CN118109895A - 一种氮化硅/熔融石英复合坩埚及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化硅/熔融石英复合坩埚及其制备方法与应用，涉及坩埚技术领域，所述氮化硅/熔融石英复合坩埚包括内层的氮化硅坩埚及包覆在氮化硅坩埚外层的熔融石英坩埚层，所述氮化硅坩埚由若干氮化硅组件组装而成，所述熔融石英坩埚层向内箍紧，对内层的氮化硅坩埚形成压应力；本发明利用石英与氮化硅在高温下具有不同的热膨胀系数的特性，将氮化硅组件箍紧形成整体结构，由于熔融石英层对内部的氮化硅坩埚形成压应力，从而提升氮化硅坩埚的结构强度，使得坩埚具有较长的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及坩埚技术领域，具体涉及一种氮化硅/熔融石英复合坩埚及其制备方法与应用。
背景技术
熔融石英陶瓷坩埚是生产单晶硅或多晶硅不可或缺的关键冶炼容器。但在实际生产中频繁发生以下问题：
一、熔融石英发生高温晶型转变（非晶态石英→β-方石英→α-方石英），容易导致熔融石英陶瓷坩埚开裂，影响硅锭产率。
二、在单晶硅或多晶硅铸造过程中，影响多晶硅锭或单晶硅棒质量的主要因素是杂质，杂质的一个主要来源是熔炼多晶硅锭或拉制单晶硅棒中使用的石英坩埚，液态硅在高温下严重侵蚀石英坩埚，其反应方程式如下：
Si+SiO2→2SiO
部分SiO从硅熔体表面挥发，部分SiO在硅熔体中分解，其反应方程式如下：
SiO→Si+O
石英分解的氧便进入熔体中，最终引入硅晶体，成为影响多晶硅锭或单晶硅棒质量的有害物质。氧含量的增加将会降低太阳能光伏电池的转化效率。
三、多晶硅铸锭与熔融石英陶瓷坩埚容易黏连，导致硅锭无法完全脱离。
面对以上问题，本领域技术人员提出了多种方案：
(1) 采用石英坩埚+石墨坩埚方式。将石英坩埚作为石墨坩埚的内衬，解决石英坩埚高温下容易软化的问题，这种方式支持高温条件下连续拉制大直径单晶硅棒，但仍无法从本质上改变坩埚的使用性能。这种复合坩埚的使用寿命约为400h，仍属于频繁更换的消耗品，这对单晶硅，尤其是N型单晶硅的生产来说，不仅造成资源浪费，增加成本，同时不能降低晶体硅的氧含量。
(2) 在熔融石英陶瓷坩埚内壁喷涂α-氮化硅涂层，以便多晶硅铸锭后硅锭与熔融石英陶瓷坩埚不产生黏连。但由于氮化硅涂层中往往需要加入较多助剂才能实现烧结，且涂层较薄，烧结后的氮化硅涂层纯度较低，具有较多孔隙，高温硅熔体经常完全渗透贯穿氮化硅涂层，导致带有氮化硅涂层的坩埚往往用于多晶硅铸锭，无法用于单晶硅拉棒。
(3) 放弃熔融石英材质，采用氮化硅材质制备氮化硅坩埚。在理论上，氮化硅坩埚能够克服原熔融石英材质的析晶、渗透和导热系数过低的问题，还可以重复使用。但是由于氮化硅烧结温度较高（≥1700℃），为了降低烧结温度，技术人员往往加入大量的烧结助剂，这不可避免地带来了污染。此外，与石英坩埚的电弧熔制法配合旋转塑模法不同，目前烧结大尺寸一体成型致密的氮化硅陶瓷坩埚需要大口径、高压力的冷等静压机以及炉体内腔尺寸足够大的气压烧结炉等各种大型专业成型设备。这类设备价格较高，制备过程涉及高温高压操作，具有危险性。即便如此，这种设备最大烧制尺寸在直径30cm左右，无法达到现有石英坩埚的尺寸（直径最大达到100cm以上），且一体成型后的坩埚在烧结炉中占据空间较大，烧结效率较低。
公开号CN101479410A的专利“用于使半导体级多晶硅锭料定向凝固的方法和坩埚”，采用组装的方式，将氮化硅陶瓷元件组装成方形坩埚，并采用含硅的密封糊料氮化，使氮化硅陶瓷元件间的缝隙得到密封。但由于密封糊料未经过高压处理，具有多孔结构，仍会存在如氮化硅涂层类似的问题；另一方面由于氮化硅陶瓷元件与缝隙处的氮化硅密实度不同，反复使用过程中存在应力不均，缝隙处会出现裂纹。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种氮化硅/熔融石英复合坩埚及其制备方法，该复合坩埚的缝隙间无需采用密封材料，并且其制备方法简单、危险性低。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
