CN113151893A - 纤维碗形预制体、碳碳碗体及包括其的坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维碗形预制体、碳碳碗体及包括其的坩埚，所述碳碳碗体为一中空碗形体，所述碳碳碗体上端口的直径大于下端口的直径，所述碳碳碗体为一体成型。本申请只需要更换局部易损件，不需要报废整个坩埚，既达到安全生产，又有节省材料降低费用的效果。

Description

纤维碗形预制体、碳碳碗体及包括其的坩埚

技术领域

本发明涉及一种热场装置，具体涉及到一种单晶硅或多晶硅的制造过程中的一种纤维碗形预制体、碳碳碗体及包括其的坩埚。

背景技术

在单晶硅的制作中，目前普遍采用直拉法(CZ法)，就是沿着垂直方向从熔体中拉制单晶的方法。在制造设备中，有一个部件是石墨坩埚，它是用来承载内部的石英坩埚的。在使用过程中，由于石英坩埚和石墨坩埚的膨胀系数不同，而且硅蒸汽与石墨会产生侵蚀反应的原因，存在石墨坩埚龟裂、侵蚀失强等问题。而且，随着单晶硅生长的晶体直径越来越粗，相应的单晶炉的直径也越做越大，这样对热场的可靠性也要求越来越高。由于石墨坩埚强度的局限性，直径越大那么其壁厚要求也越大，所以重量很重，而且热容很高，导致操作笨重，耗能增加，成本提高。

现有技术的坩埚是整体式的坩埚，放置在托盘上后底下连接托杆上盘，坩埚和托盘是分开式的，在坩埚的底部弧形的位置特别容易破裂损坏，一旦破裂则整个坩埚必须报废，成本很高；此外，坩埚和托盘是两部分的，托盘的存在增加成本。

因此，现有技术还有提升的地方。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维碗形预制体、碳碳碗体及包括其的坩埚，结构可靠、产品质量一致，以解决现有的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种碳纤维碗形预制体，所述碳纤维碗形预制体为一中空碗形体，所述碳纤维碗形预制体上端口的直径大于下端口的直径。

本申请较佳实施例所述纤维碗形预制体由纤维网胎和纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者是纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者是短纤维整体模塑成型；或者用连续纤维以碗体中心轴多层缠绕。

本申请较佳实施例所述纤维布或纤维网胎或短纤维或连续纤维的纤维为碳纤维、预氧丝、芳纶纤维、酚醛纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维其中一种或多种。

本申请较佳实施例所述纤维碗形预制体由纤维网胎和纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者是纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者用连续纤维以碗体中心轴多层缠绕；在以上三种过程中每种预制体至少添加一层高体积密度的编织布。

一种碳碳碗体，所述碳碳碗体为一中空碗形体，所述碳碳碗体上端口的直径大于下端口的直径，所述碳碳碗体可以是一体成型，或者是分体组合。

本申请较佳实施例所述的碳碳碗体，所述碳碳碗体的上端面为平面、凸台或凹台其中的一种。

本申请较佳实施例所述的碳碳碗体，所述碳碳碗体的下端面为平面、凸台或凹台其中的一种。

一种坩埚，包括上述的碳碳碗体，所述坩埚还包括埚壁，所述埚壁和碳碳碗体为分开的部件，所述埚壁为一中空圆筒体，所述埚壁位于所述碳碳碗体上方。

本申请较佳实施例所述的坩埚，所述坩埚还包括托杆上盘，所述埚壁、碳碳碗体和托杆上盘依次连接。

本申请较佳实施例所述的坩埚，所述托杆上盘和所述碳碳碗体连接的端面对应的为平面、凹台或凸台其中的一种。

本申请较佳实施例所述的坩埚，所述埚壁和所述碳碳碗体连接的端面对应的为平面、凹台或凸台其中的一种。

本申请的设计理念是，设计出一种组合式的坩埚，首先制造了一种碳纤维碗形预制体，再从碳纤维碗形预制体制造成为碳碳碗体，碳碳碗体结合其它部件成为坩埚，所述坩埚包括埚壁和碳碳碗体，组合后直接连接托杆上盘的上端，埚壁和碳碳碗体为分开的两个部件，所以在碳碳碗体损坏时，只要更换碳碳碗体就好了，不需要报废整个坩埚，既达到安全生产，又有节省材料降低费用的效果，提高企业市场竞争力。

