CN102648165A - 用于生产石英玻璃坩埚的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于生产石英玻璃坩埚的方法，该坩埚具有安排成多边形并与一个平坦的底部(18)相连的多个侧壁(19)，制造该坩埚的方式为：在围绕一条纵轴线旋转的一个熔融模具(1)中用SiO₂微粒在一个模口(13)周围形成一个微粒层(15)、并且在取出该模口(13)之后借助一个热源(5，6，12)使其局部地熔化。为了能够由此出发制造出具有高尺寸稳定性的、有价值的坩埚，尤其是石英玻璃的太阳能坩埚，根据本发明提出了以如下方式来制造该底部(18)：由SiO₂微粒形成一个微粒层(11，22)并将其热致地或机械地固定到一个底板(17，27)上并且在该熔融模具(1)中对该固定的底板(17，27)配备这些侧壁(19)。

Description

用于生产石英玻璃坩埚的方法

说明书

本发明涉及一种用于生产石英玻璃坩埚的方法，该坩埚具有安排成多边形并与一个平坦的底部相连的多个侧壁，制造该坩埚的方式为：在围绕一条纵轴线旋转的一个熔融模具中用SiO₂微粒在一个模口(Formwerkzeug)周围形成一个环形的微粒层、并且在取出模口之后借助一个热源使其局部地熔化。

在生产多晶太阳能硅块时使用具有矩形形状的、石英玻璃的熔融坩埚，在此将其称为太阳能坩埚。

技术背景

太阳能坩埚一般通过一种陶瓷的流铸工艺由非晶SiO₂微粒来生产。在此将SiO₂颗粒分散在水中、铸造成一种带有吸气壁的形式、或者沉积在多孔塑料隔膜上，并且将如此获得的SiO₂生坯干燥并且烧结成太阳能坩埚。

SiO₂微粒的烧结典型地在低于方石英的转化温度的一个温度下进行，这防止了使用高价的、晶体的石英砂微粒。适当的非晶微粒必须通过熔化晶体原料并随后将其粉碎而以昂贵的方式进行制造。所获得的是一种多孔的、开孔的壁。为了避免结晶的硅与坩埚内壁相连(这可能使取出硅块更困难并造成开裂)，一般为该坩埚内壁配备有一个Si₃N₄层用作分离层。

为了实现太阳能硅的尽可能高的有效程度，在结晶过程中要尽可能避免来自坩埚材料的金属杂质的进入。在此，不仅该太阳能坩埚、而且该Si₃N₄层也要以尽可能纯的起始物质来制造。

在DE 101 14 484 A1中提出了一种用于由复合材料来生产太阳能坩埚的流铸工艺，该复合材料仅由合成的非晶起始物质制成并且只具有无晶体成分的封闭的孔。

然而，用于生产这种复合材料的合成的起始物质是特别贵的。

流铸工艺中的其他问题尤其是由生坯在干燥和烧结时的收缩造成的。可能出现收缩开裂并且组件的尺寸稳定性常常是很低的。干燥收缩还使得通过所谓的内芯铸造来生产太阳能坩埚更加困难，其中是将浆料铸造在一个矩形内芯周围，在干燥之后将其移走。由于干燥时的收缩，生坯向内芯收缩并且由此开裂，或者不能够在不损伤生坯的情况下将该内芯从生坯上取出。因此，根据这一工艺生产的太阳能坩埚构成为锥形，由此保证了可脱模性。但是由此在应用时产生了大量的多晶硅脱落，因为这些熔融块必须被拉直(begradigt)。

一个属类的用于生产矩形石英玻璃坩埚的方法从JP 58-08829 A中是已知的。其中提出，在一个熔融模具中加入一个矩形铸造内芯，该铸造内芯具有一个底部和四个被安排成正方形的侧壁。铸造内芯的这些部分与多个移动元件相连，这些移动元件可弯曲地安置在一个中央轴上。通过推动这些移动元件，可以按与雨伞类似的方式将该铸造内芯向内翻折(eingeklappt)。该中央轴与熔融模具的底部相连。在向外翻折(ausgeklappten)的状态下，该熔融模具的内壁、侧壁与铸造内芯的底部之间留有一个空隙，将这个空隙用石英玻璃粉末填充。此后将该模具与整个铸造内芯一起旋转，使得石英玻璃粉末在离心力作用下压迫在熔融模具的壁上。在高到足够稳定该粉末层的离心力下，将铸造内芯翻折到一起(zusammengeklappt)，并且将借助离心力而稳定的石英玻璃粉末层通过引入一种电弧或气体火焰而进行烧结。以这种方式，获得了一种具有均匀壁厚的矩形的石英玻璃坩埚。