本发明的目的之一是提供一种氮化硅/熔融石英复合坩埚，包括内层的氮化硅坩埚及包覆在氮化硅坩埚外层的熔融石英坩埚层，所述氮化硅坩埚由若干板片状的氮化硅组件组装而成，所述熔融石英坩埚层向内箍紧，对内层的氮化硅坩埚形成压应力。
本发明的目的之二是提供一种前述的氮化硅/熔融石英复合坩埚的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将硅粉、烧结助剂与粘结剂溶液混合成均匀的浆料，通过冷等静压成型得到坯体，对坯体进行排胶；
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行烧结，得到结构致密的氮化硅组件；
步骤S3、由若干板片状的氮化硅组件组装成一个完整的氮化硅坩埚，将熔融石英坩埚层箍紧在氮化硅坩埚外表，得到氮化硅/熔融石英复合坩埚。
本发明的目的之三是提供前述的氮化硅/熔融石英复合坩埚在单晶硅拉棒或多晶硅铸造中的应用。
本发明的有益效果是：
(1) 与常规氮化硅涂层相比，本发明通过冷等静压成型得到的氮化硅组件更为致密。
(2) 本发明利用石英与氮化硅在高温下具有不同的热膨胀系数的特性，将氮化硅组件箍紧形成整体结构，由于石英层对内部的氮化硅坩埚形成压应力，从而提升坩埚的结构强度，使得坩埚具有较长的使用寿命；
(3) 本发明采用板片状氮化硅组件组装+熔融石英箍紧得到的复合坩埚与现有一体成型的氮化硅坩埚（直径30cm）相比，最大直径可以达到100cm，且烧制过程炉内空间利用率高。
附图说明
图1为本发明氮化硅/熔融石英复合坩埚的结构示意图；
其中，1-氮化硅坩埚；2-熔融石英坩埚层；
图2为本发明实施例1制备的氮化硅组件的XRD图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
本发明提供了一种氮化硅/熔融石英复合坩埚，包括内层的氮化硅坩埚及包覆在氮化硅坩埚外层的熔融石英坩埚层，所述氮化硅坩埚由若干板片状的氮化硅组件组装而成，所述熔融石英坩埚层向内箍紧，对内层的氮化硅坩埚形成压应力。
本发明还提供了一种前述的氮化硅/熔融石英复合坩埚的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将硅粉、烧结助剂与粘结剂溶液混合成均匀的浆料，通过冷等静压成型得到坯体，对坯体进行排胶；
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行烧结，得到结构致密的氮化硅组件；
步骤S3、由若干板片状的氮化硅组件组装成一个完整的氮化硅坩埚，将熔融石英坩埚层箍紧在氮化硅坩埚外表，得到氮化硅/熔融石英复合坩埚。
本发明中，所述硅粉的平均粒径为0.5~1.5μm。粒径较小的硅粉制备成本较高，粒径较大的硅粉较难氮化完全，因此需要将硅粉的粒径控制在合适的范围内。
作为优选的技术方案，所述硅粉选用平均粒径为0.6~0.7μm和1.3~1.4μm两种规格的硅粉，按1 : (2~3)的质量比组合，得到的复合坩埚使用寿命更长。
本发明中，所述粘结剂溶液是将粘结剂溶于有机溶剂中配制而成的溶液，粘结剂含量为1~3wt%。
本发明中，所述有机溶剂包括但不限于乙醇、甲醇、丙酮中的至少一种。只要选用可以溶解粘结剂且低毒的有机溶剂均可。
本发明中，所述粘结剂包括但不限于聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚乙二醇（PEG）中的至少一种。可以采用有机粘结剂，也可采用无机粘结剂。采用无机粘结剂时，以水替代有机溶剂配制浆料。
本发明中，所述烧结助剂包括但不限于氧化钇、氧化铝、氧化镧、氧化锆中的至少一种。
本发明中，所述烧结助剂的用量为硅粉与烧结助剂总量的0~5wt%。即可以添加烧结助剂，也可以不添加烧结助剂。
本发明中，所述浆料的固含量为40-55%。如果固含量太小或太大，会导致浆料的粘度不同，造粒得到颗粒的大小也会不同。
本发明中，在冷等静压成型之前对浆料进行喷雾造粒。经喷雾造粒得到的颗粒有利于后续成型，并且在造粒过程中溶剂也能除去。
本发明中，所述冷等静压成型的压力为180~250MPa。通过冷等静压成型工艺，提高氮化硅坯体的结构致密度。
本发明中，所述排胶为400~600℃的真空排胶。排胶的作用是将有机物分解除去，真空排胶避免了硅的氧化。