由于采用了以上的技术方案，使得本发明具有如下的优点效果：

第一、本申请采用碳碳材质的碗体，碳碳材料相比石墨材质强度高，起到局部增强放入作用，可以提高使用寿命；

第二、采用本申请方案，坩埚埚邦要求可以降低，可以采用石墨或者密度更低的碳碳，从而大大节约使用成本；

第三、如果碳碳碗体损坏，只需要更换局部易损件，不需要报废整个坩埚，既达到安全生产，又有节省材料降低费用的效果；

第四、采用本申请方案，无需整体制造坩埚，可以节约炉内空间，同时可以减少传统坩埚制造的工艺过程、难度和工时，从而节约制造成本；

第五、采用本组合坩埚，可以使得内部的石英坩埚在拉晶结束后更容易取出，减少敲打，从而降低外力对坩埚的破坏，提升使用寿命第六、本申请结构上少了托盘，材料成本低。

当然实施本申请内容的任何一个具体实施例，并不一定同时具有以上全部的技术效果。

附图说明

图1为本申请一种坩埚示意图；

图2为图1中B部示意图；

图3为图1中B部另外一种实施例示意图；

图4为图1中B部又另外一种实施例示意图；

图5为图1中A部放大示意图；

图6为图1中A部另外一种实施例示意图。

具体实施方式

为便于理解，以下结合附图对本发明的较佳实施例做进一步详细叙述。

请参考图1，本申请一种坩埚示意图，本申请的坩埚，包括一碳碳碗体12，图中，所述碳碳碗体12为一中空碗形体，所述碳碳碗体12上端口的直径大于下端口的直径，所述碳碳碗体12可以是一体成型，或者是分体组合，也就是说，所述碳碳碗体12可以用一块材料挖空成型，或是用几块拼接制成，所述碳碳碗体12的切面为一弧形。

以碳纤维举例，在所述碳碳碗体12制成前，首先制作一种碳纤维碗形预制体，所述碳纤维碗形预制体为一中空碗形体，所述碳纤维碗形预制体上端口的直径大于下端口的直径。所述碳纤维碗形预制体和所述碳碳碗体12的形状一样，可以留有加工余量，所述碳纤维碗形预制体经过加工，例如沉积增密、涂层、碳化、石墨化、机加工等等，成为所述碳碳碗体12。对应连接件，所述碳纤维碗形预制体的上端面为平面、凸台或凹台其中的一种。所述碳纤维碗形预制体的下端面为平面、凸台或凹台其中的一种。这样的设计是为了和对接件连接。

而所述碳纤维碗形预制体可以有以下四种成型方式，下面分别详述，以碳纤维举例：

碳纤维碗形预制体由碳纤维网胎和碳纤维布以碗体中心轴多层叠合成型；包含：预制体基体和填充体，所述预制体基体为纤维布平铺层，所述填充体为树脂层；预制体基体由纤维布平铺层平铺成板状并分段，填充体包覆在所述纤维布平铺层表面和碳纤维空隙中，将预制体基体连接成一体。

也可以是碳纤维布以碗体中心轴多层叠合成型；包含：预制体基体和填充体，所述预制体基体为碳纤维布卷绕层，所述填充体为树脂层；预制体基体由纤维布卷绕成筒状并分段，填充体包覆在所述碳纤维表面和碳纤维空隙中，将预制体基体连接成一体。

也可以是短碳纤维整体模塑成型；包含：预制体基体和填充体，所述预制体基体为短切碳纤维，所述填充体为树脂层；预制体基体由短切碳纤维呈三维网状结构分布，填充体包覆在所述短切碳纤维表面和纤维空隙中，将预制体基体连接成一体。

也可以用连续碳纤维以碗体中心轴多层缠绕成型；包含：预制体基体和填充体，所述预制体基体为纤维缠绕层，所述填充体为树脂层；预制体基体由纤维缠绕呈三维网状结构分布，填充体包覆在所述碳纤维表面和碳纤维空隙中，将预制体基体连接成一体。

但应当知道，上述纤维布或纤维网胎或短纤维或连续纤维的纤维不限于碳纤维，还可以是预氧丝、芳纶纤维、酚醛纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维其中一种或多种。

本申请较佳实施例所述纤维碗形预制体由纤维网胎和纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者是纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者用连续纤维以碗体中心轴多层缠绕；在以上三种过程中每种预制体至少添加一层高体积密度的编织布。

本实施例以碳纤维为例，本案中的编织布可以通用的编织布，优选高体积密度编织布，其参数可参见CN201720691977.1。所述碳纤维展宽丝宽度选自8±0.5mm、10±0.7mm、16±1mm、20±1mm、27±2mm或34±2.5mm，并且，所述碳纤维编织布面密度相应地选自200±5g/m2、160±5g/m2、100±3g/m2、80±3g/m2、60±3g/m2或48±2g/m2。

本案所说的高体积密度编织布，是指在纤维面内同样分布情况下，纤维布克重越小，表示厚度越薄，也就是说同样体积的情况下，纤维含量越高，高体积密度的编织布的体积密度比常规纤维布大15％-30％，高体积密度编织布是指这样的碳布。

