CN110863241A - 一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，该石英坩埚包括气泡层和透明层，气泡层设于透明层的外部，石英坩埚的制造工艺包括以下步骤：S1：进行氢氧化铝粉末的重量的计算；S2：将氢氧化铝粉末与高纯石英砂混合，形成含有铝元素的石英砂；S3：采用高纯石英砂进行气泡层制备；S4：采用含有铝元素的石英砂在气泡层的内壁制备透明层。本发明的有益效果是在石英坩埚的制备过程中，气泡层制备时的原料采用高纯石英砂，透明层制备时的原料采用掺有氢氧化铝的高纯石英砂，在石英坩埚制造前引入成核剂，不会产生额外的制造成本。

Description

一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺
技术领域
本发明属于直拉单晶技术领域，尤其是涉及一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺。
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，也叫气泡复合层，主要作用是提高实英坩埚散热均匀性，内侧是透明层，主要用以改善单晶成晶率及品质。
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，这一过程会造成石英坩埚不可逆的损坏。
现有的硅单晶用石英坩埚普遍采用氢氧化钡涂层工艺，涂层材质为饱和氢氧化钡水溶液，而钡离子的引入，是导致硅单晶少子寿命降低的主要原因之一。
发明内容
鉴于上述问题，本发明要解决的问题是提供一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，进行石英坩埚的制备，在制备透明层时，在高纯石英砂内掺入氢氧化铝，促使石英坩埚内壁析晶，增强石英坩埚抗腐蚀能力，避免石英坩埚透明层被硅液腐蚀，提高石英坩埚使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，该石英坩埚包括气泡层和透明层，气泡层设于透明层的外部，石英坩埚的制造工艺包括以下步骤：
S1：进行氢氧化铝粉末的重量的计算；
S2：将氢氧化铝粉末与高纯石英砂混合，形成含有铝元素的石英砂；
S3：采用高纯石英砂进行气泡层制备；
S4：采用含有铝元素的石英砂在气泡层的内壁制备透明层。
进一步的，步骤S1中氢氧化铝的重量计算为根据氢氧化铝的重量与制备透明层的高纯石英砂的重量之比进行计算。
进一步的，氢氧化铝的重量与制备透明层的高纯石英砂的重量之比为 0.01-0.1g/kg。
进一步的，制备透明层的高纯石英砂的重量根据透明层的厚度进行计算，透明层的厚度为3-6mm。
进一步的，步骤S3中的采用高纯石英砂进行气泡层制备步骤为：
S30：将高纯石英砂置于模具内进行熔融；
S31：进行离心吹塑，形成气泡层。
进一步的，步骤S4中采用含有铝元素的石英砂在气泡层的内壁制备透明层包括以下步骤：
S40：在气泡层形成后，放入含有铝元素的石英砂，并进行熔融；
S41：进行离心吹塑，形成透明层；
S42：冷却后，将石英坩埚取出。
进一步的，气泡层的厚度为6-8mm。
由于采用上述技术方案，在石英坩埚的制备过程中，气泡层制备时的原料采用高纯石英砂，透明层制备时的原料采用掺有氢氧化铝的高纯石英砂，在石英坩埚制造前引入成核剂，不会产生额外的制造成本；
该制备工艺制备的石英坩埚，不需进行氢氧化钡的涂覆，由于氢氧化钡涂层形成的碳酸钡沉淀，是剧毒物质对人体有很大影响，该石英坩埚可以在不进行涂层的前提下促使坩埚内壁析晶，增强石英坩埚抗腐蚀能力，避免石英坩埚透明层被硅液腐蚀，提高石英坩埚使用寿命，避免制埚过程对人体造成伤害；
在太阳能材料制造业中，石英坩埚成本占比达10％左右，该石英坩埚可提高石英坩埚使用寿命，降低拉晶过程中坩埚成本，在坩埚制造之前加入成核剂，避免了坩埚制造完成后进行喷涂氢氧化钡涂层是引入钡杂质离子，可以极大地提高单晶的少子寿命，提高硅单晶在市场的竞争力。
附图说明
图1是本发明一实施例的双曲余弦函数y＝coushx曲线形状示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明涉及一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，进行石英坩埚的制造，该石英坩埚的透明层为含有铝元素的石英砂制备而成，使得透明层的石英砂中的氢氧化铝在坩埚制造过程中随着温度的增加可以分解，生成的γ-Al2O3，该石英坩埚在直拉单晶使用时，在高温条件下，形成α-Al2O3，促使石英坩埚透明层内壁析晶，向稳定的α-方石英结构转变，提高了石英坩埚透明层的抗腐蚀性，提高坩埚使用寿命的要求，由于没有钡离子的引入，提高硅单晶的少子寿命。
