專利名稱：：用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及石英坩堝，尤其涉及一種用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝及其制造方法，屬于晶體生長
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：眾所周知，當(dāng)今世界電力供應(yīng)漸趨緊張，光伏技術(shù)的運(yùn)用可以有效地緩解這一局面。光伏發(fā)電主要有單晶、多晶電池片技術(shù)，與單晶相比，多晶光伏具有能耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)；同樣的時(shí)間內(nèi)，耗用同樣的能源，多晶產(chǎn)出將是單晶的67倍，因而多晶近些年得到廣泛運(yùn)用。已有采用電弧法生產(chǎn)石英坩堝用于單晶硅拉制，化學(xué)工業(yè)出版社出版的《石英玻璃》ISBN978-7-5025-9751-1，其第五章公開了電弧法生產(chǎn)石英坩堝技術(shù)，18英寸石英坩堝每次只可以拉制60Kg單晶硅鑄錠，其消耗電能為2000KW，用于單晶硅結(jié)晶的石英坩堝正處于研發(fā)發(fā)展階段。目前，對(duì)于多晶硅熔融結(jié)晶所使用的坩堝，業(yè)內(nèi)都采用高純石墨材料制作，自身制造成本較大；而且石墨坩堝結(jié)晶出的多晶硅鑄錠，其含雜量較高，硅錠的有效收得率非常低，使用效果不理想，尚不能大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。因此，研究開發(fā)一種新型的用于多晶硅結(jié)晶的坩堝，具有十分重要的實(shí)際意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝及其制造方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝，外形呈規(guī)則的立體方形結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是該不透明石英坩堝的成分的質(zhì)量百分含量為——二氧化硅>99.7%，氧化鋁<600ppm，氧化鐵<30ppm，其余組分為不可避免的雜質(zhì)。進(jìn)一步地，上述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝，所述不透明石英坩堝的彎曲強(qiáng)度在14MPa以上，體積密度1.901.95g/cm3，真密度2.182.21g/cm3，線性膨脹系數(shù)0.58X1(T6/°C0.6Xl()-6/°C。更進(jìn)一步地，用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝的制造方法，特征是包括以下步驟——①首先將原料高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，加水研磨控制粒徑在70pm100(im;②將上述漿料取出后充分?jǐn)嚢?，放?448小時(shí)后倒入壓力裝置中，在23bar壓力下將漿料注入石膏模具中，前期注漿時(shí)對(duì)石膏模具輔以輕微震動(dòng)，震動(dòng)頻率為3040次/分鐘，振幅13毫米；于模具中靜放58小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模；③脫模后在干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在190260°C;④將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在90(TC140(TC，燒結(jié)時(shí)間為4060小時(shí)，燒結(jié)后即獲得不透明石英坩堝。再進(jìn)一步地，上述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝的制造方法，步驟①中，所述高純石英包括塊狀料和粉狀料，塊狀料與粉狀料的配比為4050:6050，塊狀料的外形幾何尺寸小于50毫米，粉狀料的顆粒直徑小于5毫米。所述的高純石英中二氧化硅的含量大于99.99Wt%。步驟③中干燥溫度為200°C。進(jìn)一步地，上述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝的制造方法，首先將50份塊狀高純石英和50份粉狀高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，塊狀料的外形幾何尺寸小于50毫米，粉狀料的顆粒直徑小于5毫米，加水研磨后控制粒徑在7(^m80pm;將漿料取出后進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁胖?6小時(shí)后倒入壓力裝置中，輔以3bar壓力將漿料注入石膏模具中，前期注漿輔以輕微震動(dòng)，震動(dòng)頻率為3540次/分鐘，振幅13毫米；于模具中靜放8小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模；脫模后放入干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在200°C;將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在90(TC140(TC，燒結(jié)時(shí)間為50小時(shí)，獲得不透明石英坩堝。