CN109267148A - 一种石英坩埚及其石英坩埚多次涂层的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石英坩埚及其石英坩埚多次涂层的工艺方法，包括气泡复合层、透明层和涂层，涂层包括第一涂层和第二涂层，气泡复合层、透明层、第一涂层与第二涂层从外至内依次设置，在石英坩埚透明层表面涂覆一层钡溶液；在直拉单晶取段复投阶段加入碳酸钡，碳酸钡进入坩埚后位于石英坩埚的R角处。本发明的有益效果是使得石英坩埚结构简单，使用方便，便于直拉单晶时使用，具有碳酸钡涂层，减少硅溶液对石英坩埚的内壁的腐蚀，提高石英坩埚的使用寿命。

Description

一种石英坩埚及其石英坩埚多次涂层的工艺方法

技术领域

本发明属于直拉单晶技术领域，尤其是涉及一种石英坩埚及其石英坩埚多次涂层的工艺方法。

背景技术

现有的拉晶用石英坩埚由两个部分构成，外侧是一层具有高气泡密度的区域为气泡复合层和内侧是3-5mm的透明层，从而改善单晶成晶率及品质。但是，由于硅在熔融状态下具有高度的化学活泼性，它会与石英坩埚发生反应，即SiO2+Si→2SiO，这期间，产生的氧化硅进入熔硅内，使得正在生长中的晶体结构发生改变，产生位错，从而影响单晶成晶，使得单晶质量差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明要解决的问题是提供一种石英坩埚及其石英坩埚多次涂层的工艺方法，尤其适合直拉单晶过程中使用，具有硅酸钡结构，能够减少硅溶液对石英坩埚的腐蚀，增强石英坩埚的强度，减少受热变形，提高其使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种石英坩埚，包括气泡复合层、透明层和涂层，涂层包括第一涂层和第二涂层，气泡复合层、透明层、第一涂层与第二涂层从外至内依次设置。

进一步的，第一涂层为碳酸钡。

进一步的，第二涂层为硅酸钡。

进一步的，气泡复合层与透明层的厚度之和不变。

进一步的，气泡复合层的石英砂纯度小于透明层石英砂纯度。

进一步的，透明层石英砂纯度为99.9999％。

一种石英坩埚多次涂层的工艺方法，包括以下步骤，

步骤一：在石英坩埚透明层表面涂覆一层钡溶液；

步骤二：在直拉单晶取段复投阶段加入碳酸钡，碳酸钡进入坩埚后位于石英坩埚的R角处。

进一步的，步骤二中投入碳酸钡的装置为复投筒，碳酸钡位于距离复投筒底部1/3-1/2处。

进一步的，碳酸钡的重量为2-5g。

进一步的，钡溶液为氢氧化钡饱和溶液。

本发明具有的优点和积极效果是：

由于采用上述技术方案，使得石英坩埚结构简单，使用方便，便于直拉单晶时使用，具有碳酸钡涂层，减少硅溶液对石英坩埚的内壁的腐蚀，提高石英坩埚的使用寿命；

在直拉单晶过程中，碳酸钡分解形成氧化钡，与石英坩埚内壁的透明层发生反应生成硅酸钡，该硅酸钡涂层为一层致微小的方石英结晶，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，增强石英坩埚的强度，减少其受热变形，同时提高了石英坩埚的使用寿命，进而提高了直拉单晶的产量；

在直拉单晶取段复投的过程中，补加碳酸钡，补充石英坩埚内壁脱落的硅酸钡涂层，以此减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，提高石英坩埚的使用寿命，增强石英坩埚的强度，减少其受热变形，进而提高直拉单晶的产量，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的一实施例的结构示意图。

图中：

1、气泡复合层 2、透明层 3、涂层

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1示出了本发明一实施例的结构示意图，具体示出了本实施例的结构，本实施例涉及一种提高单晶炉投料量的石英坩埚，用于直拉单晶时使用，该石英坩埚具有多层结构，能够在直拉单晶过程中，在石英坩埚埚壁上形成一层致密微小的方石英结晶，增强坩埚的使用寿命，阻止硅溶液对石英坩埚的腐蚀，提高直拉单晶的成晶率，同时增强了石英坩埚的强度，提高直拉单晶生产的产能。

