專利名稱：坩堝及其涂層方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種生產(chǎn)硅料的坩堝。此外，本發(fā)明還涉及ー種應(yīng)用在此坩堝上的涂層方法。
背景技術(shù)：
在光伏太陽能領(lǐng)域和半導體領(lǐng)域，應(yīng)用最多的一種半導體材料是單晶硅/多晶硅材料。單/多晶硅材料的制備方法是通過投入原硅料至ー個坩堝系統(tǒng)中，坩堝一般都使用石英陶瓷坩堝，其主要成分是ニ氧化硅。原硅料先在坩堝內(nèi)熔化為液態(tài)，然后再定向降溫生長出符合要求的単/多晶硅。目前行業(yè)的趨勢是生產(chǎn)尺寸更大的產(chǎn)品，這樣就使生產(chǎn)周期增長，液態(tài)硅料需要長時間和坩堝接觸，不僅容易引入雜質(zhì)影響硅塊的生產(chǎn)質(zhì)量，更會對生產(chǎn)安全造成很大的隱患。以鑄造多晶硅錠為例，鋳造多晶硅錠需要按照一定配比準備好硅料(硅原料和非原硅料)，然后在一個長方體形狀的坩堝中裝入硅料，最后將其投入鑄錠爐中經(jīng)過加熱、熔化、生長、退火、冷卻五個階段，使坩堝中的硅料熔化，然后降溫開始定向生長，最終生產(chǎn)出合格的多晶硅錠。現(xiàn)有技術(shù)中，鑄造ー個600kg的硅錠，整個生產(chǎn)周期大概是70個小時，其中有40-50個小時的時間內(nèi)在坩堝中都是存在這液態(tài)硅，液態(tài)硅長時間直接與坩堝接觸容易與坩堝發(fā)生反應(yīng)，造成粘堝甚至泄露，最終引發(fā)安全生產(chǎn)事故。請參考圖1，圖1為現(xiàn)有技術(shù)中ー種典型坩堝涂層方法的エ序流程圖。目前的坩堝涂層エ藝分為四步:SI 1、將氮化硅(Si3N4)粉末與純水按照質(zhì)量比約為1/4 一 1/5進行稱量，按照上述配比攪拌均勻待用；S12、對坩堝內(nèi)壁進行清潔，確認坩堝內(nèi)壁潔凈后，將坩堝放置在加熱器上，使坩堝的溫度上升至40°C -120°C ；S13、使用之前準備好的涂料在其上噴涂ー層Si3N4，噴涂過程中水分蒸發(fā)掉，在坩堝內(nèi)壁上留下相對致密的氮化硅粉體；S14、將噴涂后的坩堝放入窯爐中，溫度在1000°C以上，整個燒結(jié)周期在24個小時左右。上述坩堝燒結(jié)完成后，等待坩堝冷卻到室溫后在其中裝入硅料，使用叉車將其放入鑄錠爐中，加熱過程中最高溫度可以達到15600C左右，運行大概70個小時左右的時間，產(chǎn)品即生產(chǎn)完畢。上述的坩堝涂層在應(yīng)用中存在以下幾點不足:A、現(xiàn)有技術(shù)所用的氮化硅在常溫下的主要成分a -Si3N4，會在溫度1300°C左右發(fā)生相變，生成3-Si3N4，上述變化使得涂層內(nèi)部出現(xiàn)了不穩(wěn)定性，影響涂層的質(zhì)量，增加硅料粘堝、甚至是泄露的可能性；B、氮化硅涂層本身雖然具有一定的耐高溫能力，但是其熱傳導性能較差，而隨著技術(shù)的進步，使用導熱能力更強的硅料承載器具是行業(yè)發(fā)展的趨勢，這樣可以明顯改善加熱的均勻性，所以坩堝和涂層材料的低熱傳導性不能很好地適應(yīng)生產(chǎn)需要；C、氮化硅為密排六方結(jié)構(gòu)，導致它的硬度較大，氮化硅涂層較為致密，所以脫模效果不理想；而且容易與熔硅發(fā)生潤濕，使得硅料粘結(jié)在涂層上，特別是對于鑄錠領(lǐng)域來講，會給多晶硅錠的生長帶來很大的影響，容易導致硅錠四周因為與坩堝涂層粘連而產(chǎn)生裂紋；D、現(xiàn)有技術(shù)需要對噴涂完畢的涂層進行一次烘烤，費時費力，使得坩堝的使用效率不高，間接影響了硅塊的生產(chǎn)效率。因此，如何提高坩堝的使用效率、硅塊的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種坩堝涂層方法，該涂層方法可以有效提高坩堝的涂層效率，減少坩堝與硅料發(fā)生反應(yīng)的可能。本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述涂層方法制作的坩堝，利用該坩堝可以有效提高硅塊的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種坩堝的涂層方法，其特征在于，包括以下步驟:1)制作涂料，所述涂料中包括六方氮化硼和純水；2)將所述涂料噴涂在所述坩堝的內(nèi)壁；3)將所述坩堝風干。