CN203461974U - 一种均匀化快速cvi致密炭/炭坩埚的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种均匀化快速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，还包括底板、炉盖和多层由下至上布设的水平隔板，位于最顶层的水平隔板上方设置有一个封气板，上下相邻两层水平隔板之间、封气板与位于最顶层的水平隔板之间以及底板与位于最底层的水平隔板之间均形成一个沉积室；位于顶部沉积室下方的各沉积室内侧中部均安装有一个竖向进气管节，多个竖向进气管节由上至下布设在炉内罐的中心轴线上；底板中部和顶层水平隔板下方的各水平隔板中部均开有竖向通孔。本实用新型结构简单、设计合理且装炉简单、使用操作简便、使用效果好，能有效提高所制备产品的致密均匀性及装炉量，并能缩短制备周期。
Description
技术领域
本实用新型属于单晶硅炉用炭/炭坩埚材料制备技术领域，尤其是涉及一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置。
背景技术
单晶硅炉拉制单晶硅棒时，盛装多晶硅块等原料的石英坩埚放入位于埚底之上的石墨坩埚内，在真空中加热熔化，调控到工艺温度后，籽晶经导流筒插入熔融多晶硅液中，籽晶与石墨坩埚作逆向旋转并向上提升，使多晶硅液按籽晶的硅原子排列顺序结晶凝固成单晶硅棒。在单晶硅棒拉制过程中，炉内温度为1460℃～1600℃，此时石英坩埚变软，要靠外面的石墨坩埚承托。石墨坩埚在高温环境中使用，要承托石英坩埚及原材料的质量，并处于旋转状态。因石墨材料的力学性能偏低，在外力的作用下容易开裂，其使用寿命短。
2007年02月07日公开的专利号为ZL200610043186.4，名称为“单晶硅拉制炉用热场炭/炭坩埚的制备方法”的专利申请文件中公开了一种炭/炭坩埚的制备方法，用以替代石墨坩埚。2008年12月10日公开的专利号为ZL200810031364.0，名称为“炭/炭复合材料坩埚及生产工艺”的专利申请文件中公开了一种炭/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。上述两个发明专利申请文件中所公开的炭/炭坩埚制备工艺中均未对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。
2012年05月02日公开的专利号为201110433814.0，名称为“一种多沉积室CVI致密炭/炭坩埚的装置及方法”的专利申请文件中公开了一种多沉积室CVI致密炭/炭坩埚的装置，但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。
实用新型内容
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，提供一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其结构简单、设计合理、装炉简单且使用操作简便、使用效果好，能有效提高所制备产品的致密均匀性及装炉量，并能缩短制备周期。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种均匀化快速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，其特征在于：还包括水平安装在炉内罐底部的底板、密封安装在炉内罐上部的炉盖和多层由下至上布设在炉内罐内的水平隔板，多层所述水平隔板布设于底板与水平隔板之间，位于最顶层的水平隔板上方设置有一个呈水平向的封气板，上下相邻两层所述水平隔板之间、封气板与位于最顶层的水平隔板之间以及所述底板与位于最底层的水平隔板之间均通过多个呈竖直向布设的石墨支撑柱进行分隔，所述水平隔板和底板均为石墨隔板；上下相邻两层所述水平隔板之间、封气板与位于最顶层的水平隔板之间以及所述底板与位于最底层的水平隔板之间均形成一个独立的沉积室，所述沉积室的数量为多个，多个所述沉积室由上至下进行布设且所述沉积室的数量为N+1个，其中N为所述水平隔板的数量；多个所述沉积室的内部高度均大于需致密炭/炭坩埚坯体的竖向高度；多个所述沉积室中位于顶部的沉积室为顶部沉积室，位于所述顶部沉积室下方的各沉积室的内侧中部均安装有一个竖向进气管节，每个所述竖向进气管节上均开有向所处沉积室内通入碳源气体的出气孔；所述竖向进气管节的数量为多个，多个所述竖向进气管节由上至下布设在炉内罐的中心轴线上；位于最顶层的水平隔板为顶层隔板，所述底板中部和位于所述顶层隔板下方的各水平隔板中部均开有一个将上下相邻两个所述竖向进气管节进行连通的竖向通孔；多个所述竖向进气管节中位于底部的竖向进气管节为底部管节，所述底部管节安装在底板中部，所述炉内罐底部安装有底部进气管，所述底部进气管由下至上插入所述底部管节内；所述炉盖的中部开有出气口。