上述的一种提高单晶炉投料量的石英坩埚，包括气泡复合层1、透明层2和涂层3，气泡复合层1、透明层2和涂层3由外至内依次设置，其中，涂层3包括第一涂层和第二涂层，气泡复合层1、透明层2、第一涂层与第二涂层从外至内依次设置，也就是，该石英坩埚包括气泡复合层1、透明2、第一涂层和第二涂层四层结构，该四层结构从外至内依次设置，该气泡复合层1是一层具有高气泡密度的区域层，设置气泡复合层1作用是均匀的辐射由加热器所提供的辐射热源，该透明层2是具有一定厚度的透明层，透明层2的作用是降低与溶液接触区域的气泡密度，第一涂层为一含钡涂层，该第一涂层的作用是减少坩埚内的硅溶液对坩埚内壁的腐蚀，第二涂层为一层致密微小的方石英结晶，第二涂层的作用是减少坩埚内的硅溶液的腐蚀，增强坩埚的使用寿命，同时，该第二涂层能够增强石英坩埚的强度，延长石英坩埚的使用寿命。

具体地，该石英坩埚为碗状结构，包括上部结构和底部结构，上部结构的一端与底部结构固定连接，这里，上部结构与底部结构的固定连接方式优选为一体成型，结构稳定，不易变形，便于直拉单晶时使用，且上部结构与下部结构连接处具有一定角度的R角。这里，上部结构为内部有空腔的圆柱体结构，下部结构为向内凹陷的凹槽结构，上部结构的空腔和底部结构的凹槽构成的内部空间为该石英坩埚盛装硅溶液的空间，多晶硅料放置于该石英坩埚中，通过直拉单晶炉的加热器对多晶硅料进行加热，使得多晶硅料熔融，通过引晶、缩径、转肩、扩肩、等径、收尾等工序进行单晶硅棒的拉制。

该上部结构为内部有空腔且上下开口的圆柱形结构，该圆柱形侧壁包括由外至内依次设置气泡复合层1、透明层2、第一涂层和第二涂层，气泡复合层1和透明层2通过注浆、脱模、烧制等工序进行制作，以此形成碗状的具有气泡复合层1和透明层2的石英坩埚，气泡复合层1和透明层2均由石英砂制作而成，且透明层2的石英砂纯度大于气泡复合层1的石英砂纯度，透明层2的石英砂的纯度大于99.9999％，为高纯石英砂，减少石英坩埚透明层的杂质，进而减少石英坩埚在进行直拉单晶时造成进入单晶的杂质，避免由于石英坩埚杂质过多而影响单晶的电阻率，该透明层2的厚度为3-5mm，优选的，该透明层2的厚度为4mm，便于降低与溶液接触区域的气泡密度。上部的透明层2和气泡复合层1的厚度之和基本恒定不变，便于石英坩埚保持尺寸恒定，便于在直拉单晶时进行安装。

下部结构为具有向内凹陷的凹槽，便于多晶硅料的安装，减少对石英坩埚底部内壁的损伤。下部结构由外至内依次包括气泡复合层1和透明层2，与上部结构一致，气泡复合层1与透明层2均由石英砂制作而成，透明层2的石英砂的纯度大于气泡复合层1的石英砂的纯度，减少直拉单晶时杂质的掺入，透明层2的石英砂的纯度大于99.9999％，以此提高石英坩埚的纯度。该透明层2的厚度为3-7mm，优选为5mm，能够降低于溶液接触区域的气泡密度，从而改善单晶成晶率。下部结构中的气泡复合层1与透明层2的厚度之和保持基本恒定，便于保持石英坩埚的尺寸恒定。在下部结构的上部端部与上部结构的一端固定连接，且下部结构具有一定角度的R角，该R角位于下部结构与上部结构连接处的下部，由于石英坩埚在进行直拉单晶时，石英坩埚内的硅溶液位于R角上部或者是R角处时，进行多晶硅原料的复投，下部结构的透明层2始终与硅溶液接触，为减少硅溶液与透明层2的反应，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，增强石英坩埚的强度，下部结构的壁厚大于上部结构的壁厚，且在硅溶液液面停留处的R角及R角上部处的透明层2厚度大于气泡复合层1厚度，以此增强石英坩埚的强度，也就是，该处的透明层2厚度相应增大，气泡复合层1的厚度相应减小，该处壁厚的厚度保持不变。