然而，已经显示出，为了稳定石英玻璃粉末层所需要的离心力是如此之大，使得这个形成底部的微粒层变形，从而使得该微粒层在中央区域比在外围区域显著更薄。

技术目的

因此，本发明的基本目的在于：提出一种能够制造高价值的、具有多边形底面的石英玻璃坩埚的方法，尤其是能够制造高价值的、具有高的尺寸稳定性的太阳能坩埚的方法。

这个目的是从根据本发明的上述方法出发而实现的，其中制造该底部的方式为由SiO₂微粒形成一个微粒层、将这个微粒层以热或机械的方式固定到一个底板上、并且在该熔融模具中给该固定的底板配备侧壁。

在根据本发明的方法中所提供的是：首先制造一个底板，然后在一个分离的工艺步骤中将其与壁相连。借此可以单独地优化生产该底板时以及生产侧壁时的工艺参数。尤其是在生产该底板时例如不需要保证模具的旋转，在其他情况下这种模具旋转对于生产这些用于固定竖直微粒层的侧壁是必需的或者是有帮助的。

底部的生产包括由SiO₂微粒构成一个具有均匀或不均匀的厚度的微粒层。将其固定到平坦的底板上，其中这种固定是通过对该微粒层施加压力和/或通过加热该微粒层进行的。在加热时，该微粒层完全熔化为透明的或不透明的石英玻璃，或者通过短时间地加热该微粒层或通过在较低温度加热(例如在低于1000℃)将该微粒层仅烧结为一种多孔的模具部件。在此重要的是，该底板具有一种机械稳定性，这种机械稳定性防止了其几何形状在后续与这些侧壁相连接时发生显著的变化。

这种底板的生产在该熔融模具中进行，在其中还制造这些侧壁、或者在另一个模具中制造这些侧壁。底板与侧壁的连接在该熔融模具中进行。此处，在该熔融模具中，将SiO₂微粒层填积在该底板上或该底板周围，其中在微粒熔化时该微粒层与该底板相连接；或者该底板与预先固定的侧壁相连接。此处同时将一个仅预先密封的底板熔化成不透明或透明的石英玻璃。

一个优点在于：如此生产的坩埚的这些侧壁不需要锥形的构造即可从模具上取下，从而消除了在其他情况下常见的、由于打磨该锥形硅块而导致的材料脱落。

在一种优选的方法变体中提出在该熔融模具中进行该底板的生产，其中该底部微粒层是在该熔融模具的一个底部区域中制成并且在应用一个热源的情况下被热固定到该底板上。

在此，首先在熔融模具的底部制造一个SiO₂微粒层，并且随后将其在使用电弧、激光器或燃烧器火焰的情况下以热致的方式完全地固定或者至少如下地固定：使得消除了在后续的工艺步骤中所固定的底板的几何形状上的显著变化、并且即便在快速旋转该熔融模具以生产这些侧壁时仍是如此。对此有利的是，在使用一个热源而不旋转或慢速旋转该熔融模具的前提下进行一种对底部颗粒层的预先的热固定或密封。在某些情况下这种旋转慢得消除了SiO₂微粒在离心力作用下向外的明显传质作用。

随后为了生产侧壁，将微粒层填充到该熔融模具中，并且在旋转该熔融模具的情况下且在离心力的作用下将微粒层机械地固定到该熔融模具的壁上，从而使得无论是否进一步旋转该熔融模具都可以取出该模块，而不会使微粒层坍塌到一起。随后在形成侧壁的情况下通过热源将该微粒层熔化并且由此同时将其与预固定的底板相连接。

