专利名称：硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法
技术领域：
本发明涉及一种硅晶体生长炉用保温零部件的制备方法，确切地说是一种硅晶体生长炉用的高纯固化炭毡制造方法。
背景技术：
硅晶体生长炉的工作温度在1500℃以上。硅晶体炉的热场系统对硅晶体成晶条件、对半导体硅晶体的完整性即对硅片的使用性能的影响很大。因此，热场系统设计、热场内各种零部件的材料选择和使用，受到广泛的重视。从90年代初开始，就有人提出用碳—碳复合材料制造热场零件。德国SGL碳复合材料公司在US5800924美国专利中介绍了用碳—碳复合材料制作硅晶体生长炉零件的纯化问题；日本KOMATSU电子金属材料公司、东洋碳素和法国SNECMA Moteurs公司分别在US5871582、US6136094、US6877952的美国专利中提出用碳—碳复合材料制造硅晶体生长炉的坩埚的各种技术方案；东洋碳素公可在US6399203美国专利中介绍了坩埚表面热解碳的厚度对坩埚的使用寿命的影响的模拟试验结果；在东洋碳素的US6455160美国专利中介绍了纯化处理过程。
碳—碳复合材料制造硅晶体生长炉保温材料、保温零部件的解决方案未见到相关讨论。在用的拉晶设备，对于圆筒状的保温件，广泛采用软炭毡缠绕在石墨做的内保温筒上；对锥形的导流筒，则采用石墨锥形内筒和石墨锥形外筒中间夹一层炭毡作为保温件；对于平板类零件，也是用石墨板做支撑，两块石墨板间置入毡体夹层，达到保温的效果。这样做的不足之处1)由于熔化的多晶硅中有许多杂质挥发出来，这些挥发物积淀在炉顶、炉底、炉内的加热器、石墨套筒上，也会积淀在保温软炭毡上。积淀在密实的物体如石墨上的杂质，每次停炉后基本可以清理干净；软炭毡本身就像一个吸尘器，积淀在软炭毡上的杂质，无法清理干净；残留的污染物，随时可能污染多晶硅熔融体，造成成晶困难；2)热系统中采用了许多石墨件作为支持件，石墨性脆，设计时要考虑其加工工艺性，要保证强度，石墨件的壁厚不可能做得太薄，因此重量较大；挤占空间；脆性大而笨重的热场零件，给操作使用带来不方便。3)石墨是热的良导体，热场系统中石墨件占的比例大，炉体导出的热量较多，降低了系统的保温性能。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有热场制备技术不足，为硅晶体生长炉提供一种保温效果好、生产效率高、杂质含量低的高纯固化炭毡制造方法。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案选择金属杂质含量很低的软的毡体作坯体材料，高温预处理使之成为石墨毡体；借助于模具、胎具，用经过高温处理的石墨毡体制作坯体；坯体中需均匀渗入适量的固化剂；对预成形的坯体进行固化定型处理再对经过固化处理的坯体作炭化处理；将初步成型的坯体装入真空化学气相沉积炉进行化学气相预沉积；对零件的部分需切削加工的表面进行机械切削加工；这时的零件坯体需要作高温处理，去除金属杂质和挥发分；高温处理需采取措施，防止零件热变形；对出炉后的零件的已加工面需要进行表面涂层处理再对零件作化学气相沉积，进行表面强化处理，提高坯体表面抗侵蚀能力。
本发明坯体材料采用聚丙烯氰(PAN)毡体，预处理阶段，热处理温度在1800℃至2300℃，最好是在2100℃-2300℃本发明使用的固化剂为碳-氢-氧单体聚合物，在一定的加热制度下实现坯体的固化。固化工艺为 本发明炭化处理的工艺是 本发明机加工后的高温处理，处理的温度在1800℃-2300℃，高温保温时间为2小时至5小时。
本发明坯体的机械加工表面要进行表面涂层。表面涂层的配方主要由粘结剂、固含物组成，粘结剂是含硅溶胶-凝胶；固含物是碳纤维、高纯石墨粉等，固含物与一定浓度的粘结剂溶液的重量比是10∶1到2∶1。
采用固态炭毡制造保温材料，零件从表面至芯部密度可以调控，例如将零件沿厚度方向做成表部密度低、心部密度高的梯度材料；内部低密度保证保温性能，外部高密度层保证零件的几何尺寸和形状，保证零件的强度、刚度。为保证零件的形状保持性和抗蚀性，可以在零件的表面涂层或者粘贴碳布。用这种材料制成的保温筒，保温底板、保温盖板、导流筒等，可以不用石墨件作支持，单个零件可以完成两个功能，可以满足硅晶体炉的使用要求。提高了保温效果，节能；减小了系统的热惯性，缩短了拉晶的升温、降温过程。大幅度减轻热系统的零部件重量，降低了工人的劳动强度；提高了系统零部件的强度、刚度，提高了系统的使用可靠性和可维修性；节省了空间，在原来只能装18英寸系统的设备中，可以装19英寸、甚至20英寸的热系统，有效扩大了设备的生产能力，提高了产品质量和提高了生产效率；使用固化炭毡，炉内、尤其是保温材料上的污染物清理容易，改善了工人劳动条件。
图1是本发明所述硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法的工艺流程图。
