CN113443903B - 超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法 - Google Patents

超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113443903B
CN113443903B CN202110820233.6A CN202110820233A CN113443903B CN 113443903 B CN113443903 B CN 113443903B CN 202110820233 A CN202110820233 A CN 202110820233A CN 113443903 B CN113443903 B CN 113443903B
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
slurry
crucible
fused quartz
quartz
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110820233.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113443903A (zh
Inventor
李健
刘丽丽
高源�
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Hejing Ceramic New Material Industry Technology Research Institute Co ltd
Original Assignee
Yantai Hejing Ceramic New Materials Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yantai Hejing Ceramic New Materials Co ltd filed Critical Yantai Hejing Ceramic New Materials Co ltd
Priority to CN202110820233.6A priority Critical patent/CN113443903B/zh
Publication of CN113443903A publication Critical patent/CN113443903A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113443903B publication Critical patent/CN113443903B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/14—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silica
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/029—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of monosilane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/03—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of silicon halides or halosilanes or reduction thereof with hydrogen as the only reducing agent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/624—Sol-gel processing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
    • C30B28/06—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids by normal freezing or freezing under temperature gradient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/06—Joining of crystals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
    • Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备及其用于生产空心方硅芯的方法，属于多晶硅生产技术领域，所述熔融石英坩埚的制备方法包括如下步骤：石英浆料的制备、超大尺寸长方体熔融石英坩埚坯体的制备、熔融石英坩埚的烧结、高纯石英涂层的涂覆、氮化硅涂层的涂覆。所述的超大尺寸长方体熔融石英坩埚用于生产空心方硅芯的方法包括：多晶硅铸锭制备、线切硅板/硅条、将硅板/硅条连接成空心方硅芯。本发明中涉及的用超大尺寸长方体熔融石英坩埚生产的空心方硅芯可以起到提升还原炉产出多晶硅的效率和品质的优点，有利于多晶硅生产企业降低成本、增强竞争能力。

Description

超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心 方硅芯的方法
技术领域
本发明涉及超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备及其用于生产空心方硅芯的方法，属于多晶硅生产技术领域。
背景技术
硅芯作为硅烷法和改良西门子法中还原炉的热载体有两个作用：还原炉的热源；用于控制反应区的温度和作为沉积多晶硅的场所。硅芯对于产出的多晶硅品质起着至关重要的作用。
目前硅芯主要有实心的圆硅芯和经过线切的方硅芯，在多晶硅生产过程中，因为前期硅芯表面积小，沉积速率慢，平均电耗高，使得多晶硅的生产成本被拉高。随着生成的多晶硅不断沉积在硅芯表面，硅芯的表面积越来越大，反应气体分子对硅芯表面的碰撞机会和数量也随之增大，沉积的多晶硅的速率越来越快，沉积的多晶硅的量也愈多。因此还原反应时间越长，硅芯的直径或者横截面积越大时，多晶硅的沉积速度越快，生长效率越高，高压击穿的时间越短，这样在提高生产效率的同时也会相应的降低生产能耗和成本。
为了追求前期的硅芯的表面积，如果采用大直径或者横截面积的实心硅芯，首先其使用的原料会相应的增加，其次生产工艺难度增加，生产效率也会大幅下降，导致生产成本的增加，所以实心硅芯的直径或者横截面积受到很大的限制。目前还有很多技术难点无法克服，并且大直径或者横截面积的硅芯还不便于后续加工和搬运。
另外硅烷法和改良西门子法中还原炉中硅棒的最佳沉积温度是1066℃，硅芯溶化温度大约1200℃，而实心的硅芯又无法冷却，因此目前国内多晶硅厂生产的多晶硅大多为玉米棒状。
空心的硅芯能较好的解决上述问题，目前国外采用拉制法生产的空心圆硅芯尚处于试验阶段，拉制过程复杂，目前尚未大规模生产。
使用硅板/硅条连接成空心方硅芯未见国内外相关报道，尤其目前国内外还未有可以大规模量产的用于制备满足尺寸的硅板/硅条的高品质超大尺寸长方体熔融石英坩埚。熔融石英坩埚作为唯一可以大规模用于多晶硅铸锭的容器，其性能、质量直接关系到对晶硅硅锭的品质，是重要的消耗性辅件。需要在1400℃以上的高温下连续工作70小时以上，经过加热、熔化、长晶、退火和冷却等阶段将多晶硅原料转化为多晶硅方锭。由于使用条件非常严峻，所以熔融石英坩埚必须具备特别严苛的性能要求，例如：良好的常温和高温力学性能、良好的外观平整性、均匀的内在结构、极佳的抗热震稳定性能等。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法，所述坩埚的制备方法可以制备出超大尺寸熔融石英长方体坩埚，超大尺寸长方体熔融石英坩埚进行多晶硅铸锭生产的多晶硅硅锭可以满足制备空心方硅芯的尺寸需求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法，包括如下步骤：
(1)石英浆料的制备：
基础浆料的制备：将石英砂和水倒入到球磨机中，在球磨设备中进行球磨，得到基础浆料，基础浆料的粒径为2-6μm，密度为1810-1860g/cm3；
石英浆料的制备：选粒径分布为3-40μm熔融石英颗粒作为直加料加入基础浆料中，使用混合设备使其混合成为颗粒分布均匀的石英浆料，石英浆料的密度为1860-2020g/cm3，水分6-15％；
(2)超大尺寸长方体熔融石英坩埚坯体的制备：采用凝胶真空凝胶注模方式或压力注浆方式制备熔融石英坩埚坯体；