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在(1)采用高純石英材料，注漿成型，燒結(jié)生產(chǎn)出的坩堝內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)非常均勻，產(chǎn)品內(nèi)部中氣孔呈徽孔狀均勻分布，無裂紋，具有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性和抗炸裂能力，有效保證了坩堝在使用過程中的可靠性和穩(wěn)定性；線膨脹系數(shù)小、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能低；且具有一定粗糙度利于客戶現(xiàn)場噴涂材料的吸附，表面吸附性強(qiáng)，滿足多晶硅鑄錠生產(chǎn)的工藝要求；(2)坩堝的方形形狀有別于單晶圓坩堝，單晶圓坩堝為直拉法長晶原理，而多晶采用定向凝固法，對(duì)坩堝純度及理化指標(biāo)要求都有所不同，方形坩堝大大提高硅料的產(chǎn)量和收得率；石英坩堝呈規(guī)則的幾何外形，有利于熱場的均勻分布，符合最小化熔煉時(shí)溫度梯度；(3)體積尺寸大、容積大，能一次性裝載400kg450kg原料，結(jié)晶硅錠達(dá)到450kg，甚至更大，耗用電能約2000kw，而當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)在同樣的電能下才產(chǎn)出60kg的單晶硅棒；(4)用于結(jié)晶硅錠時(shí)可大大減少硅錠切削量，除去硅錠的邊角雜質(zhì)，多晶硅錠實(shí)際使用約為單晶硅的67倍，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，應(yīng)用前景十分看好。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明圖l:本發(fā)明不透明石英坩堝的截面結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式如圖l所示的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝，外形呈規(guī)則方形，包括底面及前、后、左、右四側(cè)面，上部敞開。其成分的質(zhì)量百分含量為二氧化硅〉99.7Wt^，氧化鋁〈600ppm，氧化鐵〈30ppm，其余組分為不可避免的雜質(zhì)。不透明石英坩堝的彎曲強(qiáng)度在14MPa以上，體積密度1.901.95g/cm3，真密度2.182.21g/cm3，線性膨脹系數(shù)0.58X1(T6/°C0.6X10—6/°C(意為從室溫開始到高溫范圍內(nèi)如IOO(TC，其長度或體積變化量與原長度或體積變化量的百分比)制備上述不透明石英坩堝的基本工藝是先將高純石英材料制作成漿料，攪拌均勻后注入吸水性模具中，且輔以壓力控制，使其形成有一定吸合強(qiáng)度的胚體；繼而將胚體干燥后燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛燒成(燃燒氣體為天然氣，略增大氧氣供給量，其增加量在5%10%)，使其轉(zhuǎn)化成方石英含量最小化，提高產(chǎn)品使用時(shí)的抗熱震性，晶相轉(zhuǎn)變后具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)施例1:首先將40份塊狀高純石英和60份粉狀高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，塊狀料的外形幾何尺寸小于40毫米，粉狀料的顆粒直徑小于4毫米，加水研磨后控制粒徑在70(im85pm;將漿料取出后進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁曳胖?4小時(shí)后進(jìn)行物理及化學(xué)指標(biāo)的檢測，合格后即可進(jìn)行下一道工序；漿料倒入壓力裝置中，輔以3bar壓力將漿料注入石膏模具中，前期注漿輔以輕微震動(dòng)，使材料分布均勻，震動(dòng)頻率為3040次/分鐘，振幅12毫米；于模具中靜放8小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模，脫模須非常小心；脫模后放入干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在260°C，干燥后具有一定的強(qiáng)度；將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在900。C110(TC，燒結(jié)時(shí)間為55小時(shí)，在氣相反應(yīng)、液相燒結(jié)和固相燒結(jié)的反應(yīng)下，產(chǎn)品內(nèi)部形成牢固的陶瓷結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合和直接結(jié)合，獲得不透明石英坩堝。實(shí)施例2:首先將50份塊狀高純石英和50份粉狀高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，塊狀料的外形幾何尺寸小于50毫米，粉狀料的顆粒直徑小于5毫米，加水研磨后控制粒徑在80lam90pm;將漿料取出后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，且放?6小時(shí)后進(jìn)行物理及化學(xué)指標(biāo)的檢測，合格后即可進(jìn)行下一道工序；漿料倒入壓力裝置中，輔以3bar壓力將漿料注入石膏模具中，前期注漿輔以輕微震動(dòng)，使材料分布均勻，震動(dòng)頻率為3540次/分鐘，振幅13毫米；于模具中靜放6小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模，脫模須非常小心；脫模后放入干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在200°C，干燥后具有一定的強(qiáng)度；將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在90(TC140(TC，燒結(jié)時(shí)間為50小時(shí)，在氣相反應(yīng)、液相燒結(jié)和固相燒結(jié)的反應(yīng)下，產(chǎn)品內(nèi)部形成牢固的陶瓷結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合和直接結(jié)合，獲得不透明石英坩堝。