一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，该石英坩埚包括气泡层和透明层，气泡层设于透明层的外部，石英坩埚在制备时，采用的原料为高纯石英砂，该高纯石英砂的纯度普遍大于99.999％，保证石英坩埚成型后无其他杂质影响坩埚的使用寿命及产出单晶的少子寿命。该石英坩埚在制备时，在制备透明层时，在高纯石英砂中掺入氢氧化铝，该氢氧化铝起到成核剂的作用，在硅单晶拉制中，利用的是高温下石英特性，在高温状态下得到致密稳定的石英体，面心立方的致密度较体心立方的致密度高，在SiO2晶体中，α-方石英属于面心立方结构，呈正四面体结构，结构稳定，不易被破坏，因此若在CZ直拉系统中得到稳定的α-方石英结构，则可提高坩埚与硅熔液接触层的致密度，提高耐腐蚀度；某些对矿物质的运移和集中起重要媒介作用的物质也叫成核剂，加入少量的成核剂能促进烧结和改善制品某些性能，体现在硅单晶用石英坩埚是加快石英坩埚内壁由γ-磷石英向稳定的α-方石英转变的速率，掺入的氢氧化铝起到成核剂的作用，促进石英坩埚透明层的转变，促使石英坩埚透明层内壁析晶，向稳定的α-方石英结构转变，提高了石英坩埚透明层的抗腐蚀性。
该石英坩埚的制造工艺包括以下步骤：
S1：进行氢氧化铝粉末的重量的计算；
该氢氧化铝的重量计算为根据氢氧化铝的重量与制备透明层的高纯石英砂的重量之比进行计算，氢氧化铝的重量与制备透明层的高纯石英砂的重量之比为0.01-0.1g/kg，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。
制备透明层的高纯石英砂的重量根据透明层的厚度进行计算，透明层的厚度为3-6mm，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。
该制备透明层所需高纯石英砂的重量根据高纯石英砂的密度乘以透明层的体积进行计算，该透明层的体积根据石英坩埚的尺寸及厚度进行计算。
S2：将氢氧化铝粉末与高纯石英砂混合，形成含有铝元素的石英砂；
将称量好的氢氧化铝粉末与制备透明层所需的高纯石英砂进行混合，进行充分的搅拌、混合，使得氢氧化铝粉末均匀分布在高纯石英砂中，使得高纯石英砂中含有铝元素，也就是，在制备透明层的高纯石英砂中含有铝元素。
该氢氧化铝起到成核剂的作用，透明层的高纯石英砂中的氢氧化铝在透明层的制造过程中随着温度的增加可以分解，反应如下：
Figure RE-GDA0002364014730000051
生成的γ-Al2O3在直拉单晶的拉晶过程中，由于直拉单晶的温度为高温，该高温在1200℃左右，可以形成α-Al2O3，反应过程如下：
Figure RE-GDA0002364014730000052
利用γ-Al2O3在高温下的晶向转变过程形成α-Al2O3，α-Al2O3在石英晶向的转变中可以起到成核剂的作用，促使石英坩埚透明层内壁析晶，向稳定的α-方石英结构转变，提高了石英坩埚透明层的抗腐蚀性，提高坩埚使用寿命的要求，石英坩埚向α-方石英结构转变，α-方石英致密，耐腐蚀性强，可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。
S3：采用高纯石英砂进行气泡层制备；
气泡层的制备采用高纯石英砂，气泡层的厚度为6-8mm，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。制备气泡层所需的高纯石英砂的重量根据高纯石英砂的密度乘以气泡层的体积计算，该气泡层的体积根据石英坩埚的尺寸及气泡层的厚度进行计算。
该步骤S3中的采用高纯石英砂进行气泡层制备步骤为：
S30：将高纯石英砂置于模具内进行熔融：将称量好的高纯石英砂放置于制造石英坩埚的模具中，对坩埚模具上方的电极通入强电流形成2000℃以上高温状态的电弧，将高纯石英砂缓慢融化，使得高纯石英砂处于熔融状态；
S31：进行离心吹塑，形成气泡层，旋转模具，对熔融状态的高纯石英砂进行离心转动，并进行吹塑，形成石英坩埚的气泡层。
S4：采用含有铝元素的石英砂在气泡层的内壁制备透明层。
步骤S4中采用含有铝元素的石英砂在气泡层的内壁制备透明层包括以下步骤：
S40：在气泡层形成后，放入含有铝元素的石英砂，并进行熔融：当气泡层的厚度达到规格时，将混合好的含有铝元素的高纯石英砂放入模具中，并进行熔融；
S41：进行离心吹塑，形成透明层，在气泡层的内壁上形成透明层，透明层厚度达到规格后，形成石英坩埚；
