[发明专利]CZ法硅单晶生长炉石英坩埚碳素护埚及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种CZ法硅单晶生长炉护埚及其制造工艺，尤其是涉及一种碳-碳复合材料 和高强石墨组合的CZ法硅单晶生长炉护埚及其制造工艺。

背景技术

半导体硅单晶，大约85％是采用直拉(Czochralski)法(简称CZ法)制造。CZ法硅单晶 生长过程为将多晶硅装入石英坩埚内，加热熔化，然后将熔硅略为降温，给予一定的过冷度 ，将一支特定晶向的硅单晶体(称做籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上 提升速度，使籽晶体放肩长大至目标直径时，调整提升速度，使单晶体以恒定直径生长。生 长过程接近完成时，，通过增加晶体的提升速度和调整对埚的供热量，使晶体直径渐渐减少 形成一个尾锥体，当锥尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。

整个拉制过程中热场稳定是很重要的，它直接决定拉晶成败。热场系统包括加热器、保 温材料和石英坩埚的护埚。拉晶过程中最重要的零件之一是坩埚的护埚，坩埚置于护埚内， 护埚的作用是保护装有硅熔液的石英坩埚。石英坩埚大约在1150℃时变软，而硅单晶生长的 最高温度达到1450℃，因此，石英坩埚最终只能紧贴护埚并由护埚支撑。

传统的护埚采用高纯石墨制成，并且是多瓣式。在使用过程中，石墨瓣容易变形，支托 作用逐步下降；石墨中的杂质会污染硅晶体；石墨脆性大，会发生微裂纹，影响导热系数， 导致生产过程不稳定；石墨护埚的壁厚，加热器的热量传导到石英坩埚的少，造成热损失， 响应速度较慢，增加了能耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性高、能耗较低、温度调节响应速度快、使用寿命长的 CZ法硅单晶生长炉石英坩埚碳素护埚其制造工艺。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明之CZ法硅单晶生长炉石英坩埚碳素护埚由埚帮和埚托组成，所述埚帮由碳纤维坯 体增强碳基体复合材料制成，碳纤维坯体增强相由二维碳纤维织物叠层或准三维针刺碳纤维 毡体构成，其重量不低于埚帮总重量的40％；所述碳基体由树脂碳和化学气相沉积碳组成， 其中化学气相沉积碳的含量不大于埚帮总重量的30％(优选不大于20％)；上埚帮和下埚帮 材料密度≥1.3g/cm³；埚帮内表面有碳化硅涂层，涂层厚度为8～100μm(优选10～20μm) ；埚托由高强高纯石墨经表面化学气相沉积碳制成，埚托材料密度≥1.7g/cm³，表面沉积碳 涂层厚度为10～100μm(优选15～20μm)。

所述埚帮可为一整体，优选方案是由上埚帮和下埚帮组合而成。

埚帮宜均匀分布有孔径为5～30mm(优选10～20mm)的通孔，孔壁表面有碳化硅涂层。

所述碳纤维优选聚丙烯腈(PAN)碳纤维。

所述树脂碳是指坯体浸渍热固性树脂后置于炭化炉中进行炭化形成的碳。

所述化学气相沉积碳是指坯体进行化学气相沉积形成的碳。

所述表面碳化硅涂层最好是原位生成的碳化硅绝缘层。

所述表面沉积碳涂层是指通过化学气相沉积法沉积到高纯石墨表面的沉积碳涂层。

本发明之CZ法硅单晶生长炉石英坩埚碳素护埚的优选制造工艺，包括以下步骤：(1) 将热固性树脂涂刷在二维碳纤维织物或三维针刺碳纤维毡体上，再一层一层缠绕在圆柱形模 具上，利用外力使坯体压实；(2)进行固化处理，固化时间为180～540分钟，固化温度为 150～340℃；固化之后的坯体带模具置于炭化炉中进行炭化处理，炭化时间20-30小时，炭 化温度600-700℃；再化学气相沉积进行增密，沉积时间为80～300小时，密度达到≥ 1.1g/cm³；(3)升温至≥1700℃，并保温1.0～2.5小时，进行高温处理后，脱模，再按设 计图要求进行钻孔和切断，形成上、下埚帮；再二次化学气相沉积增密，沉积时间为100～ 250小时后，对工件进行精整；(4)对埚帮的孔壁及埚帮内表面进行表面涂层，表面涂层的 配料及重量配比为：硅溶胶∶高纯硅粉∶石墨粉＝3∶1∶1，用毛刷将配制好的涂料涂刷于埚帮内 表面和孔壁，涂层的厚度控制在8～100μm；涂刷之后，在通风处晾3～5小时，再置于烘箱 内烘干，于140～200℃保温0.5～1.5小时；(5)将高强石墨按设计图要求机加工成埚托； (6)将上、下埚帮和埚托一起进行化学气相沉积，沉积时间为40～80小时，再升温至≥ 1750℃，并保温1.5～2.5小时，进行高温处理。