石墨件使用中的問題

1、黃建中黃建中2008-9在在CZ法單晶的生產(chǎn)中，石墨材料是整個熱法單晶的生產(chǎn)中，石墨材料是整個熱場系統(tǒng)中的主要材料。場系統(tǒng)中的主要材料。在一套合適的熱場中，不但要針對不同部位在一套合適的熱場中，不但要針對不同部位的器件采用不同等級和規(guī)格的石墨材料。同的器件采用不同等級和規(guī)格的石墨材料。同時還必須具備一套完善合理的操作工藝規(guī)程。時還必須具備一套完善合理的操作工藝規(guī)程。這樣才能最大限度地發(fā)揮石墨器件的使用壽這樣才能最大限度地發(fā)揮石墨器件的使用壽命。命。目前由于太陽能光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，一大批原目前由于太陽能光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，一大批原先從事于其他行業(yè)的企業(yè)都加入到了單晶硅的生先從事于其他行業(yè)的企業(yè)

2、都加入到了單晶硅的生產(chǎn)之中。由于所處行業(yè)的不同，有些企業(yè)和從業(yè)產(chǎn)之中。由于所處行業(yè)的不同，有些企業(yè)和從業(yè)人員對如何正確使用石墨材料缺乏應(yīng)有的認識，人員對如何正確使用石墨材料缺乏應(yīng)有的認識，因此在日常的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了許多問題。因此在日常的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了許多問題。這些問題主要集中在加熱器，石墨坩堝、導(dǎo)流筒、這些問題主要集中在加熱器，石墨坩堝、導(dǎo)流筒、連桿等這些器件上，主要表現(xiàn)為使用壽命短。連桿等這些器件上，主要表現(xiàn)為使用壽命短。這不但增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本更為正常生產(chǎn)埋下這不但增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本更為正常生產(chǎn)埋下了許多事故的隱患。了許多事故的隱患。本文將就石墨的物理特性和生產(chǎn)中產(chǎn)生的問題、原因和

3、處理方法作一些探討和介紹，供從事單晶硅生產(chǎn)的企業(yè)和從業(yè)人員作一參考。掌握和了解一些石墨材料的特性，掌握和了解一些石墨材料的特性，對我們設(shè)計和選材有著非常重要的對我們設(shè)計和選材有著非常重要的積極意義。只有較為充分地了解和積極意義。只有較為充分地了解和掌握一些石墨的基本特性，才能根掌握一些石墨的基本特性，才能根據(jù)石墨器件的實際需要選擇相應(yīng)的據(jù)石墨器件的實際需要選擇相應(yīng)的材料用于加工石墨器件。材料用于加工石墨器件。2.1 石墨的生產(chǎn)工藝：分為擠壓式擠壓式和等靜壓等靜壓兩種2.2 密度在密度在1.771.90g/cm32.3 抗壓強度抗壓強度78.4103MPa2.4 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)4.55.5

4、*10-6/2.5 灰粉含量一般要求灰粉含量一般要求50PPm在石墨器件的使用中常常會遇到各種問題，嚴重影響了單晶硅的正常生長，也造成了很大的浪費，同時也制約了產(chǎn)能的正常發(fā)揮。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：具體體現(xiàn)在以下幾個方面：3.1.1 圖圖1為保溫筒的支撐環(huán)，由于材料的強度不夠，在第一次煅燒時就發(fā)生破裂，經(jīng)換用高強度的石墨就未發(fā)生過破裂。破裂處3.1.2 圖圖2為連桿，該連桿材料是用細結(jié)構(gòu)石墨加工的，但強度依然不夠，經(jīng)換料后也不再斷裂。斷裂處3.1.3圖圖3為加熱器，第一次煅燒中發(fā)生嚴重打火，主要原因在安裝熱場時未裝好，反射板和加熱器腳發(fā)生碰擦形成短路所致。加 熱 器 腳 打 火 處3.1.4

