CN103435370A

CN103435370A - 采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层

Info

Publication number: CN103435370A
Application number: CN2013103469882A
Authority: CN
Inventors: 杜海燕; 巩晓晓; 张晓艳; 胡小侠; 张顶印
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层，其原料组分及其重量百分比含量为：氮化硅粉95～98%，纳米二氧化硅粉2～5%，以PVP水溶液作分散介质；利用氮化硅涂层浆料对于生坯的渗透及涂层与生坯的共同烧结达到增强结合强度的效果；此外，由于纳米二氧化硅促进烧结的作用，使界面处产生致密过渡层，防止杂质渗入硅铸锭。本发明消除了铸锭多晶硅晶体的粘埚和裂锭现象，对于氮化硅涂层的研究有着深远而广泛的意义。

Description

采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层

技术领域

本发明应用于光伏硅晶体铸锭领域，特别涉及一种与石英陶瓷坩埚具有高结合强度的氮化硅涂层及其制备方法，本发明也适用于坩埚或模具内壁应用脱模剂的场合。

背景技术

在光伏多晶硅晶体的制备过程中，目前都采用石英陶瓷坩埚，进行定向凝固来制备铸锭多晶硅。石英坩埚在高温时容易与硅熔体发生反应，从而产生粘埚和裂锭的严重后果。因此，现行的生产过程中，都会在石英陶瓷坩埚的内壁喷上氮化硅粉末，用来隔离硅熔体和石英陶瓷坩埚，防止粘锅的发生。

现行的氮化硅喷涂都是采用氮化硅粉末和去离子水的浆料进行喷涂，然后在1000℃的高温下进行处理，但是氮化硅的惰性非常强，高温处理后的氮化硅与石英陶瓷坩埚内壁维持着非常松散的结合强度。在装炉过程中，极容易发生涂层的脱落，出现“粘埚”和“裂锭”的风险。因此，如何增强氮化硅涂层与石英陶瓷坩埚的结合强度，是铸锭硅晶体领域迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的，在于克服现有技术的石英陶瓷坩埚与氮化硅涂层结合强度非常松散的不足，提供一种采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层及其制备方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层，其原料组分及其重量百分比含量为：氮化硅粉95～98%，纳米二氧化硅粉2～5%；

该采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层的制备方法，具有如下步骤：

（1）按照原料组分及其重量百分比含量为：氮化硅粉95～98%，纳米二氧化硅粉2～5%；先将纳米二氧化硅粉分散到聚乙烯吡咯烷酮简称PVP水溶液中，超声机分散，再与氮化硅粉球磨混合后，制备成浆料；其中的PVP水溶液含量为原料总重量的59～228wt%；

（2）将步骤（1）的浆料通过喷涂、流延或者刷涂的方法粘附在石英陶瓷坩埚生坯内壁，初始膜厚为50～800微米；

（3）将步骤（2）内壁粘附有浆料的石英陶瓷坩埚生坯置于高温炉中进行热处理，以2℃/min由室温升至600℃，保温30min，再以4℃/min升至1200℃，保温2h，随炉冷却；

所述的氮化硅粉为高纯氮化硅粉，纯度>99.9%；纳米二氧化硅粉为高纯纳米二氧化硅粉，纯度>99.9%。

所述的纳米二氧化硅不仅包括纳米二氧化硅粉末，还包括一切通过加热或者分解的其他方式得到的纳米二氧化硅的其他物质，如硅溶胶。

所述步骤（3）热处理后的石英陶瓷坩埚内壁氮化硅涂层的厚度为45-700微米。

本发明通过在氮化硅中引入适量的纳米二氧化硅，通过将所得浆料喷涂、流延或者刷涂在石英陶瓷坩埚生坯上时产生渗透作用，并通过纳米氧化硅促进烧结的作用达到共同烧结的目的，增强氮化硅涂层与石英陶瓷坩埚结合强度，方便装料及远程运输，消除了铸锭多晶硅晶体的粘埚和裂锭现象，进而提高了多晶硅片的转化效率。对于氮化硅涂层的研究有着深远而广泛的意义。