该石英坩埚安装在直拉单晶炉内，气泡复合层1具有气泡，能够将加热器的辐射热源均匀化，便于对坩埚内多晶硅原料提供均匀的热量，使得多晶硅原料熔化均匀，提高直拉单晶时引晶的质量。透明层2不具有气泡，且透明层的石英砂的纯度大于气泡复合层1的纯度，使得透明层2能够降低与溶液接触区域的气泡密度，从而改善单晶成晶率及品质。该石英坩埚的气泡复合层1和透明层2的材质均为石英砂，该石英砂包括二氧化硅成分，由于硅在熔融状态下具有高度的化学反应，能够与透明层2的二氧化硅发生反应，反应如下：SiO2+Si→2SiO，由此产生的氧化硅进入硅溶液中，使得正在生长中的晶体结构发生改变，产生位错，影响单晶的成晶，同时，在透明层形成大量针孔，针孔越多，说明进入硅溶液中的杂质越多，单晶的成晶越差，所以，在透明层2的表面设置第一涂层，减少硅溶液与二氧化硅的反应，这里第一涂层是通过在透明层2涂覆一层钡粉溶液形成，优选的，这里，钡粉为氢氧化钡，该氢氧化钡为含有结晶水的氢氧化钡，将该氢氧化钡溶于纯水中，形成饱和的氢氧化钡水溶液，将该饱和的氢氧化钡水溶液涂覆在石英坩埚的透明层2的表面，该层氢氧化钡涂覆完后会与空气中的二氧化碳进行反应，形成碳酸钡，以此形成第一涂层，减少硅溶液对石英坩埚透明层的腐蚀。

将形成第一涂层的坩埚放置在单晶炉上，坩埚被加热后，碳酸钡分解成氧化钡，氧化钡与石英坩埚的透明层发生反应，BaCO3+SiO2→(高温)BaSiO3+CO2↑，由于硅酸钡的存在，使得石英坩埚壁上形成一层致密微小的方石英结晶，从而减缓石英坩埚被硅溶液腐蚀的程度。以此形成第二涂层，即第二涂层为硅酸钡，硅酸钡为一层致密微小的方石英结晶，该方石英结晶很难被硅溶液渗透而剥落，剥落后能够被硅溶液溶解，能够大幅度的改善石英坩埚的使用寿命及长晶良率，同时能够增加石英坩埚的强度，减少高温软化现象。

石英坩埚使用时，随着使用时间越来越长，该第二涂层的硅酸钡会脱落，此时，在加热的坩埚中加入碳酸钡，该碳酸钡受热分解成氧化钡，氧化钡与二氧化硅反应，生成硅酸钡，再次形成第二涂层，以补充脱落的硅酸钡，以此提高石英坩埚的使用寿命及长晶良率。

通过上述内容可以知道，提高该石英坩埚使用寿命的方法，可以在直拉单晶取段复投时，加入一定量的碳酸钡，补充石英坩埚在直拉单晶过程中内壁表面硅酸钡的脱落，以此延长石英坩埚的使用寿命，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：石英坩埚在进行多晶硅装料前，在石英坩埚的内壁的透明层2的内表面上采用涂覆工具涂覆制作第一涂层的钡粉的溶液，通过在石英坩埚的内壁上涂覆一层氢氧化钡的饱和溶液，氢氧化钡与空气中的二氧化碳反应，形成碳酸钡，即第一涂层。具体的，氢氧化钡易溶于水，将含有结晶水的氢氧化钡粉末溶于纯水中，形成氢氧化钡饱和水溶液，采用刷子、涂布机等涂覆工具将该氢氧化钡饱和水溶液涂覆在石英坩埚的透明层2的内表面上，在透明层2上形成一层氢氧化钡涂层，涂覆后，氢氧化钡与空气中的二氧化碳发生反应，形成碳酸钡，在石英坩埚内壁上形成一层碳酸钡涂层。碳酸钡涂层能够减少硅溶液对石英坩埚透明层2的腐蚀，延长石英坩埚的使用寿命。

步骤二：向具有碳酸钡涂层的石英坩埚内装入多晶硅原料，并将装料后的石英坩埚安装在直拉单晶炉上，进行直拉单晶。石英坩埚在直拉单晶过程中受到加热器的加热，石英坩埚温度升高，气泡复合层1的设置，使得石英坩埚内的多晶硅原料受热均匀熔融，石英坩埚透明层2上的碳酸钡涂层受热分解，形成氧化钡，氧化钡与石英坩埚内的透明层2发生反应，形成硅酸钡，由于硅酸钡的存在，使得石英坩埚壁上形成一层致密微小的方石英结晶，从而减缓石英坩埚被硅溶液腐蚀的程度，延长石英坩埚的使用寿命。即在石英坩埚使用的过程中，在透明层2的表面形成碳酸钡与硅酸钡混合的涂层，以此延长石英坩埚的使用寿命，同时，提高石英坩埚的强度。

