一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置的制作方法

本实用新型属于单晶硅炉用炭/炭坩埚材料制备技术领域，具体涉及一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置。

背景技术：

单晶硅拉制炉是直拉法(Czochralski法)生产单晶硅的装置，其工作原理是将多晶硅料置于石英坩埚和炭质坩埚组成的双层坩埚内，在惰性气体保护下加热至1400℃～1700℃使硅料熔融，在温度梯度场内在仔晶的牵引下晶粒不断长大形成单晶硅棒。炭/炭复合材料坩埚是单晶硅直拉炉中的核心热场部件之一，在硅单晶的制备过程中，炭/炭坩埚紧邻盛放硅料的石英坩埚以及其内部的硅料，炭/炭坩埚主要起到传递热量和支撑熔融硅料的作用。随着单晶硅直拉炉的不断升级扩大，为方便炭/炭坩埚的拆装料操作，炭/炭坩埚由之前的全整体坩埚优化为带底孔坩埚，随着坩埚结构类型的变化，早期的炭/炭需致密炭/炭坩埚预制体CVI致密技术便存在一些列劣势，不适宜快速均匀化致密。

授权公告号为CN 100432023 C的中国专利公开了单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的制备方法，采用炭/炭坩埚来替代石墨坩埚。授权公告号为CN 101319353 B的中国专利公开了炭/炭复合材料坩埚及生产工艺，其提出了一种炭/炭复合材料坩埚，该坩埚由炭纤维经制坯、增密、纯化、机加工制成。上述两个发明专利均未对CVI致密过程中所用的装置进行描述，且存在装炉量少、设备产能低、生产效率低、进气方式受限、气体流量小、沉积效果差且所生产坩埚横纵向上下密度差很大、增重小、致密效率低等缺陷和不足。

授权公告号为CN 102433543 B的中国专利公开了一种多沉积室CVI致密炭/炭坩埚的装置及方法，该装置难以保证每个沉积室内部直径方向上的气体均匀性，炭/炭坩埚坯体的内部难以进气，并且未对前驱碳源气体进行保温处理，同时也难以实现整体吊装。

授权公告号为CN 203461974 U的中国专利公开了一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，该装置底部进气管出来的碳源气体很难均匀分配到沉积室不同坩埚坯体内部，导致CVI致密不均匀性。同时由于底部吊装架和支架间的硬性接触很难保证气体的密封性，且该装置采用了大量的水平隔板、封气板、导气管等石墨辅助工装，增加了装料及出料难度，不利于操作。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其结构设计合理、使用操作简便，通过在底板上设置石墨圆筒形成竖向沉积通道用于对炭/炭坩埚预制体进行致密加工，能有效提高需致密炭/炭坩埚预制体的致密均匀性及致密效率，同时还能大幅提高碳源气体的利用率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，包括由炉外罐和炉内罐组成的化学气相沉积炉、水平安装在炉内罐底部的底板以及密封安装在炉内罐上部的炉盖，所述炉盖的中部开设有出气口，其特征在于：所述底板上设置有至少一个用于形成竖向沉积通道的石墨圆筒，所述石墨圆筒与底板相互垂直，每个所述石墨圆筒内均设置有一个进气管，所述进气管由下至上穿过底板后插入至石墨圆筒内部，所述石墨圆筒内由下至上设置有多个倒扣在一起的需致密炭/炭坩埚预制体，多个需致密炭/炭坩埚预制体布设在同一竖直线上，位于最下面的一个需致密炭/炭坩埚预制体倒扣在底板上，每个需致密炭/炭坩埚预制体的进气口均设置有导流板，所述导流板与底板相互平行。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述进气管插入至石墨圆筒内部的长度小于导流板与底板之间的垂直距离。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述进气管呈竖向布设，所述石墨圆筒以及位于其内部的需致密炭/炭坩埚预制体、导流板和进气管均布设在同一竖直线上。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述导流板通过多个支撑块固定在底板上、或所述导流板通过多个支撑块固定在位于其下部的一个需致密炭/炭坩埚预制体上。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述支撑块的高度为30mm～100mm，所述进气管插入至石墨圆筒内部的长度小于支撑块的高度。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述底板的底部安装有吊装架，所述底板和吊装架上均开设有至少一个供进气管穿过的通孔。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述底板为圆板，所述吊装架包括设置在炉内罐底部的圆形底座和多个设置在圆形底座上的吊杆，所述圆形底座与炉内罐呈同轴布设且其侧壁与炉内罐的内壁之间的缝隙宽度为100mm～300mm。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述石墨圆筒的内壁与需致密炭/炭坩埚预制体的外壁之间的缝隙宽度为10mm～100mm，所述导流板为圆板且其侧壁与炭/炭坩埚预制体内壁之间的缝隙宽度为10mm～100mm。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述底板的厚度为30mm～80mm。