優(yōu)選地，所述涂料中還包括粘合劑。優(yōu)選地，所述粘合劑為硅溶膠或聚乙烯醇。優(yōu)選地，所述制作所述涂料的步驟包括:11)將六方氮化硼與純水攪拌5 12分鐘；12)加入粘合劑繼續(xù)攪拌5 12分鐘。優(yōu)選地，所述六方氮化硼、粘合劑和純水的質(zhì)量比為1:1/5 1/3:3飛。優(yōu)選地，在所述坩堝風干的步驟中，在所述坩堝的頂部設(shè)置蓋板。本發(fā)明還提供一種坩堝，其內(nèi)壁涂有涂層，所述涂層采用如上述任一項所述的涂層方法制作而成。本發(fā)明所提供的坩堝涂層方法，包括以下步驟:1)制作涂料，所述涂料中包括六方氮化硼和純水；2)將所述涂料噴涂在所述坩堝的內(nèi)壁；3)將所述坩堝風干。與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，噴涂在坩堝內(nèi)壁的涂料中包括六方氮化硼，六方氮化硼的分子式為BN，具有白色石墨之稱，具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，有良好的潤滑性、電絕緣性、導熱性和耐化學腐蝕性。化學性質(zhì)穩(wěn)定對所有熔融金屬化學呈惰性，成型制品便于機械加工，有很高的耐濕性。在氮氣壓力下熔點為3000°C，在大氣壓下與2500°C升華。其理論密度為2.29克/立方厘米。莫氏硬度2，抗氧溫度900°C，耐高溫2000°C，在氮和氬中使用熔點為3000°C。在氬氣氣氛下直至2700°C仍是穩(wěn)定的。鑄錠爐是在氬氣氣氛下運行的，運行過程中的最高溫度可以達到1560°C，氮化硼是化學惰性的材料，在氬氣氣氛下直至2700°C仍是穩(wěn)定的。因此，坩堝與氮化硼反應(yīng)的可能性很小，硅料不易粘鍋，發(fā)生泄露的可能性明顯降低，硅料生產(chǎn)時的安全可罪性得到提聞。同時，六方氮化硼涂層與液硅的潤濕性很差，在承載液態(tài)硅的情況下不易與硅料產(chǎn)生粘連，另外由于六方氮化硼本身具有良好的潤滑性，這使得硅錠脫模良好。而且，六方氮化硼除了具有良好的熱穩(wěn)定性之外，還具有優(yōu)良的熱傳導性，使用本發(fā)明的氮化硼涂層可以明顯使硅錠生長中的熱傳導更加均勻，改善硅錠的內(nèi)在品質(zhì)。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述涂料中還包括粘合劑，在涂料中加入粘合劑，可以使涂層結(jié)合的更加致密，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)可以省去涂層燒結(jié)的過程，僅通過通風干燥就可以使涂料中的水分蒸發(fā)，省去了焙烤的過程，干燥要求低，效率高，節(jié)約人力物力。在另ー種優(yōu)選的實施方式中，在所述坩堝風干的步驟中，在所述坩堝的頂部設(shè)置蓋板。蓋板可以有效隔離雜質(zhì)，避免外界粉塵等雜質(zhì)污染涂層，有利于保持涂層質(zhì)量，進而保護硅料生產(chǎn)時的質(zhì)量。在提供上述坩堝的涂層方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提供ー種包括利用上述涂層方法制作的坩堝；由于涂層方法具有上述技術(shù)效果，采用該涂層方法噴涂的坩堝也具有相應(yīng)的技術(shù)效果。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中ー種典型坩堝涂層方法的エ序流程圖；圖2為本發(fā)明所提供坩堝涂層方法第一種具體實施方式
的エ藝流程圖；圖3為本發(fā)明所提供坩堝涂層方法第三種具體實施方式
的エ藝流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的核心是提供一種坩堝涂層方法，該涂層方法可以有效提高坩堝的涂層效率，減少坩堝與硅料發(fā)生反應(yīng)的可能。本發(fā)明的另ー核心是提供一種利用上述涂層方法制作的坩堝，利用該坩堝可以有效提高硅塊的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步的詳細說明。需要說明的是，本發(fā)明主要應(yīng)用于制備單晶硅/多晶硅領(lǐng)域中，下文以鑄造多晶娃錠為例來進行介紹。另外，本說明書中將提到兩個術(shù)語，為了便于讀者理解，對此術(shù)語進行解釋。潤濕性:固體的潤濕性用潤濕角表示，當液滴滴在固體表面吋，潤濕性不同可出現(xiàn)不同形狀，潤濕性越好表示液體越容易和固體發(fā)生粘連，兩者之間的相互作用越大。潤濕角:液滴在固液接觸邊緣的切線與固體平面間的夾角稱為潤濕角。潤濕角最小為0°，最大為180°。潤濕角越小，則潤濕性越好。請參考圖2，圖2為本發(fā)明所提供坩堝涂層方法第一種具體實施方式
