CN104911696A - 一种直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒及其制备方法，该直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒包括导流筒耳部（1）、导流筒锥形筒部（2）及表面涂层（3）。其制备方法包括以下步骤：(1)设计和制造导流筒胎具；(2)设计炭毡的形状和尺寸；并据此尺寸裁剪下料；(3)坯体制备；(4)坯体固化；(5)坯体炭化；（6）机加工坯体及组装；（7）表面涂层；（8）涂层固化；（9）化学气相沉积强化处理；（10）高温纯化处理。本发明固化炭毡整体导流筒，能有效地提高整体导流筒在高温使用过程中的保温性能，降低功率节约能耗约10%，降低拉晶成本，同时提高了拉晶成品率与效率。

Description

一种直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒及其制备方法

技术领域

 本发明涉及一种直拉硅单晶炉用导流筒及其制备方法，具体涉及一种直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒及其制备方法。

技术背景

大约85％的单晶硅采用直拉法（CZ法）生产。硅晶棒尺寸日益大型化，为保证硅晶体的质量，节省能源，减少二氧化碳排放，硅晶体生长炉热场普遍使用导流筒。导流筒主要起高温气体导流作用，因此，要求其具有良好的耐热性能和一定的力学性能；还要具有保温隔热性能，以保障坩埚中的硅液沿径向、在拉的硅棒与坩埚中的硅液沿轴向有合适的温度梯度。此外，使用导流筒可以减少炉体上部的氩气流动涡胞，进而减少SiO在单晶炉上部的沉积，从而确保拉制的单晶硅棒具有很高的质量。

目前，直拉硅晶体生长炉导流筒多为由薄壁锥形外石墨筒-毡体夹心-薄壁锥形内石墨筒构成的组合式导流筒。由于石墨制品强度低，高温热震性能差，导热系数高，使用寿命短，一般使用3个月左右，更换频繁，纯度也较低；并且，目前单晶硅拉晶尺寸越来越大，要求导流筒尺寸也随之增大，因此，石墨导流筒材料消耗增大，加工过程成品率低，运输、搬运、使用过程中易于损坏，越来越难满足CZ直拉法单晶硅生产对导流筒的使用性能与可靠性能的要求。

另外，近年来也有部分外导流筒与内导流筒由炭-炭复合材料制成，内芯一般由软毡包裹或固化炭毡制成，但是炭-炭复合材料的内、外导流筒价格十分昂贵。 随着光伏市场竞争的日趋激烈，降低能耗、节省成本、提高生产效率成为技术发展的核心。导流筒安放在坩埚正上方，在硅蒸汽及氧化性气体作用下易产生侵蚀和开裂，在单晶硅生长的总成本中具有一定的比例，导流筒的突然损坏有可能导致坩埚、加热器损坏，甚至导致整个热场损坏。因此，提高导流筒使用寿命与降低导流筒成本对于单晶硅生长的成本控制至关重要。

目前，现有的石墨导流筒及炭-炭导流筒普遍存在问题：一是成本高；二是使用后易出现外表面氧化，整体开裂，掉块等现象，从而给生产带来不便，影响企业经济效益；三是使用时现场安装繁琐，影响工作效率。

中国发明专利申请200610043187.9号公开的“单晶硅拉制炉用热场炭/炭导流筒的制备方法”和200810030750.8号公开的“单晶炉导流筒及其生产工艺”都涉及炭/炭复合材料导流筒的制备方法，其导流筒的原材料消耗多，制备的导流筒使用寿命也较短，炭-炭导流筒的价格十分昂贵。而200810030750.8公开的“单晶炉导流筒及其生产工艺”，在制备过程中是靠膨胀石墨纸或硫酸纸作为缓渗层隔开表层和里层，因而其制备的导流筒还存在密度梯度，这更影响其使用寿命。200910310354.5公开的“一种CZ硅晶体生长炉碳－碳复合材料导流筒及其制备方法”，其制备的碳－碳复合材料表层的表观密度达1.4～1.7g/cm³，化学气相沉积的周期比较长，同时存在表层密度不均匀，使用过程中存在开裂、掉渣等现象，影响单晶硅的质量；且其生产成本比较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种整体性好，使用寿命长，工作可靠性高，操作方便，原材料消耗少，节能的直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒及其制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，包括导流筒耳部、导流筒锥形筒部及表面涂层；所述导流筒耳部和导流筒锥形筒部由固化炭毡制造而成，其密度为0.3～0.8g/cm³；所述导流筒耳部与导流筒锥形筒部连接处采取锥面配合；所述表面涂层为物理阻挡层。