S42：冷却后，将石英坩埚取出。
由于在石英坩埚的制备过程中，在透明层中添加了氢氧化铝，所以，采用该石英坩埚进行直拉单晶时，不需涂覆氢氧化钡涂层，不会引入钡离子。
Al和Ba相比，从杂质能级分布情况进行对比，铝在硅中的能级，存在一个0.069ev的浅受主能级和一个0.17ev的施主能级，钡的能级为0.5eV。
根据非平衡载流子复合速率：
Figure RE-GDA0002364014730000061
其中：Et是符合中心能级，Ei是禁带中心能级，n、P分别是点子、空穴浓度，ni是本征载流子浓度，Ch(X)是双曲余弦函数，曲线形状如图1 所示：
当Et≈Ei时，U取趋向于无极大，因此，位于禁带中心的能级是最有效的复合中心，在单晶硅中
Figure RE-GDA0002364014730000071
而钡的能级为0.50eV，较Al的能级更靠近禁带中心，复合速率U亦较铝大，因此在同等浓度下，钡较铝对少子寿命影响较大，所以该石英坩埚能够提高硅单晶少子寿命。
根据上述提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺制得de石英坩埚，该透明层的材质为含有α-Al2O3石英砂，气泡层的材质为高纯石英砂。
由于采用上述技术方案，在石英坩埚的制备过程中，气泡层制备时的原料采用高纯石英砂，透明层制备时的原料采用掺有氢氧化铝的高纯石英砂，在石英坩埚制造前引入成核剂，不会产生额外的制造成本；
该制备工艺制备的石英坩埚，不需进行氢氧化钡的涂覆，由于氢氧化钡涂层形成的碳酸钡沉淀，是剧毒物质对人体有很大影响，该石英坩埚可以在不进行涂层的前提下促使坩埚内壁析晶，增强石英坩埚抗腐蚀能力，避免石英坩埚透明层被硅液腐蚀，提高石英坩埚使用寿命，避免制埚过程对人体造成伤害；
在太阳能材料制造业中，石英坩埚成本占比达10％左右，该石英坩埚可提高石英坩埚使用寿命，降低拉晶过程中坩埚成本，在坩埚制造之前加入成核剂，避免了坩埚制造完成后进行喷涂氢氧化钡涂层是引入钡杂质离子，可以极大地提高单晶的少子寿命，提高硅单晶在市场的竞争力。
以上对本发明的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 (7)

1.一种提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，该石英坩埚包括气泡层和透明层，所述气泡层设于所述透明层的外部，其特征在于：所述石英坩埚的制造工艺包括以下步骤：
S1：进行氢氧化铝粉末的重量的计算；
S2：将所述氢氧化铝粉末与高纯石英砂混合，形成含有铝元素的石英砂；
S3：采用高纯石英砂进行所述气泡层制备；
S4：采用所述含有铝元素的石英砂在所述气泡层的内壁制备透明层。
2.根据权利要求1所述的提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，其特征在于：所述步骤S1中氢氧化铝的重量计算为根据所述氢氧化铝的重量与制备所述透明层的高纯石英砂的重量之比进行计算。
3.根据权利要求2所述的提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，其特征在于：所述氢氧化铝的重量与所述制备所述透明层的高纯石英砂的重量之比为0.01-0.1g/kg。
4.根据权利要求2或3所述的提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，其特征在于：所述制备透明层的高纯石英砂的重量根据所述透明层的厚度进行计算，所述透明层的厚度为3-6mm。
5.根据权利要求4所述的提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，其特征在于：所述步骤S3中的采用高纯石英砂进行所述气泡层制备步骤为：
S30：将高纯石英砂置于模具内进行熔融；
S31：进行离心吹塑，形成所述气泡层。
6.根据权利要求5所述的提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，其特征在于：所述步骤S4中采用所述含有铝元素的石英砂在所述气泡层的内壁制备透明层包括以下步骤：
S40：在所述气泡层形成后，放入所述含有铝元素的石英砂，并进行熔融；
S41：进行离心吹塑，形成所述透明层；
S42：冷却后，将所述石英坩埚取出。
7.根据权利要求1-3、5、6任一项所述的提高硅单晶少子寿命的石英坩埚制造工艺，其特征在于：所述气泡层的厚度为6-8mm。
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