(3)熔融石英坩埚的烧结：将步骤(2)得到的熔融石英坩埚坯体在高温烧结窑中烧结，最终得到烧结后的熔融石英坩埚；
(4)高纯石英涂层的涂覆：将基础浆料：石英砂：硅溶胶：陶瓷粘结剂＝(800-1000)：(200-300)：(100-200)：(10-30)的重量比例混合均匀制备石英高纯浆料，将高纯石英浆料涂覆在烧结后的熔融石英坩埚内腔，在干燥窑里烘干水分；
(5)氮化硅涂层的涂覆：将氮化硅粉料：水：硅溶胶：分散剂＝(35-40)：(40-50)：(10-20)：(0.1-0.5)的重量比例混合均匀制备氮化硅浆料，将氮化硅浆料涂覆在坩埚内腔，在干燥窑里烘干水分，得到所述的超大尺寸长方体熔融石英坩埚。
优选的，步骤(2)中所述凝胶真空凝胶注模方式制备熔融石英坩埚坯体的具体操作为：
(a)凝胶注模体系的制备：选用环氧树脂凝胶体系，使用乙二醇二缩水甘油醚为环氧树脂，双(3-氨基丙级)胺作为固化剂，聚丙烯酸酯溶液为分散剂，将凝胶注模体系加入到石英浆料中混合均匀，制成浇注浆料，按照重量份数计，所述环氧树脂为25～30份，所述固化剂为25～45份，所述分散剂为0.5～1份；
(b)将制备好的浇注浆料加入到真空搅拌器中进行真空搅拌，祛除浆料中的气泡。
(c)将真空搅拌完毕的浇注浆料注入不锈钢模具中，50-60℃水浴保温60-80min，浇注浆料发生凝胶反应原位固化，经过脱模、养护后制得长方体坩埚坯体。
优选的，步骤(2)中所述压力注浆方式制备熔融石英坩埚坯体的具体操作为：
(a)将石英浆料加入解胶剂，搅拌均匀，制成浇注浆料；
(b)加大注浆压力或用压缩空气将浇注浆料压入石膏模具中，并且对模具施加压力，浆料浇注后通过水分的扩散迁移固化，经过脱模、养护后制得坩埚坯体。
优选的，所述解胶剂为枸橼酸钠、酒石酸盐、磷酸盐、碳酸盐、甘氨酸盐、琥珀酸镁、去氢胆酸钠中的一种或多种混合，所述解胶剂的加入量为石英浆料中固相含量的0.2～0.3％。
优选的，所述超大尺寸长方体熔融石英坩埚的具体尺寸为：长2000-4000mm，宽200-700mm，高300-600mm，壁厚20-30mm，直壁或锥度10-12mm。
优选的，步骤(1)中，基础浆料的制备中，石英砂和水的重量比为3～4：1，所述球磨设备为卧式球磨机和立式球磨机中的一种或组合，球磨时间为6-16h；
石英浆料的制备中，基础浆料与直加料的重量比为1～2：2～1，所述混合设备为卧式球磨机、立式搅拌器中的一种或组合，混合时间为1-4h。
优选的，步骤(4)中，高纯石英浆料涂覆方式为涂刷、喷涂、滚涂、流延的一种或多种组合，在100-120℃干燥窑里烘干水分，即得到高纯石英涂层，高纯石英涂层厚度为0.6-1.5mm；
步骤(5)中，氮化硅浆料涂覆方式为涂刷、喷涂、滚涂的一种或多种组合，在100-120℃干燥窑里烘干水分，即得到氮化硅涂层，氮化硅涂层厚度为0.2-0.4mm。
本发明还公开了所述的超大尺寸长方体熔融石英坩埚用于生产空心方硅芯的方法，如下步骤：
(I)多晶硅铸锭制备：
将硅料装入所述熔融石英坩埚内，然后将装载了硅料的熔融石英坩埚放置在多晶硅炉中，在惰性气体的保护下加热使硅料熔化，通过熔融石英坩埚下部的定向凝固块控制炉腔内的温度，形成垂直的温度梯度，使靠近熔融石英坩埚坩埚内底的下部硅液先冷却结晶，然后开始向上缓慢定向凝固，最终形成多晶硅铸锭；
(II)线切硅板/硅条：
采用金刚石线的硅板/硅条多线切割机床的设备切割，通过利用电镀上金刚石微粒的细钢丝线在多晶硅铸锭上高速的往复运动或者单向运动，将高纯的多晶硅铸锭压在切割机床用金刚石线交叉组成的长方形线网上，从而将多晶硅铸锭切割成细长的硅板/硅条；
(III)将硅板/硅条连接成空心方硅芯：
(1)拼接：将4块硅板/硅条拼接成空心长方体状，放入硅芯连接炉中，用多个硅板/硅条夹持部件固定；
(2)预热：升高温度使硅板/硅条具有热塑性，并保温；
(3)升温：继续升温使硅板/硅条端面局部熔化，使硅板/硅条相互贴合的端面连接在一起；
(4)降温：降温至至室温，将连接好的空心方硅芯从硅芯连接炉中取出。
进一步的，将硅板/硅条连接成空心方硅芯的具体步骤如下：
(1)拼接：将4块硅板/硅条拼接成空心长方体状，放入硅芯连接炉中，用多个硅板/硅条夹持部件固定；
(2)预热：升高温度至700-900℃，使硅板/硅条具有热塑性，保温10-20min；
(3)升温：升温至1200-1400℃，使硅板/硅条端面局部熔化，使硅板/硅条相互贴合的端面连接在一起；