进一步，所述导流筒耳部与导流筒锥形筒部连接处的锥度为：90度＜锥度≤135度。

进一步，所述表面涂层为碳化硅涂层，涂层厚度为30~50μm。

所述直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒的制备方法，包括以下步骤：

（1）设计和制造导流筒耳部（1）胎具和导流筒锥形筒部（2）胎具；

（2）设计炭毡的形状和尺寸：根据制坯所选用的炭毡毡体厚度及变形性能，按导流筒耳部（1）和导流筒锥形筒部（2）的形状尺寸建立数学模型（即圆台的立体模型），计算不同位置上炭毡的形状和尺寸；并据此尺寸裁剪下料；

（3）坯体制备：将步骤（2）所裁剪的炭毡浸泡或涂刷热固性树脂，待炭毡浸透热固性树脂后，按设计要求将浸透热固性树脂的炭毡一层层叠层在导流筒耳部（1）胎具上及一层层缠绕在导流筒锥形筒部（2）胎具上，用力压实，得坯体；

（4）坯体固化：将步骤（3）制成的坯体送入固化炉，控制固化温度为100～250℃，固化时间为4～8h；

（5）坯体炭化：将步骤（4）完成固化的坯体送入炭化炉，控制炭化温度为650～1200℃，炭化时间20～40h；

（6）机加工坯体及组装：将步骤（4）完成炭化的坯体进行机械加工，按照设计形状及尺寸加工导流筒耳部（1）外形及锥面，加工导流筒锥形筒部（2）及其与导流筒耳部（1）相配合的锥面，然后将机械加工后的导流筒耳部（1）和导流筒锥形筒部（2）通过锥面配合装配成整体导流筒；

（7）表面涂层：

(a)涂层浆料配制：涂层浆料按以下重量比的原料制成：碳化硅粉∶石墨粉∶溶剂=1∶（0.1～5）∶（1～10），将各原料充分混合均匀，即得到涂层浆料；

(b)将步骤(a)所制得涂层浆料均匀涂覆于步骤（6）装配成的整体导流筒的外表面，涂层厚度为30~50μm；

（8）涂层固化：将经步骤（7）涂层处理后的导流筒放置于固化炉中进行固化，控制固化温度为100~150℃，时间2~4h；

（9）化学气相沉积强化处理：将经步骤（8）处理后的导流筒置于化学气相沉积炉内，采用碳氢气体进行化学气相沉积，控制沉积温度为900～1200℃，沉积时间10～100h，碳氢气体流量为30～50L/min，稀释气体氮气流量为15～30L/min；

（10）高温纯化处理：将经步骤（9）处理后的导流筒置于高温炉中，升温至1600～2200℃，保温时间10～30h，降温至300℃以下，出炉，即得成品。

进一步，所述碳化硅粉为α-SiC粉，粒度为800～2500目；所述石墨粉的粒度为800～2000目；所述溶剂为硅溶胶、呋喃树脂、环氧树脂或酚醛树脂的一种或两种以上的混合物。

进一步，所述化学气相沉积的碳氢气体为甲烷、丙烷或丙烯中的一种。

  本发明与现有技术相比，有以下优点：

（1）本发明固化炭毡整体导流筒能有效地提高整体导流筒在高温使用过程中的保温性能，降低功率、节约能耗约10%，降低拉晶成本。

（2）本发明固化炭毡整体导流筒整体性好，使用寿命长，可靠性高，拉晶成品率与效率高。

（3）本发明直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，全部由固化炭毡制备而成，其密度比较低，且均匀，重量较轻，安装、拆卸均比较方便。