上述的一种自封气快速均匀化CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述石墨圆筒内位于最下面的一个需致密炭/炭坩埚预制体与底板之间设置有石墨垫块。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型通过在底板上设置石墨圆筒形成单独的竖向沉积通道，同时一个竖向沉积通道对应单独的进气管，能够保证碳源气体的进气及再利用；每个竖向沉积通道均引入一单独的进气气路，排除了由于吊装入炉内罐过程中需致密炭/炭坩埚预制体的位置变化、沉积过程中气体流场改变造成的同一沉积通道内部不同产品的致密不均匀性，彻底保证了每个竖向沉积通道内气体流量分布的均匀性，提高了致密效率。

2、本实用新型通过在底板上设置至少一个石墨圆筒形成至少一个竖向沉积通道，每个竖向沉积通道均对应一个进气管，能实现同一个炉内罐内不同沉积通道内碳源气体的差异化管控，确保不同产品对致密性的需求，在实现快速CVI致密的同时还能大幅提高碳源气体的利用率。

3、本实用新型通过在石墨圆筒内由下至上设置多个需致密炭/炭坩埚预制体，并将多个需致密炭/炭坩埚预制体布设在同一竖直线上，使得每一个需致密炭/炭坩埚预制体都能构成一个单独的沉积室，位于石墨圆筒下面的沉积室内的反应剩余气体能够导入至其上部的一个沉积室内，以增大气体利用率。

综上，本实用新型结构设计合理、使用操作简便，通过在底板上设置石墨圆筒形成竖向沉积通道用于对炭/炭坩埚预制体进行致密加工，能有效提高需致密炭/炭坩埚预制体的致密均匀性及致密效率，同时还能大幅提高碳源气体的利用率。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图标记说明:

1—进气管； 2—炉内罐； 3—底板；

4-1—圆形底座； 4-2—吊杆； 5—石墨垫块；

6—石墨圆筒； 7—导流板； 8—支撑块；

9—炭/炭坩埚预制体； 10—炉盖； 10-1—出气口。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括由炉外罐和炉内罐2组成的化学气相沉积炉、水平安装在炉内罐2底部的底板3以及密封安装在炉内罐2上部的炉盖10，所述炉盖10的中部开设有出气口10-1，其特征在于：所述底板3上设置有至少一个用于形成竖向沉积通道的石墨圆筒6，所述石墨圆筒6与底板3相互垂直，每个所述石墨圆筒6内均设置有一个进气管1，所述进气管1由下至上穿过底板3后插入至石墨圆筒6内部，所述石墨圆筒6内由下至上设置有多个倒扣在一起的需致密炭/炭坩埚预制体9，多个需致密炭/炭坩埚预制体9布设在同一竖直线上，位于最下面的一个需致密炭/炭坩埚预制体9倒扣在底板3上，每个需致密炭/炭坩埚预制体9的进气口均设置有导流板7，所述导流板7与底板3相互平行。

实际使用时，通过在底板3上设置石墨圆筒6形成单独的竖向沉积通道，同时一个竖向沉积通道对应单独的进气管1，能够保证碳源气体的进气及再利用；每个竖向沉积通道均引入一单独的进气气路，排除了由于吊装进炉内罐2过程中需致密炭/炭坩埚预制体9的位置变化、沉积过程中气体流场改变造成的同一沉积通道内部不同产品的致密不均匀性，彻底保证了每个竖向沉积通道内气体流量分布的均匀性，提高了致密效率。

需要说明的是，所述石墨圆筒6的数量为多个，通过多个石墨圆筒6形成多个竖向沉积通道，每个竖向沉积通道均对应一个进气管1，能实现同一个炉内罐2内不同沉积通道内碳源气体的差异化管控，确保不同产品对致密性的需求，在实现快速CVI致密的同时还能大幅提高碳源气体的利用率。

本实施例中，通过在石墨圆筒6内由下至上设置多个需致密炭/炭坩埚预制体9，并将多个需致密炭/炭坩埚预制体9布设在同一竖直线上，使得每一个需致密炭/炭坩埚预制体9都能构成一个单独的沉积室，位于石墨圆筒6下面的沉积室内的反应剩余气体能够导入至其上部的一个沉积室内，以增大气体利用率。

特别的，每个沉积室内均设置有一个导流板7，在导流板7和炭/炭坩埚预制体9底部之间形成一导流通道，保证下一层炭/炭坩埚预制体9内部的碳源气体顺利导流进入上层炭/炭坩埚预制体9内部；采用导流板7将沉积室内来自底部的碳源气体分流到上部需致密炭/炭坩埚预制体9的顶部开口处，气体沿需致密炭/炭坩埚预制体9内壁扩散渗透后再继续进入再上层需致密炭/炭坩埚预制体9中，从而避免了同一炭/炭坩埚预制体9底部和顶部的致密差，保证了同一炭/炭坩埚预制体9内部的致密均匀性。

