碳碳復(fù)合材料在CZ單晶爐熱場(chǎng)中地應(yīng)用

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1、標(biāo)準(zhǔn)文檔碳/碳復(fù)合材料在CZ單晶爐熱場(chǎng)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(hù)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(zhǎng)到設(shè)計(jì)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(chǎng)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(chǎng)材料；石墨材料；C／C復(fù)合材料

2、；直拉法直拉法生產(chǎn)單晶硅是目前制備單晶硅的最主要方法，熱場(chǎng)系統(tǒng)是硅材料成晶的最重要的條件之一，熱場(chǎng)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(chǎng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)對(duì)一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的拉晶廠家來(lái)說(shuō)非常重要。熱場(chǎng)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(hù)盤等等，各設(shè)計(jì)過程中會(huì)略有不同，主要構(gòu)成如圖1。實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔圖1直拉單晶爐熱場(chǎng)系統(tǒng)1.石墨坩堝在熱場(chǎng)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(diǎn)：（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

3、堝和多晶硅等原料的重量，保證高溫石英坩堝變軟后，原料不會(huì)泄漏出來(lái)，并且在拉晶過程中要承載原料做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，對(duì)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：實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔在緊急情況停爐時(shí)，由于多晶硅冷卻時(shí)體積膨脹（大約為10%），坩堝短時(shí)間內(nèi)會(huì)承受很大的應(yīng)力，因石墨材料自身的強(qiáng)度較低，石墨坩堝在這種情況下一般都會(huì)炸裂而報(bào)廢，甚至損壞相鄰部件乃至整個(gè)熱場(chǎng)，因此石墨坩堝強(qiáng)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

4、晶需求的抗折強(qiáng)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，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(diǎn)：（1）生產(chǎn)工序比較長(zhǎng)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是一個(gè)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(chǎng)；（4）石墨坩堝脆性大，強(qiáng)度低，反復(fù)急熱、急冷使用時(shí)容易開裂，使用壽命比較短。實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔圖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

5、復(fù)合材料坩堝采用由高強(qiáng)度碳纖維和增強(qiáng)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、強(qiáng)度和彈性模量大，采用整體結(jié)構(gòu)和近凈成型的設(shè)計(jì)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(jìn)行制造。用來(lái)制備單晶硅熱場(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)：（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(jìn)行，無(wú)有害氣體排放，對(duì)環(huán)境無(wú)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(jì)性好，尺寸精度高，各種尺寸坩

6、堝質(zhì)量穩(wěn)定；實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔（3）碳/碳復(fù)合材料坩堝采用整體的設(shè)計(jì)理念，由碳纖維增強(qiáng)碳基體制備而成，強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，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(shí)不開裂，使用壽命長(zhǎng)。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(qiáng)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?yàn)槿廴诠璧臏囟扰c石英熔點(diǎn)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

7、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(zhǎng)，如圖4所示。實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔圖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(cè)試結(jié)果通過使用測(cè)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(jí)硅行業(yè)；（2）碳/碳復(fù)合材料坩堝在使用過程中，其熱場(chǎng)穩(wěn)定性和拉制的晶棒質(zhì)量都很穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)；（3）和相同尺寸的石墨坩堝對(duì)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(qiáng)度和超長(zhǎng)的使用壽命得到了嚴(yán)格的使用測(cè)

8、試與驗(yàn)證。表216英寸石墨坩堝和16英寸碳/碳復(fù)合材料坩堝的對(duì)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)