5、 圖4 & 圖5加熱器在煅燒中發(fā)生拉弧現(xiàn)象，加熱加熱器在煅燒中發(fā)生拉弧現(xiàn)象，加熱器表面發(fā)生蹺皮和表面裂縫。新的石器表面發(fā)生蹺皮和表面裂縫。新的石墨器件在煅燒中特別容易發(fā)生拉弧現(xiàn)墨器件在煅燒中特別容易發(fā)生拉弧現(xiàn)象，只是程度不同而已。一般拉弧后象，只是程度不同而已。一般拉弧后只在石墨表面積有黑色的揮發(fā)物，當(dāng)只在石墨表面積有黑色的揮發(fā)物，當(dāng)新石墨件表面含有大量潮氣時，拉弧新石墨件表面含有大量潮氣時，拉弧時的大電流可造成石墨表面產(chǎn)生蹺皮時的大電流可造成石墨表面產(chǎn)生蹺皮和裂縫，拉弧嚴重時可將石墨件打穿。和裂縫，拉弧嚴重時可將石墨件打穿。圖圖4圖圖5拉弧處裂縫處蹺皮處從以上幾張圖片可以看出新的石從

6、以上幾張圖片可以看出新的石墨件在煅燒時一定要嚴格按照煅墨件在煅燒時一定要嚴格按照煅燒工藝規(guī)程操作，以免發(fā)生此類燒工藝規(guī)程操作，以免發(fā)生此類現(xiàn)象。現(xiàn)象。新的石墨中由于在生產(chǎn)、加工、運輸?shù)雀鱾€新的石墨中由于在生產(chǎn)、加工、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)中吸收了大量水汽，以及設(shè)備原因而發(fā)環(huán)節(jié)中吸收了大量水汽，以及設(shè)備原因而發(fā)生大量漏氣時，如果在煅燒時直接處于高溫生大量漏氣時，如果在煅燒時直接處于高溫煅燒，石墨中的大量水汽揮發(fā)出來，石墨表煅燒，石墨中的大量水汽揮發(fā)出來，石墨表面將產(chǎn)生不同程度的氧化并呈粉化狀態(tài)，嚴面將產(chǎn)生不同程度的氧化并呈粉化狀態(tài)，嚴重時將產(chǎn)生眾多的孔洞一直滲透到石墨內(nèi)部，重時將產(chǎn)生眾多的孔洞一直滲透到

7、石墨內(nèi)部，見圖見圖6。盡管將石墨表面的粉化狀氧化物刷。盡管將石墨表面的粉化狀氧化物刷去后仍能使用，但使用壽命已大為減少。去后仍能使用，但使用壽命已大為減少。圖圖6孔洞因此，新的石墨器件在煅燒時一因此，新的石墨器件在煅燒時一定要嚴格按照工藝要求認真操作，定要嚴格按照工藝要求認真操作，以避免新的石墨發(fā)生氧化現(xiàn)象。以避免新的石墨發(fā)生氧化現(xiàn)象。在單晶硅的生產(chǎn)中常常會發(fā)現(xiàn)石墨件的使用在單晶硅的生產(chǎn)中常常會發(fā)現(xiàn)石墨件的使用壽命往往比預(yù)計的壽命要短的多，由于過多壽命往往比預(yù)計的壽命要短的多，由于過多地更換石墨器件增加了石墨煅燒的次數(shù)和電地更換石墨器件增加了石墨煅燒的次數(shù)和電能的消耗，這在增加了企業(yè)生產(chǎn)成本的

8、同時能的消耗，這在增加了企業(yè)生產(chǎn)成本的同時還制約了產(chǎn)能的有效發(fā)揮。還制約了產(chǎn)能的有效發(fā)揮。 發(fā)生這種狀況主要有以下幾個方面的原因：發(fā)生這種狀況主要有以下幾個方面的原因：3.3.1 選材不對選材不對由于石墨件在熱場中所起的作用各不相同，對其由于石墨件在熱場中所起的作用各不相同，對其所用的材質(zhì)也必然會有所不同。通常電極、連桿、所用的材質(zhì)也必然會有所不同。通常電極、連桿、加熱器、加熱器螺絲、石墨坩堝、導(dǎo)流筒、導(dǎo)流加熱器、加熱器螺絲、石墨坩堝、導(dǎo)流筒、導(dǎo)流筒支撐環(huán)，這些部件都應(yīng)選用等靜壓生產(chǎn)的細結(jié)筒支撐環(huán)，這些部件都應(yīng)選用等靜壓生產(chǎn)的細結(jié)構(gòu)高強度的石墨材料來加工，這樣才能滿足生產(chǎn)構(gòu)高強度的石墨材料來加

