一种组合式碳/碳复合材料坩埚的制作方法

本实用新型涉及复合材料技术领域，特别是涉及一种组合式碳/碳复合材料坩埚。

背景技术：

坩埚是复合材料技术领域常用设备仪器的重要组成部分，它是熔化和精炼金属液体以及固液加热等各种反应的容器，是保证物理化学反应顺利进行的基础。单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。常见的单晶炉炉体包括炉底板、主炉室、炉盖、隔离阀室、副炉室、籽晶提升旋转机构和坩埚提升旋转机构等，所有腔体都经过缺陷炉室检查和探伤检验，并且经过水压试验和氦质谱检漏仪检漏。单晶炉生产工艺一般包括加料、熔化、缩颈生长、放肩生长、等径生长和尾部生长等。加料即将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的n或p型而定，杂质种类有硼、磷、锑和砷。熔化即加完多晶硅原料于石英坩埚后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度以上，将多晶硅原料熔化。缩颈生长即当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小，由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。放肩生长即长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。等径生长即长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分，单晶硅片取自于等径部分。尾部生长即在长完等径部分之后，将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

随着当前单晶炉产能的放大，单晶热场的尺寸进一步加大，单晶热场的调整优化，导致碳/碳坩埚所处的温度越来越高，且存在局部温度达到1600℃～1700℃的情况，导致坩埚的腐蚀速度加快，严重缩短了坩埚的使用寿命。目前常见的解决方式主要是采用上下分体式坩埚或者多瓣式坩埚，根据坩埚的腐蚀情况来进行相应的更换，但这种结构一遇到石英坩埚漏硅时，存在安全风险，且高温情况石英会软化，分体式和多瓣式坩埚整体强度不高，对石英坩埚的支撑存在一定缺陷，更易导致石英坩埚漏硅。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种整体使用寿命较长且对石英坩埚的支撑较好的组合式碳/碳复合材料坩埚。

一种组合式碳/碳复合材料坩埚，所述组合式碳/碳复合材料坩埚具有底壁、侧壁及替换件，所述侧壁与所述底壁连接以围成顶部开口的收容腔，所述侧壁朝向所述收容腔的一面开设有安装槽，所述安装槽自所述收容腔的开口向靠近所述底壁的方向延伸，所述替换件可拆卸地安装于所述安装槽。

通过研究发现，随着当前单晶炉产能的放大，单晶热场的尺寸进一步加大，单晶热场的调整优化，导致坩埚的腐蚀速度加快，特别是碳/碳坩埚直管段沿口200mm高区域腐蚀最严重，这严重缩短了坩埚整体的使用寿命。且碳/碳坩埚随着尺寸的变大，其最终致密度达到1.3～1.4g/cm³后很难提高，而坩埚的抗腐蚀性与其密度成正相关，密度越高，其抗腐蚀能力越强，但碳/碳尺寸越大气相沉积越难致密。

本实用新型的组合式碳/碳复合材料坩埚对结构进行重新设计和调整，在侧壁朝向收容腔的一面设置了安装槽，且该安装槽自收容腔的开口向靠近底壁的方向延伸，并将替换件可拆卸地安装于安装槽。如此，一方面使坩埚最易腐蚀的直管段部位能进行后期更换，以达到延长碳/碳坩埚整体使用寿命的目的。另一方面也便于单独对易腐蚀部分即替换件的材质和密度进行调整，易腐蚀部位即替换件可进行单独制造，由于工件更小更薄，所以密度更容易提高，同时还能对其材质进行更改，选取更耐腐蚀的材质，从而打破了碳/碳坩埚整体密度偏低的缺点，提高了易腐蚀部位的耐腐蚀性能，进而延长了坩埚整体的使用寿命，节约了资源，降低了生产成本。因此，本实用新型的组合式碳/碳复合材料坩埚解决了直管段部位易腐蚀的问题，提高了坩埚的整体使用寿命，同时采用该坩埚承托石英坩埚时，拆卸石英坩埚前可以先将替换件分离，留出碳/碳坩埚与石英坩埚的缝隙，从而减少石英坩埚拆卸时对碳/碳坩埚的损害。经实践试用，本实用新型的坩埚使用方便，在坩埚原有使用寿命的基础上提高了30％，也大大降低了拆卸石英坩埚的难度。

在其中一个实施例中，所述替换件包括主体部和与所述主体部连接的弯折部，所述主体部用于与所述侧壁朝向所述收容腔的一面抵接，所述弯折部用于与所述侧壁远离所述底壁的端面抵接。

在其中一个实施例中，所述安装槽沿所述侧壁的周向延伸并形成环状，所述主体部呈筒状。

在其中一个实施例中，所述安装槽呈圆环状，所述主体部呈圆筒状。

在其中一个实施例中，所述安装槽沿所述侧壁的厚度方向上的尺寸为所述侧壁的厚度的1/3～1/2。

在其中一个实施例中，所述安装槽沿所述侧壁的高度方向上的尺寸为所述侧壁的高度的1/3～2/3。

在其中一个实施例中，所述主体部的厚度为4mm～5mm。

在其中一个实施例中，所述主体部的高度为20cm～30cm。

在其中一个实施例中，所述弯折部沿所述侧壁的高度方向上的尺寸为5mm～15mm。

在其中一个实施例中，所述替换件为碳/碳材料替换件、氮化硼材料替换件或碳陶材料替换件。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的组合式碳/碳复合材料坩埚的结构示意图；

