專利名稱：太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種坩堝，特別是涉及一種太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝。
背景技術(shù)：
由于西門子法多晶硅提純技術(shù)生產(chǎn)成本高，并且，西門子法生產(chǎn)的硅的純度達(dá) 11N，而太陽能級(jí)硅對(duì)純度的要求僅為6 7N，因此，將西門子法應(yīng)用到太陽能硅電池制造 領(lǐng)域?qū)⒃斐刹槐匾馁Y源和成本浪費(fèi)。近年來，采用冶金法提純制備太陽能級(jí)多晶硅的技 術(shù)獲得了廣泛的重視。冶金法提純技術(shù)需經(jīng)過硅材料的精煉和鑄錠，采用的裝料容器通常為石英坩堝。 由于硅的熔點(diǎn)較高，精煉與鑄錠耗時(shí)較長，在高溫下硅液與坩堝之間長時(shí)間接觸不可避免 將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。一方面，反應(yīng)可導(dǎo)致氧元素及其它雜質(zhì)元素溶入硅液中，使硅液受到污 染，影響硅晶體的電學(xué)性能。另一方面，反應(yīng)可導(dǎo)致硅錠與坩堝發(fā)生粘連，給脫模造成困難。 并且由于硅晶體與坩堝材料的熱膨脹系數(shù)不同，粘連的硅錠與坩堝之間產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致晶 體缺陷的產(chǎn)生，甚至使硅錠及坩堝產(chǎn)生裂紋。因此，為防止鑄錠與坩堝之間的反應(yīng)與粘連， 便于脫模，并獲得純凈、理想的硅晶體，需在石英坩堝內(nèi)壁噴涂一層保護(hù)涂層。該保護(hù)層需 與坩堝之間具有良好的附著性，并且耐高溫，不對(duì)硅熔體造成污染。通常采用的涂層材料的主要成分為氮化硅。坩堝涂上一層氮化硅涂層以后，即可 阻止硅液與坩堝之間的化學(xué)反應(yīng)，有利于脫模，使石英坩堝的重復(fù)使用成為可能，從而降低 生產(chǎn)成本。然而，普通的氮化硅涂層的強(qiáng)度不高。氮化硅涂層雖然經(jīng)過燒結(jié)，但在使用過程 中易發(fā)生剝落，氮化硅顆粒進(jìn)入硅熔體中，最后存在于硅晶體中，從而增加硅晶體中的雜質(zhì) 和位錯(cuò)等缺陷。水玻璃常被用作涂層粉料的粘合劑，可有效固結(jié)涂層粉料，防止涂層脫落。但在高 溫下，水玻璃中的主要成分鈉會(huì)對(duì)坩堝材料產(chǎn)生侵蝕。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝。通 過在坩堝本體內(nèi)壁涂覆了一層坩堝涂層，使得該坩堝能有效防止涂層顆粒剝落導(dǎo)致顆粒污 染硅晶體，同時(shí)由于在涂層中添加可抑制高溫下鈉對(duì)坩堝的破壞作用的成分和在精煉過程 中有助于除雜的成分，因此，具有除雜效果。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝，包括石 英材質(zhì)的坩堝本體，其中，該坩堝本體的內(nèi)壁涂覆了一層由水玻璃、氮化硅粉末、氫氧化鋇 粉末及納米二氧化硅粉末為原料制成的坩堝涂層。所述坩堝涂層的厚度為30 300微米。其中，所述坩堝涂層的制備方法，包括步驟(1)水玻璃的制作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合后，經(jīng)過1400 1600°C熔融后，流經(jīng)去離子水，得到熔融硅酸鈉顆粒，再通過120 160°C的水蒸汽，加熱4 5小時(shí) 后，得到水玻璃；(2)將水玻璃、氮化硅粉末、氫氧化鋇粉末及納米二氧化硅粉末混合后，涂覆于坩 堝本體內(nèi)壁后，低溫烘干；其中，水玻璃固體總重量的重量比為1 0.8 1 1.2，固體 總重量是氮化硅、氫氧化鋇和納米二氧化硅的三者重量之和；(3)烘干后的坩堝本體進(jìn)入加熱爐，于800 1000°C燒結(jié)1 8小時(shí)后，在坩堝本 體內(nèi)壁得到一層致密均勻的保護(hù)涂層。所述步驟(1)中的高純碳酸納的純度為99. 9%以上；高純石英的純度為99. 99% 以上，且其中硼、磷含量低于0. Ippm;高純碳酸納和高純石英的粒度小于200目。所述步驟O)中的氮化硅和氫氧化鋇粉末粒度在1000 2000目之間，氮化硅和 氫氧化鋇純度都為99. 9%以上，氮化硅與氫氧化鋇粉末的混合重量比為5 1 20 1。 納米二氧化硅粉末的粒度為20 50nm，納米二氧化硅粉末的純度為99. 