实际加工制作时，炉內罐2为耐热钢内罐，所述进气管1由耐热钢管、石墨材料或炭/炭复合材料加工制作而成；所述石墨圆筒6由多个布设在同一直线上的圆筒节段叠加拼接而成，每个所述圆筒节段均采用电极石墨加工而成，所述石墨圆筒6的壁厚为5mm～15mm。

本实施例中，所述石墨圆筒6的数量优选的为四个，即所述竖向沉积通道的数量为四个，四个所述石墨圆筒6均匀设置在底板3上，每个竖向沉积通道中均设置有7个需致密炭/炭坩埚预制体9，形成7个单独的沉积室。

本实施例中，所述进气管1插入至石墨圆筒6内部的长度小于导流板7与底板3之间的垂直距离。

实际使用时，所述进气管1的上端位于最下面的一个所述导流板7的下方，能够使碳源气体从进气管1进入到下部的一个需致密炭/炭坩埚预制体9内后，经导流板7的导流分流后，能够顺利进入上部的需致密炭/炭坩埚预制体9内部。

本实施例中，所述进气管1呈竖向布设，所述石墨圆筒6以及位于其内部的需致密炭/炭坩埚预制体9、导流板7和进气管1均布设在同一竖直线上。

实际使用时，所述炭/炭坩埚预制体9的横断面为圆形，所述进气管1为圆管，所述石墨圆筒6以及位于其内部的需致密炭/炭坩埚预制体9、导流板7和进气管1的中轴线相互重合，以达到均匀分气的效果。

本实施例中，所述导流板7通过多个支撑块8固定在底板3上、或所述导流板7通过多个支撑块8固定在位于其下部的一个需致密炭/炭坩埚预制体9上。

实际使用时，所述导流板7由石墨或炭/炭材料加工制作而成，导流板7的厚度为10mm～30mm，位于一个竖向沉积通道内最下面的一个导流板7通过多个支撑块8固定在底板3上，位于一个竖向沉积通道内其它的导流板7通过多个支撑块8固定在位于其下部的一个需致密炭/炭坩埚预制体9上。

需要说明的是，所述支撑块8的数量为3块～5块，优选的为3块，在对导流板7进行稳定支撑的同时，还能够保证碳源气体的顺利流通。

本实施例中，所述支撑块8的高度为30mm～100mm，所述进气管1插入至石墨圆筒6内部的长度小于支撑块8的高度。

实际使用时，所述支撑块8的高度即导流板7与底板3之间的垂直距离。

本实施例中，所述底板3的底部安装有吊装架，所述底板3和吊装架上均开设有至少一个供进气管1穿过的通孔。

实际使用时，通过在底板3的底部安装有吊装架，结构简单、设计合理，产品及工装的组装方便且使用操作简便、使用效果好，可通过吊装架将所有需致密炭/炭坩埚预制体9连同底板3和石墨圆筒6整体吊装出入炉内罐2。

需要说明的是，所述吊装架4为耐热钢架。

本实施例中，所述底板3为圆板，所述吊装架包括设置在炉内罐2底部的圆形底座4-1和多个设置在圆形底座4-1上的吊杆4-2，所述圆形底座4-1与炉内罐2呈同轴布设且其侧壁与炉内罐2的内壁之间的缝隙宽度为100mm～300mm。

实际使用时，通过在圆形底座4-1与炉内罐2的内壁之间设置有缝隙，即使圆形底座4-1的直径小于炉内罐2的内径，便于吊装架4的安装和拆卸。

本实施例中，所述石墨圆筒6的内壁与需致密炭/炭坩埚预制体9的外壁之间的缝隙宽度为10mm～100mm，所述导流板7为圆板且其侧壁与炭/炭坩埚预制体9内壁之间的缝隙宽度为10mm～100mm。

实际使用时，通过在石墨圆筒6的内壁与需致密炭/炭坩埚预制体9的外壁之间、以及导流板7的侧壁与炭/炭坩埚预制体9内壁之间均设置有缝隙，能够保证碳源气体的流通，提高炭/炭坩埚预制体9的致密效果。

本实施例中，所述底板3的厚度为30mm～80mm。

本实施例中，所述石墨圆筒6内位于最下面的一个需致密炭/炭坩埚预制体9与底板3之间设置有石墨垫块5。

实际使用时，所述石墨垫块5的数量为5块～10块。

本实用新型实际使用时，碳源气体经炉底进气管1进入每个竖向沉积通道的最底层的需致密炭/炭坩埚预制体9内，经导流板7分流后，沿需致密炭/炭坩埚预制体9的内壁扩散或渗透，并沿需致密炭/炭坩埚预制体9的小口进入上一层需致密炭/炭坩埚预制体9中分流再扩散、渗透进行循环致密；渗透至需致密炭/炭坩埚预制体9外部的气体沿石墨圆筒6和需致密炭/炭坩埚预制体9外壁之间的间隙扩散渗透进行自下而上的致密，从而提高了碳源气体的利用率。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。