(4)降温：以5-10℃/min的速率降温至700-900℃后自然降温至室温，将连接好的空心方硅芯从硅芯连接炉中取出。
本发明的有益效果是：
1)本发明通过对熔融石英坩埚制备方法的工艺条件改进，制备出超大尺寸长方体熔融石英坩埚，尺寸可以达到：长2000-4000mm，宽200-700mm，高300-600mm，壁厚20-30mm，直壁或锥度10-12mm，目前现有技术方案很难制备出本发明所述的超大尺寸长方体熔融石英坩埚，本发明技术是熔融石英坩埚制备领域的一大突破，对多晶硅原料的生产具有重要的价值；
2)本发明公布的用超大尺寸长方体熔融石英坩埚生产的空心方硅芯可以起到提升还原炉产出多晶硅的效率和品质的优点，有利于多晶硅生产企业降低成本、增强竞争能力。
附图说明
图1为用来制备方硅芯的长方体熔融石英坩埚实物示意图；
图2为用来制备方硅芯的长方体熔融石英坩埚结构示意图；
图3为空心方硅芯结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
一种超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备及其用于生产空心方硅芯的方法，包括以下几个步骤：
1、超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备
1.1、石英浆料的制备
1.1.1、基础浆料的制备：先以卧式球磨机和立式球磨机结合的球磨方式制备基础浆料，石英砂和水的重量比为3～4：1，石英砂和水经过球磨处理后得到基础浆料，基础浆料的粒径为4.4μm，密度为1850g/cm3，球磨时间8h。
1.1.2、石英浆料的制备：选择不同粒径分布的熔融石英颗粒作为直加料加入1.1.1的基础浆料中，使用卧式球磨机使其混合均匀。颗粒粒度分布为为3-40μm的范围，粒度具有连续性。基础浆料与直加料的混合比例为1:2，混合时间为2h。最终制得密度1880g/cm3，水分10％，颗粒分布均匀的石英浆料。
1.2、真空凝胶注模方式制备坩埚坯体
(1)凝胶注模体系的制备：选用环氧树脂凝胶体系，使用乙二醇二缩水甘油醚为环氧树脂，双(3-氨基丙级)胺作为固化剂，聚丙烯酸酯溶液为分散剂，按照重量份数计，环氧树脂25份，固化剂16.67份，分散剂1份。将凝胶注模体系加入到石英浆料中混合均匀，制成浇注浆料。
(2)将制备好的浇注浆料加入到真空搅拌器中搅拌60min，祛除浇注浆料中的气泡。
(3)将真空搅拌完毕的浇注浆料注入特定的不锈钢模具中，60℃水浴保温60min，浇注浆料发生凝胶反应原位固化，经过脱模、养护后制得长方体坩埚坯体。
1.3、熔融石英坩埚的烧结：将坩埚坯体在高温烧结窑1200℃下烧结，保温时间为200min，最终得到超大尺寸的熔融石英坩埚。
1.4、高纯石英涂层的制备：将基础浆料：石英砂：硅溶胶：陶瓷粘结剂＝100：200：150：20的比例混合均匀制备熔融石英高纯浆料，将高纯石英浆料涂刷在坩埚内腔五面，在100-120℃干燥窑里烘干水分，即得到高纯石英涂层，涂层厚度为1.2mm。
1.5、氮化硅涂层的制备：将氮化硅粉料：水：硅溶胶：分散剂＝40：50：15：0.2的比例混合均匀制备氮化硅料浆，将氮化硅料浆喷涂到坩埚内壁后，在120℃干燥窑里烘干水分，即得到氮化硅涂层，涂层厚度为0.2mm。
制备的超大尺寸熔融石英长方体坩埚尺寸为长3600mm，宽650mm，高450mm，壁厚25mm，锥度10mm。
对生产的超大尺寸长方体熔融石英坩埚进行多晶硅铸锭、线切硅板/硅条、硅板/硅条连接成空心方硅芯：
多晶硅铸锭是指将大小、不同形态的硅料装入熔融石英坩埚内，然后将装载了硅料的熔融石英坩埚放置在多晶硅炉中，在惰性气体的保护下加热使硅料熔化。通过坩埚下部的定向凝固块控制炉腔内的温度，形成垂直的温度梯度，使靠近熔融石英坩埚内底的下部硅液先冷却结晶，然后开始向上缓慢定向凝固，最终形成多晶硅锭。
线切硅板/硅条：采用金刚石线的硅板/硅条多线切割机床的设备切割。通过利用电镀上金刚石微粒的细钢丝线在被加工工件上高速的往复运动或者单向运动，将高纯的多晶硅锭压在该机床用金刚石线交叉组成的长方形线网上，从而将多晶硅锭切割成细长的硅板/硅条。
硅板/硅条连接成空心方硅芯包括以下步骤：
(1)拼接：将4块硅板/硅条拼接成空心长方体状，放入硅芯连接炉中，用多个硅板/硅条夹持部件固定。