优选的，所述碳碳碗体12的上端面为平面、凸台或凹台其中的一种。另外，所述碳碳碗体12的下端面为平面、凸台或凹台其中的一种。这样的设计是为了和对接件连接。

此外，如图1所示，本申请的坩埚还包括埚壁和托杆上盘，所述埚壁、碳碳碗体12和托杆上盘依次连接，图中，所述埚壁和所述碳碳碗体12是两个部件，所述埚壁为一中空圆筒体，所述埚壁的切面为一直线形。另外，所述埚壁和所述碳碳碗体12连接的端面对应的为平面、凹台或凸台其中的一种。请参考图2、图3和图4，为图1中B部示意图，所述埚壁和所述碳碳碗体12连接的多种端面形态。

这种凸台或凹台的连接设计可以使得所述埚壁11和所述碳碳碗体12的连接更加稳定。所述埚壁11和所述碳碳碗体12设计成为分体式的情形下，所述埚壁11和所述碳碳碗体12的材料可以分开使用不同材料，例如所述埚壁11使用石墨，而所述碳碳碗体12使用碳碳材料，所述碳碳碗体12是易损件，分体式设计下，损坏了只要更换所述碳碳碗体12即可，不需要整体换掉，而且碳碳材料的使用寿命大概是石墨的2到3倍，可以减少更换次数。

另外，所述托杆上盘和所述碳碳碗体12连接的端面对应的为平面、凹台或凸台其中的一种。请参考图5和图6，为图1中A部示意图，所述托杆上盘30和所述碳碳碗体12连接的多种端面形态。如图5所示，所述碳碳碗体12的端面为一凸台或凹台；所述托杆上盘30和所述碳碳碗体12的端面连接的地方对应的为一凹台或凸台。请参考图6，图6为另外一种实施例示意图，所述碳碳碗体12的端面的另外一种凸台或凹台的实施例。这种凸台或凹台的连接设计可以使得连接更加稳定。

本申请的设计启发来自于长期以来客户的使用反馈，在上万数量的坩埚使用后，坩埚的寿命达到使用期限时，汇总出来，将近90％坩埚损坏都是从碗体部分开裂或者减薄造成的，主要是因为此碗体部分承受的应力最大，而且最容易和内侧的石英坩埚粘连，需要重点铲除和敲击清理。这是经年累月的经验得出来的，所以本申请对于坩埚行业有重大的现实意义，可以解决行业内的迫切需求。

由于采用了以上的技术方案，使得本发明具有如下的优点效果：

第一、本申请只需要更换局部易损件，不需要报废整个坩埚，既达到安全生产，又有节省材料降低费用的效果；

第二、本申请结构上少了托盘，材料成本低。

当然，实施本发明内容的任何一个具体实施例，并不一定同时具有以上全部的技术效果。

本案以碳碳或碳陶复合材料领域的坩埚举例说明，但是应该明白，本发明还可以用于碳碳或碳陶复合材料领域的其他制品比如托杆、托盘、坩埚等，同时本发明也可以用于非碳碳或碳陶复合材料领域的制品。

以上公开的仅仅是本发明的较佳实施例，但并非用来限制其本身，任何熟习本领域的技术人员在不违背本发明精神内涵的情况下，所做的均等变化和更动，均应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种纤维碗形预制体，其特征在于，所述纤维碗形预制体为一中空碗形体，所述纤维碗形预制体上端口的直径大于下端口的直径。

2.如权利要求1所述的一种纤维碗形预制体，其特征在于，所述纤维碗形预制体由纤维网胎和纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者是纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者是短纤维整体模塑成型；或者用连续纤维以碗体中心轴多层缠绕。

3.如权利要求2所述的一种纤维碗形预制体，其特征在于，所述纤维布或纤维网胎或短纤维或连续纤维的纤维为碳纤维、预氧丝、芳纶纤维、酚醛纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维其中一种或多种。

4.如权利要求2所述的一种纤维碗形预制体，其特征在于，所述纤维碗形预制体由纤维网胎和纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者是纤维布以碗体中心轴多层叠合；或者用连续纤维以碗体中心轴多层缠绕；在以上三种过程中每种预制体至少添加一层高体积密度的编织布。

5.一种碳碳碗体，其特征在于，所述碳碳碗体为一中空碗形体，所述碳碳碗体上端口的直径大于下端口的直径。

6.如权利要求5所述的一种碳碳碗体，其特征在于，采用权利要求1-4所述纤维碗形预制体制作的碳碳碗体。

7.如权利要求5所述的一种碳碳碗体，其特征在于，所述碳碳碗体可以是一体成型，或者是分体组合。

8.如权利要求5所述的碳碳碗体，其特征在于，所述碳碳碗体的上端面为平面、凸台或凹台其中的一种。

9.如权利要求5所述的碳碳碗体，其特征在于，所述碳碳碗体的下端面为平面、凸台或凹台其中的一种。

10.一种坩埚，包括权利要求5或6或7或8或9所述的碳碳碗体，其特征在于，所述坩埚还包括埚壁，所述埚壁和碳碳碗体为分开的部件，所述埚壁为一中空圆筒体，所述埚壁位于所述碳碳碗体上方。

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