图2为图1所示的组合式碳/碳复合材料坩埚的替换件的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本实用新型一实施方式的组合式碳/碳复合材料坩埚100，其具有底壁10、侧壁20及替换件30，侧壁20与底壁10连接以围成顶部开口的收容腔，侧壁20朝向收容腔的一面开设有安装槽，安装槽自收容腔的开口向靠近底壁10的方向延伸，替换件30可拆卸地安装于安装槽。

通过研究发现，随着当前单晶炉产能的放大，单晶热场的尺寸进一步加大，单晶热场的调整优化，导致坩埚的腐蚀速度加快，特别是碳/碳坩埚直管段沿口200mm高区域腐蚀最严重，这严重缩短了坩埚整体的使用寿命。且碳/碳坩埚随着尺寸的变大，其最终致密度达到1.3～1.4g/cm³后很难提高，而坩埚的抗腐蚀性与其密度成正相关，密度越高，其抗腐蚀能力越强，但碳/碳尺寸越大气相沉积越难致密。

本实用新型的组合式碳/碳复合材料坩埚100对结构进行重新设计和调整，在侧壁20朝向收容腔的一面设置了安装槽，且该安装槽自收容腔的开口向靠近底壁10的方向延伸，并将替换件可拆卸地安装于安装槽。如此，一方面使坩埚100最易腐蚀的直管段部位能进行后期更换，以达到延长碳/碳坩埚整体使用寿命的目的。另一方面也便于单独对易腐蚀部分即替换件30的材质和密度进行调整，易腐蚀部位即替换件30可进行单独制造，由于工件更小更薄，所以密度更容易提高，同时还能对其材质进行更改，选取更耐腐蚀的材质，从而打破了碳/碳坩埚整体密度偏低的缺点，提高了易腐蚀部位的耐腐蚀性能，进而延长了坩埚整体的使用寿命，节约了资源，降低了生产成本。因此，本实用新型的组合式碳/碳复合材料坩埚100解决了直管段部位易腐蚀的问题，提高了坩埚的整体使用寿命，同时采用该坩埚100承托石英坩埚时，拆卸石英坩埚前可以先将替换件30分离，留出碳/碳坩埚与石英坩埚的缝隙，从而减少石英坩埚拆卸时对碳/碳坩埚的损害。经实践试用，本实用新型的坩埚100使用方便，在坩埚原有使用寿命的基础上提高了30％，也大大降低了拆卸石英坩埚的难度。

在一个具体示例中，如图2所示，替换件30包括主体部31和与主体部31连接的弯折部32，主体部31用于与侧壁20朝向收容腔的一面抵接，弯折部32用于与侧壁远离底壁10的端面抵接。如此，替换件30安装于安装槽时更加方便，也更加稳固，对侧壁远离底壁10的端面也具有保护作用。

在一个具体示例中，安装槽沿侧壁20的周向延伸并形成环状，主体部31呈筒状。如此，整个坩埚100最易腐蚀的直管段开口部位都可通过替换件30进行更换，从而提高耐腐蚀性能，延长坩埚整体的使用寿命。

在一个具体示例中，安装槽呈圆环状，主体部31呈圆筒状，即坩埚100的收容腔呈圆筒状。可以理解，具体形状不限于此，例如收容腔呈矩形柱状，则安装槽和主体部31的形状也相应调整。

在一个具体示例中，安装槽沿侧壁20的厚度方向上的尺寸为侧壁20的厚度的1/3～1/2，能够较好地延长使用寿命，便于制造更高密度的材料。

在一个具体示例中，安装槽沿侧壁20的高度方向上的尺寸为侧壁20的高度的1/3～2/3，能够较好地覆盖最易腐蚀的直管段部位，提高坩埚100整体使用寿命。

在一个具体示例中，主体部的厚度为4mm～5mm，即安装槽沿侧壁20的厚度方向上的尺寸为4mm～5mm，优选为5mm。可选地，主体部的高度为20cm～30cm，即安装槽沿侧壁20的高度方向上的尺寸为20cm～30cm，优选为25cm。

在一个具体示例中，弯折部32沿侧壁20的高度方向上的尺寸为5mm～15mm，优选为10mm。

在一个具体示例中，替换件30为碳/碳材料替换件、氮化硼材料替换件或碳陶材料替换件。可选地，碳/碳材料替换件的密度为1.7g/cm³。

在一个具体示例中，底壁10和侧壁20朝向收容腔的内表面设有石墨纸。可选地，石墨纸的厚度为0.3mm～2mm。如此，进一步利用石墨纸的润滑性能，将石英坩埚外壁与碳/碳坩埚内壁隔离，起到防粘接的作用，降低了石英坩埚外壁与碳/碳坩埚内壁的贴紧程度，同时有效地减轻了去除石英坩埚残体时对碳/碳坩埚的损伤，提高坩埚寿命的效果更佳，在坩埚原有使用寿命的基础上提高了40％，大大节省了生产成本。

本实用新型的组合式碳/碳复合材料坩埚100解决了直管段部位易腐蚀的问题，提高了坩埚的整体使用寿命，同时采用该坩埚100承托石英坩埚时，拆卸石英坩埚前可以先将替换件30分离，留出碳/碳坩埚与石英坩埚的缝隙，从而减少石英坩埚拆卸时对碳/碳坩埚的损害。经实践试用，本实用新型的组合式碳/碳复合材料坩埚100使用方便，在坩埚原有使用寿命的基础上提高了30％～40％，也大大降低了拆卸石英坩埚的难度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。