(2)预热：升高温度至900℃，使硅板/硅条具有一定的热塑性，保温10min。
(3)升温：升温至1200℃，使硅板/硅条端面局部熔化，使相互贴合的端面连接在一起。
(4)降温：以5℃/min的速率降温至750℃后自然降温至室温。将连接好的空心方硅芯从硅芯连接炉中取出。
实施例2
一种超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备及其用于生产空心方硅芯的方法，包括以下几个步骤：
1、超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备
1.1、石英浆料的制备
1.1.1、基础浆料的制备：先以卧式球磨机和立式球磨机结合的球磨方式制备基础浆料，石英砂和水的重量比为3～4：1，石英砂和水经过球磨处理后得到基础浆料，。基础浆料的粒径为5.0μm，密度为1820g/cm3，球磨时间6h。
1.1.2、石英浆料的制备：不同粒径分布的熔融石英颗粒作为直加料加入1.1.1的基础浆料中。使用立式搅拌器使其混合均匀，颗粒粒度分布为为3-40μm的范围，粒度具有连续性。基础浆料与直加料的混合比例为2:1，混合时间为1h。最终制得密度1860g/cm3，水分15％，颗粒分布均匀的石英浆料。
1.2、压力注浆方式制备坩埚坯体
(1)将石英浆料加入解胶剂(反絮凝剂)枸橼酸钠，枸橼酸钠占浇注石英浆料固相重量含量的0.3％，搅拌均匀，制成浇注浆料。
(2)加大注浆压力或用压缩空气将浇注浆料压入特定的石膏模具中，并且对模具施加压力，浆料浇注后通过水分的扩散迁移固化，经过脱模、养护后制得坩埚坯体。
2、熔融石英坩埚的烧结：坩埚坯体在高温烧结窑1100℃下烧结，保温时间为240min，最终得到超大尺寸的熔融石英坩埚。
3、高纯石英涂层的制备：将基础浆料：石英砂：硅溶胶：陶瓷粘结剂＝900：200：200：30的比例混合均匀制备熔融石英高纯浆料，将高纯石英浆料滚涂在坩埚内腔五面，在120℃干燥窑里烘干水分，即得到高纯石英涂层，涂层厚度为1.0mm。
4、氮化硅涂层的制备方法：将氮化硅粉料：水：硅溶胶：分散剂＝40：45：15：0.3的比例混合均匀制备氮化硅料浆，将氮化硅料浆喷涂到坩埚内壁后，在100℃干燥窑里烘干水分，即得到氮化硅涂层，涂层厚度为0.4mm。
制备超大尺寸熔融石英长方体坩埚，其尺寸为长3600mm，宽650mm，高480mm，壁厚25mm，锥度10mm。
对生产的超大尺寸长方体熔融石英坩埚进行多晶硅铸锭、线切硅板/硅条、硅板/硅条连接成空心方硅芯：
多晶硅铸锭是指将大小、不同形态的硅料装入熔融石英坩埚内，然后将装载了硅料的坩埚放置在多晶硅炉中，在惰性气体的保护下加热使硅料熔化。通过坩埚下部的定向凝固块控制炉腔内的温度，形成垂直的温度梯度，使靠近坩埚内底的下部硅液先冷却结晶，然后开始向上缓慢定向凝固，最终形成多晶硅锭。
线切硅板/硅条：采用金刚石线的硅板/硅条多线切割机床的设备切割。通过利用电镀上金刚石微粒的细钢丝线在被加工工件上高速的往复运动或者单向运动，将高纯的多晶硅方锭压在该机床用金刚石线交叉组成的长方形线网上，从而将硅棒切割成细长的硅板/硅条。
硅板/硅条连接成空心方硅芯包括以下步骤：
(1)拼接：将4块硅板/硅条拼接成空心长方体状，放入硅芯连接炉中，用多个硅板/硅条夹持部件固定。
(2)预热：升高温度至800℃，使硅板/硅条具有一定的热塑性，保温15min。
(3)升温：升温至1300℃，使硅板/硅条端面局部熔化，使相互贴合的端面连接在一起。
(4)降温：以10℃/min的速率降温至700℃后自然降温至室温。将连接好的空心方硅芯从硅芯连接炉中取出。
表1实施例1和实施例2制备的超大尺寸长方体熔融石英坩埚与普通的方坩埚性能对比
项目 实施例1 实施例2 普通方坩埚
尺寸(长*宽*高)(mm) 3600*650*450 3600*650*480 1200*1200*540
体积密度(g/cm<sup>3</sup>) >1.92 >1.89 >1.82
显气孔率(％) 11-13 11-14 11-14
生坯抗折强度(MPa) 15-20 10-18 9-15
弹性模量(GPa) >30 >25 >20
热膨胀系数(10<sup>-6</sup>/℃) 0.63 0.60 0.66
断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>) 0.95 0.88 0.79