步骤三：随着直拉单晶过程中单晶炉运行时间的增加，石英坩埚内壁腐蚀程度增加，透明层2表面的碳酸钡完全转变成硅酸钡，随着使用时间的增加，硅酸钡脱落，在透明层2表面形成针孔，使得硅溶液通过针孔进入石英坩埚内壁对透明层2和气泡复合层1进行腐蚀，使得石英坩埚中的气泡破裂，气泡中杂质气体通过涂层上的针孔进入硅溶液，进入硅溶液中的杂质越多，造成单晶的成晶质量越差。所以，在直拉单晶过程中的第一次取段后，进行多晶硅料复投的同时，向石英坩埚内的硅溶液中加入碳酸钡，碳酸钡在硅溶液中受热分解，分解成氧化钡，氧化钡与涂层针孔处的二氧化硅再次发生反应，生成硅酸钡，在该针孔处形成方石英结晶，减少硅溶液与石英坩埚的反应，增强石英坩埚的寿命，减少进入硅溶液中的杂质气体，提高复投后直拉单晶硅的成晶率。

取段复投时加入碳酸钡的具体过程为：

步骤一，在直拉单晶过程中，单晶长度生长达到取段要求后进行收尾取段，取段后对单晶收尾处的单晶进行电阻率测量，测量石英坩埚中的剩料重量并进行电阻率的计算，根据电阻率和分凝表计算需复投的多晶硅的重量和补掺合金的重量，同时计算出所需碳酸钡的重量；

步骤二，进行碳酸钡的称重，将称量好的碳酸钡封装入料块内，料块的材质为多晶硅，减少进入硅溶液中的杂质，该料块包括料块本体、第一封堵块和第二封堵块，在料块本体的中间有一上下连通的空腔，空腔的形状与第一封堵块形状和第二封堵块形状相适应，这里，第一封堵块与第二封堵块的形状相同，第一封堵块与第二封堵块分别安装在料块本体的两端，将碳酸钡封装在料块本体的空腔内。具体地，料块本体可以是长方体结构，也可以是正方体，或者是圆柱体，或者是其他形状，根据实际需求进行选择，料块本体中间的空腔的形状可以是圆柱形，也可以是锥形，或者是正方形，或者是长方形，或者是其他形状，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。第一封堵块和第二封堵块的形状大小与料块本体的空腔的形状大小相适应，便于第一封堵块和第二封堵块分别安装在空腔的两端，对料块本体的空腔的两端进行封堵，碳酸钡放置于料块本体的空腔内，位于第一封堵块与第二封堵块与空腔构成的空间内，将碳酸钡封装在料块本体内，避免复投过程氩气带走碳酸钡，造成电极柱打火，使得碳酸钡能够完全熔融在复投后的硅溶液中，在石英坩埚内壁表面形成一层致密微小的方石英结晶，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀。

这里，碳酸钡的重量为2-5g，根据单晶收尾处电阻率值的大小进行选择，使得石英坩埚在使用过程中，对石英坩埚内壁表面的硅酸钡的补充，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，提高石英坩埚的强度。

步骤三，将多晶硅原料装入复投筒内，同时将封装有碳酸钡的料块也装入复投筒内，在进行复投时，封装有碳酸钡的料块与多晶硅原料一起投入石英坩埚中，碳酸钡受热分解后，形成氧化钡，氧化钡与石英坩埚的透明层发生反应，生成硅酸钡，在石英坩埚内壁形成一层致密微小的方石英结晶，减少硅溶液对石英坩埚的腐蚀，以此延长石英坩埚的使用寿命。

在直拉单晶过程中，可以进行一次碳酸钡随着复投加入，也可以进行多次碳酸钡随着复投加入，根据实际需求进行选择，以此延长石英坩埚的使用寿命。

一种石英坩埚再次涂层工艺，也就是对石英坩埚进行再次涂层，增强石英坩埚的强度，减少硅溶液对石英坩埚的内壁的腐蚀，该石英坩埚再次涂层工艺为在直拉单晶取段复投阶段加入碳酸钡，碳酸钡进入石英坩埚后位于石英坩埚的R角处，对石英坩埚的R角及石英坩埚内壁进行涂层，具体包括以下步骤：