本发明中，所述氮化烧结包括预氮化烧结和完全氮化烧结。
作为优选的技术方案，所述烧结包括预氮化烧结、完全氮化烧结和致密化烧结；优选地，所述预氮化烧结在氮气和/或氨气氛围下进行，温度为1200~1300℃，时间为4~8h，压力为1个大气压；所述完全氮化烧结在氮气和/或氨气氛围下进行，先在温度为1300~1400℃、压力为1个大气压的条件下保温烧结24~36h，然后在温度为1400~1480℃，压力为1个大气压的条件下保温烧结12~24h；所述致密化烧结在氮气氛围下进行，温度为1650~1800℃，时间为1~4h，压力为5~10MPa。
采用硅粉为原料进行氮化的过程中会有尺寸的变化，因此为了提高氮化硅坩埚组件的精度，在预氮化烧结与完全氮化烧结之间可以对氮化硅坩埚组件进行机械加工（如车钳铣刨磨）。采用分步氮化，坯体在氮化过程中尺寸变化小，且预氮化后的坯体硬度小，更容易进行机械加工。
对于氮化硅坩埚组件，在组装成一个完整的氮化硅坩埚之前，可以先对其进行精细加工，进一步提高尺寸精度，减少缝隙。之所以分成两步加工是因为预氮化后坯体硬度相对较小，容易加工，这时先进行粗略的加工，在完全氮化后进行精细加工。
本发明中，所述熔融石英坩埚层的箍紧温度为1650~1750℃。
作为优选的技术方案，所述箍紧是将氮化硅坩埚置于石英坩埚内，石英坩埚受热后对氮化硅坩埚产生压应力，实现对内层氮化硅坩埚的箍紧。
作为优选的技术方案，所述箍紧是将氮化硅坩埚倒扣，加热使石英软化，熔融的石英在重力的作用下包覆在氮化硅坩埚外壁。
由于石英的热膨胀系数小于氮化硅，因此外层石英受热后会对内层的氮化硅坩埚产生压应力，提高坩埚的结构强度，延长坩埚的使用寿命。
本发明还提供了前述的氮化硅/熔融石英复合坩埚在单晶硅或多晶硅铸造中的应用。
实施例1
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（平均粒径为0.5μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行预氮化烧结（氮气氛围），温度为1200℃，时间为8h，压力为1个大气压；将氮化硅坩埚组件进行机械加工；将机械加工好的氮化硅坩埚组件进行完全氮化烧结（氮气氛围），先在温度为1300℃、压力为1个大气压的条件下保温36h，然后在温度为1400℃，压力为1个大气压的条件下保温24h；最后在温度为1650℃，时间为4h，压力为10MPa的条件下进行致密化烧结（氮气氛围），得到结构致密的氮化硅坩埚组件。
步骤S3、将氮化硅坩埚组件进行精细加工，然后组装成一个完整的氮化硅坩埚（外径为42英寸），将氮化硅坩埚置于熔融石英坩埚（内径为42英寸+0.1英寸）中，加热至1650℃使熔融石英坩埚箍紧在氮化硅坩埚外表，得到复合坩埚。
实施例2
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为2wt%；将硅粉（平均粒径为1.1μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为98 : 2），然后进行喷雾造粒（平均粒径为80μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在500℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行预氮化烧结（氮气氛围），温度为1250℃，时间为6h，压力为1个大气压；将氮化硅坩埚组件进行机械加工；将机械加工好的氮化硅坩埚组件进行完全氮化烧结（氮气氛围），先在温度为1350℃、压力为1个大气压的条件下保温30h，然后在温度为1450℃，压力为1个大气压的条件下保温20h；最后在温度为1700℃，时间为2h，压力为8MPa的条件下进行致密化烧结（氮气氛围），得到结构致密的氮化硅坩埚组件。
步骤S3、将氮化硅坩埚组件进行精细加工，然后组装成一个完整的氮化硅坩埚（外径为42英寸），将氮化硅坩埚置于熔融石英坩埚（内径为42英寸+0.1英寸）中，加热至1700℃使熔融石英坩埚箍紧在氮化硅坩埚外表，得到复合坩埚。
实施例3