导热系数(W/(m.K)) 0.76 0.64 0.62
从表1可以看出实施例1(真空凝胶注模)和实施例2(压力注浆)制备的超大尺寸长方体熔融石英坩埚的性能优于普通的方坩埚。
通过本专利生产的超大尺寸长方体熔融石英坩埚热震稳定性良好：经过5次25℃—1200℃的热循环实验而未出现裂纹。
表2线切方硅芯与硅芯炉生产圆硅芯对比表
Figure BDA0003171745100000091
通过表2可以看出空心方硅芯的硅芯直径大于实心硅芯的情况下，也具有较大的优势。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种用于生产空心方硅芯的超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法，其特征在于，所述熔融石英坩埚的制备方法包括如下步骤：
（1）石英浆料的制备：
基础浆料的制备：将石英砂和水倒入到球磨机中，在球磨设备中进行球磨，得到基础浆料，基础浆料的粒径为2-6μm，密度为1810-1860g/cm3；石英砂和水的重量比为3~4：1；
石英浆料的制备：选粒径分布为3-40μm熔融石英颗粒作为直加料加入基础浆料中，使用混合设备使其混合成为颗粒分布均匀的石英浆料，石英浆料的密度为1860-2020g/cm3，水分6-15%；基础浆料与直加料的重量比为1~2：2~1；
（2）超大尺寸长方体熔融石英坩埚坯体的制备：采用凝胶真空凝胶注模方式制备熔融石英坩埚坯体；
（3）熔融石英坩埚的烧结：将步骤（2）得到的熔融石英坩埚坯体在高温烧结窑中烧结，最终得到烧结后的熔融石英坩埚；
（4）高纯石英涂层的涂覆：将基础浆料：石英砂：硅溶胶：陶瓷粘结剂=(800-1000)：(200-300)：(100-200)：(10-30)的重量比例混合均匀制备高纯石英浆料，将高纯石英浆料涂覆在烧结后的熔融石英坩埚内腔，在干燥窑里烘干水分；
（5）氮化硅涂层的涂覆：将氮化硅粉料：水：硅溶胶：分散剂=(35-40)：(40-50)：(10-20)：(0.1-0.5)的重量比例混合均匀制备氮化硅浆料，将氮化硅浆料涂覆在坩埚内腔，在干燥窑里烘干水分，得到所述的超大尺寸长方体熔融石英坩埚；
所述超大尺寸长方体熔融石英坩埚的具体尺寸为：长2000-4000mm，宽200-700mm，高300-600mm，壁厚20-30mm，直壁或锥度10-12mm；
步骤（2）中所述凝胶真空凝胶注模方式制备熔融石英坩埚坯体的具体操作为：
（a）凝胶真空凝胶注模体系的制备：选用环氧树脂凝胶体系，使用乙二醇二缩水甘油醚为环氧树脂，双（3-氨基丙基）胺作为固化剂，聚丙烯酸酯溶液为分散剂，将凝胶真空凝胶注模体系加入到石英浆料中混合均匀，制成浇注浆料，按照重量份数计，所述环氧树脂为25~30份，所述固化剂为25~45份，所述分散剂为0.5~1份；
（b）将制备好的浇注浆料加入到真空搅拌器中进行真空搅拌，祛除浆料中的气泡；
（c）将真空搅拌完毕的浇注浆料注入不锈钢模具中，50-60℃水浴保温60-80min，浇注浆料发生凝胶反应原位固化，经过脱模、养护后制得长方体坩埚坯体。
2.根据权利要求1所述的一种用于生产空心方硅芯的超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，基础浆料的制备中，所述球磨设备为卧式球磨机和立式球磨机中的一种或组合，球磨时间为6-16h；
石英浆料的制备中，所述混合设备为卧式球磨机、立式搅拌器中的一种或组合，混合时间为1-4h。
3.根据权利要求1所述的一种用于生产空心方硅芯的超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，高纯石英浆料涂覆方式为涂刷、喷涂、滚涂、流延的一种或多种组合，在100-120℃干燥窑里烘干水分，即得到高纯石英涂层，高纯石英涂层厚度为0.6-1.5mm；
步骤（5）中，氮化硅浆料涂覆方式为涂刷、喷涂、滚涂的一种或多种组合，在100-120℃干燥窑里烘干水分，即得到氮化硅涂层，氮化硅涂层厚度为0.2-0.4mm。
4.一种生产空心方硅芯的方法，其特征在于，使用权利要求1-3任意一项所述一种用于生产空心方硅芯的超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法制备的熔融石英坩埚，所述生产空心方硅芯的方法包括如下步骤：