的エ藝流程圖。在第一種具體的實施方式中，本發(fā)明所提供的坩堝涂層方法，包括以下步驟:S21、制作涂料，所述涂料中包括六方氮化硼和純水；S22、將所述涂料噴涂在所述坩堝的內(nèi)壁，噴涂過程中坩堝溫度控制在50 0C -100で之間；S23、將所述坩堝風干。噴涂在坩堝內(nèi)壁的涂料中包括六方氮化硼，六方氮化硼的分子式為BN，具有白色石墨之稱，具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，有良好的潤滑性、電絕緣性、導熱性和耐化學腐蝕性。化學性質(zhì)穩(wěn)定對所有熔融金屬化學呈惰性，成型制品便于機械加工，有很高的耐濕性。在氮氣壓力下熔點為3000°C，在大氣壓下與2500°C升華。其理論密度為2.29克/立方厘米。莫氏硬度2，抗氧溫度900°C，耐高溫2000°C，在氮氣和氬氣中使用熔點為3000°C。鑄錠爐是在氬氣氣氛下運行的，運行過程中的最高溫度可以達到1560°C，氮化硼是化學惰性的材料，在氬氣氣氛下直至2700°C仍是穩(wěn)定的。因此，坩堝與氮化硼反應(yīng)的可能性很小，硅料不易粘鍋，發(fā)生泄露的可能性明顯降低，硅料生產(chǎn)時的安全可靠性得到提高。同時，六方氮化硼涂層與液硅的潤濕性很差，在承載液態(tài)硅的情況下不易與硅料產(chǎn)生粘連，另外由于六方氮化硼本身具有良好的潤滑性，這使得硅錠脫模良好。而且，六方氮化硼除了具有良好的熱穩(wěn)定性之外，還具有優(yōu)良的熱傳導性，使用本發(fā)明的氮化硼涂層可以明顯使硅錠生長中的熱傳導更加均勻，改善硅錠的內(nèi)在品質(zhì)。在第二種具體的實施方式中，上述涂料中還可以包括粘合劑，在涂料中加入粘合齊U，可以使涂層結(jié)合的更加致密，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)可以省去涂層燒結(jié)的過程，僅通過通風干燥就可以使涂料中的水分蒸發(fā)，省去了焙烤的過程，干燥要求低，效率高，節(jié)約人力物力，提高生產(chǎn)硅料的生產(chǎn)效率。具體地，上述的粘合劑可以是硅溶膠，也可以是聚乙烯醇；質(zhì)量比按照I份六方氮化硼粉末，配比3至5份純水，1/5份1/3份的粘結(jié)劑。按照此配比配置的涂料粘稠度適當，既保證了六方氮化硼粉體均勻分散在涂料中，同時避免涂料中水分多導致噴涂時間過長，降低生產(chǎn)效率。要在保證涂層結(jié)合致密的前提下盡量減少粘結(jié)劑的用量，以避免粘結(jié)劑影響涂層的導熱性、潤濕性以及涂層的純凈度。單個坩堝噴涂視不同坩堝的大小不同，需要使用此涂料2000g至5000g。進一步地，上述的純水要求電阻率在13MQ*cm以上，以避免水中的離子污染涂層；六方氮化硼純度在99%以上，以便減少雜質(zhì)引入，粒度要求在200目左右，使涂料顆粒度均勻，大小適中，以提高涂層的致密度，進而提高涂料的質(zhì)量。請參考圖3，圖3為本發(fā)明所提供坩堝涂層方法第三種具體實施方式
的工藝流程圖。在第三種具體的實施方式中，本發(fā)明所提供的涂層方法包括以下步驟:S31、將六方氮化硼與純水攪拌5 12分鐘，優(yōu)選為10分鐘，進行高速充分攪拌，使六方氮化硼與水充分混合在一起；S32、加入粘合劑繼續(xù)攪拌5 12分鐘，優(yōu)選為10分鐘，也進行高速充分攪拌，使粘合劑與六方氮化硼和水充分混合在一起，形成可以使用的涂料；S33、將所述涂料噴涂在所述坩堝的內(nèi)壁，噴涂過程中坩堝溫度控制在50 0C -100。。之間；S34、將所述坩堝風干。此步驟中，可以在所述坩堝的頂部設(shè)置蓋板。蓋板可以有效隔離雜質(zhì)，避免外界粉塵等雜質(zhì)污染涂層，有利于保持涂層質(zhì)量，進而保護硅料生產(chǎn)時的質(zhì)量。經(jīng)過風干的坩堝即可以用于裝載硅原料，投入生產(chǎn)。鑄錠爐是在氬氣氣氛下運行的，運行過程中的最高溫度可以達到1560°C，氮化硼是化學惰性的材料，在氬氣氣氛下直至2700°C仍是穩(wěn)定的。因此，坩堝與氮化硼反應(yīng)的可能性很小，硅料不易粘鍋，發(fā)生泄露的可能性明顯降低，硅料生產(chǎn)時的安全可靠性得到提高。同時，六方氮化硼涂層與液硅的潤濕性很差，在承載液態(tài)硅的情況下不易與硅料產(chǎn)生粘連，另外由于六方氮化硼本身具有良好的潤滑性，這使得硅錠脫模良好。