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为3wt%；将硅粉（平均粒径为1.5μm）与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为50wt%的浆料，然后进行喷雾造粒（平均粒径为100μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在600℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行预氮化烧结（氮气氛围），温度为1300℃，时间为4h，压力为1个大气压；将氮化硅坩埚组件进行机械加工；将机械加工好的氮化硅坩埚组件进行完全氮化烧结（氮气氛围），先在温度为1400℃、压力为1个大气压的条件下保温24h，然后在温度为1480℃，压力为1个大气压的条件下保温12h；最后在温度为1800℃，时间为1h，压力为5MPa的条件下进行致密化烧结（氮气氛围），得到结构致密的氮化硅坩埚组件。
步骤S3、将氮化硅坩埚组件进行精细加工，然后组装成一个完整的氮化硅坩埚（外径为42英寸），将氮化硅坩埚置于熔融石英坩埚（内径为42英寸+0.1英寸）中，加热至1750℃使熔融石英坩埚箍紧在氮化硅坩埚外表，得到复合坩埚。
实施例4
步骤S1、将PEG4000溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（平均粒径为0.5μm）以及氧化钇、氧化铝与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇、氧化铝的质量比为95 : 2 : 3），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行预氮化烧结（50%氮气+50%氨气氛围），温度为1230℃，时间为8h，压力为1个大气压；将氮化硅坩埚组件进行机械加工；将机械加工好的氮化硅坩埚组件进行完全氮化烧结（50%氮气+50%氨气氛围），先在温度为1350℃、压力为1个大气压的条件下保温36h，然后在温度为1420℃，压力为1个大气压的条件下保温24h；最后在温度为1650℃，时间为4h，压力为8MPa的条件下进行致密化烧结（氮气氛围），得到结构致密的氮化硅坩埚组件。
步骤S3、同实施例1。
实施例5
步骤S1、同实施例1。
步骤S2、同实施例1。
步骤S3、将氮化硅坩埚组件进行精细加工，然后组装成一个完整的氮化硅坩埚（外径为42英寸），将氮化硅坩埚倒扣，加热至1650℃使石英软化，熔融的石英在重力的作用下包覆在氮化硅坩埚外壁，得到复合坩埚。
对比例1（一步氮化，机械加工困难）
步骤S1、同实施例1。
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行氮化烧结（氮气氛围），先在温度为1300℃、压力为1个大气压的条件下保温36h，然后在温度为1400℃，压力为1个大气压的条件下保温24h；最后在温度为1650℃，时间为4h，压力为10MPa的条件下进行致密化烧结（氮气氛围），得到结构致密的氮化硅坩埚组件。
步骤S3、同实施例1。
对比例2（直接采用氮化硅粉体制备）
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将氮化硅粉体（平均粒径为0.5μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（氮化硅与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、同实施例1。
步骤S3、同实施例1。
对比例3（硅粉的平均粒径小于0.5μm）
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（平均粒径为0.2μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行预氮化烧结（氮气氛围），温度为1200℃，时间为8h，压力为1个大气压；将氮化硅坩埚组件进行机械加工；将机械加工好的氮化硅坩埚组件进行完全氮化烧结（氮气氛围），先在温度为1300℃、压力为1个大气压的条件下保温30h，然后在温度为1400℃，压力为1个大气压的条件下保温24h；最后在温度为1650℃，时间为4h，压力为10MPa的条件下进行致密化烧结（氮气氛围），得到结构致密的氮化硅坩埚组件。
