一种氮化硅坩埚及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化硅坩埚，包括以下原料：粉末、含钡化合物、SiO2、氧化铝、莫来石、分散剂、高纯去离子水、有机物单体、交联剂、引发剂、催化剂、阻聚剂、粘结剂中的一种或多种。本发明专利技术公开了一种反应后烧结制备氮化硅坩埚的方法，包括以下步骤：1)注凝成型法或者注浆成型法制备Si基坯体；2)1000℃～1500℃氮化；3)高温气压烧结；4)后处理。本发明专利技术还公开了一种高温气压烧结制备氮化硅坩埚的方法，包括以下步骤：1)注凝成型法或者注浆成型法制备Si3N4基坯体；2)高温气压烧结。本发明专利技术制备的氮化硅坩埚具有耐高温、低氧含量、长使用寿命且可长期重复使用的优点，具有广阔的市场前景。

Silicon nitride crucible and preparation method thereof

The invention discloses a silicon nitride crucible, which comprises one or more of the following raw materials: powder, barium compounds, SiO 2, alumina, mullite, dispersant, high purity deionized water, organic monomer, crosslinking agent, initiator, catalyst, inhibitor and binder. The invention discloses a method for preparing silicon nitride crucible by post-reaction sintering, which comprises the following steps: 1) preparation of Si-based green body by casting or grouting method; 2) nitridation at 1000-1500 (?) high temperature and pressure sintering; 4) post-treatment. The invention also discloses a method for preparing silicon nitride crucible by high temperature gas pressure sintering, which comprises the following steps: 1) preparing Si3N4-based body by casting or grouting; 2) high temperature gas pressure sintering. The silicon nitride crucible prepared by the invention has the advantages of high temperature resistance, low oxygen content, long service life and long-term reuse, and has broad market prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅坩埚及其制备方法
本专利技术涉及光伏及半导体器件生产
，具体是一种氮化硅坩埚及其制备方法。
技术介绍
目前95％以上的半导体器件和99％以上的集成电路都是由Si材料制作，95％以上的光伏电站采用Si电池片制作。Si材料分为多晶和单晶两种，目前制备Si单晶采用圆形石英坩埚，制备Si多晶采用方形石英陶瓷坩埚。石英陶瓷坩埚存在以下致命的弱点：1)高温下软化、析晶，易因为坩埚开裂导致Si泄露等安全事故；2)耗材，一次性使用，不能重复利用，且单次使用寿命有极限，目前常规Si多晶用石英坩埚使用寿命3天左右，常规Si单晶用石英坩埚使用寿命200小时以内，现行工艺水平的极限不到400小时，不能满足未来CCZ单晶的需求；3)在Si材料中引入氧，导致了电池片衰减等质量问题。因此，设计一种耐高温、低氧含量、长使用寿命且可长期重复使用的氮化硅坩埚，成为亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮化硅坩埚及其制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种氮化硅坩埚，其特征在于，包括以下原料：粉末、含钡化合物、SiO2、氧化铝、莫来石、分散剂、高纯去离子水，以及有机物单体、交联剂、引发剂、催化剂、粘结剂中的一种或多种；其中，所述粉末为纯度为5N级以上的Si粉或纯度为3N级以上的Si3N4粉中的一种。