附图说明

图1为本发明直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒的结构示意图。

其中：1-导流筒耳部，2-导流筒锥形筒部，3-表面涂层。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒实施例，包括导流筒耳部1、导流筒锥形筒部2及表面涂层3；导流筒耳部1和导流筒锥形筒部2由固化炭毡制造而成，其密度为0.3g/cm³；导流筒耳部1与导流筒锥形筒部2连接处采取锥面配合，锥度为91度；表面涂层（3）为物理阻挡层，具体为碳化硅涂层，涂层厚度为30μm。

所述直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒的制备方法，包括以下步骤：

（1）设计和制造导流筒耳部1胎具和导流筒锥形筒部2胎具；

（2）设计炭毡的形状和尺寸：根据制坯所选用的炭毡毡体厚度及变形性能按导流筒耳部1和导流筒锥形筒部2的形状尺寸建立数学模型（即圆台的立体模型），计算不同位置炭毡的形状和尺寸；并据此尺寸裁剪下料；

（3）坯体制备：将步骤（2）所裁剪的炭毡涂刷热固性树脂，具体为呋喃树脂，待炭毡涂刷后，按设计要求将其一层层叠层在导流筒耳部1胎具上及一层层缠绕在导流筒锥形筒部2胎具上，用力压实坯体；

（4）坯体固化：将步骤（3）制作完成的坯体送入固化炉，控制固化温度为150℃，固化时间为6h；

（5）坯体炭化：将步骤（4）完成固化的坯体送入炭化炉，控制炭化温度为650℃，炭化时间40h；

（6）机加工坯体及组装：将步骤（4）完成炭化的坯体进行机械加工，按照设计形状及尺寸加工导流筒耳部1外形及锥面，加工导流筒锥形筒部2外形及与导流筒耳部1相配合的锥面，然后将机械加工后的导流筒耳部1和导流筒锥形筒部2通过锥面配合装配成整体导流筒；

（7）表面涂层：

(a)涂层浆料配制：涂层浆料按以下重量比的原料配制而成：碳化硅粉∶石墨粉∶溶剂=1∶2∶5，将各原料充分混合均匀，即得到涂层浆料；碳化硅粉为α-SiC，粒度为800目；石墨粉粒度为800目；溶剂为呋喃树脂。

(b)将步骤(a)所制得涂层浆料均匀涂覆于步骤（6）装配成的整体导流筒的外表面，涂层厚度为30μm；

（8）涂层固化：将经步骤（7）涂层处理后的导流筒放置于固化炉中进行固化，固化温度为100℃，时间4h；

（9）化学气相沉积强化处理：将经步骤（8）处理后的导流筒置于化学气相沉积炉内，采用碳氢气体进行化学气相沉积，具体采用丙烷气体进行化学气相沉积，沉积温度为1000℃，沉积时间30h，碳氢气体流量为30L/min，稀释气体氮气流量为30L/min；

（10）高温纯化处理：将经步骤（9）处理后的导流筒置于高温炉中，升温至为2200℃，保温时间10h，降温至300℃以下，出炉，即得成品。

经实践应用，采用本发明之直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，直拉硅单晶等径功率下降4kw（下降12%）；本发明固化炭毡整体导流筒整体性好，使用寿命长，寿命长达70炉（石墨导流筒通常为40炉），可靠性提高，效率提高10%；本发明固化炭毡整体导流筒密度比较低且均匀，重量较轻，安装、拆卸均比较方便。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于，导流筒耳部1和导流筒锥形筒部2由固化炭毡制造而成，其密度为0.8g/cm³；导流筒耳部1与导流筒锥形筒部2连接处采取锥面配合，锥度为135度；涂层厚度为50μm。