9、工，這樣才能滿足生產(chǎn)的實際需要。的實際需要。其它如：底盤、反射板、防漏板、保溫筒、上蓋其它如：底盤、反射板、防漏板、保溫筒、上蓋板等器件可選用擠壓式生產(chǎn)或是中粗結(jié)構(gòu)的石墨板等器件可選用擠壓式生產(chǎn)或是中粗結(jié)構(gòu)的石墨來加工。前提是在生產(chǎn)中，能保證符合生產(chǎn)要求。來加工。前提是在生產(chǎn)中，能保證符合生產(chǎn)要求。3.3.2 設(shè)計不合理設(shè)計不合理在石墨件的使用過程中有些看似是石墨存在在石墨件的使用過程中有些看似是石墨存在問題而發(fā)生的事故，其實好多都是因設(shè)計時問題而發(fā)生的事故，其實好多都是因設(shè)計時就存在缺陷而造成的。就存在缺陷而造成的。 因此在設(shè)計石墨件時除了要考慮材料本身因此在設(shè)計石墨件時除了要考慮材料本身的

10、等級、規(guī)格以外，還必須充分考慮到石墨的等級、規(guī)格以外，還必須充分考慮到石墨件在使用中所需要的強度，并以此來確定其件在使用中所需要的強度，并以此來確定其幾何尺寸。幾何尺寸。圖圖7該圖為20的導(dǎo)流筒外層，壁厚為6毫米壁厚6mm圖圖8在拉晶過程中發(fā)生了多起因?qū)Я魍财屏讯羧肴酃璧膰乐厥鹿实袈涫芄枰话愣裕?8和和20的導(dǎo)流筒外的導(dǎo)流筒外層的壁厚應(yīng)不小于層的壁厚應(yīng)不小于10毫米，下口毫米，下口的厚度應(yīng)不小于的厚度應(yīng)不小于20毫米毫米，以保證在拉晶時不再發(fā)生此類事故。3.3.3 使用方法不當(dāng)使用方法不當(dāng)在眾多的石墨件使用的問題中，石墨坩堝的破裂在眾多的石墨件使用的問題中，石墨坩堝的破裂占有很大的比

11、例，而造成這種狀況的原因中，占有很大的比例，而造成這種狀況的原因中，使使用不當(dāng)是最不容忽視的主要原因。用不當(dāng)是最不容忽視的主要原因。 正常情況下，正常情況下，1 1個個1818或或2020的石墨坩堝可用的石墨坩堝可用3535爐爐左右，然而有非常多的石墨坩堝雖然在設(shè)計、選左右，然而有非常多的石墨坩堝雖然在設(shè)計、選材、加工、煅燒中都未發(fā)生問題，但依然使用壽材、加工、煅燒中都未發(fā)生問題，但依然使用壽命很短，且有些石墨坩堝破裂后，從斷面來看遠命很短，且有些石墨坩堝破裂后，從斷面來看遠未到達其應(yīng)有的自然損耗程度。見圖未到達其應(yīng)有的自然損耗程度。見圖9：圖圖9石墨坩堝如果設(shè)計、選材、加工、煅燒和使用方法得

12、當(dāng)則可以使用到其自然壽命結(jié)束為止。見圖10：該石墨坩堝最薄處的厚度因降解而只有原設(shè)計的三分之一，但仍然沒有破損。原厚度現(xiàn)厚度為何同樣的設(shè)計、材料，結(jié)果會有如此之大的差別，產(chǎn)生的原因又是什么？3.3.3.1 對石墨和硅的物理特性缺乏足夠的了對石墨和硅的物理特性缺乏足夠的了解。石墨的熱膨脹系數(shù)為解。石墨的熱膨脹系數(shù)為4.55.5*10-6/，硅從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，其體積要膨脹硅從液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，其體積要膨脹9%左左右。右。 由此可見，石墨的膨脹系數(shù)基本上可不予由此可見，石墨的膨脹系數(shù)基本上可不予以考慮，而硅的熱縮冷漲因素是一個必須給以考慮，而硅的熱縮冷漲因素是一個必須給予高度重視的問題予高度重視的問