步骤一：石英坩埚在进行多晶硅装料前，在石英坩埚的内壁的透明层2的内表面上采用涂覆工具涂覆制作第一涂层的钡粉的溶液，通过在石英坩埚的内壁上涂覆一层氢氧化钡的饱和溶液，氢氧化钡与空气中的二氧化碳反应，形成碳酸钡，即第一涂层。具体的，氢氧化钡易溶于水，将含有结晶水的氢氧化钡粉末溶于纯水中，形成氢氧化钡饱和水溶液，采用刷子、涂布机等涂覆工具将该氢氧化钡饱和水溶液涂覆在石英坩埚的透明层2的内表面上，在透明层2上形成一层氢氧化钡涂层，涂覆后，氢氧化钡与空气中的二氧化碳发生反应，形成碳酸钡，在石英坩埚内壁上形成一层碳酸钡涂层。碳酸钡涂层能够减少硅溶液对石英坩埚透明层2的腐蚀，延长石英坩埚的使用寿命。

步骤二：向具有碳酸钡涂层的石英坩埚内装入多晶硅原料，并将装料后的石英坩埚安装在直拉单晶炉上，进行直拉单晶。石英坩埚在直拉单晶过程中受到加热器的加热，石英坩埚温度升高，气泡复合层1的设置，使得石英坩埚内的多晶硅原料受热均匀熔融，石英坩埚透明层2上的碳酸钡涂层受热分解，形成氧化钡，氧化钡与石英坩埚内的透明层2发生反应，形成硅酸钡，由于硅酸钡的存在，使得石英坩埚壁上形成一层致密微小的方石英结晶，从而减缓石英坩埚被硅溶液腐蚀的程度，延长石英坩埚的使用寿命。即在石英坩埚使用的过程中，在透明层2的表面形成碳酸钡与硅酸钡混合的涂层，以此延长石英坩埚的使用寿命，同时，提高石英坩埚的强度。

步骤三：随着直拉单晶过程中单晶炉运行时间的增加，石英坩埚内壁腐蚀程度增加，透明层2表面的碳酸钡完全转变成硅酸钡，随着使用时间的增加，硅酸钡脱落，在透明层2表面形成针孔，使得硅溶液通过针孔进入石英坩埚内壁对透明层2和气泡复合层1进行腐蚀，使得石英坩埚中的气泡破裂，气泡中杂质气体通过涂层上的针孔进入硅溶液，进入硅溶液中的杂质越多，造成单晶的成晶质量越差。所以，在直拉单晶过程中的第一次取段后，进行多晶硅料复投的同时，向石英坩埚内的硅溶液中加入碳酸钡，碳酸钡在硅溶液中受热分解，分解成氧化钡，氧化钡与涂层针孔处的二氧化硅再次发生反应，生成硅酸钡，在该针孔处形成方石英结晶，减少硅溶液与石英坩埚的反应，增强石英坩埚的寿命，减少进入硅溶液中的杂质气体，提高复投后直拉单晶硅的成晶率。

取段复投时加入碳酸钡的具体过程为：

步骤一，在直拉单晶过程中，单晶长度生长达到取段要求后进行收尾取段，取段后对单晶收尾处的单晶进行电阻率测量，测量石英坩埚中的剩料重量并进行电阻率的计算，根据电阻率和分凝表计算需复投的多晶硅的重量和补掺合金的重量，同时计算出所需碳酸钡的重量；

步骤二，进行碳酸钡的称重，将称量好的碳酸钡封装入料块内，料块的材质为多晶硅，减少进入硅溶液中的杂质，该料块包括料块本体、第一封堵块和第二封堵块，在料块本体的中间有一上下连通的空腔，空腔的形状与第一封堵块形状和第二封堵块形状相适应，这里，第一封堵块与第二封堵块的形状相同，第一封堵块与第二封堵块分别安装在料块本体的两端，将碳酸钡封装在料块本体的空腔内。具体地，料块本体可以是长方体结构，也可以是正方体，或者是圆柱体，或者是其他形状，根据实际需求进行选择，料块本体中间的空腔的形状可以是圆柱形，也可以是锥形，或者是正方形，或者是长方形，或者是其他形状，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。第一封堵块和第二封堵块的形状大小与料块本体的空腔的形状大小相适应，便于第一封堵块和第二封堵块分别安装在空腔的两端，对料块本体的空腔的两端进行封堵，碳酸钡放置于料块本体的空腔内，位于第一封堵块与第二封堵块与空腔构成的空间内，将碳酸钡封装在料块本体内，避免复投过程氩气带走碳酸钡，造成电极柱打火，使得碳酸钡能够完全熔融在复投后的硅溶液中，在石英坩埚内壁表面形成一层致密微小的方石英结晶，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀。

这里，碳酸钡的重量为2-5g，根据单晶收尾处电阻率值的大小进行选择，使得石英坩埚在使用过程中，对石英坩埚内壁表面的硅酸钡的补充，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，提高石英坩埚的强度。