步骤S3、同实施例1。
对比例4（硅粉的平均粒径大于1.5μm）
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（平均粒径为2.0μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行预氮化烧结（氮气氛围），温度为1200℃，时间为8h，压力为1个大气压；将氮化硅坩埚组件进行机械加工；将机械加工好的氮化硅坩埚组件进行完全氮化烧结（氮气氛围），先在温度为1300℃、压力为1个大气压的条件下保温40h，然后在温度为1400℃，压力为1个大气压的条件下保温24h；最后在温度为1650℃，时间为4h，压力为10MPa的条件下进行致密化烧结（氮气氛围），得到结构致密的氮化硅坩埚组件。
步骤S3、同实施例1。
对比例1采用一步法氮化及对比例2采用氮化硅粉体作为原料，坩埚组件的硬度大，机械加工困难，最后精细加工的工作量大、难度高。对比例3采用小粒径的硅粉，氮化时间缩短，但是小粒径的硅粉制造难度较大。对比例4采用大粒径的硅粉，氮化时间延长。
实施例6
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（选用平均粒径为0.6μm、1.3μm的两种规格，质量比为1 : 2）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、同实施例1。
步骤S3、同实施例1。
实施例7
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（选用平均粒径为0.7μm、1.4μm的两种规格，质量比为1 : 3）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、同实施例1。
步骤S3、同实施例1。
实施例8
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（平均粒径为0.6μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行喷雾造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、同实施例1。
步骤S3、同实施例1。
实施例9
步骤S1、将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（平均粒径为1.4μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 : 5），然后进行造粒（平均粒径为60μm），通过冷等静压成型得到坯体，将坯体在400℃真空条件下进行排胶。
步骤S2、同实施例1。
步骤S3、同实施例1。
对比例5（降低熔融石英坩埚层的箍紧温度）
步骤S1、同实施例1。
步骤S2、同实施例1。
步骤S3、将氮化硅坩埚组件进行精细加工，然后组装成一个完整的氮化硅坩埚（外径为42英寸），将氮化硅坩埚置于熔融石英坩埚（内径为42英寸+0.1英寸）中，加热至1550℃使熔融石英坩埚箍紧在氮化硅坩埚外表，得到复合坩埚。
对比例6
参见CN101479410A的实施例1。
对比例7（采用氮化硅涂层工艺）
将PVB溶于乙醇配成粘结剂溶液，PVB含量为1wt%；将硅粉（平均粒径为0.5μm）以及氧化钇与粘结剂溶液混合均匀形成固含量为40wt%的浆料（硅粉与氧化钇的质量比为95 :5），然后将浆料喷涂于石英坩埚内壁（涂层厚度10丝），在400℃真空条件下进行排胶，排胶完成后在1300℃下烧结0.5h。
对上述实施例和对比例制备的复合坩埚进行性能测试，测试结果见表1。
致密度采用阿基米德排水法进行测定。
使用寿命是在氩气气氛炉中1450℃下进行长时间熔硅实验测定。
表1
从表1可以看出：
实施例6-7选用两种不同规格的硅粉（平均粒径为0.6~0.7μm和1.3~1.4μm）可以显著提高坩埚的致密度以及延长坩埚的使用寿命。
