堵塞的内侧壁上设有释放沉孔，所述释放沉孔中设有带有泄压阀的压力容器，所述压力容器内设有惰性气体。

具体的，所述缓冲堵塞为外侧小内侧大的圆台体。

具体的，所述碳基坩埚为石墨坩埚、碳/碳复合材料坩埚、碳/碳化硅复合材料坩埚或碳/氮化硅复合材料坩埚。

具体的，所述预留通孔之间的间距控制在300-500mm。

具体的，所述预留通孔设置在所述碳基坩埚的埚身与埚底的交接处。

具体的，所述预留通孔在所述交接处均匀分布。

具体的，所述刚性锥头的材料为钨合金或钨莱合金。

具体的，所述缓冲堵塞的制作材质为碳材料，且所述缓冲堵塞的密度小于所述碳基坩埚的密度。

具体的，所述刚性锥头的锥角为30°-110°。

与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有的有益效果在于：碳基坩埚与石英坩埚分离时，通过敲击位于碳基坩埚外侧面的刚性锥头，使刚性锥头刺破缓冲堵塞，对石英坩埚施加冲击载荷，并产生缺陷点，从而分离石英坩埚，不仅能够实现碳基坩埚与石英坩埚的快速安全分离，避免了常规分离方法对碳基坩埚的损伤，延长了碳基坩埚的使用寿命，而且坩埚分离的劳动强度低，可以实现坩埚的低成本分离；此外，刚性锥头还可以重复利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的坩埚系统示意图；

图2是图1中A处局部放大示意图；

图3为本发明实施例涉及的碳基坩埚结构示意图；

其中：1、石英坩埚；2、碳基坩埚；3、预留通孔；4、缓冲堵塞；5、刚性锥头；6、释放沉孔；7、压力容器；8、间隙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参加图1-图3，一种单晶硅提拉用坩埚系统，包括用于盛装多晶硅的石英坩埚1以及匹配套在石英坩埚1外的碳基坩埚2，在碳基坩埚2上设有若干预留通孔3，每个预留通孔3中均匹配设有缓冲堵塞4，每个缓冲堵塞4的外侧均设有刚性锥头5，刚性锥头5的锥尖插入缓冲堵塞4中，刚性锥头5在外力作用下能够刺穿缓冲堵塞4对石英坩埚1施加载荷。

本实施例中，碳基坩埚2与石英坩埚1分离时，通过敲击刚性锥头5，使刚性锥头5刺破缓冲堵塞4，对石英坩埚1施加冲击载荷，并产生缺陷点，从而分离石英坩埚1，不仅能够实现碳基坩埚2与石英坩埚1的快速安全分离，避免了常规分离方法对碳基坩埚2的损伤，延长了碳基坩埚2的使用寿命，而且坩埚分离的劳动强度低，可以实现坩埚的低成本分离；此外，刚性锥头5还可以重复利用。

参见图1，在一些实施例中，预留通孔3在碳基坩埚2的埚身与埚底的交接处，并在该交接处是均匀分布的。这样设计的目的在于，该交界处为石英坩埚1的应力集中点，为石英坩埚1的薄弱部位，在较小冲击载荷作用下，刚性锥头5即可将该部分石英坩埚1刺破产生破裂源头，而一旦石英坩埚1有了破裂源头，其余部分就好比较好分离了。当然，对于本领域技术人员来说，还可以在碳基坩埚2的埚身与埚底上设置预留通孔3，但是这样的设计碳基坩埚2上开孔会比较多，不仅会降低碳基坩埚2的强度，而且碳基坩埚2的制作成本也会增加。

在实际设计中，碳基坩埚2包括碳坩埚及碳坩埚的衍生坩埚，碳基坩埚2可以为碳/碳复合材料坩埚、石墨坩埚，碳坩埚的衍生坩埚可以为碳/碳化硅复合材料坩埚以及碳/氮化硅复合材料坩埚等。

具体的，预留通孔3为锥形孔，预留通孔3的大端端面积及小端端面积控制在4-28cm2比较合适，但大端面面积大于小端面面积，缓冲堵塞4则为外侧小内侧大的圆台体，该缓冲堵塞4与预留通孔3尺寸相近，以紧密配合安装入预留通孔3，碳基坩埚2的密度可以控制在1.2-2.4g/cm

参见图2，在另一些实施例中，预留通孔3通过缓冲堵塞4密封，缓冲堵塞4的内侧壁上设有释放沉孔6，释放沉孔6中设有带有泄压阀的压力容器7，压力容器7内设有惰性气体。上述设计的优点在于：石英坩埚1内的熔融态多晶硅的热量将传导至对压力容器7，使得压力容器7内惰性气体受热膨胀，当压力容器7内气压大于泄压阀的泄压值时，惰性气体将从泄压阀排出，并充填在石英坩埚1与碳基坩埚2之间的微小间隙8中，同时进入碳基坩埚2表面的孔隙中，形成隔离保护层，起到阻隔硅蒸汽及含硅气体的目的，可以有效防止碳基坩埚2与硅蒸汽及含硅气体发生反应产生粘埚。其中，惰性气体优选为氮气，当然也可以为氩气等其他惰性其他。

需要解释的是，在另一些实施例中，缓冲堵塞4可以采用低密度的碳材料制作，其密度控制在0.6-1.4g/cm

具体的，刚性锥头5的材料可以采用钨合金或钨莱合金，上述材质选择的原因在于:钨合金及钨莱合金具有耐高温的特点，能在温度1700℃以上不软化，并保持力学性能，可以保证其在单晶硅拉制高温过程中不软化，与缓冲堵塞4填充于预留通孔3，避免了硅液外漏导致的安全事故。

需要解释的是，刚性锥头5的锥角优选为30°-110°，这是因为过小的锥角将导致锥头钝化，无法有效地破环石英坩埚1；过大的锥角，同样会导致石英坩埚1的破坏困难。此外，锥头尾端部的面积控制在2-20cm

参见图1和图2，本实施例中，当坩埚系统冷却出炉后，作用于刚性锥头5尾端部的外力可轻易刺破缓冲堵塞4并刺破石英坩埚1，使石英坩埚1破裂。然后使用简易的工具沿破裂后坩埚的破裂处敲击可将石英坩埚1与碳基坩埚2分离，分离后的碳基坩埚2可继续重复使用，与现有技术相比具有以下优点：1)碳基坩埚2结构简单，操作方面，锥头可重复使用；2)碳基坩埚2能够有效分离粘附于碳基坩埚2内壁的石英坩埚1，避免分离时对碳基坩埚2的损伤而失效，延长了碳基坩埚2的使用寿命，降低了单晶硅棒拉制的生产成本。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。