（I）多晶硅铸锭制备：
将硅料装入所述熔融石英坩埚内，然后将装载了硅料的熔融石英坩埚放置在多晶硅炉中，在惰性气体的保护下加热使硅料熔化，通过熔融石英坩埚下部的定向凝固块控制炉腔内的温度，形成垂直的温度梯度，使靠近熔融石英坩埚坩埚内底的下部硅液先冷却结晶，然后开始向上缓慢定向凝固，最终形成多晶硅铸锭；
（II）线切硅板/硅条：
采用金刚石线的硅板/硅条多线切割机床的设备切割，通过利用电镀上金刚石微粒的细钢丝线在多晶硅铸锭上高速的往复运动或者单向运动，将高纯的多晶硅铸锭压在切割机床用金刚石线交叉组成的长方形线网上，从而将多晶硅铸锭切割成细长的硅板/硅条；
（III）将硅板/硅条连接成空心方硅芯：
（1）拼接：将4块硅板/硅条拼接成空心长方体状，放入硅芯连接炉中，用多个硅板/硅条夹持部件固定；
（2）预热：升高温度使硅板/硅条具有热塑性，并保温；
（3）升温：继续升温使硅板/硅条端面局部熔化，使硅板/硅条相互贴合的端面连接在一起；
（4）降温：降温至室温，将连接好的空心方硅芯从硅芯连接炉中取出。
5.根据权利要求4所述的一种生产空心方硅芯的方法，其特征在于，将硅板/硅条连接成空心方硅芯的具体步骤如下：
（1）拼接：将4块硅板/硅条拼接成空心长方体状，放入硅芯连接炉中，用多个硅板/硅条夹持部件固定；
（2）预热：升高温度至700-900℃，使硅板/硅条具有热塑性，保温10-20min；
（3）升温：升温至1200-1400℃，使硅板/硅条端面局部熔化，使硅板/硅条相互贴合的端面连接在一起；
（4）降温：以5-10℃/min的速率降温至700-900℃后自然降温至室温，将连接好的空心方硅芯从硅芯连接炉中取出。
CN202110820233.6A 2021-07-20 2021-07-20 超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法 Active CN113443903B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110820233.6A CN113443903B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110820233.6A CN113443903B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113443903A CN113443903A (zh) 2021-09-28
CN113443903B true CN113443903B (zh) 2023-03-17

Family

ID=77816762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110820233.6A Active CN113443903B (zh) 2021-07-20 2021-07-20 超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113443903B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113816383A (zh) * 2021-11-12 2021-12-21 昆明学院 一种提高多晶硅还原炉能效的高纯石英质硅芯
CN114230323B (zh) * 2021-12-22 2022-11-18 东海县太阳光新能源有限公司 一种石英陶瓷坩埚的制作方法
CN115636663B (zh) * 2022-10-20 2023-05-16 无锡市尚领石英科技有限公司 高强度高致密性石英坩埚的制备工艺

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101880166B (zh) * 2010-06-13 2013-05-08 洛阳北苑特种陶瓷有限公司 一种大型石英陶瓷坩埚的制备方法
CN102219359A (zh) * 2011-04-06 2011-10-19 中材江苏太阳能新材料有限公司 大尺寸熔融石英陶瓷坩埚的成型方法
CN102527594A (zh) * 2012-01-22 2012-07-04 常熟华融太阳能新型材料有限公司 一种铸锭用石英坩埚及其制备方法