制备方法的区别仅在于：步骤（4）坯体固化温度为250℃，固化时间为4h；

步骤（5）坯体炭化温度为1200℃，炭化时间20h；

步骤（7）表面涂层：(a)涂层浆料配制，碳化硅粉∶石墨粉∶溶剂=1∶5∶10，碳化硅粉粒度为2500目；石墨粉粒度为2000目；溶剂为硅溶胶；(b)涂层厚度为50μm；

步骤（8）涂层固化温度为150℃，时间2h；

步骤（9）化学气相沉积温度为1200℃，沉积时间10h，碳氢气体流量为40L/min，稀释气体氮气流量为25L/min；碳氢气体采用甲烷气体；

步骤（10）高温纯化处理温度1600℃，保温时间30h。

余同实施例1。

经实践应用，采用本发明之直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，直拉硅单晶等径功率下降3kw（下降9%）；本发明固化炭毡整体导流筒整体性好，使用寿命长，寿命长达72炉（石墨导流筒通常为40炉），可靠性提高，效率提高10%；本发明固化炭毡整体导流筒密度比较低且均匀，重量较轻，安装、拆卸均比较方便。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于，导流筒耳部1和导流筒锥形筒部2由固化炭毡制造而成，其密度为0.5g/cm³；导流筒耳部1与导流筒锥形筒部2连接处采取锥面配合，锥度为100度；涂层厚度为40μm。

制备方法的区别仅在于：步骤（4）坯体固化温度为100℃，固化时间为8h；

步骤（5）坯体炭化温度为800℃，炭化时间30h；

步骤（7）表面涂层：(a)涂层浆料配制，碳化硅粉∶石墨粉∶溶剂=1∶0.1∶1，碳化硅粉粒度为1500目；石墨粉粒度为1000目；溶剂为环氧树脂；(b)涂层厚度为40μm；

步骤（8）涂层固化温度为130℃，时间3h；

步骤（9）化学气相沉积温度为900℃，沉积时间100h，碳氢气体流量为50L/min，稀释气体氮气流量为15L/min；碳氢气体采用丙烯气体；

步骤（10）高温纯化处理温度2000℃，保温时间20h。

余同实施例1。

经实践应用，采用本发明之直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，直拉硅单晶等径功率下降3.5kw（下降10%）；本发明固化炭毡整体导流筒整体性好，使用寿命长，寿命长达75炉（石墨导流筒通常为40炉），可靠性提高，效率提高10%；本发明固化炭毡整体导流筒密度比较低且均匀，重量较轻，安装、拆卸均比较方便。

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于，导流筒耳部1和导流筒锥形筒部2由固化炭毡制造而成，其密度为0.6g/cm³；导流筒耳部1与导流筒锥形筒部2连接处采取锥面配合，锥度为105度；涂层厚度为45μm。

制备方法的区别仅在于：步骤（4）坯体固化温度为180℃，固化时间为5h；

步骤（5）坯体炭化温度为700℃，炭化时间35h；

步骤（7）表面涂层：(a)涂层浆料配制，碳化硅粉∶石墨粉∶溶剂=1∶3∶8，碳化硅粉粒度为1000目；石墨粉粒度为1500目；溶剂为酚醛树脂；(b)涂层厚度为45μm；

步骤（8）涂层固化温度为120℃，时间4h；

步骤（9）化学气相沉积温度为990℃，沉积时间30h，碳氢气体流量为35L/min，稀释气体氮气流量为35L/min；碳氢气体采用丙烷气体；

步骤（10）高温纯化处理温度1800℃，保温时间25h。

余同实施例1。

经实践应用，采用本发明之直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，直拉硅单晶等径功率下降4.5kw（下降13.5%）；本发明固化炭毡整体导流筒整体性好，使用寿命长，寿命长达73炉（石墨导流筒通常为40炉），可靠性提高，效率提高12%；本发明固化炭毡整体导流筒密度比较低且均匀，重量较轻，安装、拆卸均比较方便。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何修改、变更以及等效结构变换，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，其特征在于包括导流筒耳部（1）、导流筒锥形筒部（2）及表面涂层（3）；所述导流筒耳部（1）和导流筒锥形筒部（2）由固化炭毡制造而成；所述导流筒耳部（1）与导流筒锥形筒部（2）连接处采取锥面配合；所述表面涂层（3）为物理阻挡层。

