用于光伏领域的坩埚制造技术

本发明专利技术涉及用于生产用氮化硅涂覆的工件的方法、所述工件以及可由这些工件得到的组件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光伏领域的坩埚
技术介绍
本专利技术涉及制备应用于光伏领域的坩埚。目前在光伏领域中以及为拉制单晶硅使用仅能一次性使用的SO2的坩埚。一方面，在硅熔融(约1500°C )期间，SO2坩埚由于高温而变形，并且此外材料SO2在温度变化时经历多次石英变型，因此坩埚开裂并在该过程后不能再次使用。传统的SO2坩埚在硅的熔融工艺期间被毁坏，并因此是仅能使用一次的一次性物品。本专利技术致力于多次使用的，例如至少五个生产周期的使用寿命的坩埚，以相较于传统的SO2坩埚实现经济效益的提高。氮化物结合碳化硅(也称为NSiC)是已知的窑具(Brennhilfsmittel)，主要在陶瓷快速烧制中用作支撑结构。氮化物结合碳化硅的制备在文献中已有大量描述。由于它的·化学组成NSiC不能直接作为坩埚材料使用。另一种已知的窑具是石墨。由这种材料也制备了市售坩埚。可是由于碳与硅反应生成SiC，所以石墨也不能作为坩埚直接用于硅熔融。如果例如直接在石墨坩埚中进行硅熔融，则坩埚的石墨反应生成碳化硅，并因此毁坏坩埚。所以，它不能作为坩埚直接用于硅熔融。专利技术目的本专利技术的目的在于提供成型件或材料，特别是用于硅尤其是纯硅或高纯硅(reinstes Silizium)的熔融的i甘祸,其具有至少五个生产周期的使用寿命。此外该成型件或坩埚必须确保良好的变温稳定性及高纯度。该材料或成型件必须适合用于制备金属熔体，且尤其是用于纯硅且尤其是高纯硅的熔融。该材料尤其应该在熔融非铁金属和硅时不会被侵润。本专利技术的另一个目的是提供作为坩埚材料的材料，该材料到目前为止由于其反应性不能用于熔融硅。现有技术中的解决建议从文献中的大量前期实验已知，氮化硅是一种合适的材料。氮化硅(Si3N4)是一种已知的材料，由其制成了用于工业应用的高品质零部件。没有添加剂就不能将纯氮化硅粉通过热处理压制成固体(作为“纯氮化硅”，在本申请中被理解为无添加的氮化硅，也就是不含有添加剂或添加剂体系的氮化硅)。这种氮化硅仍会包含少量杂质。已知的材料氮化硅是“常规的”氮化硅(Si3N4)，其具有相应的添加剂体系以实现充分压制。这里，人们通常提及所谓的“密闭孔隙率”和基于烧结氮化硅的理论密度计具有密度超过97%的密实的氮化硅，取决于所选择的添加剂体系，所述密度> 3.2g/cm3。为了达到这种密度，使用氧化性添加剂，如A1203、Y203和其他稀土的氧化物。得自碱土金属元素族的添加剂，例如MgO，也是现有技术。所有这些添加物在烧结期间造成压缩过程，其导致约20%的线性收缩。然而，这些添加剂妨碍了作为太阳能坩埚的应用，因为尤其是铝对太阳能电池的性能具有不利影响。Rec Scanwafer AS公司的WO 2007/148986公开了一种用于制造矩形i甘祸的金属硅和氮化硅的混合物，类似于RBSN(=反应烧结氮化硅)。DE 10 2005 032 790 Al公开了一种容器基体，它是烧制的锭模或锭模生坯，被设计作为容器用于熔融非铁金属，尤其是硅。该容器具有一个涂层，所述涂层包含化合物氮化硅或二氧化硅的至少一种，其中朝向坩埚壁的二氧化硅的浓度会增加。混合二氧化硅的优点在于，使氮化硅粉在基底(例如SiO2坩埚壁)上获得更好的附着力。在该专利技术中，通常必须将一种有机成分混合在该粉末中，由此在容器壁上产生附着力。