13、題。3.3.3.2 熔料中溫度控制不當(dāng)。熔料中溫度控制不當(dāng)。造成熔料中石英坩堝發(fā)生形變，其堝壁在熔造成熔料中石英坩堝發(fā)生形變，其堝壁在熔完料后緊貼在石墨坩堝的內(nèi)壁上（見圖完料后緊貼在石墨坩堝的內(nèi)壁上（見圖11）。）。發(fā)生這種現(xiàn)象時，當(dāng)堝內(nèi)剩的余料較多時，發(fā)生這種現(xiàn)象時，當(dāng)堝內(nèi)剩的余料較多時，冷卻后硅的膨脹將使石墨坩堝受到很大的擠冷卻后硅的膨脹將使石墨坩堝受到很大的擠壓，石墨坩堝非常容易被撐破，其壽命也必壓，石墨坩堝非常容易被撐破，其壽命也必將大為縮短。將大為縮短。圖圖11無間隙熔料溫度如果控制的好，在拉完單晶后石英熔料溫度如果控制的好，在拉完單晶后石英坩堝幾乎未發(fā)生形變，其外壁和石墨坩堝之坩堝

14、幾乎未發(fā)生形變，其外壁和石墨坩堝之間尚留有一點間隙。間尚留有一點間隙。 見圖見圖1212：這樣當(dāng)堝內(nèi)剩有較多余料，熔硅：這樣當(dāng)堝內(nèi)剩有較多余料，熔硅在冷卻膨脹時這個間隙能起到很好的緩沖作在冷卻膨脹時這個間隙能起到很好的緩沖作用，不會將石墨坩堝撐壞。用，不會將石墨坩堝撐壞。圖圖12間隙圖圖13因停電而使整堝料都在堝內(nèi)，即使如此,石墨坩堝都絲毫未損。三瓣堝未壞由此可見，掌握一個理想的熔料由此可見，掌握一個理想的熔料功率和熔料方法，是提高石墨坩功率和熔料方法，是提高石墨坩堝使用壽命的重要前提。堝使用壽命的重要前提。3.3.3.3 石英坩堝外徑和石墨坩堝內(nèi)徑選配不當(dāng)石英坩堝外徑和石墨坩堝內(nèi)徑選配不當(dāng)

15、石英坩堝放入石墨坩堝后四周沒有間隙，這樣即石英坩堝放入石墨坩堝后四周沒有間隙，這樣即使熔料溫度得當(dāng)，料熔完后石墨坩堝側(cè)面將承受使熔料溫度得當(dāng)，料熔完后石墨坩堝側(cè)面將承受很大的壓力，使用壽命自然就短了。很大的壓力，使用壽命自然就短了。因此，在設(shè)計石墨坩堝時，其內(nèi)徑一定要控制石因此，在設(shè)計石墨坩堝時，其內(nèi)徑一定要控制石英坩堝外徑大，一定要留有間隙，一般留英坩堝外徑大，一定要留有間隙，一般留2.52.5毫米毫米左右即可左右即可。3.3.3.4 石墨坩堝外面積有大量硅蒸汽，見圖12硅蒸汽沉淀物當(dāng)石墨坩堝中吸進大量的硅蒸汽后，其原有的強度受當(dāng)石墨坩堝中吸進大量的硅蒸汽后，其原有的強度受到很大的影響，使用

16、壽命自然也就大為縮短，產(chǎn)生這到很大的影響，使用壽命自然也就大為縮短，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要：種現(xiàn)象的原因主要：a.熔料溫度過高。熔料溫度過高。b.料熔完后未及時降溫。料熔完后未及時降溫。 晶體在熔化過程中是等溫的，當(dāng)堝內(nèi)的料熔化后溫晶體在熔化過程中是等溫的，當(dāng)堝內(nèi)的料熔化后溫度會加速上升，導(dǎo)致硅蒸汽的大量蒸發(fā)度會加速上升，導(dǎo)致硅蒸汽的大量蒸發(fā)。c. 熔完料堝位未及時上升熔完料堝位未及時上升 要避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，除了掌握好熔料要避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，除了掌握好熔料功率外，在料熔完前須提前降溫，并及時升功率外，在料熔完前須提前降溫，并及時升堝位，以免液面長時間在高溫區(qū)停留，產(chǎn)生堝位，以免液面長時間

17、在高溫區(qū)停留，產(chǎn)生大量硅蒸汽。大量硅蒸汽。3.3.3.5在導(dǎo)流筒的使用中常常發(fā)生因?qū)Я魍苍趯?dǎo)流筒的使用中常常發(fā)生因?qū)Я魍渤缘焦枇隙绊懯褂脡勖?。吃到硅料而影響使用壽命。見圖見圖15、16：這兩種狀況都是堝位上升過頭：這兩種狀況都是堝位上升過頭而將導(dǎo)流筒浸入熔硅，雖然將導(dǎo)流筒表面的而將導(dǎo)流筒浸入熔硅，雖然將導(dǎo)流筒表面的硅料打磨掉后仍可使用，但使用的壽命肯定硅料打磨掉后仍可使用，但使用的壽命肯定大為縮短。嚴重時在拉晶過程中石墨坩堝易大為縮短。嚴重時在拉晶過程中石墨坩堝易斷裂而掉入堝內(nèi)。斷裂而掉入堝內(nèi)。圖圖15圖圖16 噴硅浸硅線3.4 石墨的自然壽命短石墨的自然壽命短在石墨器件的應(yīng)用中還會發(fā)生另外