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述顶部沉积室的内侧中部安装有一个所述竖向进气管节，所述顶层隔板中部开有一个所述竖向通孔。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述炉内罐内所安装的所有竖向进气管节连接为一体并形成布设于炉内罐内侧中部的竖向进气管，所述竖向通孔为供竖向进气管安装的安装孔。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：多个所述沉积室的竖向高度均相同，多个所述竖向进气管节中位于顶部的竖向进气管节为顶部管节，所述顶部管节的高度小于所述沉积室的竖向高度，所述顶部管节上所开的出气孔为所述顶部管节的上部端口；多个所述竖向进气管节中位于所述顶部管节下方的竖向进气管节上所开的出气孔均布设在所述竖向进气管节的侧壁上。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述竖向进气管节和底部进气管的外侧均包裹有一层保温层。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述底板和水平隔板上均设置有多个分别供需致密炭/炭坩埚预制体水平放置的石墨垫环。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述底板的底部安装有吊装架，所述炉内罐的内侧底部设置有供吊装架水平放置的石墨环或支架。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述底板和水平隔板上均开有多个进气孔，多个所述进气孔分别布设于多个所述石墨垫环的中部。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述底板、多层所述水平隔板和封气板均与炉内罐呈同轴布设；所述底部进气管呈竖直向布设，所述炉内罐底部开有供底部进气管安装的安装孔。
上述一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征是：所述炉内罐为耐热钢内罐；所述底板和水平隔板与炉内罐的内侧壁之间所留出气缝隙的宽度为100mm～300mm，所述底板和水平隔板的厚度均为30mm～80mm；所述石墨支撑柱的直径为100mm～300mm且其高度为400mm～700mm。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、结构简单、设计合理、组装方便且使用操作简便、使用效果好，可通过吊装将所有需致密炭/炭坩埚坯体连同底板和石墨隔板整体吊装出入炉内罐。
2、竖向进气管与底部进气管上均设置有保温层，从而能对前驱碳源气体进行有效保温，减少了前驱碳源气体在进气管内的无效反应量。同时，实现单路多沉积室进气及利用，将下一个沉积室内的反应剩余气体及竖向进气管所排出经过预热的新鲜气体进行混合，导入需致密炭/炭坩埚坯体内部，以增大气体利用率。并且，能实现碳源气体的均匀化，下一个沉积室内反应剩余气体的再利用及竖向进气管在炉内罐中部的布设位置均提高了碳源气体的均匀化。碳源气体的流场分布合理，将碳源气体先导入需致密炭/炭坩埚坯体内部，进行坯体内部反应渗透或沿需致密炭/炭坩埚坯体内内壁流出外侧，增大了碳源气体的路径，减少了气体滞留，并且提高了碳源气体的有效利用率。
3、将碳源气体分别引入多个沉积室中，能有效确保需致密炭/炭坩埚坯体的内外壁及上下部位都可接触到新鲜的碳源气体，提高了CVI致密效率和横、纵向坩埚坯体密度的均匀性。
4、采用多沉积室内分别布设碳源气体竖向进气管管节，因而碳源气体的流量大，能有效确保CVI致密工艺有足够的碳源气体，一炉炭/炭坩埚产品总增重可达到50kg～700kg热解炭，能实现快速CVI致密。