99%以上，且其中 硼、磷含量小于0. Ippm ；納米二氧化硅粉末的加入量占固體總重量的5 25%，其中，固體 總重量是氮化硅、氫氧化鋇和納米二氧化硅的三者重量之和。所述步驟O)中的涂覆方式為噴涂或刷涂；坩堝本體是石英坩堝本體。所述步驟(3)中的低溫烘干是在60 100°C下，烘干1 8小時(shí)。通過采用水玻璃作為氮化硅的溶劑和粘結(jié)劑，在燒結(jié)時(shí)，水玻璃中的鈉和水份及 二氧化碳全部揮發(fā)，氮化硅可以與二氧化硅坩堝牢固結(jié)合，將氮化硅顆粒固化在坩堝內(nèi)壁 上，從而可防止氮化硅顆粒剝落，破壞硅晶體的生長，污染硅晶體。納米二氧化硅的加入可 以抑制高溫下鈉對(duì)石英坩堝的破壞作用，并提高涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度及涂層的光潔 度。在坩堝涂層內(nèi)添加氫氧化鋇，高溫下與硅及其中的雜質(zhì)硼發(fā)生反應(yīng)，生成BOH氣體，隨 SiO揮發(fā)，從而可以起到除硼的作用。采用上述方法制備的坩堝涂層，精煉鑄錠后得到多晶硅，對(duì)其晶體生長情況采用 SEM(掃描電鏡)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶體生長完整，晶粒尺寸粗大，無顆粒污染情況。采用ICP-MS (等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行含量分析，處理后硅中的硼含量為比采用一 般氮化硅涂層坩堝得到的硅中硼含量低10 20%。
以下結(jié)合附圖
與具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明附圖是本實(shí)用新型的坩堝結(jié)構(gòu)示意圖，1為坩堝涂層，2為坩堝本體。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例中，采用的高純碳酸納、高純石英、氮化硅、氫氧化鋇、納米二氧化硅都 是市售產(chǎn)品，其中，高純碳酸納的純度為99. 98% ；高純石英的純度為99. 99%，且其中硼、 磷含量低于0. Ippm ；高純碳酸納和高純石英的粒度小于200目；氮化硅的純度為99. 9% 以上；氫氧化鋇的純度為99. 9% ；納米二氧化硅的純度為99. 999%，且其中硼、磷含量小于 0. Ippm ；氮化硅和氫氧化鋇粉末粒度在1000 2000目之間；納米二氧化硅粉末的粒度為 20 50nm。另外，以下實(shí)施例中，精煉鑄錠后得到的多晶硅及利用涂層坩堝得到的硅，都是按常規(guī)方法進(jìn)行操作。實(shí)施例1太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝，其結(jié)構(gòu)示意圖如說明書附圖所示，包括石英 材質(zhì)的坩堝本體2，其中，坩堝本體2的內(nèi)壁涂覆了一層由水玻璃、氮化硅粉末、氫氧化鋇粉 末及納米二氧化硅粉末為原料制成的坩堝涂層1。該坩堝涂層1的厚度為30 300微米。其中，坩堝涂層1，是太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用坩堝涂層1，該坩堝涂層1的制備 方法，包括步驟(1)水玻璃的制作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經(jīng)過1500°C熔融后，流經(jīng)去 離子水，得到熔融硅酸鈉顆粒；再通過140°C的水蒸汽，加熱5小時(shí)制備水玻璃。(2)將氮化硅粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為5 1混合，加入5%的納米二氧化 硅即納米二氧化硅占固體總重量的5%，其中，固體總重量是氮化硅、氫氧化鋇和納米二氧 化硅的三者重量之和，將混合好的固態(tài)粉末(氮化硅、氫氧化鋇和納米二氧化硅的三者之 和)與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調(diào)勻后，噴涂到石英坩堝本體2內(nèi)壁，在60°C下 烘干6小時(shí)后，在900°C下燒結(jié)6小時(shí)，最后在坩堝本體2內(nèi)壁得到一層致密均勻的保護(hù)涂 層。采用本實(shí)施例制備的坩堝涂層1，精煉鑄錠后得到多晶硅，對(duì)其晶體生長情況采用 SEM(掃描電鏡)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為9. 7mm，無顆粒污染情 況。