18、的一種現(xiàn)在石墨器件的應(yīng)用中還會發(fā)生另外的一種現(xiàn)象。無論在設(shè)計、選材和使用中不存在任何象。無論在設(shè)計、選材和使用中不存在任何問題。但依然發(fā)現(xiàn)石墨因降解過快而損耗很問題。但依然發(fā)現(xiàn)石墨因降解過快而損耗很大，使用壽命也不盡人如意。大，使用壽命也不盡人如意。 眾所周知，硅溶化后在石英坩堝內(nèi)會產(chǎn)生眾所周知，硅溶化后在石英坩堝內(nèi)會產(chǎn)生大量的一氧化硅，揮發(fā)出的一氧化硅被氬氣大量的一氧化硅，揮發(fā)出的一氧化硅被氬氣流帶到爐體的下方，從排氣管排出。流帶到爐體的下方，從排氣管排出。當(dāng)一氧化硅流經(jīng)石墨件時會和石墨，當(dāng)一氧化硅流經(jīng)石墨件時會和石墨，如石墨坩堝、加熱器、保溫筒發(fā)生反如石墨坩堝、加熱器、保溫筒發(fā)生反應(yīng)生成碳

19、化硅。每次產(chǎn)生的碳化硅經(jīng)應(yīng)生成碳化硅。每次產(chǎn)生的碳化硅經(jīng)清爐吸除后，無論是石墨坩堝還是加清爐吸除后，無論是石墨坩堝還是加熱器其原有的厚度就不可避免地減薄熱器其原有的厚度就不可避免地減薄了，使用壽命將不可避免地大為縮短。了，使用壽命將不可避免地大為縮短。要想改變這種狀況，可從以下幾要想改變這種狀況，可從以下幾個方面著重解決：個方面著重解決：a.改善熱場的保溫系統(tǒng)，以降低熔料和拉晶改善熱場的保溫系統(tǒng)，以降低熔料和拉晶功率功率 通過改善熱場的保溫材料可降低拉晶功率通過改善熱場的保溫材料可降低拉晶功率2020%左右，這不僅可以節(jié)約電能，也減緩了左右，這不僅可以節(jié)約電能，也減緩了石墨件的降解速度，自然就

20、增加了石墨的使石墨件的降解速度，自然就增加了石墨的使用壽命。用壽命。b. 改進原有熱場的設(shè)計，以改善原有的氣流狀況改進原有熱場的設(shè)計，以改善原有的氣流狀況石墨件上的碳化硅產(chǎn)生的多少，往往還和氬氣流石墨件上的碳化硅產(chǎn)生的多少，往往還和氬氣流通道的大小有關(guān)。通道的大小有關(guān)。在同樣流量的狀態(tài)下，通路越小其流速就越快，在同樣流量的狀態(tài)下，通路越小其流速就越快，一氧化硅和石墨反應(yīng)就越強烈，碳化硅的產(chǎn)生就一氧化硅和石墨反應(yīng)就越強烈，碳化硅的產(chǎn)生就越多，石墨降解也越快。因此，適當(dāng)增加氬氣流越多，石墨降解也越快。因此，適當(dāng)增加氬氣流的通道就能不同程度地減少一氧化硅和石墨的反的通道就能不同程度地減少一氧化硅和石墨的反應(yīng)，以增加石墨件的使用壽命。應(yīng)，以增加石墨件的使用壽命。c. 將下排氣改為上排氣將下排氣改為上排氣目前在單晶硅的生產(chǎn)中，基本上都是采用下目前在單晶硅的生產(chǎn)中，基本上都是采用下排氣的方式，如果將下排氣改為上排氣，就排氣的方式，如果將下排氣改為上排氣，就能徹底改變氬氣流的方向，也就能最大限度能徹底改變氬氣流的方向，也就能最大限度地減少了一氧化硅與石墨反應(yīng)生成碳化硅