对比例5在1550℃的加热温度下虽然也可以实现石英坩埚与氮化硅坩埚的复合，但石英坩埚析晶变脆开裂，导致坩埚的使用寿命大大缩短。
对比例6由于氮化硅陶瓷元件与密封处的氮化硅致密度不同，反复使用过程中存在应力不均的问题，密封处会出现裂纹，缩短坩埚使用寿命。
对比例7在石英坩埚内壁喷涂氮化硅涂层虽然具有操作简便的优势，但其得到的复合坩埚致密度差，使用寿命短。这是因为当硅液体渗透穿过涂层，导致外层的石英坩埚中二氧化硅参与反应，影响产品质量，这时坩埚就无法使用了。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种氮化硅/熔融石英复合坩埚，其特征在于：包括内层的氮化硅坩埚及包覆在氮化硅坩埚外层的熔融石英坩埚层，所述氮化硅坩埚由若干板片状的氮化硅组件组装而成，所述熔融石英坩埚层向内箍紧，对内层的氮化硅坩埚形成压应力。
2.权利要求1所述的氮化硅/熔融石英复合坩埚的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将硅粉、烧结助剂与粘结剂溶液混合成均匀的浆料，通过冷等静压成型得到坯体，对坯体进行排胶；
步骤S2、排胶完成后将坯体在烧结炉中进行烧结，得到结构致密的氮化硅组件；
步骤S3、由若干板片状的氮化硅组件组装成一个完整的氮化硅坩埚，将熔融石英坩埚层箍紧在氮化硅坩埚外表，得到氮化硅/熔融石英复合坩埚。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述硅粉的平均粒径为0.5~1.5μm；
所述硅粉选用平均粒径为0.6~0.7μm和1.3~1.4μm两种规格的硅粉，按1 : (2~3)的质量比组合。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述粘结剂溶液是将粘结剂溶于有机溶剂中配制而成的溶液，粘结剂含量为1~3wt%；
所述有机溶剂选自乙醇、甲醇、丙酮中的至少一种；
所述粘结剂选自聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述烧结助剂选自氧化钇、氧化铝、氧化镧、氧化锆中的至少一种；
所述烧结助剂的用量为硅粉与烧结助剂总量的0~5wt%。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述冷等静压成型的压力为180~250MPa。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述排胶为400~600℃的真空排胶。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述烧结包括预氮化烧结、完全氮化烧结和致密化烧结；优选地，所述预氮化烧结在氮气和/或氨气氛围下进行，温度为1200~1300℃，时间为4~8h，压力为1个大气压；所述完全氮化烧结在氮气和/或氨气氛围下进行，先在温度为1300~1400℃、压力为1个大气压的条件下保温烧结24~36h，然后在温度为1400~1480℃，压力为1个大气压的条件下保温烧结12~24h；所述致密化烧结在氮气氛围下进行，温度为1650~1800℃，时间为1~4h，压力为5~10MPa。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述熔融石英坩埚层的箍紧温度为1650~1750℃；
所述箍紧是将氮化硅坩埚置于石英坩埚内，石英坩埚受热后对氮化硅坩埚产生压应力，实现对内层氮化硅坩埚的箍紧；
所述箍紧是将氮化硅坩埚倒扣，加热使石英软化，熔融的石英在重力的作用下包覆在氮化硅坩埚外壁。
10.权利要求1所述的氮化硅/熔融石英复合坩埚或通过权利要求2-9任意一项所述的制备方法得到的氮化硅/熔融石英复合坩埚在单晶硅或多晶硅铸造中的应用。
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2024
- 2024-04-30 CN CN202410532593.XA patent/CN118109895A/zh active Pending
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