步骤三，将多晶硅原料装入复投筒内，同时将封装有碳酸钡的料块也装入复投筒内，复投筒位于石英坩埚的正上方，便于进行多晶硅原料复投，多晶硅原料与封装有碳酸钡的料块在装入复投筒时，首先在复投筒的底部放置一层多晶硅原料，依次向上放置多晶硅原料，在距离复投筒的底部1/3-1/2处加入封装有碳酸钡的块料，优选为距离复投筒底部1/3，继而继续向复投筒内放置多晶硅原料，也就是，封装有碳酸钡的块料在复投筒内位于多晶硅原料的内部，被多晶硅原料包围，在进行复投时，封装有碳酸钡的料块与多晶硅原料一起投入石英坩埚中，使得封装有碳酸钡的块料随着多晶硅原料在石英坩埚的中心位置呈锥形落入石英坩埚的R角处，碳酸钡受热分解后，形成氧化钡，氧化钡与石英坩埚R角处的透明层发生反应，生成硅酸钡，在石英坩埚R角处形成一层致密微小的方石英结晶，对石英坩埚进行再次涂层，减少硅溶液对石英坩埚R角的腐蚀，以此延长石英坩埚的使用寿命。同时，随着复投加入的多晶硅原料，使得石英坩埚内盛满硅溶液，随着碳酸钡受热分解，形成硅酸钡，在石英坩埚的内壁的透明层2表面形成一层致密微小的方石英结晶，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，增强石英坩埚的强度，提高石英坩埚的使用寿命。

一种新型拉制硅单晶的工艺，应用具有多层结构的石英坩埚进行直拉单晶，在直拉单晶取段复投时，投入一定量的碳酸钡，同时控制取段复投时氩气的流量，进行直拉单晶，具体包括以下步骤：

步骤一：石英坩埚在进行多晶硅装料前，在石英坩埚的内壁的透明层2的内表面上采用涂覆工具涂覆制作第一涂层的钡粉的溶液，通过在石英坩埚的内壁上涂覆一层氢氧化钡的饱和溶液，氢氧化钡与空气中的二氧化碳反应，形成碳酸钡，即第一涂层。具体的，氢氧化钡易溶于水，将含有结晶水的氢氧化钡粉末溶于纯水中，形成氢氧化钡饱和水溶液，采用刷子、涂布机等涂覆工具将该氢氧化钡饱和水溶液涂覆在石英坩埚的透明层2的内表面上，在透明层2上形成一层氢氧化钡涂层，涂覆后，氢氧化钡与空气中的二氧化碳发生反应，形成碳酸钡，在石英坩埚内壁上形成一层碳酸钡涂层。碳酸钡涂层能够减少硅溶液对石英坩埚透明层2的腐蚀，延长石英坩埚的使用寿命。

步骤二：向具有碳酸钡涂层的石英坩埚内装入多晶硅原料，并将装料后的石英坩埚安装在直拉单晶炉上，进行直拉单晶。石英坩埚在直拉单晶过程中受到加热器的加热，石英坩埚温度升高，气泡复合层1的设置，使得石英坩埚内的多晶硅原料受热均匀熔融，石英坩埚透明层2上的碳酸钡涂层受热分解，形成氧化钡，氧化钡与石英坩埚内的透明层2发生反应，形成硅酸钡，由于硅酸钡的存在，使得石英坩埚壁上形成一层致密微小的方石英结晶，从而减缓石英坩埚被硅溶液腐蚀的程度，延长石英坩埚的使用寿命。即在石英坩埚使用的过程中，在透明层2的表面形成碳酸钡与硅酸钡混合的涂层，以此延长石英坩埚的使用寿命，同时，提高石英坩埚的强度。

在直拉单晶过程中，当单晶的长度生长达到取段要求后进行第一次收尾取段，取段完成后，对单晶收尾处的电阻率进行检测，根据电阻率的大小进行补掺合金和碳酸钡所需重量的计算，并分别进行称量，再次进行直拉单晶时补充加入。进行多晶硅原料的复投，在进行多晶硅原料复投的同时，进行碳酸钡的复投。将多晶硅原料装入复投筒内，同时将封装有碳酸钡的料块也装入复投筒内，复投筒位于石英坩埚的正上方，便于进行多晶硅原料复投，多晶硅原料与封装有碳酸钡的料块在装入复投筒时，首先在复投筒的底部放置一层多晶硅原料，依次向上放置多晶硅原料，在距离复投筒的底部1/3处加入封装有碳酸钡的块料，继而继续向复投筒内放置多晶硅原料，也就是，封装有碳酸钡的块料在复投筒内位于多晶硅原料的内部，被多晶硅原料包围，在进行复投时，封装有碳酸钡的料块与多晶硅原料一起投入石英坩埚中，使得封装有碳酸钡的块料随着多晶硅原料在石英坩埚的中心位置呈锥形落入石英坩埚的R角处，碳酸钡受热分解后，形成氧化钡，氧化钡与石英坩埚R角处的透明层发生反应，生成硅酸钡，在石英坩埚R角处形成一层致密微小的方石英结晶，对石英坩埚进行再次涂层，减少硅溶液对石英坩埚R角的腐蚀，以此延长石英坩埚的使用寿命。