5、实用价值高且生产效率高、装炉量大，由于在每个沉积室内均通入经过保温的新鲜碳源气体，且由于石墨隔板能沿中心轴线方向进行传热，因而能有效确保沉积炉内上、下、左和右四侧的每个需致密炭/炭坩埚坯体的温度、密度都均匀一致，沉积效率高且设备产能大。
6、适用范围广，不仅适用于单晶硅炉或其他设备用炭/炭复合材料坩埚的生产，同时适用于其他炭/炭复合材料、炭/陶复合材料的致密及涂层处理。
综上所述，本实用新型结构简单、设计合理且装炉简单、使用操作简便、使用效果好，能有效提高所制备产品的致密均匀性及装炉量，并能缩短制备周期。
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为本实用新型的使用状态参考图。
附图标记说明:
1—炉内罐； 2—底板； 3—炉盖；
4—水平隔板； 5—石墨支撑柱； 6—竖向进气管；
7—底部进气管； 8—封气板；
9—需致密炭/炭坩埚坯体； 10—出气口； 11—石墨垫环；
12—吊装架； 13—支架； 14—封气环。
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1组成的化学气相沉积炉，还包括水平安装在炉内罐1底部的底板2、密封安装在炉内罐1上部的炉盖3和多层由下至上布设在炉内罐1内的水平隔板4，多层所述水平隔板4布设于底板2与水平隔板4之间，位于最顶层的水平隔板4上方设置有一个呈水平向的封气板8，上下相邻两层所述水平隔板4之间、封气板8与位于最顶层的水平隔板4之间以及所述底板2与位于最底层的水平隔板4之间均通过多个呈竖直向布设的石墨支撑柱5进行分隔，所述水平隔板4和底板2均为石墨隔板。上下相邻两层所述水平隔板4之间、封气板8与位于最顶层的水平隔板4之间以及所述底板2与位于最底层的水平隔板4之间均形成一个独立的沉积室，所述沉积室的数量为多个，多个所述沉积室由上至下进行布设且所述沉积室的数量为N+1个，其中N为所述水平隔板4的数量。多个所述沉积室的内部高度均大于需致密炭/炭坩埚坯体9的竖向高度。多个所述沉积室中位于顶部的沉积室为顶部沉积室，位于所述顶部沉积室下方的各沉积室的内侧中部均安装有一个竖向进气管节，每个所述竖向进气管节上均开有向所处沉积室内通入碳源气体的出气孔。所述竖向进气管节的数量为多个，多个所述竖向进气管节由上至下布设在炉内罐1的中心轴线上。位于最顶层的水平隔板4为顶层隔板，所述底板2中部和位于所述顶层隔板下方的各水平隔板4中部均开有一个将上下相邻两个所述竖向进气管节进行连通的竖向通孔。多个所述竖向进气管节中位于底部的竖向进气管节为底部管节，所述底部管节安装在底板2中部，所述炉内罐1底部安装有底部进气管7，所述底部进气管7由下至上插入所述底部管节内；所述炉盖3的中部开有出气口10。
本实施例中，所述炉内罐1内所安装的所有竖向进气管节连接为一体并形成布设于炉内罐1内侧中部的竖向进气管6，所述竖向通孔为供竖向进气管6安装的安装孔。
实际安装时，所述竖向进气管6与其所安装的底板2和水平隔板4之间均为密封连接。所述竖向进气管6底部固定在底板2上。
本实施例中，所述顶部沉积室的内侧中部未安装所述竖向进气管节。
实际使用时，也可以在所述顶部沉积室的内侧中部安装一个所述竖向进气管节，并且所述顶层隔板中部开有一个所述竖向通孔。
本实施例中，多个所述沉积室的竖向高度均相同，多个所述竖向进气管节中位于顶部的竖向进气管节为顶部管节，所述顶部管节的高度小于所述沉积室的竖向高度，所述顶部管节上所开的出气孔为所述顶部管节的上部端口。多个所述竖向进气管节中位于所述顶部管节下方的竖向进气管节上所开的出气孔均布设在所述竖向进气管节的侧壁上。
本实施例中，所述竖向进气管节和底部进气管7的外侧均包裹有一层保温层。
实际加工制作时，所述竖向进气管6和底部进气管7均由耐高温钢管、石墨电极材料或炭/炭复合材料加工而成，所述竖向进气管6和底部进气管7外侧均包裹陶瓷纤维毡、炭毡等保温材料作为保温层，这样能对前驱碳源气体起到保温作用，减少前驱碳源气体在竖向进气管6和底部进气管7内的无效反应量。本实施例中，所述顶部管节的高度比所述沉积室的竖向高度小于50mm～650mm。多个所述竖向进气管节中位于所述顶部管节下方的竖向进气管节上所开出气孔的数量为两个且两个所述出气孔呈均匀布设。实际使用时，可以根据各沉积室内所装需致密炭/炭坩埚坯体9的总重量对各竖向进气管节上所开出气孔的数量进行相应调整，从而实现多沉积室单路进气的目的，并能有效保证进气的均匀性。