作为本专利技术进一步的方案：所述坩埚的氮化硅含量大于80wt％；所述坩埚中除钡元素和Al元素外的其他金属元素总含量小于1000PPM，含有少量的SiC或者Si-C-N的结构；所述坩埚的烧结致密度＞90％；所述坩埚包括一种圆形坩埚，具有圆形或椭圆形的坩埚壁，平底或者曲面/弧形面的底部；所述坩埚包括一种多边形坩埚，具有四方形或者多边形的坩埚壁，平面或者弧面的底部。作为本专利技术再进一步的方案：所述分散剂包括但不限于草酸、草酸盐、柠檬酸、柠檬酸盐、萘系分散剂、各种复配分散剂；所述单体包括但不限于丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺等各种丙烯酰胺、各种丙烯酸酯、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸等各种丙烯酸、丙烯酰胺类大单体、聚氧乙烯类大单体、丙烯酸类大单体、丙烯酸酯类大单体、各种苯乙烯、甲代烯丙基醇、明胶、单糖、多糖；所述交联剂包括但不限于N,N'-亚甲基丙烯酰胺、双甲基丙烯酸乙二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二醇双甲基丙烯酸醋、二甲基羟乙基丙烯酸甲酯、单糖、多糖、多羟基化合物；所述引发剂包括但不限于过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、双氧水、过氧化苯甲酸、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、偶氮二甲基N-2-羟丁基丙酰胺、4,4，-偶氮二异氰基戊酸等水溶性偶氮类引发剂；所述催化剂包括但不限于乳酸、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺；所述阻聚剂包括但不限于对羟基苯甲醚；所述粘结剂包括但不限于环糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素醚等各种纤维素及纤维素醚。所述氮化硅坩埚的制备方法，其特征在于，步骤如下：1)采用注凝成型法或注浆成型法制备硅基坯体；2)将步骤1)得到的坯体置于氮气保护的氮化炉中，在温度为1000℃～1500℃条件下进行氮化，得到氮化硅坩埚半成品；3)将步骤2)中得到的氮化硅坩埚半成品置于气压烧结炉中进行烧结，气氛为氮气、压力为0.1MPa-10MPa、温度为1600℃-2000℃，即得。所述氮化硅坩埚的制备方法，其特征在于，步骤如下：1)采用注凝成型法或注浆成型法制备Si3N4基坯体；2)将步骤1)的坯体置于气压烧结炉中烧结，气氛为氮气、压力为0.1MPa-10MPa、温度为1600℃-2000℃。作为本专利技术再进一步的方案：上述两种方案的步骤1)中，所述的注凝成型法为称取粉末加入至适量高纯去离子水，采用一步或者多步制浆的方式制备浆料，浆料制备过程中加入含钡化合物、单体、交联剂、引发剂，选择性加入SiO2、氧化铝、莫来石、分散剂、催化剂和阻聚剂，加料顺序可调整，得到质量固相含量为30wt％～80wt％的浆料；再将浆料浇注到金属模具中，在20℃～90℃条件下进行加热固化，然后干燥处理得坯体；其中，所述加热固化的方法为水浴加热或加热炉加热方式中的一种；所述干燥处理的方式为采取低温干燥后再高温干燥或者长时间100℃以下低温干燥；其中低温干燥的方法包括但不限于100℃以下常压干燥、低温冷冻干燥、液体介质干燥；所述金属模具材质包括但不限于SUS304、SUS316、S136、铝合金。作为本专利技术再进一步的方案：上述两种方案的步骤1)中，所述的注浆成型法为：称取粉末加入至适量高纯去离子水中混合均匀，选择性加入SiO2、氧化铝、莫来石、分散剂，采用一步或者多步制浆的方式制备浆料，浆料制备过程中加入粘结剂，得到质量固相含量为30wt％～80wt％的浆料；再将浆料浇注到模具中，置于20℃～45℃，湿度40％～70％的条件下静置12-36h，再在60℃～180℃条件下进行干燥处理得坯体；其中，所述模具包括但不限于石膏模具、多孔树脂模具。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术制备的氮化硅坩埚具有耐高温、低氧含量、长使用寿命且可长期重复使用的优点，解决了石英坩埚不能满足行业发展的问题，本专利技术提出了一种氮化硅坩埚，其主要原材料为高纯Si粉或者高纯Si3N4粉，主要烧结助剂为Ba的化合物和SiO2、氧化铝、和莫来石，由于Ba相对于硅的分凝系数为零，Al元素与其他元素形成难于扩散的化学键，烧结助剂不会对Si等产品造成污染，且制成过程不引入污染；制得氮化硅坩埚的主要成分Si3N4的含量超过80wt％，除Ba元素和Al元素外的其他金属元素可控制在ppm级，且烧结致密度超过90％，完全满足作为生长Si单晶或者Si多晶容器的需求；且使用寿命长，理论上可长期使用并重复使用；因为氧元素(O)的含量低，游离的氧原子含量极低，因此避免了长晶过程中氧的扩散和引入，具有广阔的市场前景。