在高温熔料过程中，封装有碳酸钡的料块会随着复投的多晶硅原料熔融浸入液面，封装有碳酸钡的料块融化并通过坩埚旋转，碳酸钡会均匀的熔入熔硅中，碳酸钡受热分解，分解成氧化钡，氧化钡与石英坩埚的透明层的二氧化硅发生反应，形成硅酸钡，由于硅酸钡的存在，在石英坩埚的内壁上形成一层致密微小的方石英结晶，增强石英坩埚的强度，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，提高石英坩埚的使用寿命。

在复投过程中，降低保护气体氩气的流量，氩气的流量为100-120s lpm。由于在复投过程中，部分碳酸钡粉末随着氩气飘到加热器处，由于碳酸钡中存在0.03％的Sr元素，Sr元素燃点为800℃，Sr元素的燃烧导致加热器产生电弧，出现打火现象，影响加热器使用寿命，所以在复投过程中降低氩气的流量，降低碳酸钡的飘散，提高加热器的使用寿命。

步骤三：当石英坩埚内的多晶硅原料熔化后，进行再次拉晶，当单晶长度生长到取段长度后，进行二次取段，二次取段收尾后，对单晶收尾处进行电阻率的测量，根据电阻率的大小，进行二次复投所需的补掺合金和碳酸钡的用量的选择，采用复投筒进行二次复投，在进行多晶硅料的复投的同时，进行碳酸钡的加入，重复上述步骤二的步骤，在进行多晶硅投料的同时，在石英坩埚的内壁上形成一层硅酸钡，形成一层致密微小的方石英结晶，增强石英坩埚的强度，提高石英坩埚的使用寿命。

步骤四：二次复投后，进行第三次拉晶，当单晶的长度生长到取段要求时，进行第三次取段，三次取段收尾后，对单晶收尾处进行电阻率的测量，根据电阻率的大小，进行三次复投所需的补掺合金和碳酸钡的用量的选择，采用复投筒进行三次复投，在进行多晶硅料的复投的同时，进行碳酸钡的加入，重复上述步骤二的动作，在进行多晶硅投料的同时，在石英坩埚的内壁上形成一层硅酸钡，形成一层致密微小的方石英结晶，增强石英坩埚的强度，提高石英坩埚的使用寿命。

步骤五：三次复投后，进行第四次拉晶，当单晶的长度生长到取段要求时，进行第四次取段，四次取段收尾后，对单晶收尾处进行电阻率的测量，根据电阻率的大小，进行四次复投所需的补掺合金和碳酸钡的用量的选择，采用复投筒进行四次复投，在进行多晶硅料的复投的同时，进行碳酸钡的加入，重复上述步骤二的动作，在进行多晶硅投料的同时，在石英坩埚的内壁上形成一层硅酸钡，形成一层致密微小的方石英结晶，增强石英坩埚的强度，提高石英坩埚的使用寿命。

继续重复步骤五，进行第五次取段并进行第五次复投，依次进行下去，直到石英坩埚达到使用寿命时为止。采用上述新型拉直硅单晶的工艺，可以进行多次取段复投，现有的直拉单晶工艺，最多可进行2次复投操作，单晶投料量在500-650公斤，采用上述新工艺复投次数可达到3-4次，或者更多，单晶投料量在950-1200公斤，提升了产能，降低了生产成本。

在直拉单晶取段复投加入碳酸钡的重量需要控制，以控制对石英坩埚的影响，该控制碳酸钡用量的方法，用于直拉单晶取段复投阶段，在取段复投时，应用复投筒投入多晶硅原料的同时，投入碳酸钡，碳酸钡受热分解，分解成氧化钡，氧化钡与石英坩埚的内壁的透明层发生反应，生成硅酸钡，由于硅酸钡的存在，在石英坩埚内壁上形成一层致密微小的方石英结晶，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，提高石英坩埚的使用寿命。在复投加入碳酸钡时需控制碳酸钡的用量，碳酸钡的重量或多或少都会对石英坩埚产生不同的影响，进而影响单晶的使用效果，分析如下表：

