CN102660768A - 一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺，该方法采用聚丙烯腈基碳纤维编制的预制体，以天然气、丙烯、石油液化气的混合气体为碳源，氮气或氩气为载气，在立罐式沉积炉形成的均温热场内，定时切换管路的上进气与下进气，利用坩埚内外气体的压力差，实现均温法、压差法、强制气流法相结合，实现坩埚坯体整体的快速致密化，坩埚在300至350小时后，密度可达到1.6g/cm3以上，较传统自由沉积工艺大大缩短沉积时间，降低了生产成本。坩埚经机械加工后，用于单晶硅炉热场，炭/炭复合材料坩埚较热等静压石墨坩埚寿命提高了3至5倍，性价比明显优于石墨坩埚，大大降低了单晶硅生产的成本和劳动强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺。
背景技术
目前制备单晶硅采用的设备是直拉单晶硅炉，具体的生产过程是将高纯的多晶硅硅粉装在石英坩埚内，然后将石英坩埚放入有加热底托的石墨坩埚内，在单晶硅炉内，通入氢气或者氩气作为保护气体，将硅粉加热熔融，温度一般控制控制在1400℃-1700℃，通过导流筒将单晶硅的籽晶***熔体内，籽晶牵引棒与坩埚做旋转反向运动，这样多晶硅粉的熔体中不断有晶粒析出，并按着籽晶原子的序列规则的排列在籽晶周围，随着牵引棒的向上提升生成单晶硅棒。由于石墨的坩埚的强度较差，一般的石墨坩埚使用寿命只有30炉次左右，而且等静压石墨坩埚多依赖进口，使得单晶硅生产成本较高。
近几年随着炭/炭复合材料在民用设备方面的推广和应用，已经有公司采用炭/炭复合材料坩埚取代等静压石墨坩埚，炭/炭复合材料坩埚是以碳纤维为原料编制成坩埚的预制体，采用CVD（化学气象沉积），CVI（化学气相渗透）或者浸渍工艺等方法，以基体炭增强纤维结构，经试用，炭/炭复合材料坩埚较热等静压石墨坩埚寿命提高了3至5倍，性价比明显优于石墨坩埚，大大降低了单晶硅生产的成本和劳动强度。
工业上，一般采用自由CVD或CVI工艺，即预制体在沉积炉内自由摆放，气体由下部进，上部排出，制备密度在1.5g/cm3以上的炭/炭复合材料，反应时间多在600小时以上，相对成本较高；若采用沉积工艺与浸渍工艺相结合，一方面工艺繁琐，另一方面得到的复合材料因纤维内部的基体炭结构不一致，使得材料本身的热物理性能存在差异，影响了材料的寿命。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题提供一种能够实现快速增密且成本低的单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺。
本发明采用的技术方案：
一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺，包括如下步骤：
（1）以碳纤维为原料，分别编织成网胎与炭布，并通过针刺使之复合成毡，把毡缠绕固定在坩埚形状的模具上，其上覆盖一层炭布，再覆盖一层网胎，如此交迭放置并通过针刺使之复合，得到密度为0.4 g/cm3-0.6 g/cm3的准三维坩埚预制体；
（2）将所述坩埚预制体放入沉积炉内进行沉积，所述沉积炉的支撑底板和炉顶上均分别设置有1-4路气体通道，所述支撑底板和炉顶上的气体通道的进、出气状态能够瞬时切换，具体步骤为：
a.将所述坩埚预制体倒置在所述沉积炉内的支撑底板上，使支撑底板上的气体通道的气口完全被罩在坩埚预制体内部；
b.保持沉积炉内温度为850℃-1150℃，以天然气、丙烯、石油液化气的混合气体为碳源，控制炉压在1 - 7kPa，控制碳源总量在2-8m3，控制载气（氮气或氩气）总量与碳源总量比例为3∶2，保持坩埚内外500Pa-1kPa的压力差；
c. 在气相沉积过程中，所述气体通道的进、出气状态每隔30至100小时切换一次，沉积300-350小时，使碳碳复合材料坩埚密度达到1.6g/cm3以上；
（3）步骤（2）中沉积过的坩埚在1800-2500℃进行石墨化处理。
所述碳纤维为T-700聚丙烯腈基碳纤维。
所述天然气、丙烯、石油液化气的混合气体中三者比例根据所设定温度进行调节，具体方法为：850℃≤温度≤960℃时，天然气、丙烯、石油液化气三者的体积比为：1：4：3； 960℃<温度≤1020℃时，三者的体积比为：3：5：3；1020℃<温度≤1150℃时三者的体积比为2：1：2。
本发明与现有技术相比具备以下特点：
(1)本发明制备过程中采用天然气、丙烯、石油液化气的混合气体作为碳源，相对于单一的碳源，增大了化学反应的温度范围，大大增加了不同阶段的热解碳的前驱体浓度，有利于大、小分子热解碳的同时形成和沉积，提高了材料局部的密度。
（2）本发明中采用的T-700聚丙烯腈基碳纤维相比于其他碳纤维，具有较高的强度和模量，提高了了坩埚的抗拉伸和挤压强度，从而提高了使用寿命。