采用ICP-MS(等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行含量分析，處理后硅中的硼含量為比采用一般氮 化硅涂層坩堝得到的硅中硼含量低16%。實(shí)施例2本實(shí)施例中的太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝如同實(shí)施例1，但其中，坩堝涂層 1的制備方法如下(1)水玻璃的制作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經(jīng)過1400°C熔融后，流經(jīng)去 離子水，得到熔融硅酸鈉顆粒；再通過120°C的水蒸汽，加熱4. 5小時(shí)制備水玻璃。(2)將氮化硅粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為10 1混合，加入10%的納米二氧 化硅，將混合好的固態(tài)粉末與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調(diào)勻后，刷涂到石英坩堝 本體2內(nèi)壁，在100°C下烘干1小時(shí)，最后在1000°C下燒結(jié)1小時(shí)，最后在坩堝本體2內(nèi)壁 得到一層致密均勻的保護(hù)涂層。采用本實(shí)施例制備的坩堝涂層1，精煉鑄錠后得到多晶硅，對(duì)其晶體生長情況采用 SEM(掃描電鏡)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為10. 2mm，無顆粒污染情 況。采用ICP-MS(等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行含量分析，處理后硅中的硼含量為比采用一般氮 化硅涂層坩堝得到的硅中硼含量低13%。實(shí)施例3本實(shí)施例中的太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝如同實(shí)施例1，但其中，坩堝涂層 1的制備方法如下(1)水玻璃的制作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經(jīng)過1600°C熔融后，流經(jīng)去離子水，得到熔融硅酸鈉顆粒；再通過160°C的水蒸汽，加熱4小時(shí)制備水玻璃。(2)將氮化硅粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為15 1混合，加入15%的納米二氧 化硅粉末，將混合好的固態(tài)粉末與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調(diào)勻后，噴涂到石英 坩堝本體2內(nèi)壁，在80°C下烘干3小時(shí)，最后在800°C下燒結(jié)3小時(shí)，最后在坩堝本體2內(nèi) 壁得到一層致密均勻的保護(hù)涂層。采用本實(shí)施例制備的坩堝涂層1，精煉鑄錠后得到多晶硅，對(duì)其晶體生長情況采用 SEM(掃描電鏡)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為12. 5mm，無顆粒污染情 況。采用ICP-MS(等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行含量分析，處理后硅中的硼含量為比采用一般氮 化硅涂層坩堝得到的硅中硼含量低15%。實(shí)施例4本實(shí)施例中的太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝如同實(shí)施例1，但其中，坩堝涂層 1的制備方法如下(1)水玻璃的制作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經(jīng)過1450°C熔融后，流經(jīng)去 離子水，得到熔融硅酸鈉顆粒；再通過150°C的水蒸汽，加熱4小時(shí)制備水玻璃。(2)將氮化硅粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為20 1混合，加入25%的納米二氧 化硅粉末，將混合好的固態(tài)粉末與水玻璃按重量比為1 1的比例混合調(diào)勻，刷涂到石英坩 堝本體2內(nèi)壁，在70°C下烘干8小時(shí)，最后在1000°C下燒結(jié)8小時(shí)，最后在坩堝本體2內(nèi)壁 得到一層致密均勻的保護(hù)涂層。