而且，六方氮化硼除了具有良好的熱穩(wěn)定性之外，還具有優(yōu)良的熱傳導性，使用本發(fā)明的氮化硼涂層可以明顯使硅錠生長中的熱傳導更加均勻，改善硅錠的內(nèi)在品質(zhì)。這樣，本發(fā)明所提供的涂層方法既可以減少坩堝與液態(tài)硅料的粘連和滲透，充當ー個保護層的作用，防止液態(tài)硅料腐蝕坩堝，而且可以起到潤滑和脫模的作用，有利提高硅料的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在一種優(yōu)選的實施方式中，在上述坩堝風干的步驟中，可以在所述坩堝的頂部設(shè)置蓋板。蓋板可以有效隔離雜質(zhì)，避免外界粉塵等雜質(zhì)污染涂層，有利于保持涂層質(zhì)量，進而保護硅料生產(chǎn)時的質(zhì)量。除了上述涂層方法，本發(fā)明還提供ー種利用上述涂層方法噴涂的坩堝，該坩堝其他各部分的結(jié)構(gòu)請參考現(xiàn)有技術(shù)，本文不再贅述。以上對本發(fā)明所提供的坩堝及其涂層方法進行了詳細介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種坩堝的涂層方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)制作涂料，所述涂料中包括六方氮化硼和純水； 2)將所述涂料噴涂在所述坩堝的內(nèi)壁； 3)將所述坩堝風干。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坩堝的涂層方法，其特征在于，所述涂料中還包括粘合剤。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的坩堝的涂層方法，其特征在于，所述粘合劑為硅溶膠或聚こ烯醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的坩堝的涂層方法，其特征在于，所述制作所述涂料的步驟包括: 11)將六方氮化硼與純水攪拌5 12分鐘； 12)加入粘合劑繼續(xù)攪拌5 12分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的坩堝的涂層方法，其特征在于，所述六方氮化硼、粘合劑和純水的質(zhì)量比為1:1/5 1/3:3 5。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的坩堝的涂層方法，其特征在于，在所述坩堝風干的步驟中，在所述坩堝的頂部設(shè)置蓋板。
7.一種坩堝，其內(nèi)壁涂有涂層，其特征在于，所述涂層采用如權(quán)利要求1-6任一項所述的涂層方法制作而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種坩堝及其涂層方法，公開的涂層方法包括以下步驟制作涂料，涂料中包括六方氮化硼和純水；將涂料噴涂在坩堝的內(nèi)壁；將坩堝風干。坩堝與六方氮化硼反應(yīng)的可能性很小，硅料不易粘鍋，發(fā)生泄露的可能性明顯降低，硅料生產(chǎn)時的安全可靠性得到提高。同時，涂層與液硅的潤濕性很差，在承載液態(tài)硅的情況下不易與硅料產(chǎn)生粘連；另外由于六方氮化硼本身具有良好的潤滑性，這使得硅錠脫模良好；而且，使用本發(fā)明的涂層可以明顯使硅錠生長中的熱傳導更加均勻，改善硅錠的內(nèi)在品質(zhì)。因此，該涂層方法既可以減少坩堝與液態(tài)硅料的粘連和滲透，充當一個保護層的作用，而且可以起到潤滑和脫模的作用，有利提高硅料的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
文檔編號B05D7/24GK103084325SQ20131003905
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者王悅, 劉華, 王玉卓, 龐海濤, 任建華 申請人:天津英利新能源有限公司