在一个替代性的且同样优选的方式中提出，底板的生产是在一个与该熔融模具在空间上分离的底板模具设备中进行的，其中在该底板模具设备中制成了该底部微粒层并且随后将其机械地或热致地固定到底板上。

在此，在该底板模具设备中制成了一个SiO₂微粒层并且随后将其通过电弧、燃烧器火焰或激光器固定到底板上。为了进行与这些侧壁的连接，随后将固定且密封后的底板安置到该熔融模具中。为了这个目的，以下的一种对底板的固定或密封就足够了：该固定或密封保证了在生产侧壁时随后的、熔融模具的快速旋转不再能够造成该底板显著的空间变形。底板的完全密封在该底板模具设备或在该熔融模具中进行。

这种方式的一个特别的优点在于，底部微粒层的固定可以在一种为此目的而特别优化的且相匹配的底板模具设备中进行。该底板模具设备尤其具有尽可能小的自由表面，在固定底部微粒层时这个自由表面将被氧化性的气氛攻击。

使用非晶的或晶态的微粒作为SiO₂微粒，能够以松散的形式或者还能够作为所谓的压实物料而存在。优选采用的是含有晶态的石英原料的SiO₂微粒，其中该微粒的熔化是在至少1900℃的温度下进行。

在此采用的是来自晶态的、天然来源的石英的或者来自合成制造的石英晶体的SiO₂微粒。由于高的熔化温度，这造成了晶体的熔化以及向非晶形式(石英玻璃)的相转变。可靠地避免了方石英的形成。

优选地该SiO₂微粒含有天然来源的石英砂。此类的石英砂是昂贵的、但是具有相对低的纯度。然而，由于在熔化微粒时的高温度，这通过杂质(例如像碱金属)的蒸发造成一定程度的纯化作用，并且尤其是在坩埚的内壁区域上，在该区域中在规定的

用量下这些杂质本可能是非常不利的。因此，对SiO₂微粒纯度的要求比在仅烧结的坩埚的情况下要低，这造成在生产工艺上的进一步的成本降低。

通过这种熔融工艺，获得了具有光滑的、火致玻璃化的(feuerglasierte)表面的一种坩埚内壁。因此可以取消内表面的一种昂贵的Si₃N₄涂层(如在仅烧结的太阳能坩埚的情况下所要求的)。这也有助于降低成本。

已经证明有益的是，该SiO₂微粒包括碎裂的微粒。

碎裂的微粒有助于微粒层内的一定程度的啮合作用并且提前将其稳定。此外在熔化时这还产生了相对小的收缩。

在生产底板时通过采用电弧来进行底部微粒层的密封的情况下，已经证明有用的是制造一种底部微粒层，其在中间部分所具有的密度大于在边缘处。

当借助于施加在中间部分的电弧来熔化底部微粒层时，由于高的发射功率，这造成了在底部的中间区域中的微粒材料的蒸发，尤其是在SiO₂的情况下。此外，该电弧压力可能源自微粒的吹炼。因为电弧实质上是施加在底板的中间，这造成底部中间的质量损失以及从中间到边缘的传质，这是通过所述的手段至少部分地进行补偿的。以这种方式获得了一种底板，该底部在中间具有实质上与在边缘一样的厚度。

此外，已经证明有益的是，至少在生产侧壁时采用一种带有多孔壁的真空熔融模具。

由此可以在熔融工艺过程中在SiO₂层处设置真空，这有助于熔融时间的缩短、生产工艺的进一步的成本降低、以及坩埚的更高的可重制性。此外，在熔化底部微粒层时的真空在制造底板方面也有促进作用。

与之相关地，已经证明有用的是，该真空熔融模具在边沿区域中具有比在平面区域中更高的透气性。

在熔化时，SiO₂微粒层在该熔融模具的边沿和角落中经受更低的温度。在这些远离电弧的区域中，该熔融模具更高的透气性使得能够设置更强的真空(更高的负压)并有助于微粒的更容易的熔化。