采用本實(shí)施例制備的坩堝涂層1，精煉鑄錠后得到多晶硅，對(duì)其晶體生長情況采用 SEM(掃描電鏡)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為12. 8mm，無顆粒污染情 況。采用ICP-MS(等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行含量分析，處理后硅中的硼含量為比采用一般氮 化硅涂層坩堝得到的硅中硼含量低18%。實(shí)施例5 本實(shí)施例中的太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝如同實(shí)施例1，但其中，坩堝涂層 1的制備方法如下(1)水玻璃的制作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經(jīng)過1550°C熔融后，流經(jīng)去 離子水，得到熔融硅酸鈉顆粒；再通過130°C的水蒸汽，加熱4. 2小時(shí)制備水玻璃。( 將氮化硅粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為8 1混合，加入20%的納米二氧 化硅粉末，將混合好的固態(tài)粉末與水玻璃按重量比為1 0.8的比例混合調(diào)勻，刷涂到石英 坩堝本體2內(nèi)壁，在90°C下烘干5小時(shí)，最后在850°C下燒結(jié)5小時(shí)，最后在坩堝本體2內(nèi) 壁得到一層致密均勻的保護(hù)涂層。采用本實(shí)施例制備的坩堝涂層1，精煉鑄錠后得到多晶硅，對(duì)其晶體生長情況采用 SEM (掃描電鏡)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為11. 2mm,無顆粒污染情 況。采用ICP-MS(等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行含量分析，處理后硅中的硼含量為比采用一般氮 化硅涂層坩堝得到的硅中硼含量低12%。實(shí)施例6本實(shí)施例中的太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝如同實(shí)施例1，但其中，坩堝涂層1的制備方法如下(1)水玻璃的制作將高純碳酸納和高純石英砂以重量比為1 1.5混合，經(jīng)過1580°C熔融后，流經(jīng)去 離子水，得到熔融硅酸鈉顆粒；再通過1450°C的水蒸汽，加熱4. 8小時(shí)制備水玻璃。(2)將氮化硅粉末和氫氧化鋇粉末按重量比為12 1混合，加入12%的納米二氧 化硅粉末，將混合好的固態(tài)粉末與水玻璃按重量比為1 1.2的比例混合調(diào)勻，噴涂到石英 坩堝本體2內(nèi)壁，在65°C下烘干4小時(shí)，最后在950°C下燒結(jié)4小時(shí)，最后在坩堝本體2內(nèi) 壁得到一層致密均勻的保護(hù)涂層。采用本實(shí)施例制備的坩堝涂層1，精煉鑄錠后得到多晶硅，對(duì)其晶體生長情況采用 SEM(掃描電鏡)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶體生長完整，晶粒徑向尺寸平均為12. 3mm，無顆粒污染情 況。采用ICP-MS(等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行含量分析，處理后硅中的硼含量為比采用一般氮 化硅涂層坩堝得到的硅中硼含量低18%。
權(quán)利要求1.一種太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝，該坩堝包括石英材質(zhì)的坩堝本體，其特征 在于所述坩堝本體的內(nèi)壁涂覆了一層坩堝涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝，其特征在于所述坩堝涂 層的厚度為30 300微米。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種太陽能級(jí)多晶硅提純鑄錠用的坩堝，該坩堝包括石英材質(zhì)的坩堝本體，其中，該坩堝本體的內(nèi)壁涂覆了一層由水玻璃、氮化硅粉末、氫氧化鋇粉末及納米二氧化硅粉末為原料制成的坩堝涂層。本實(shí)用新型的坩堝可有效防止涂層顆粒剝落導(dǎo)致顆粒污染硅晶體，同時(shí)具有除雜效果。
文檔編號(hào)C30B28/06GK201857440SQ201020587029
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者史珺, 程素玲 申請人:上海普羅新能源有限公司