(3)本发明中坩埚预制体在沉积炉内倒置摆放，在反应过程中实现了均温法、压差法、强制气流法相结合，实现了坩埚坯体整体的快速致密化，坩埚在沉积300至350小时后，密度可达到1.6g/cm3以上，较传统自由沉积工艺大大缩短沉积时间，降低了生产成本。坩埚经机械加工后，用于单晶硅炉热场，炭/炭复合材料坩埚较热等静压石墨坩埚寿命提高了3至5倍，性价比明显优于石墨坩埚，大大降低了单晶硅生产的成本和劳动强度。
(4)本工艺中，通过定时切换进气方式，一方面克服了单一方向碳源气体不利于热解碳在预制体内部沉积，另一方面使得沉积碳在碳纤维表面形成的结构可以实现互补，可以避免“空心”结构的复合材料。
具体实施方式
本实施例单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺包含以下几个步骤：
（1）以T-700的聚丙烯腈基碳纤维为原料，分别编织成网胎与炭布，并通过针刺使之复合成毡，把毡缠绕固定在坩埚形状的模具上，其上覆盖一层炭布，再覆盖一层网胎，如此交迭放置并通过针刺使之复合，得到密度为0.45 g/cm3的准三维坩埚预制体；
（2）将所述坩埚预制体放入沉积炉内进行沉积，所述沉积炉的支撑底板和炉顶上均分别设置有3路气体通道，所述气体通道的进、出气状态能够瞬时切换，具体步骤为：
a.将所述坩埚预制体倒置在所述沉积炉内的支撑底板上，使支撑底板上的气体通道的气口完全被罩在坩埚预制体内部；
b.保持沉积炉内温度为950℃-1050℃范围内，具体温度值要根据炉压变化即时调节，控制炉压在3.5kPa，以天然气、丙烯、石油液化气的混合气体为碳源，控制碳源总量在5m3/h，控制载气氮气总量7.5m3/h，保持坩埚内外600Pa的压力差；
所述天然气、丙烯、石油液化气的混合气体中三者比例根据所设定温度进行调节，具体方法为：850℃≤温度≤960℃时，天然气、丙烯、石油液化气三者的体积比为：1：4：3； 960℃<温度≤1020℃时，三者的体积比为：3：5：3；1020℃<温度≤1150℃时三者的体积比为2：1：2；
c. 在气相沉积过程中，若从炉底进气则炉顶出气，若炉顶进气则炉底出气，进、出气状态可瞬时切换，所述气体通道每隔50小时切换一次进、出气状态，沉积350小时，使碳碳复合材料坩埚密度达到1.6g/cm3以上；
（3）将步骤（2）中沉积过的坩埚在1800-2500℃进行石墨化处理，一方面提高材料的石墨化度，提高的化学稳定性和热物理性能，另一方面去除易挥发的杂质，处理后的炭/炭复合材料坩埚，可直接用于单晶硅炉的热场。
Claims (3)
1.一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
（1）以碳纤维为原料，分别编织成网胎与炭布，并通过针刺使之复合成毡，把毡缠绕固定在坩埚形状的模具上，其上覆盖一层炭布，再覆盖一层网胎，如此交迭放置并通过针刺使之复合，得到密度为0.4 g/cm3-0.6 g/cm3的准三维坩埚预制体；
（2）将所述坩埚预制体放入沉积炉内进行沉积，所述沉积炉的支撑底板和炉顶上均分别设置有1-4路气体通道，所述气体通道的进、出气状态能够瞬时切换，具体步骤为：
a.将所述坩埚预制体倒置在所述沉积炉内的支撑底板上，使支撑底板上的气体通道的气口完全被罩在坩埚预制体内部；
b.保持沉积炉内温度为850℃-1150℃，以天然气、丙烯、石油液化气的混合气体为碳源，控制炉压在1 - 7kPa，控制碳源总量在2-8m3，控制载气总量与碳源总量比例为3∶2，保持坩埚内外500Pa-1kPa的压力差；
c. 在气相沉积过程中，所述气体通道每隔30至100小时切换一次进、出气状态，沉积300-350小时，使碳碳复合材料坩埚密度达到1.6g/cm3以上；
（3）步骤（2）中沉积过的坩埚在1800-2500℃进行石墨化处理。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺，其特征在于所述碳纤维为T-700聚丙烯腈基碳纤维。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚的制备工艺，其特征在于所述天然气、丙烯、石油液化气的混合气体中三者比例根据所设定温度进行调节，具体方法为：850℃≤温度≤960℃时，天然气、丙烯、石油液化气三者的体积比为：1：4：3； 960℃<温度≤1020℃时，三者的体积比为：3：5：3；1020℃<温度≤1150℃时三者的体积比为2：1：2。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160504 Termination date: 20200526 |
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