[实用新型]一种炭/炭复合材料坩埚

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种炭/炭复合材料坩埚，特别是一种单晶硅炉用炭/炭复合材料坩埚。

背景技术

直拉法制备单晶硅是一种十分成熟的工艺，其特点是通过电阻加热的方式直接加热炭/炭坩埚，通过热传导，将炭/炭坩埚内部石英坩埚中的硅粉融化成液态，控制合适的温度，让提拉机下方的定向籽晶粒与硅溶液接触，在提拉机的旋转和向上牵引作用下，具有一定规则序列的单晶硅棒便从溶液中生长出来。

目前炭/炭复合材料坩埚首先取代了传统的等静压石墨坩埚，原因是：1.石墨坩埚强度低，在拉晶过程中中一方面要承受受石英坩埚和熔硅重力的挤压，另一方面要克服旋转作用对坩埚的磨损和机械冲击，影响坩埚寿命；2.在拉晶过程中，Si蒸汽及挥发的SiO与石墨坩埚表面反应，使得坩埚表面变脆，粉化，同样降低了坩埚的使用寿命。

炭/炭复合材料坩埚，采用碳纤维编织体做骨架，通过化学气相沉积工艺，使基体炭渗透和沉积到纤维预制体的空隙当中，形成一种类似钢筋混净土结构，大大提高了坩埚的强度，据测试炭/炭复合材料坩埚的强度约是石墨坩埚强度的10倍。此外碳纤维较难与硅蒸汽反应，提高了炭炭复合材料坩埚的耐腐蚀性能，从而提高了坩埚的寿命。由于炭/炭复合材料的热膨胀系数小，抗热震性好，在极热极冷的环境中，不易开裂，较石墨材料寿命较长提高了3-5倍，在很大程度上降低了单晶硅的生产成本。

虽然炭/炭复合材料坩埚的稳定性和寿命明显优于等静压石墨坩埚，但是炭/炭复合材料表面的热解碳会与Si蒸汽或SiO反应，生成碳化硅，由于碳纤维较稳定，不与Si反应，会阻止Si向材料内部扩散，所以在炭/炭复合材料的表面生成不均匀的碳化硅，同时一定量的Si蒸汽沉积在材料表面，这种条件下生成的碳化硅，无论是强度、黏度都比较差，冷却后，很小的摩擦力就导致其脱落，这样材料表面便出现了不连续的被腐蚀的小坑，凸出的碳纤维会在一次次的使用过程中被逐渐磨平，这种现象反复进行，直到无法使用更换新的坩埚。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种强度更高、使用寿命更长的炭/炭复合材料坩埚。

本实用新型采用的技术方案：

一种炭/炭复合材料坩埚，其包括由炭/炭复合材料制成的坩埚本体、均匀涂布在所述坩埚本体外表面的碳化硅外涂层以及均匀涂布在所述坩埚本体内表面的碳化硅内涂层。

所述碳化硅外涂层和碳化硅内涂层的厚度为0.1-1.5mm，显微硬度>30000MPa。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用化学反应法，在高温烧结炉内，以二氧化硅和金属硅为原料，控制二者的质量比，在一定的温度条件下，在载气的保护下，在炭/炭复合材料坩埚的表面生成一层均匀的碳化硅涂层，经高温处理，提高了碳化硅涂层的纯度和强度，该涂层的制备避免了坩埚在单晶硅内的腐蚀现象，提高了坩埚的强度和使用寿命。

本实用新型中碳化硅涂层的制备中涉及的具体反应式为：

Si+SiO₂                                                  2SiO 

SiO₂   2SiO +O           

2C+SiO  2SiC+CO,

Si+C  SiC。

碳化硅热导率高，热膨胀系数低，抗热震性能好，用碳化硅制成的涂层与炭/炭复合材料坩埚本体具有较好的相容性，在1700℃高温下，性能稳定，碳化硅内外涂层的使用，使得本实用新型炭/炭复合材料坩埚的寿命较没有碳化硅涂层的坩埚提高了20％。

碳化硅内涂层和碳化硅外涂层的厚度在0.1-1.5mm，强度很高，显微硬度在30000MPa以上，能够大幅度提高炭/炭复合材料表面的耐磨损强度，防止了单晶硅炉内SiO蒸汽以及挥发的O原子对坩埚表面的腐蚀，提高材料的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

在附图中：1坩埚本体、2 碳化硅外涂层、3 碳化硅内涂层。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括由炭/炭复合材料制成的坩埚本体1、均匀涂布在所述坩埚本体1外表面的碳化硅外涂层2以及均匀涂布在所述坩埚本体1内表面的碳化硅内涂层3。本实施例中碳化硅外涂层2和碳化硅内涂层3的厚度均为0.5mm，显微硬度>30000MPa。碳化硅热导率高，热膨胀系数低，抗热震性能好，用碳化硅制成的涂层与炭/炭复合材料坩埚本体具有较好的相容性，在1700℃高温下，性能稳定，碳化硅内外涂层的使用，使得本实用新型炭/炭复合材料坩埚的寿命较没有碳化硅涂层的坩埚提高了20％。碳化硅内涂层和碳化硅外涂层的厚度在0.1-1.5mm，强度很高，显微硬度在30000MPa以上，能够大幅度提高炭/炭复合材料表面的耐磨损强度，防止了单晶硅炉内SiO蒸汽以及挥发的O原子对坩埚表面的腐蚀，提高材料的使用寿命。