实际布设安装时，多个所述石墨支撑柱5沿底板2或水平隔板4的外边缘进行布设。本实施例中，多个所述石墨支撑柱5沿圆周方向进行均匀布设。
所述炉外罐的内壁上布设有陶瓷纤维炉衬，所述化学气相沉积炉的加热装置布设在所述陶瓷纤维炉衬的内侧。同时，还设置有与所述炉外罐内部相通的真空管路一、与炉内罐1内部相通的真空管路二、布设在所述炉外罐内部且对所述炉外罐内部温度进行实时检测的温度检测单元和与所述温度检测单元进行电连接的控制柜，所述真空管路一和真空管路二的外端部均与抽真空设备相接，且底部进气管7与所述炉外罐和炉内罐1之间均进行密封连接，所述陶瓷纤维炉衬的结构和尺寸与所述炉外罐内型面的结构和尺寸均相同。
本实施例中，所述底板2和水平隔板4上均设置有多个分别供需致密炭/炭坩埚预制体9水平放置的石墨垫环11。
实际布设安装时，多个所述石墨垫环11呈均匀布设。
实际使用时，所述沉积室的数量为3个～8个。所述底板2和水平隔板4上所设置石墨垫环11的数量均为3个～8个。
本实施例中，所述沉积室的数量为5个，5个所述沉积室由下至下依次进行布设。实际使用时，也可以根据具体需要，对所述沉积室的数量进行相应调整。
实际安装时，所述底板2、多层所述水平隔板4和封气板8均与炉内罐1呈同轴布设。
本实施例中，所述底板2的底部安装有吊装架12，所述炉内罐1的内侧底部设置有供吊装架12水平放置的石墨环或支架13。并且，所述吊装架12与炉内罐1呈同轴布设。
本实施例中，所述底板2和水平隔板4与炉内罐1的内侧壁之间均通过设置有封气环14，所述底板2和水平隔板4与炉内罐1的内侧壁之间均留有出气缝隙。
本实施例中，所述底板2和水平隔板4上均开有多个进气孔，多个所述进气孔分别布设于多个所述石墨垫环11的中部。
实际使用过程中，通过多个所述进气孔能将下方沉积室内反应剩余碳源气体与通过竖向进气管6排出的新鲜碳源气体进入需致密炭/炭坩埚预制体9内部，以增大碳源气体的利用率。
本实施例中，所述底部进气管7呈竖直向布设，所述炉内罐1底部开有供底部进气管7安装的安装孔。
实际加工制作时，所述炉内罐1为耐热钢内罐。所述底板2和水平隔板4与炉内罐1的内侧壁之间所留出气缝隙的宽度为100mm～300mm，所述底板2和水平隔板4的厚度均为30mm～80mm。所述石墨支撑柱5的直径为100mm～300mm且其高度为400mm～700mm。所述吊装架12为耐高温钢材质且其与炉内罐1内侧壁之间所留缝隙的宽度为20mm～100mm，并且所述吊装架12上均匀布设有多个进气孔。所述封气板8的厚度为5mm～20mm，封气环14的厚度为0.5mm～20mm，所述封气板8和封气环14均由炭/炭复合材料或石墨电极材料制成。所述封气环14上预留有多个吊装孔。所述石墨垫块11由石墨电极材料加工而成且其厚度为30mm～60mm。
具体加工时，可根据实际需要，对底板2和水平隔板4与炉内罐1之间所留出气缝隙的宽度、炉内罐1的高度与内径以及封气板8、底板2和水平隔板4的直径和厚度进行相应调整。本实施例中，所述耐热钢内罐由厚度为12mm～30mm的1Cr25Ni20Si2钢板制成。
实际使用时，将需致密炭/炭坩埚预制体9逐个倒扣在置于底板2和水平隔板4上多个石墨垫块11上，每个沉积室内放置多个需致密炭/炭坩埚预制体9。每个沉积室内的碳源气体主要为由位于下一个沉积室内的竖向进气管节排出的经保温处理的新鲜气体和与其相邻的下一个沉积室内反应剩余气体在下一个沉积室内所放置需致密炭/炭坩埚预制体9的上部进行混合的混合气体，且混合气体经过该沉积室下部的水平隔板4上所开的多个进气孔，进入该沉积室内的各需致密炭/炭坩埚预制体9内部进行进行渗透或流出需致密炭/炭坩埚预制体9外侧，如此循环，保证了碳源气体的最大利用效率。
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。
Claims (10)