附图说明

图1是本发明采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

本发明采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层，其制备工艺如图1所示。其原料组分及其重量百分比含量为：氮化硅粉95～98%，纳米二氧化硅粉2～5%；先将纳米二氧化硅粉分散到聚乙烯吡咯烷酮简称PVP水溶液中，超声机分散，再与氮化硅粉球磨混合后，制备成浆料；其中的PVP水溶液含量为原料总重量的59～228wt%；再将浆料通过喷涂、流延或者刷涂的方法粘附在石英陶瓷坩埚生坯内壁，利用浆料对于生坯的渗透及涂层与生坯的共同烧结达到加强结合的效果；此外，由于纳米二氧化硅促进烧结的作用，其加入会使界面处产生致密过渡层，防止杂质渗入硅铸锭。

所述的纳米二氧化硅不仅包括纳米二氧化硅粉末，还包括一切通过加热或分解等其他方式可以得到纳米二氧化硅的其他物质，如硅溶胶等。任何上述混合物的添加，只要通过加热都能达到生成纳米二氧化硅的目的，都视为纳米二氧化硅的同等添加。

本发明具体实施例如下。

实施例1

将高纯纳米二氧化硅粉末6.67g（纯度>99.9%）分散到460g PVP水溶液中，超声30min。再与200g高纯氮化硅粉末（纯度>99.9%）球磨混合，制备成浆料；浆料中含有1wt%的纳米氧化硅、69wt%的PVP水溶液和30wt%的氮化硅。上述浆料通过喷涂的方法粘附在石英陶瓷坩埚生坯内壁，初始膜厚为500微米，然后将上述石英陶瓷坩埚生坯置于马弗炉中按照石英陶瓷烧结制度进行热处理。将处理后的具有氮化硅涂层的石英陶瓷坩埚进行检测，无任何氮化硅脱落现象发生；对坩埚装料后进行多晶硅熔炼，出炉后无粘埚和裂锭现象发生。

实施例2

将高纯纳米二氧化硅粉末10g（纯度>99.9%）分散到290g PVP水溶液中，超声60min。再与200g高纯氮化硅粉末（纯度>99.9%）球磨混合，制备成浆料，浆料中含有2wt%的纳米二氧化硅、58wt%的PVP水溶液和40wt%的氮化硅。上述浆料通过刷涂的方法粘附在石英陶瓷坩埚生坯内壁，初始膜厚为200微米。然后将上述石英陶瓷坩埚生坯置于马弗炉中按照石英陶瓷烧结制度进行热处理。将处理后的具有氮化硅涂层石英陶瓷坩埚进行检测，无任何氮化硅脱落现象发生。对坩埚装料后进行多晶硅熔炼，出炉后无粘埚和裂锭现象发生。

实施例3

将高纯纳米二氧化硅粉末10g（纯度>99.9%）分散到123g PVP水溶液中，超声90min。再与200g高纯氮化硅粉末（纯度>99.9%）球磨混合，制备成浆料，浆料中含有3wt%的纳米二氧化硅、37wt%的PVP水溶液和60wt%的氮化硅。上述浆料通过刷涂的方法粘附在石英陶瓷坩埚生坯内壁，初始膜厚为50微米。然后将上述石英陶瓷坩埚生坯置于马弗炉中按照石英陶瓷烧结制度进行热处理，将处理后的具有氮化硅涂层石英陶瓷坩埚进行检测，无任何氮化硅脱落现象发生。对坩埚装料后进行多晶硅熔炼，出炉后无粘埚和裂锭现象发生。

Claims

1.一种采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层，其原料组分及其重量百分比含量为：氮化硅粉95～98%，纳米二氧化硅粉2～5%；

（3）将步骤（2）内壁粘附有浆料的石英陶瓷坩埚生坯置于高温炉中进行热处理，以2℃/min由室温升至600℃，保温30min，再以4℃/min升至1200℃，保温2h，随炉冷却。

2.根据权利要求1的采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层，其特征在于，所述的氮化硅粉为高纯氮化硅粉，纯度>99.9%；纳米二氧化硅粉为高纯纳米二氧化硅粉，纯度>99.9%。

3.根据权利要求1的采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层，其特征在于，所述的纳米二氧化硅不仅包括纳米二氧化硅粉末，还包括一切通过加热或者分解的其他方式得到的纳米二氧化硅的其他物质，如硅溶胶。

4.根据权利要求1的采用共烧结法制备石英陶瓷坩埚高结合强度的氮化硅涂层，其特征在于，所述步骤（3）热处理后的石英陶瓷坩埚内壁氮化硅涂层的厚度为45-700微米。