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。实施例1一种氮化硅坩埚，包括以下原料：粉末、含钡化合物、SiO2、分散剂、单体、交联剂、引发剂、催化剂、阻聚剂、高纯去离子水；其中，所述粉末为纯度为6N级的Si粉；所述分散剂为柠檬酸胺；所述单体为丙烯酰胺；所述交联剂为N,N'-亚甲基丙烯酰胺；所述引发剂为过硫酸铵，所述催化剂为乳酸，所述阻聚剂为对羟基苯甲醚。本实施例中，所述氮化硅坩埚的制备方法为一种反应后烧结制备氮化硅坩埚的方法，具体步骤如下：1)称取粉末和去离子水经过球磨和搅拌制备成浆料，在浆料制备过程中加入含钡化合物、SiO2，添加相对于高纯去离子水的1％的柠檬酸胺，添加相对于高纯去离子水的5％的丙烯酰胺，添加相对于丙烯酰胺的5％的交联剂、添加相对于丙烯酰胺的2％的引发剂，得到质量固相含量50wt％的浆料，其中所述粉末为6N级Si粉；再将浆料浇注到金属模具中，所述模具材质为S136，在80℃条件下进行加热固化，然后干燥处理得坯体；其中，所述加热固化的方法为加热炉加热；所述干燥处理的方式为90℃以下进行干燥。2)将步骤1)得到的坯体置于氮气保护的氮化炉中，在温度为1350℃～1400℃条件下进行氮化，得到氮化硅坩埚半成品；3)将步骤2)中得到的氮化硅坩埚半成品置于气压烧结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化硅坩埚，其特征在于，包括以下原料：粉末、含钡化合物、SiO2、氧化铝、莫来石、分散剂、高纯去离子水，以及有机物单体、交联剂、引发剂、催化剂、粘结剂中的一种或多种；其中，所述粉末为纯度为5N级以上的Si粉或纯度为3N级以上的Si3N4粉中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅坩埚，其特征在于，包括以下原料：粉末、含钡化合物、SiO2、氧化铝、莫来石、分散剂、高纯去离子水，以及有机物单体、交联剂、引发剂、催化剂、粘结剂中的一种或多种；其中，所述粉末为纯度为5N级以上的Si粉或纯度为3N级以上的Si3N4粉中的一种。2.根据权利要求1所述的氮化硅坩埚，其特征在于，所述坩埚的氮化硅含量大于80wt％；所述坩埚中除钡元素和铝元素外的其他金属元素总含量小于1000PPM，含有少量的SiC或者Si-C-N的结构；所述坩埚的烧结致密度＞90％；所述坩埚包括一种圆形坩埚，具有圆形或椭圆形的坩埚壁，平底或者曲面/弧形面的底部；所述坩埚包括一种多边形坩埚，具有四方形或者多边形的坩埚壁，平面或者弧面的底部。3.根据权利要求2所述的氮化硅坩埚，其特征在于，所述分散剂包括但不限于草酸、草酸盐、柠檬酸、柠檬酸盐、萘系分散剂、各种复配分散剂；所述单体包括但不限于丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺等各种丙烯酰胺、丙烯酸酯、丙烯酸甘油单酯等各种丙烯酸酯、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸等各种丙烯酸、丙烯酰胺类大单体、聚氧乙烯类大单体、丙烯酸类大单体、丙烯酸酯类大单体、各种苯乙烯、甲代烯丙基醇、明胶、单糖、多糖；所述交联剂包括但不限于N,N'-亚甲基丙烯酰胺、双甲基丙烯酸乙二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二醇双甲基丙烯酸醋、二甲基羟乙基丙烯酸甲酯、单糖、多糖、多羟基化合物；所述引发剂包括但不限于过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、双氧水、过氧化苯甲酸、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、偶氮二甲基N-2-羟丁基丙酰胺、4,4，-偶氮二异氰基戊酸等水溶性偶氮类引发剂；所述催化剂包括但不限于乳酸、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺；所述阻聚剂包括但不限于对羟基苯甲醚；所述粘结剂包括但不限于环糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素醚等各种纤维素及纤维素醚。4.一种如权利要求1-3任一所述的氮化硅坩埚的制备方法，其特征在于，步骤如下：1)采用注凝成...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金波，姜华，
申请(专利权)人：王金波，
类型：发明
国别省市：湖北,42