1.一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，包括由炉外罐和炉内罐（1）组成的化学气相沉积炉，其特征在于：还包括水平安装在炉内罐（1）底部的底板（2）、密封安装在炉内罐（1）上部的炉盖（3）和多层由下至上布设在炉内罐（1）内的水平隔板（4），多层所述水平隔板（4）布设于底板（2）与水平隔板（4）之间，位于最顶层的水平隔板（4）上方设置有一个呈水平向的封气板（8），上下相邻两层所述水平隔板（4）之间、封气板（8）与位于最顶层的水平隔板（4）之间以及所述底板（2）与位于最底层的水平隔板（4）之间均通过多个呈竖直向布设的石墨支撑柱（5）进行分隔，所述水平隔板（4）和底板（2）均为石墨隔板；上下相邻两层所述水平隔板（4）之间、封气板（8）与位于最顶层的水平隔板（4）之间以及所述底板（2）与位于最底层的水平隔板（4）之间均形成一个独立的沉积室，所述沉积室的数量为多个，多个所述沉积室由上至下进行布设且所述沉积室的数量为N+1个，其中N为所述水平隔板（4）的数量；多个所述沉积室的内部高度均大于需致密炭/炭坩埚坯体（9）的竖向高度；多个所述沉积室中位于顶部的沉积室为顶部沉积室，位于所述顶部沉积室下方的各沉积室的内侧中部均安装有一个竖向进气管节，每个所述竖向进气管节上均开有向所处沉积室内通入碳源气体的出气孔；所述竖向进气管节的数量为多个，多个所述竖向进气管节由上至下布设在炉内罐（1）的中心轴线上；位于最顶层的水平隔板（4）为顶层隔板，所述底板（2）中部和位于所述顶层隔板下方的各水平隔板（4）中部均开有一个将上下相邻两个所述竖向进气管节进行连通的竖向通孔；多个所述竖向进气管节中位于底部的竖向进气管节为底部管节，所述底部管节安装在底板（2）中部，所述炉内罐（1）底部安装有底部进气管（7），所述底部进气管（7）由下至上插入所述底部管节内；所述炉盖（3）的中部开有出气口（10）。
2.按照权利要求1所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述顶部沉积室的内侧中部安装有一个所述竖向进气管节，所述顶层隔板中部开有一个所述竖向通孔。
3.按照权利要求1或2所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述炉内罐（1）内所安装的所有竖向进气管节连接为一体并形成布设于炉内罐（1）内侧中部的竖向进气管（6），所述竖向通孔为供竖向进气管（6）安装的安装孔。
4.按照权利要求1或2所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：多个所述沉积室的竖向高度均相同，多个所述竖向进气管节中位于顶部的竖向进气管节为顶部管节，所述顶部管节的高度小于所述沉积室的竖向高度，所述顶部管节上所开的出气孔为所述顶部管节的上部端口；多个所述竖向进气管节中位于所述顶部管节下方的竖向进气管节上所开的出气孔均布设在所述竖向进气管节的侧壁上。
5.按照权利要求1或2所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述竖向进气管节和底部进气管（7）的外侧均包裹有一层保温层。
6.按照权利要求1或2所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述底板（2）和水平隔板（4）上均设置有多个分别供需致密炭/炭坩埚预制体（9）水平放置的石墨垫环（11）。
7.按照权利要求1或2所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述底板（2）的底部安装有吊装架（12），所述炉内罐（1）的内侧底部设置有供吊装架（12）水平放置的石墨环或支架（13）。
8.按照权利要求6所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述底板（2）和水平隔板（4）上均开有多个进气孔，多个所述进气孔分别布设于多个所述石墨垫环（11）的中部。
9.按照权利要求1或2所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述底板（2）、多层所述水平隔板（4）和封气板（8）均与炉内罐（1）呈同轴布设；所述底部进气管（7）呈竖直向布设，所述炉内罐（1）底部开有供底部进气管（7）安装的安装孔。
10.按照权利要求1或2所述的一种均匀化快速CVI致密炭/炭坩埚的装置，其特征在于：所述炉内罐（1）为耐热钢内罐；所述底板（2）和水平隔板（4）与炉内罐（1）的内侧壁之间所留出气缝隙的宽度为100mm～300mm，所述底板（2）和水平隔板（4）的厚度均为30mm～80mm；所述石墨支撑柱（5）的直径为100mm～300mm且其高度为400mm～700mm。
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