实施例

以下借助实施例和附图来详细说明本发明。这些附图各自以示意图示出了：

图1作为根据本发明所述的方法的第一个实施方案、用于生产太阳能坩埚的第一个方法步骤，在真空熔融模具中生产一个底板；

图2作为根据本发明所述的方法的第二个实施方案、用于生产太阳能坩埚的第一个方法步骤，在真空熔融模具中生产一个底板；

图3从根据图2的熔融模具取出之后的底板；

图4在真空熔融模具中，在根据图1或图3的底板上生产侧壁微粒层；

图5熔化该侧壁微粒层以生产侧壁并且将其与根据图4的底板进行熔融连接。

生产底板

实例1

根据图1的真空熔融设备包括一个矩形截面的熔融模具1，该熔融模具可以围绕一条旋转轴线2旋转。熔融模具1的这些壁10和底部9由多孔石墨组成，如由开口16示出的。于是熔融模具1的内部空间是可抽空的，并且熔融模具1连接在一个(在图中未示出的)真空装置上。石墨熔融模具1的多孔的底部和侧壁在边沿和角落的区域中显示出了比在中央的平面区域中更高的透气性。在内部空间中，熔融模具1的正方形底部9的边长为30cm，并且各自以正方形安排的侧壁10具有50cm的高度。

在熔融模具1的内部空间中，石墨电极5、6伸出，这些电极在所有的空间方向上都是可移动的并且可以在其间点燃一个电弧12。熔融模具1的开放的顶侧被一个处于水冷的金属板形式的热屏障7所覆盖，该热屏障可以在熔融模具1上方水平移动并且具有一个通孔，穿过该通孔可以将电极5、6伸入熔融模具1中。热屏障7配备有一个用于保护性气体(氮气)的、可封闭的进气管8。在熔融模具1与热屏障7之间保留有一个排气空隙。

根据本发明在使用图1所示的熔融模具1的前提下，用于太阳能坩埚的石英玻璃底板的生产将在以下进行详细说明。

在第一个方法步骤中，将来自天然来源的且借助热氯化而纯化的石英砂的晶态微粒以从90μm到315μm的粒径范围填入缓慢旋转的熔融模具1中。在此该微粒是通过磨碎而获得的碎裂颗粒，且其突出之处在于高的堆积密度。

被倾倒在熔融模具1的底部9上的底部微粒层11具有约5cm的中间密度，并且其密度从中间到边缘略微降低。

电极5、6向下在朝微粒层11的方向上下降，并且在其间在氮气的保护气氛中点燃了一个电弧12，并且熔融模具1以5U/min的很小的速度围绕其纵向轴线2旋转。将底部微粒层11加热到高于1900℃的温度并使其熔化，直至将在表面区域中的石英颗粒如下地固定：这些颗粒在提高的旋转速度下在后续的方法步骤中不再能够向外运动。

氮气氛围防止了熔融模具1的、未被石英砂覆盖且因此完全未受保护的侧壁10发生氧化。微粒层11的中间较高的层密度用于平衡由电弧压力造成的微粒的向外传质。

以此方式获得了一种平坦的、厚度大致均匀的底板17(见图2)，其厚度为大约1cm并且由一个部分玻璃化的(teilverglaste)、相关联的表面层组成，在该表面层的底侧还另外地粘附有松散的石英砂或部分玻璃化的微粒。原始微粒层11的一部分留在熔融模具1的底部。

实例2

在图2和3中示出的用于生产太阳能坩埚底板的方式中，使用了一种分离的底板模具设备21。

将石英砂的微粒层，如借助实例1所说明的，引入一个石墨制成的模具设备21的接收部中，该接收部具有与图1的熔融模具的底部9相同的边长。然而，与其不同的是，模具设备21的侧壁低得几乎完全被微粒层22所覆盖。石英砂微粒层22具有5cm的厚度，并且在模具设备21围绕其旋转轴线23的缓慢旋转(5U/min)下、在使用CO₂激光器24时在表面上玻璃化。

将表面上玻璃化的、正方形的底板27从模具设备21中取出并且在图3中示意地示出了。它具有8mm的厚度和30cm的边长。它由一个部分玻璃化的且相关联的表面层28组成，在其底侧上还另外地粘附有松散的石英砂或部分玻璃化的微粒29。原始石英砂微粒层22的一部分留在熔融模具1的底部。

