一种石英玻璃坩埚及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石英玻璃坩埚，所述石英玻璃坩埚的坩埚基体的内表面上涂敷有理论厚度为50~500μm的透明涂层，所述透明涂层是通过熔融掺杂有碱土金属元素的石英砂制备得到，所述碱土金属元素是指镁元素、钡元素、锶元素或钙元素，所述碱土金属元素来自于氧化钡、碱土金属的碱、碱土金属的盐或碱土金属的碱与碱土金属的盐任意比例的混合物，所述掺杂有碱土金属元素的石英砂中碱土金属元素的质量百分含量为400~2000ppm。本发明专利技术还公开了所述石英玻璃坩埚的制备方法。本发明专利技术提供的石英玻璃坩埚具有较高的耐久使用性，坩埚使用过程中内表面透明涂层不易发生脱落剥离等对拉晶过程造成不利影响的现象，拉制单晶硅的无位错比例高，拉晶效果好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石英玻璃坩埚，特别是在提拉法生产单晶硅中使用的石英玻璃坩埚，以及所述石英玻璃坩埚的制备方法。
技术介绍
石英坩埚作为直拉单晶硅过程中盛放多晶硅料的容器被广泛采用，因此石英坩埚作为与单晶硅料直接接触的物体，决定了单晶硅能否顺利生产的关键因素。其中在直拉法生产单晶硅过程中，造成拉晶失败的一个主要原因，就是在石英玻璃坩埚内表面上形成的方石英脱落后进入熔融的硅熔体当中造成的。目前，解决此问题的方法中，多采用含有碱土金属的结晶促进剂涂覆到坩埚内表面上，以在单晶拉制的早期阶段，坩埚内表面形成致密的方石英结晶层来抑制脱落，例如中国专利03108420在坩埚的整个或部分侧面上涂覆金属氧化物涂层；中国专利021M513. 8 中采用在坩埚表面上涂布结晶促进剂后，进行高温烧成的方法，将涂层烧成在坩埚上。但这些涂层方法中，存在着如下问题(1)由于坩埚内表面上的涂层与坩埚内表面的结合力较弱，涂层容易在运输和使用过程中发生脱落，使得涂层不能起到本应有的效果，甚至引起反作用；(2)由于这些涂层的粘附力较弱，因此在洗涤过程中非常容易被冲洗掉，尤其不能满足坩埚进行酸洗净的要求；(3)该工艺是在坩埚制作完成后，进行的涂层加工，工艺流程长，操作复杂，以及存在着坩埚易被二次污染等严重影响坩埚质量的风险。而美国专利US6，641，663B2公开了使用掺杂有含Ba元素的石英砂制作坩埚内层的方法，虽解决了上述问题，但该方法制作的坩埚内层Ba元素含量较低(5 150ppm)，制作的坩埚内层较厚(0.2 1.0mm)。专利技术人在实验中发现，按照专利US6，641，663B2公开的方法制备石英玻璃坩埚，由于其内层Ba元素含量低，制得的坩埚在拉制单晶的过程中，易造成方石英结晶层在坩埚内表面分布不均勻。而为了保证拉晶效果，就需要增加坩埚内层的厚度，而内层的厚度增大会造成方石英层过厚等不利的影响，而且显然内层厚度增大就要增加内层石英砂的用量，加大成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供，以解决坩埚在使用过程中内表面上方石英结晶层脱落、以及方石英结晶层分布不均勻或方石英结晶层较厚等对拉晶产生不良影响的问题。本专利技术采用的技术方案是一种石英玻璃坩埚，所述石英玻璃坩埚包括坩埚基体，其特征在于所述石英玻璃坩埚的坩埚基体的内表面上涂敷有理论厚度为50 500μπι的透明涂层，所述透明涂层是通过熔融掺杂有碱土金属元素的石英砂制备得到，所述石英砂为天然石英砂、合成石英砂4或两者以任意比例的混合，优选合成石英砂，所述碱土金属元素是指镁元素、钡元素、锶元素或钙元素，优选钡元素，所述碱土金属元素来自于氧化钡、碱土金属的碱、碱土金属的盐或碱土金属的碱与碱土金属的盐任意比例的混合物，所述掺杂有碱土金属元素的石英砂中碱土金属元素的质量含量为400 2000ppm，所述内表面是指坩埚基体的底部内表面、坩埚基体的壁部内表面或坩埚基体的全部内表面。所述碱土金属的碱为下列之一或两种以上的混合氢氧化镁、氢氧化钡、氢氧化锶或氢氧化钙，优选氢氧化钡。所述碱土金属的盐为碱土金属无机盐和/或碱土金属有机盐。