单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的制备方法

摘要

本发明涉及一种单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的制备方法，该方法采用针刺炭布准三向结构预制体；通过化学气相沉积和糠酮树脂浸渍炭化以及热等静压沥青浸渍炭化相结合的致密工艺，反复致密处理数次，制品密度≥1.83g/cm3时致密工艺结束，在通入氯气和氟利昂的条件下对制品进行高温纯化处理，机械加工后即可制得单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚。本发明在用于单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚方面，可有效提高单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的强度，工艺一致性好，可实施性强，成本低，可延长单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的使用寿命和降低单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的更换率。

说明书

技术领域

本发明属于单晶硅拉制炉用加热炉坩埚技术领域，具体涉及一种单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的制备方法。

背景技术

单晶炉除了炉体是不锈钢制成，里面的发热系统和支撑件包括坩埚均使用石墨件。生产单晶硅即是在惰性气体环境中，用石墨加热器将多晶硅材料熔化，用直拉法生长无错位单晶。单晶硅是以高纯度硅粉为原料，在氢或氩气等保护性气氛条件下，经1400-1600℃高温熔融仔晶牵引晶粒逐渐长大拉制成型的。拉制过程中，石墨坩锅连同石英坩锅通过炉室底部传动装置低速旋转，这就是直拉法(CZ法)。由于石墨的耐高温性能和良好的化学稳定性，CZ硅单晶炉的坩锅、衬套、衬板、发热体、保温层、导流筒等均用高纯石墨制造。CZ法炉内工作温度在1400-1600℃，由于石墨坩锅在石英坩锅外面起保护作用，所以其温度在1600-1700℃。直拉法基本特点是用一个高纯石英坩埚盛装熔融硅。基本过程是将高纯多晶硅块和微量的掺杂剂放置在石英坩埚内，石英坩埚置于石墨坩埚内，外置石墨加热器，在真空或高纯氩气环境下加热熔化，控制适当温度，将籽晶插入熔体，使熔融多晶硅按籽晶的硅原子排列顺序结晶凝固成单晶硅。由于这种特点，炉内工作温度一般在1400℃～1600℃，这时石英坩埚会变软，要靠外面的石墨坩埚支撑，所以石墨坩埚主要是起支撑作用。石墨坩埚一般使用的是高纯石墨，要求三高，即高纯度、高强度、高密度，密度≥1.8g/cm³，石墨坩锅要求纯度非常高，并且不允许含有金属杂质，高温下不挥发游离的离子、原子杂质，即灰分度≤50PPM。

目前单晶硅拉制炉用热场坩埚基本均由石墨制造，由于石墨产品强度低，耐高温热震性能差，使用寿命短，更换频繁，纯度也较低，大尺寸产品成形困难，使其难以满足半导体单晶硅生产发展的要求。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：提供一种工艺简单、致密效果良好、材料使用性能优异的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)采用炭布沿坩埚弧线方向铺层后针刺制成全炭纤维准三向结构坩埚预制体，坩埚预制体体积密度为0.4-0.7g/cm³；

(2)化学气相沉积致密工艺：在800-1100℃条件下往化学气相沉积炉中通入丙烯或天然气，丙烯或天然气的流量为1.0-5.0m³/h，将步骤(1)中经过针刺后的坩埚预制体装入化学气相沉积炉中，进行气相沉积，制得坩埚制品；

(3)糠酮树脂浸渍炭化致密工艺：在压力为1.5-3.0MPa下，将步骤(2)中经过化学气相沉积后的坩埚制品装入真空-压力树脂浸渍固化炉中浸渍固化，坩埚制品进行浸渍固化后转炭化炉炭化处理，固化温度为150-220℃，炭化温度为800-1100℃；

(4)热等静压沥青浸渍炭化致密工艺；在压力为100MPa下，对步骤(3)中经过糠酮树脂浸渍炭化致密后的坩埚制品进行热等静压沥青浸渍炭化处理，炭化温度为550-750℃；

(5)坩埚制品密度＜1.83g/cm³时，重复步骤(3)和步骤(4)；坩埚制品密度≥1.83g/cm³时，致密工艺结束，在纯化炉通入氯气和氟利昂的条件下，将坩埚制品装入纯化炉中进行纯化处理，纯化温度为2000-2500℃；

(6)对步骤(5)中经过纯化处理后的坩埚制品用车床加工，即制得直径150-800mm，高100-600mm的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)采用12K炭布沿坩埚弧线方向铺层后针刺全炭纤维准三向结构预制体，可增强坩埚的强度和承受多晶硅冶炼炉内环境的反复高温热震考验和二氧化硅坩埚冷却后膨胀的应力；

(2)采用化学气相沉积和糠酮树脂浸渍炭化和热等静压沥青浸渍炭化相结合致密工艺，致密效果良好，制品密度高，可有效的提高单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的强度、工艺一致性好，可实施性强，成本低；

(3)用该工艺技术制得的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚具有重量轻，体积小，厚度薄，使用寿命提高5-10倍，用作单晶硅拉制炉用炭/炭坩埚，大幅度延长产品使用寿命减少更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减少维修成本；

(4)用作单晶硅拉制炉用炭/炭坩埚时，现有设备具有固定的工作容积，而由于炭/炭复合材料具有优异的性能，与传统石墨产品相比，可以做得更薄，从而可以利用现有设备生产更多的产品，可节约大量新设备投资费用；