具体实施例方式
如图1所示，硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法的工艺流程为选择金属杂质含量很低的软的石墨毡体作坯体材料，高温预处理石墨毡体；按照用户的图纸，设计合适的工装胎具，用经过高温热处理的毡体，制作坯体，并使坯体中渗入适量的固化剂；按一定的固化工艺，加热渗入了适量固化剂的预成形坯体，使渗有固化剂的毡体固化定型；对固化过的坯体作炭化处理；成型的坯体装入真空化学气相沉积炉进行化学气相预沉积；坯体的某些部分需进行机械切削加工以保证零件的形状和尺寸；高温处理坯体，去除金属杂质和挥发分；对高温处理过的零件上经过机械切削加工的表面还需进行表面涂层；待涂层晾干之后，对零件作化学气相沉积，提高坯体表面抗侵蚀能力和零件整体刚度。这样制成了符合拉晶要求的高纯固化炭毡零部件。
1、原材料的选择固化炭毡的金属杂质含量控制必须从源头开始。采用市面上的聚丙烯氰(PAN)炭毡，需要进行高温处理之后，才能进入固化炭毡制作程序。处理的温度与高温保温的时间，均与炭毡本身的纯度、与炭毡的处理量有关。一般的处理温度在1800℃至2300℃，以2100℃至2300℃为佳。
2、固化炭毡固化剂的配方和使用采用经过高温处理的炭毡，借助于模具、胎具，使坯体成形。坯体成形时需要渗入适量的液态固化剂，模具、胎具要保证零件达到要求的形状和尺寸。对于后续无机械加工的表面，要考虑零件在后续处理过程中的涨缩量，适当控制坯体的尺寸；对于后续要进行机械加工的表面，需要预留一定的加工余量。成形坯体待加工面留10mm至20mm的余量为宜。固化剂的主要成分是碳—氢—氧单体的聚合物，可以考虑加入耦合剂。该固化剂为水溶性的液体。浓度可以从2％至30％，最好为4％至20％。
3、固化处理固化在烘箱中进行。烘箱的最高加热温度为400℃。固化工艺分多段进行。从室温—60℃，用时1-2小时；60℃至180℃，用时3至5小时；180℃保温2-6小时；从180℃至280℃，用时3-7小时；280℃保温2-5小时；停炉之后，随炉冷却，至温度低于70℃出炉。
4、炭化处理对坯体需进行炭化处理。炭化处理工艺分多段进行。从室温-250℃，加热2-4小时；250℃至350℃，加热3至6小时；从350℃至650℃，加热8-12小时；从650℃到900℃加热6-10小时。
5、化学气相预沉积对经固化之后的坯体稍加修整，装入真空化学气相沉积炉进行化学气相预沉积。抽真空至5-30Pa，停泵之后测定真空炉的压升率。符合规定的要求之后，才能升温。升温至800℃-1200℃，可以通入碳氢与氮气的混合气体，二者的比例从1∶0.5至1∶3。炉压保持在500Pa至30KPa，沉积时间为5小时至50小时，碳—氢气体在低压、高温下裂解，碳原子在坯体的表面和部分纤维体的纤维上沉积，使坯体的表面密度增加，表面近表面的强度和刚性提高。
6、机械加工部分坯体表面需要进行切削加工。由于坯体的密度低，强度和刚性较金属材料低很多。机械加工时需要按照工件的尺寸和形状，设计特定的工装，将工件装夹固定在机床上；工件切削时转速以2至100rpm为宜，工件直径越大，转速越低；加工的刀具的刀刃越薄、越锋利越好。
7、高温处理经历多道处理的坯体需要进行高温处理。处理温度1800℃-2300℃，2000℃-2300℃更好。主要目的是除金属杂质和除挥发分等。升温制度室温至1200℃取2至5小时，1200℃-1800℃取3至6小时，1800℃-最高温度，2-4小时，至最高温度，可以保温2至5小时。
8、表面涂料对经过机械切削加工的表面进行表面涂层，表面涂层的配方主要由粘结剂、固含物组成，粘结剂是含硅溶胶—凝胶，固含物主要是碳纤维、高纯石墨粉，固含物与一定浓度的粘结剂溶胶的重量比是10∶1到2∶1。
9、最终表面化学气相沉积强化工作在具有一定真空的晶体炉内的固化毡体零件，由于多晶硅融体的洁净度有限，特别是石英坩埚在高温下不断与碳反应，因此，炉内多多少少会产生一氧化碳、二氧化碳等氧化性气体，对碳制品表面产生侵蚀。经历高温处理的过的坯体，如果有一层5μm至50μm的沉积碳，特别是有一层10μm至40μm的沉积碳，表面抗侵蚀能力将大大为提高。最终的表面化学气相沉积采用较高的温度，如1100℃-1300℃，采用较低的炉压，如300Pa-800Pa。时间大约5小时-50小时。
