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《碳碳復(fù)合材料在CZ單晶爐熱場中的應(yīng)用》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、碳/碳復(fù)合材料在CZ單晶爐熱場中的應(yīng)用摘要生產(chǎn)單晶硅主要有Cz法和浮游帶區(qū)(Fz)法。圖1是Cz單晶硅爐的結(jié)構(gòu)示意圖，在氬氣保護下，將多晶硅加熱到1500℃左右，使其熔融：由爐上部旋轉(zhuǎn)垂放晶籽(種)拉線，使其與熔融硅面接觸，并使熔融硅面保溫在1400℃左右，向上提拉晶籽而單晶硅也隨之逐步生成，一直生長到設(shè)計的尺寸，如15．24、20．32、25．4和30．48cm。由圖1可知，工作室內(nèi)除了熔融硅和拉制的單晶硅外，熱場材料主要是高純石墨和C／C復(fù)合材料，如坩堝、發(fā)熱體、保溫筒等，以保證單晶硅制品的純度。關(guān)鍵詞：熱場材料；石墨材料；C／C復(fù)合材料；直拉法直拉法生產(chǎn)
2、單晶硅是目前制備單晶硅的最主要方法，熱場系統(tǒng)是硅材料成晶的最重要的條件之一，熱場的溫度梯度分布直接影響著是否能順利地拉出單晶和控制單晶的質(zhì)量好壞。因而熱場的設(shè)計和改進對一個有競爭力的拉晶廠家來說非常重要。熱場的部件主要包括石墨加熱器、石墨坩堝、導(dǎo)流筒、保溫筒、堝托、爐底護盤等等，各設(shè)計過程中會略有不同，主要構(gòu)成如圖1。圖1直拉單晶爐熱場系統(tǒng)1.石墨坩堝在熱場系統(tǒng)中的功能在拉制單晶的過程中，石墨坩堝作為關(guān)鍵核心部件的主要作用有如下幾點：（1）高溫承載作用：裝滿多晶硅原料的石英坩堝要置于石墨坩堝里面，石墨坩堝要承載石英坩堝和多晶硅等原料的重量，保證高溫石英坩堝變軟
3、后，原料不會泄漏出來，并且在拉晶過程中要承載原料做旋轉(zhuǎn)運動，因此，對其力學(xué)性能要求比較高；（2）傳熱作用：坩堝通過自身優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，傳導(dǎo)多晶硅原料融化所需的熱量，融化溫度在1600℃左右，因此，坩堝必須要有良好的高溫導(dǎo)熱性能；（3）安全作用：在緊急情況停爐時，由于多晶硅冷卻時體積膨脹（大約為10%），坩堝短時間內(nèi)會承受很大的應(yīng)力，因石墨材料自身的強度較低，石墨坩堝在這種情況下一般都會炸裂而報廢，甚至損壞相鄰部件乃至整個熱場，因此石墨坩堝強度較低是單晶生產(chǎn)穩(wěn)定的隱患，急需更新?lián)Q代，使用符合拉晶需求的抗折強度大的產(chǎn)品。1.石墨坩堝的技術(shù)分析直拉單晶爐用石墨坩堝，
4、主要采用等靜壓高純石墨制成。其生產(chǎn)過程見圖2。石墨坩堝的生產(chǎn)及其本身具有以下特點：（1）生產(chǎn)工序比較長，每一個環(huán)節(jié)都是一個高耗能、高耗材的過程；（2）直拉單晶爐用石墨坩堝，主要采用等靜壓高純石墨制成,要求精度較高，生產(chǎn)大尺寸石墨坩堝成型困難，加工難度大，質(zhì)量難以保證；（3）石墨坩堝做成多瓣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接部位磨損快，容易漏硅，危害熱場；（4）石墨坩堝脆性大，強度低，反復(fù)急熱、急冷使用時容易開裂，使用壽命比較短。圖2石墨坩堝的生產(chǎn)過程3.碳/碳復(fù)合材料坩堝的誕生碳/碳復(fù)合材料坩堝采用由高強度碳纖維和增強碳基質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料制備而成，所用碳纖維的堿金屬雜質(zhì)含量低、
5、強度和彈性模量大，采用整體結(jié)構(gòu)和近凈成型的設(shè)計理念，通過坯體制備、增密、純化、高溫?zé)崽幚砗捅砻嫱繉犹幚淼裙に囘M行制造。用來制備單晶硅熱場的零件必須通過純化處理，保證金屬雜質(zhì)含量降低至100ppm以下，滿足制備熱場零件的要求。其生產(chǎn)過程見圖3。碳/碳坩堝的生產(chǎn)工藝及其本身具有以下特點：（1）生產(chǎn)工序短，生產(chǎn)和使用能耗大大降低，主要工序都在密閉設(shè)備中進行，無有害氣體排放，對環(huán)境無不利影響；（2）采用成熟的三維編制技術(shù)，坩堝結(jié)構(gòu)可設(shè)計性好，尺寸精度高，各種尺寸坩堝質(zhì)量穩(wěn)定；（3）碳/碳復(fù)合材料坩堝采用整體的設(shè)計理念，由碳纖維增強碳基體制備而成，強度高，結(jié)構(gòu)簡單，重量
6、輕，操作方便；（4）碳/碳復(fù)合材料坩堝熱膨脹系數(shù)小，抗熱震性好，在急熱、急冷環(huán)境中使用時不開裂，使用壽命長。圖3碳/碳復(fù)合材料坩堝的生產(chǎn)過程表1碳/碳復(fù)合材料坩堝主要參數(shù)尺寸范圍密度強度16～28英寸1.5～1.7g/cm3130-170MPa 由圖1可知，拉制單晶硅采用組合式坩堝，外為C／C坩堝，內(nèi)為石英坩堝。這是因為熔融硅的溫度與石英熔點相近，都在1420℃左右，石英坩堝在這溫度下處于軟化狀態(tài)，沒有承重能力，外部C／C坩堝是承重的主體。但是，熔融硅不能直接與C／C坩堝接觸，以防SiC的生成，因而采用了組合式坩堝。制造高純度C／C復(fù)合材料坩堝的流程很長，如
7、圖4所示。圖4高純度C／C復(fù)合材料坩堝的流程示意圖4.碳/碳復(fù)合材料坩堝的使用與測試結(jié)果通過使用測試，可以得出如下使用結(jié)論：（1）碳/碳復(fù)合材料坩堝可以成功應(yīng)用于直拉單晶電子級硅行業(yè)；（2）碳/碳復(fù)合材料坩堝在使用過程中，其熱場穩(wěn)定性和拉制的晶棒質(zhì)量都很穩(wěn)定，達到了預(yù)期的目標(biāo)；（3）和相同尺寸的石墨坩堝對比，碳/碳復(fù)合材料坩堝的優(yōu)良性能是石墨坩堝所不能比擬的，其超高的強度和超長的使用壽命得到了嚴格的使用測試與驗證。表216英寸石墨坩堝和16英寸碳/碳復(fù)合材料坩堝的對比使用情況主要指標(biāo)石墨坩堝碳/碳復(fù)合材料坩堝結(jié)構(gòu)形式三瓣或多瓣整體或三瓣使用壽命15～40爐10
8、0～150爐熱場穩(wěn)定性隨時間長而變差穩(wěn)