實(shí)施例3:首先將45份塊狀高純石英和55份粉狀高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，加水研磨后控制粒徑在75^im95jim;將漿料取出后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，且放?8小時(shí)后進(jìn)行物理及化學(xué)指標(biāo)的檢測，合格后即可進(jìn)行下一道工序；槳料倒入壓力裝置中，輔以2bar壓力將漿料注入石膏模具中，前期注漿輔以輕微震動(dòng)，使材料分布均勻，震動(dòng)頻率為3040次/分鐘，振幅23毫米；于模具中靜放5小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模，脫模須非常小心；脫模后放入干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在190°C，干燥后具有一定的強(qiáng)度；將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在900。C140(TC，燒結(jié)時(shí)間為40小時(shí)，獲得不透明石英坩堝。實(shí)施例4:首先將48份塊狀高純石英和52份粉狀高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，塊狀料的外形幾何尺寸小于50毫米，粉狀料的顆粒直徑小于5毫米，加水研磨后控制粒徑在70pm10(Vm;將漿料取出后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，且放?0小時(shí)后進(jìn)行物理及化學(xué)指標(biāo)的檢測，合格后即可進(jìn)行下一道工序；漿料倒入壓力裝置中，輔以2.5bar壓力將漿料注入石膏模具中，前期注漿輔以輕微震動(dòng)，使材料分布均勻，震動(dòng)頻率為3035次/分鐘，振幅13毫米；于模具中靜放7小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模，脫模須非常小心；脫模后放入干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在220°C，干燥后具有一定的強(qiáng)度；將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在1000°C1200°C，燒結(jié)時(shí)間為60小時(shí)，獲得不透明石英坩堝。實(shí)施例5:首先將50份塊狀高純石英和50份粉狀高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，塊狀料的外形幾何尺寸小于50毫米，粉狀料的顆粒直徑小于5毫米，加水研磨后控制粒徑在70pm8(^m;將漿料取出后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，放?6小時(shí)后倒入壓力裝置中，輔以3bar壓力將漿料注入石膏模具中，前期注漿輔以輕微震動(dòng)，震動(dòng)頻率為3540次/分鐘，振幅13毫米；于模具中靜放8小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模；脫模后放入干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在20(TC;將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在90(TC140(TC，燒結(jié)時(shí)間為50小時(shí)，獲得不透明石英坩堝。將上述實(shí)施例得到的不透明石英坩堝產(chǎn)品用滲透劑一中飽和的垸烴類溶劑進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，由于一中飽和的垸烴類溶劑為相對(duì)惰性，最大化地減少溶劑對(duì)產(chǎn)品的損害，噴涂在產(chǎn)品上后使產(chǎn)品在強(qiáng)光照射下呈透明狀，均無裂紋。對(duì)上述不透明石英柑堝產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測，其主要性能指標(biāo)見表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>可見，生產(chǎn)出的坩堝內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)非常均勻，產(chǎn)品內(nèi)部中氣孔呈徽孔狀均勻分布，無裂紋，具有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性和抗炸裂能力，有效保證了坩堝在使用過程中的可靠性和穩(wěn)定性；線膨脹系數(shù)小、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能低。本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，①材料有別于高純石墨坩堝，降低了制造成本；②本發(fā)明工藝采用注漿成型，而高純石墨坩堝為等靜壓成型；生產(chǎn)出的石英坩堝內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)非常均勻，且具有一定粗糙度利于客戶現(xiàn)場噴涂材料的吸附，表面吸附性強(qiáng)，滿足多晶硅鑄錠生產(chǎn)的工藝要求；③坩堝的方形形狀，有別于單晶圓坩堝，單晶圓坩堝為直拉法長晶原理，而多晶采用定向凝固法，對(duì)坩堝純度及理化指標(biāo)要求都有所不同，方形坩堝大大提高硅料的產(chǎn)量和收得率；④石英坩堝呈規(guī)則的幾何外形，有利于熱場的均勻分布，符合最小化熔煉時(shí)溫度梯度；⑤體積尺寸大、容積大，能一次性裝載400kg450kg原料，結(jié)晶硅錠達(dá)到450kg，甚至更大，耗用電能約2kw，而當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)在同樣的電能下才產(chǎn)出60kg的單晶硅棒；◎與石墨坩堝相比減少了硅錠切削量，除去硅錠的邊角雜質(zhì)，多晶硅錠實(shí)際使用約為單晶硅的67倍，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益，值得廣泛推廣應(yīng)用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和提升。