用该方法制作了硅晶体生长炉用全套固态保温系统零件。除了保温套、保温底板、炉底护盘等零部件之外，还用固化毡做成整体式导流筒，大盖板、托架等关键零件。碳-碳复合材料的保温系统装备在TDR-80炉上进行了工业性使用；投料48.6kg，多晶料全部为埚底料和头尾料，其中低阻埚底料占的比重为71.6％。采用新的系统，顺利拉出了完整的单晶棒。该系统首次采用固化炭毡(碳—碳复合材料(CFC))取代传统的石墨材料制造硅单晶炉热场系统的导流筒、大盖板、托架、底板，取消了起支持作用的石墨件；采用碳—碳复合材料(CFC)制造的底板、盖板、导流筒等部件同时具备了结构件和保温材料的作用，简化了热场系统设计，提高了保温效果和使用可靠性；全碳—碳复合材料(CFC)热系统的重量与主要采用等静压石墨材料的流行使用的常规热系统比较，重量降低了50％以上；部分重要零部件如导流筒、底盖板等重量降低了60％以上，机械强度增加了十倍以上。新材料的使用大大提高了系统的可靠性和使用性能，明显地减轻了工人的劳动强度。在同等保温性能的情况下，保温件的厚度可以减少30％，炉内结构更加紧凑。在原来只能装18英寸系统的硅晶体生长炉设备中，可以装19英寸、甚至20英寸的热系统，提高了单炉的装料量，有效利用了设备的能力，提高了产品质量，提高了生产效率；碳—碳复合材料(CFC)制作的固化炭毡保温筒与传统的软碳毡比较，尺寸规整，表面干净。传统保温材料软碳毡在操作过程中会产生大量碳尘，污染环境，刺激人的皮肤。并且，软碳毡在使用过程中容易劣化，经常需要修整/增补/重新缠绕，操作复杂，费时费力。而固态保温筒为整体装配式，操作简单。碳—碳复合材料(CFC)固态保温毡有一定的强度和刚性，形状和尺寸保持性好，装炉和拆炉十分简便，大大改善了工人的工作环境和劳动条件。使用全碳—碳复合材料(CFC)的热场系统与传统石墨材料热系统比较，保温性能大大提高。与装备在同台设备上的另一套系统比较，保温层的厚度减少了25％，化料时节能15％；等径拉晶时节能10％。由于该工艺制造的固态保温毡的纯度高，放气量极小，按本专利的技术制作的热场系统煅烧时间比传统的系统节约了40％。
权利要求
1.一种硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是选择金属杂质含量很低的软的毡体作坯体材料，高温预处理使之成为石墨毡体；借助于模具、胎具，用经过高温处理的石墨毡体制作坯体；坯体中均匀渗入适量的固化剂，对渗入固化剂的预成形的坯体进行固化定型处理；再对经过固化处理的坯体作炭化处理；将初步成型的坯体装入真空化学气相沉积炉进行化学气相预沉积；对零件的部分需切削加工的表面进行机械切削加工；高温处理零件坯体，去除金属杂质和挥发分；对出炉后的零件的已加工面进行表面涂层处理；对零件作化学气相沉积，进行表面强化处理，提高坯体表面抗侵蚀能力。
2.根据权利要求1，所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述固化炭毡坯体材料为聚丙烯氰(PAN)毡体。
3.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述毡体的预处理，热处理温度在1800℃至2300℃，最好是在2100℃-2300℃；
4.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述固化剂为碳—氢—氧单体聚合物，固化处理的工艺是
5.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述炭化处理工艺是
6.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述化学气相预沉积时间由5小时至50小时。
7.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述机加工后的高温处理，处理的温度在1800℃-2300℃，高温保温时间为2小时至5小时。
8.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述坯体的机械加工表面涂层处理的配方主要由粘结剂、固含物组成，粘结剂是含硅溶胶—凝胶，固含物主要是碳纤维、高纯石墨粉，固含物与一定浓度的粘结剂溶胶的重量比是10∶1到2∶1。
9.根据权利要求1所述的硅晶体生长炉用高纯固化炭毡制造方法，其特征是所述表面涂层处理，涂层的厚度以5μm至50μm为宜，最好为15μm至25μm。
全文摘要
本发明是硅晶体生长炉用的高纯固化炭毡制备方法，其工艺是选择金属杂质含量很低的软的毡体作坯体材料，高温预处理使之成为石墨毡体；用石墨毡体制作坯体；对均匀渗入固化剂的坯体进行固化定型；炭化处理坯体；再对坯体进行化学气相预沉积；对零件的部分需切削加工的表面进行机械切削加工；再对坯体高温处理，去除金属杂质和挥发分；对出炉后的零件已加工面进行表面涂层处理及零件的表面强化处理，提高坯体表面抗侵蚀能力。采用本专利技术制造的固化炭毡导热系数低，节能保温效果好，轻质高强，质量稳定，使用可靠，金属杂质含量可控制在300ppm甚至100ppm以内。
文档编号C04B35/52GK1994972SQ20061013681
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月6日 优先权日2006年12月6日
发明者蒋建纯, 张弛, 曹传辉, 陈志军, 文俊祥, 孟辉, 周九宁 申请人:湖南南方搏云新材料有限责任公司