(5)在生产大直径的产品时，传统石墨热场产品成型困难，而由于炭/炭复合材料具有优异的性能，生产大直径的产品时，可采用炭/炭加热器；

(6)用该工艺技术制得的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚纯度高，用作单晶硅拉制炉用炭/炭坩埚，与传统石墨产品相比，可以避免污染产品，提高产品的纯度和品质。

附图说明

图1为采用本发明制备的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的剖面图。

具体实施方式

实施例1

(1)采用12K炭布沿坩埚弧线方向铺层后针刺制成全炭纤维准三向结构预制体，预制体体积密度为0.6g/cm³，其中，K代表丝束千根数；

(2)化学气相沉积致密工艺，在1100℃条件下往化学气相沉积炉中通入丙烯，丙烯的流量为1.5m³/h，将步骤(1)中经过针刺后的坩埚制品装入化学气相沉积炉中，进行气相沉积；

(3)糠酮树脂浸渍炭化致密工艺：在压力为1.5MPa下，将步骤(2)中经过化学气相沉积后的坩埚制品装入真空-压力树脂浸渍固化炉中浸渍固化，固化温度为220℃，坩埚制品进行浸渍固化后转炭化炉炭化处理，炭化温度为1100℃；

(4)热等静压沥青浸渍炭化致密工艺；在压力为100MPa下，对步骤(3)中经过糠酮树脂浸渍炭化致密后的坩埚制品进行热等静压沥青浸渍炭化处理，炭化温度为750℃；

(5)坩埚制品密度＜1.83g/cm³时，重复步骤(3)和步骤(4)；坩埚制品密度≥1.83g/cm³时，致密工艺结束，在纯化炉通入氯气和氟利昂的条件下，将坩埚制品装入纯化炉中进行纯化处理，纯化温度为2500℃；

(6)对步骤(5)中经过纯化处理后的坩埚制品用车床加工，即可制得直径500mm，高300mm的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚。

经测试该坩埚所用的炭/炭复合材料的拉伸强度为80MPa，压缩强度为220MPa，弯曲强度为100MPa，剪切强度为60MPa。

实施例2

(1)采用12K炭布沿坩埚弧线方向铺层后针刺制成全炭纤维准三向结构坩埚预制体，坩埚预制体体积密度为0.5g/cm³，其中，K代表丝束千根数；

(2)化学气相沉积致密工艺，在950℃条件下往化学气相沉积炉中通入丙烯，丙烯的流量为2.5m³/h，将步骤(1)中经过针刺后的坩埚预制体装入化学气相沉积炉中，进行气相沉积，制得坩埚制品；

(3)糠酮树脂浸渍炭化致密工艺：在压力为1.8MPa下，将步骤(2)中经过化学气相沉积后的坩埚制品装入真空-压力树脂浸渍固化炉中浸渍固化，固化温度为200℃，坩埚制品进行浸渍固化后转炭化炉炭化处理，炭化温度为1000℃；

(4)热等静压沥青浸渍炭化致密工艺；在压力为100MPa下，对步骤(3)中经过糠酮树脂浸渍炭化致密后的坩埚制品进行热等静压沥青浸渍炭化处理，炭化温度为650℃；

(5)坩埚制品密度＜1.83g/cm³时，重复步骤(3)和步骤(4)；坩埚制品密度≥1.83g/cm³时，致密工艺结束，在纯化炉通入氯气和氟利昂的条件下，将坩埚制品装入纯化炉中进行纯化处理，纯化温度为2200℃；

(6)对步骤(5)中经过纯化处理后的坩埚制品用车床加工，即可制得直径400mm，高350mm的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚。

经测试该坩埚所用的炭/炭复合材料的拉伸强度为85MPa，压缩强度为235MPa，弯曲强度为110MPa，剪切强度为65MPa。

实施例3

(1)采用12K炭布沿坩埚弧线方向铺层后针刺制成全炭纤维准三向结构坩埚预制体，坩埚预制体体积密度为0.4g/cm³，其中，K代表丝束千根数；

(2)化学气相沉积致密工艺，在800℃条件下往化学气相沉积炉中通入天然气，天然气的流量为3.5m³/h，将步骤(1)中经过针刺后的坩埚预制体装入化学气相沉积炉中，进行气相沉积，制得坩埚制品；

(3)糠酮树脂浸渍炭化致密工艺：在压力为2.5MPa下，将步骤(2)中经过化学气相沉积后的坩埚制品装入真空-压力树脂浸渍固化炉中浸渍固化，固化温度为150℃，坩埚制品进行浸渍固化后转炭化炉炭化处理，炭化温度为800℃；

(4)热等静压沥青浸渍炭化致密工艺；在压力为100MPa下，对步骤(3)中经过糠酮树脂浸渍炭化致密后的坩埚制品进行热等静压沥青浸渍炭化处理，炭化温度为550℃；

(5)坩埚制品密度＜1.83g/cm³时，重复步骤(3)和步骤(4)；坩埚制品密度≥1.83g/cm³时，致密工艺结束，在纯化炉通入氯气和氟利昂的条件下，将坩埚制品装入纯化炉中进行纯化处理，纯化温度为2000℃；

(6)对步骤(5)中经过纯化处理后的坩埚制品用车床加工，即可制得直径500mm，高380mm的单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚。

经测试该坩埚所用的炭/炭复合材料的拉伸强度为95MPa，压缩强度为235MPa，弯曲强度为120MPa，剪切强度为70MPa。