以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝，外形呈規(guī)則的立體方形結(jié)構(gòu)，其特征在于該不透明石英坩堝的成分的質(zhì)量百分含量為——二氧化硅＞99.7％，氧化鋁＜600ppm，氧化鐵＜30ppm，其余組分為不可避免的雜質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝，其特征在于所述不透明石英坩堝的彎曲強(qiáng)度在14MPa以上，體積密度1.901.95g/cm3，真密度2.182.21g/cm3，線性膨脹系數(shù)0.58X10—6/°C0.6X10-6〃C。3.制造權(quán)利要求1所述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英柑堝的方法，其特征在于包括以下步驟——①首先將原料高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，加水研磨控制粒徑在70pm100|im;②將上述漿料取出后充分?jǐn)嚢瑁胖?448小時(shí)后倒入壓力裝置中，在23bar壓力下將漿料注入石膏模具中，前期注漿時(shí)對(duì)石膏模具輔以輕微震動(dòng)，震動(dòng)頻率為3040次/分鐘，振幅13毫米；于模具中靜放58小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模；(D脫模后在干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在190260°C;④將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在900°C1400°C，燒結(jié)時(shí)間為4060小時(shí)，燒結(jié)后即獲得不透明石英坩堝。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝的制造方法，其特征在于步驟①中，所述高純石英包括塊狀料和粉狀料，塊狀料與粉狀料的配比為4050:6050，塊狀料的外形幾何尺寸小于50毫米，粉狀料的顆粒直徑小于5毫米。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英柑堝的制造方法，其特征在于所述的高純石英中二氧化硅的含量大于99.99Wt%。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝的制造方法，其特征在于步驟③中干燥溫度為20(TC。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝的制造方法，其特征在于首先將50份塊狀高純石英和50份粉狀高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，塊狀料的外形幾何尺寸小于50毫米，粉狀料的顆粒直徑小于5毫米，加水研磨后控制粒徑在70pm8(^m;將漿料取出后進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，放?6小時(shí)后倒入壓力裝置中，輔以3bar壓力將漿料注入石膏模具中，前期注漿輔以輕微震動(dòng)，震動(dòng)頻率為3540次/分鐘，振幅13毫米；于模具中靜放8小時(shí)，使其充分脫水后即進(jìn)行脫模；脫模后放入干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥，干燥溫度在20(TC;將干燥后得到的胚體放入窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中，采用還原性氣氛保護(hù)，燒結(jié)溫度在900°C1400°C，燒結(jié)時(shí)間為50小時(shí)，獲得不透明石英坩堝。全文摘要本發(fā)明提供一種用于多晶硅結(jié)晶的不透明石英坩堝及其制造方法，坩堝呈規(guī)則的方形結(jié)構(gòu)，成分的質(zhì)量比二氧化硅＞99.7Wt％，氧化鋁＜600ppm，氧化鐵＜30ppm。其工藝先將原料高純石英投入造粒設(shè)備中進(jìn)行濕法造粒，粒徑控制在70μm～100μm；再將漿料充分?jǐn)嚢瑁胖?4～48小時(shí)后在2～3bar壓力下注入石膏模具中，前期注漿時(shí)輔以輕微震動(dòng)；繼而靜放5～8小時(shí)，充分脫水后脫模，并在干燥器內(nèi)干燥；最后將胚體放入窯爐內(nèi)燒結(jié)，獲得不透明石英坩堝。該方案采用高純石英材料注漿成型，燒結(jié)出的坩堝內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)非常均勻，具有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性和抗炸裂能力，滿足多晶硅鑄錠生產(chǎn)的工藝要求。文檔編號(hào)C01B33/00GK101348324SQ20081012461公開日2009年1月21日申請(qǐng)日期2008年8月27日優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日發(fā)明者楊艷紅申請(qǐng)人:常熟華融太陽能新型材料有限公司