所述碱土金属无机盐为下列中的一种或两种以上的混合MeXn，η为1或2，其中Me为Mg2+、Ba2+、Sr2+或Ca2+，X为 Γ、Cr、C00\ CH3C00\ C2H5C00\ C032\ SiO广或 C2O: ；X 为 Γ、Cr、C00\ CH3C00\ C2H5COCT 时， η = 2 ;X为C032_、Si032_或C2 042_时，η = 1。所述碱土金属有机盐为下列中的一种或两种以上的混合(R) 2M，其中M为Mg、Ba、Sr或Ca，R为CmH2m+1C00，m = 3 8的整数。所述透明涂层的理论厚度为50 500 μ m，优选50 μ m 100 μ m，根据预计透明涂层的厚度b和预计涂敷的内表面的面积S，可按公式m = KXSXbX P计算出所需掺杂有碱土金属元素的石英砂的质量用量m，其中K为不同尺寸直径坩埚经验系数，K = 1. 5 2. 0， P为掺杂有碱土金属元素的石英砂的密度，然后熔融制得所述透明涂层。所述按公式m = KXSXbX P计算时，各参数单位必须统一。本专利技术所述P为掺杂有碱土金属元素的石英砂在高温熔融之前的正常密度，掺杂有碱土金属元素的石英砂经熔融之后，密度通常会增大，为了使实际熔融得到的透明涂层的厚度与预计透明涂层的厚度一致，在计算所需掺杂有碱土金属元素的石英砂质量用量 m时，熔融之后掺杂有碱土金属元素的石英砂相比于熔融之前的石英砂的密度增大的倍数， 也体现在系数K之中。所述的透明涂层通过在用坩埚模具制备石英玻璃坩埚基体时，待坩埚基体熔融成型后，再在所述的坩埚模具上接电极通入强电流，进而在所述的模具内瞬间形成高温状态(大于2000°C)的电弧，然后均勻地投入掺杂有碱土金属元素的石英砂，经高温熔融后涂敷在石英玻璃坩埚基体的内表面，得到所述的透明涂层。更具体的，所述的石英玻璃坩埚的坩埚基体是由天然石英砂熔融制得。所述掺杂有碱土金属元素的石英砂中碱土金属元素的质量含量优选为SOOppm 1200ppm。更具体的，所述掺杂有碱土金属元素的石英砂可按以下方法得到将氧化钡、碱土金属的碱、碱土金属的盐或碱土金属的碱与碱土金属的盐任意比例的混合物配制成质量百分含量为0. 01 50%的溶液，加入到石英砂中，所述石英砂为天然石英砂、合成石英砂或两者以任意比例的混合，充分搅拌混合，然后在50 1000°C下干燥1 10小时(优选 200 300°C下干燥2 5小时)，得到掺杂有碱土金属元素的石英砂，使碱土金属元素在石英砂中的质量含量为400 2000ppm。所述溶液为水溶液或有机溶液，更具体的，所述氧化钡、碱土金属的碱、碱土金属无机盐或碱土金属的碱与碱土金属无机盐的混合物通常只能溶于水配成水溶液；所述碱土金属有机盐通常只能溶于有机溶剂配成有机溶液，所述有机溶剂为下列之一或两种以上的混合C1 C5的醇、C2 C8的酯、C7 Cll的烷基取代苯，有机溶剂优选为下列之一或两种以上的混合甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1- 丁醇、异丁醇、1-戊醇、2-戊醇、2-甲基-2戊醇、异戊醇、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯，最优选甲苯或乙酸乙酯。所述配制好的溶液加入到石英砂中，充分搅拌混合，然后在50 1000°C (优选 200 300°C )下干燥1 10小时的操作，可以多次进行，使碱土金属元素在石英砂中的质量含量为400 2000ppm即可。多次操作时，所述溶液可以是配制好的相同的溶液分次加入，分次干燥，也可以是不同的溶液分次加入，分次干燥，最终使使碱土金属元素在石英砂中的质量含量为400 2000ppm即可。特别对于碱土金属元素来自于碱土金属有机盐和碱土金属的碱、碱土金属有机盐和碱土金属无机盐或碱土金属有机盐、碱土金属的碱、碱土金属无机盐三种的混合时，碱土金属有机盐溶于有机溶剂配成有机溶液，碱土金属的碱、碱土金属无机盐或碱土金属的碱、碱土金属无机盐两者的混合分别溶于水配成水溶液，则有机溶液与水溶液必须分开进行操作。这应当是本领域人员公知的处理方法。较为具体的，本专利技术所述石英玻璃坩埚按照以下方法制得(1)将氧化钡、碱土金属的碱、碱土金属的盐或碱土金属的碱与碱土金属的盐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春来，周勇，渥美崇，
申请(专利权)人：杭州先进石英材料有限公司，
类型：发明
国别省市：