这个方式具有的优点是，熔融模具21的侧壁显示了更少的自由表面，这些自由表面在加热而生产底板27时可能被腐蚀。

随后将底板27引入熔融模具1中并且对其配备多个侧壁，如在下面详细说明的。

生产侧壁并且与底板相连

将一个中间悬吊的、可旋转的正方形模口13居中地引入熔融模具1中并且放置在底板17；27上。在熔融模具1与模口13之间保留有一个矩形的环状空隙。如在图4中所示的，在空隙14中填入与生产底板17；27所使用的石英砂微粒相同的石英砂微粒。

被倾倒在底板17；27上的竖直的微粒层15几乎完全填充了该环状空隙并且于是在后续的熔融过程中保护了熔融坩埚1的内壁。

在填充该空隙之后，将熔融模具1同模口13一起进行旋转并且向上拉出模口13。在此的旋转速度为90U/min并且该速度保证了竖直的微粒层15由于离心力而保持静止。

图5示意性示出了在取出模口13之后，将电极5、6重新引入熔融模具1的内部空间中。在其间点燃了一个电弧12，并且从坩埚内侧开始将用于侧壁的微粒层15加热到大于2000℃的高温并使该微粒层熔化为石英玻璃。同时在熔融模具的外侧设置一个真空，这个真空能够使侧壁无气泡或少气泡地进行玻璃化并有助于实质上缩短这个过程的时间。在此这同时造成了侧壁与底板17；27的熔融连接。

电弧12的高温用于蒸发碱类，从而造成在接近表面的区域中侧壁的一定程度的纯化。

获得了具有正方形底部18和垂直的、被安排成正方形式的多个侧壁19的一种太阳能坩埚。底部(内部空间)的边长为30cm，侧壁的高度为45cm，最终的底部厚度为15mm，而侧壁的中间壁厚为12mm。

这种太阳能坩埚的突出之处在于具有光滑的、密封的、火致玻璃化的表面的一种电弧熔融的坩埚内壁，这样使得可以取消如在传统太阳能坩埚中那样的昂贵的Si3N4涂层。由于所提及的杂质蒸发，虽然使用了天然的石英砂微粒，但该坩埚内壁仍获得了较高的纯度。

Claims (9)

1.一种用于生产石英玻璃坩埚的方法，该坩埚具有安排成多边形的并且与一个平坦底部(18)相连的多个侧壁(19)，这些侧壁是以如下方式制造的：在围绕一条纵轴线(2)旋转的一个熔融模具(1)中由SiO₂微粒在一个模口(13)周围形成一个微粒层(15)并且在取出该模口(13)之后借助一个热源(5；6；12)局部地熔化该微粒层，其特征在于，该底部(18)是以如下方式制造的：由SiO₂微粒形成一个底部微粒层(11；22)并将该底部微粒层热致地或机械地固定到一个底板(17；27)上并且在该熔融模具(1)中对该固定的底板(17；27)配备这些侧壁(19)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在该熔融模具(1)中进行该底板(17)的生产，其中该底部微粒层(11)是在该熔融模具(1)的一个底部区域(9)中制造的并且在采用该热源(5；6；12)的前提下被热致地固定到该底板(17)上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该底板(27)的生产是在一个与该熔融模具(1)在空间上分离的底板模具设备(21)中进行的，其中在该底板模具设备(21)中制造该底部微粒层(22)并且随后将该底部微粒层机械地或热致地固定到该底板(27)上。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用的是含有晶态的石英原料的SiO₂微粒，其中该SiO₂微粒的熔化是在至少1900℃的温度下进行。

5.根据以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，该SiO₂微粒层含有天然来源的石英砂。

6.根据以上权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，该SiO₂微粒层含有碎裂的颗粒。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，制造了一种底部微粒层(11)，该底部微粒层在中间所具有的厚度大于在边缘处的厚度，并且该底部微粒层(11)的密封是在采用一个电弧(12)的前提下进行的。

8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少在制造这些侧壁(19)时使用了一种具有多个多孔壁(9；10)的真空熔融模具(1)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该真空熔融模具(1)具有透气性更高的远离电弧的区域以及透气性更低的接近电弧的区域。

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