由此可以知道，在取段复投时，需控制碳酸钡的用量，使得石英坩埚达到最好的使用效果，延长石英坩埚的使用寿命，碳酸钡的用量控制方法包括以下步骤：

步骤一：计算石英坩埚的内表面的面积：由于在取段复投时，碳酸钡随着复投的多晶硅原料一起投入石英坩埚中，碳酸钡与石英坩埚内表面的透明层2的二氧化硅反应，且复投后的多晶硅原料熔融后布满石英坩埚，所以，在复投加入碳酸钡之前，对石英坩埚的内表面面积进行计算，计算过程为：

计算石英坩埚竖直侧壁的面积，根据圆柱表面积进行计算；

计算石英坩埚底部的表面积，根据圆的面积进行计算；

计算R角处表面积，根据扇形面积进行计算；

计算石英坩埚竖直侧壁的面积、底部的表面积和R角处的面积之和得到石英坩埚的内表面面积；

步骤二：根据石英坩埚的内表面面积和碳酸钡的密度，计算理论上所需碳酸钡的重量；

步骤三：在取段复投时，测量取段的单晶的电阻率和石英坩埚内的剩料，计算所需投入多晶硅原料的重量，并根据电阻率的大小选择一定的系数，进行所需碳酸钡的实际重量。这里，该系数为0.2-0.5，根据实际电阻率的大小进行选择。实际所需碳酸钡的重量为理论上碳酸钡的重量乘以该系数所得。

步骤四：将所需重量的碳酸钡应用电子天平进行称量，并封装在料块中，与多晶硅原料一起在取段复投时加入石英坩埚内，碳酸钡受热分解后形成氧化钡，氧化钡与石英坩埚内壁的针孔处的透明层反应，生成硅酸钡，在石英坩埚内壁形成一层致密微小的方石英结晶，增强石英坩埚的强度，减少石英坩埚受热变形，提高石英坩埚的使用寿命。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，使得石英坩埚结构简单，使用方便，便于直拉单晶时使用，具有碳酸钡涂层，减少硅溶液对石英坩埚的内壁的腐蚀，提高石英坩埚的使用寿命；在直拉单晶过程中，碳酸钡分解形成氧化钡，与石英坩埚内壁的透明层发生反应生成硅酸钡，该硅酸钡涂层为一层致微小的方石英结晶，减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，增强石英坩埚的强度，减少其受热变形，同时提高了石英坩埚的使用寿命，进而提高了直拉单晶的产量；在直拉单晶取段复投的过程中，补加碳酸钡，补充石英坩埚内壁脱落的硅酸钡涂层，以此减少硅溶液对石英坩埚内壁的腐蚀，提高石英坩埚的使用寿命，增强石英坩埚的强度，减少其受热变形，进而提高直拉单晶的产量，提高生产效率。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种石英坩埚，其特征在于：包括气泡复合层、透明层和涂层，所述涂层包括第一涂层和第二涂层，所述气泡复合层、所述透明层、所述第一涂层与所述第二涂层从外至内依次设置。

2.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于：所述第一涂层为碳酸钡。

3.根据权利要求1或2所述的石英坩埚，其特征在于：所述第二涂层为硅酸钡。

4.根据权利要求3所述的石英坩埚，其特征在于：所述气泡复合层与所述透明层的厚度之和不变。

5.根据权利要求4所述的石英坩埚，其特征在于：所述气泡复合层的石英砂纯度小于所述透明层石英砂纯度。

6.根据权利要求5所述的石英坩埚，其特征在于：所述透明层石英砂纯度为99.9999％。

7.一种石英坩埚多次涂层的工艺方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：在所述石英坩埚透明层表面涂覆一层钡溶液；

步骤二：在直拉单晶取段复投阶段加入碳酸钡，所述碳酸钡进入所述坩埚后位于所述石英坩埚的R角处。

8.根据权利要求7所述的石英坩埚多次涂层的工艺方法，其特征在于：所述步骤二中投入所述碳酸钡的装置为复投筒，所述碳酸钡位于距离所述复投筒底部1/3-1/2处。

9.根据权利要求7或8所述的石英坩埚多次涂层的工艺方法，其特征在于：所述碳酸钡的重量为2-5g。

10.根据权利要求9所述的石英坩埚多次涂层的工艺方法，其特征在于：所述钡溶液为氢氧化钡饱和溶液。。