CN103693858B (zh) * 2012-09-27 2016-06-01 浙江昱辉阳光能源有限公司 一种带有氮化硅涂层的石英坩埚的制备方法及一种多晶硅铸锭的方法
CN104803610A (zh) * 2014-01-26 2015-07-29 季勇升 用于多晶硅铸锭的高纯免喷涂熔融石英坩埚的制造方法
CN105417542B (zh) * 2016-01-06 2018-02-02 洛阳金诺机械工程有限公司 一种空心硅芯及其硅芯组件
KR102571434B1 (ko) * 2016-12-28 2023-08-29 오씨아이 주식회사 실리카 도가니 내벽에 질화규소를 코팅하는 방법
CN212223147U (zh) * 2020-04-20 2020-12-25 烟台核晶陶瓷新材料有限公司 一种多晶硅铸锭用新型高纯涂层坩埚

Also Published As

Publication number Publication date
CN113443903A (zh) 2021-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113443903B (zh) 超大尺寸长方体熔融石英坩埚的制备方法及其用于生产空心方硅芯的方法
CN102500748B (zh) 一种铝碳化硅复合材料的制备方法
CN102875132B (zh) 一种大尺寸高纯氧化铝陶瓷材料的制备方法
CN108002843B (zh) 一种基于膏体的高精度多孔氮化硅复杂形状件的制备方法
CN105000890A (zh) 一种大尺寸氮化硅坩埚的制备方法
CN113149002B (zh) 一种基于光固化成型的金刚石-陶瓷复合材料的制备方法
CN106380201A (zh) 一种制备异形碳化硼陶瓷的方法
CN104744051B (zh) 一种氮化硅坩埚的制作方法
CN103359918B (zh) 一种坩埚的制备方法及坩埚
CN103803955B (zh) 一种氮化硅/氧化硅复合坩埚的制备方法
CN113480318B (zh) 一种高热导氮化硅陶瓷及其制备方法
CN109439974B (zh) 一种高硅铝合金薄板制备工艺
CN110918869A (zh) 一种树脂砂型铸造用耐高温涂料及其制备方法
CN107986787A (zh) 一种低温烧结陶瓷型金刚石磨头的配方和制备方法
CN113563068A (zh) 一种用于直写成型的陶瓷浆料及成型方法
CN111592226B (zh) 高硼硅玻璃的制备方法和高硼硅玻璃及其应用
CN113149671B (zh) 轻质莫来石-氧化铝空心球-钛酸铝匣钵浇注成型工艺
CN103360083A (zh) 一种氮化硅坩埚的制备方法
CN113732964A (zh) 一种树脂金属陶瓷三元复合结合剂超硬砂轮及其制备方法
CN113149698A (zh) 一种具有良好溶解溃散性的氧化镁陶瓷型芯及其制备方法
CN112279518A (zh) 一种用于金刚石砂轮的低温烧结微晶玻璃结合剂及其制备方法和应用
CN115340388B (zh) 类单晶铸锭用氮化硅方砖制备方法及石英坩埚
CN106001426B (zh) 一种联板铸造工艺
CN108997003B (zh) 陶瓷浆料、陶瓷器件及其制备方法
CN116621570B (zh) 一种低膨胀抗形变石英坩埚及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230526

Address after: Office Building 4, No. 46 Taipei North Road, Yantai Area, China (Shandong) Pilot Free Trade Zone, Yantai City, Shandong Province, 264006

Patentee after: Shandong Hejing Ceramic New Material Industry Technology Research Institute Co.,Ltd.

Address before: No.1928, Yingbin Road, Qixia City, Yantai City, Shandong Province

Patentee before: YANTAI HEJING CERAMIC NEW MATERIALS Co.,Ltd.