2.根据权利要求1所述的直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，其特征在于：所述导流筒耳部（1）与导流筒锥形筒部（2）连接处的锥度为：90度＜锥度≤135度。

3.根据权利要求1或2所述的直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，其特征在于：所述表面涂层（3）为碳化硅涂层。

4.根据权利要求1或2或3所述的直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，其特征在于：所述表面涂层（3）的厚度为30~50μm。

5.根据权利要求1～4之一所述的直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒，其特征在于：所述固化炭毡的密度为0.3～0.8g/cm³。

6.制备如权利要求1所述的直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）设计和制造导流筒耳部（1）胎具和导流筒锥形筒部（2）胎具；

（2）设计炭毡的形状和尺寸：根据制坯所选用的炭毡毡体厚度及变形性能，按导流筒耳部（1）和导流筒锥形筒部（2）的形状尺寸建立数学模型，计算不同位置上炭毡的形状和尺寸；并据此尺寸裁剪下料；

（3）坯体制备：将步骤（2）所裁剪的炭毡浸泡或涂刷热固性树脂，待炭毡浸透热固性树脂后，按设计要求将浸透热固性树脂的炭毡一层层叠层在导流筒耳部（1）胎具上及一层层缠绕在导流筒锥形筒部（2）胎具上，用力压实，得坯体；

（4）坯体固化：将步骤（3）制成的坯体送入固化炉，控制固化温度为100～250℃，固化时间为4～8h；

（5）坯体炭化：将步骤（4）完成固化的坯体送入炭化炉，控制炭化温度为650～1200℃，炭化时间20～40h；

（6）机加工坯体及组装：将步骤（4）完成炭化的坯体进行机械加工，按照设计形状及尺寸加工导流筒耳部（1）外形及锥面，加工导流筒锥形筒部（2）及其与导流筒耳部（1）相配合的锥面，然后将机械加工后的导流筒耳部（1）和导流筒锥形筒部（2）通过锥面配合装配成整体导流筒；

（7）表面涂层：

(a)涂层浆料配制：涂层浆料按以下重量比的原料制成：碳化硅粉∶石墨粉∶溶剂=1∶（0.1～5）∶（1～10），将各原料充分混合均匀，即得到涂层浆料；

(b)将步骤(a)所制得涂层浆料均匀涂覆于步骤（6）装配成的整体导流筒的外表面，涂层厚度为30~50μm；

（8）涂层固化：将经步骤（7）涂层处理后的导流筒放置于固化炉中进行固化，控制固化温度为100~150℃，时间2~4h；

（9）化学气相沉积强化处理：将经步骤（8）处理后的导流筒置于化学气相沉积炉内，采用碳氢气体进行化学气相沉积，控制沉积温度为900～1200℃，沉积时间10～100h，碳氢气体流量为30～50L/min，稀释气体氮气流量为15～30L/min；

（10）高温纯化处理：将经步骤（9）处理后的导流筒置于高温炉中，升温至1600～2200℃，保温时间10～30h，降温至300℃以下，出炉，即得成品。

7.根据权利要求6所述的制备直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒的方法，其特征在于：步骤（6）中，所述配合锥度为：90度＜锥度≤135度。

8.根据权利要求6所述的制备直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒的方法，其特征在于：步骤（7）中，所述碳化硅粉为α-SiC粉，粒度为800～2500目；所述石墨粉的粒度为800～2000目；所述溶剂为硅溶胶、呋喃树脂、环氧树脂或酚醛树脂的一种或两种以上的混合物。

9.根据权利要求6所述的制备直拉硅单晶炉用固化炭毡整体导流筒的方法，其特征在于：步骤（8）中，所述化学气相沉积的碳氢气体为甲烷、丙烷或丙烯中的一种。