也可以使该容器在使用前经受热处理，其中与本专利技术相反，通过烧结或反应没有出现层的压实。但是，如果进行热处理，有机粘合剂燃烧并留下松散的粉末层。该设计方式只能适合于石英坩埚，因为他们终归只使用一次。此外，向坩埚方面增加的SO2梯度是SO2坩埚使用的标志。如果将该石英坩埚使用多次，则该粉末涂层由于缺失的粘结剂部分而丧失其附着力。因此该层粘附不牢固并因而只能使用一次。DE 10 2006 003 820 Al公开了一种在二氧化硅(SiO2)成型件上的氮化硅涂层。该氮化硅层的制备通过施加硅层，和紧接着随后的氮化来进行。在基体基于石墨/碳的情况下，用纯硅进行涂覆是不可能的，因为替代氮化硅，优选形成碳化硅。但是，碳化硅作为分界层不适合用于太阳能-硅的熔融。 与此相反，在本专利技术中始终存在一定比例的硅粉，其通过反应烧制被转化为氮化硅，以至于与氮化硅颗粒形成牢固的结合。因此该层牢固地附着在坩埚材料上，并且使坩埚能够多次使用。氮化物结合碳化硅(=NSiC)是普遍已知的窑具。在文献中描述了氮化物结合碳化硅材料的制备。一种制备方法是通过粉浆浇注来成型构件。在此，将碳化硅粉和硅粉的混合物经氮化过程处理成氮化物结合碳化硅。在该文献中描述了通过添加剂的选择优化制备不同的粒度的该材料。然而，NSIC中含有不适于硅、特别是纯硅或高纯硅的熔融的碳化物比例。因此，硅熔体必须避免与NSiC直接接触。根据本专利技术的解决方案提供具有良好的耐变温性和高纯度的材料或成型件，从而使其能够用于光伏应用的目的通过在已经成型的基体上用含有硅、尤其是纯硅粉的粉浆施加额外的层得以实现。在本专利技术范围内，高纯度的成型件被理解为含有> 99%氮化硅的成型件。在另一个步骤中，将施加的纯硅粉在氮气流中的反应烧制中转化成氮化硅，由此形成阻止硅熔体与坩埚基体的材料之间接触的保护层。可以如下来施加纯氮化硅的层如果基体含有氮化物结合碳化硅(下文中也被称为NSiC)，即在烧制之前是细的和粗的碳化硅与硅粉的混合物，则该基体的涂覆优选用纯硅粉作为该粉浆唯一的无机成分的粉浆进行。在此上下文中，它被称为“反应烧结氮化硅(RBSN) ”。在本专利技术范围内，该术语被理解为一种材料，其原料是纯硅，该原料在氮气流中通过反应烧制被转化为氮化硅。在本专利技术范围内，纯硅被理解为不含添加剂或其他添加物的硅，且具有> 99重量％的硅含量。高纯硅具有> 99.9重量％的硅含量。在替代方式中，可以使用碳基材料,例如石墨、碳纤维增强型碳(CFC,也被称为碳纤维增强碳)或则石墨与CFC的混合物，作为基体的材料替代氮化物结合碳化硅。碳基坩埚材料具有如下优点，即在商业上，这种材料有不同尺寸大小和具有不同的纯度品质可供使用。此外，这种坩埚已经在太阳能工业中作为硅熔融时石英坩埚的支撑坩埚来使用。如果这个坩埚能直接使用，那么石英坩埚就可以被石墨坩埚替代，从而产生商业上的优点。为了能使碳基坩埚直接用于硅熔融，必须保护碳基坩埚不受硅的损害。用于碳基樹祸、特别是石墨的涂料，优选具有60-80重量氣化娃和20-40重量硅的粉浆的涂料。得自纯氮化硅和纯硅的混合物的涂料也通过在氮气流里的反应烧结转化为纯氮化硅。通过该纯氮化硅层可以获得更高的防止金属熔体、特别是硅的保护作用，以至于纯硅的熔体与坩埚的基体没有接触。施加的(反应结合及氮化物结合的)氮化硅的层尤其不被硅的熔体所浸润。本专利技术的描述在一个实施方式中首先制备氮化物结合碳化硅(NSiC)作为基础材料的基体。以 下也将该基体称为陶质碎片(Scherben)。氮化物结合碳化硅的特点是非常好的对于温度 变化的稳定性并且能够廉价地生产。氮化物结合碳化硅通常被用作窑具，但由于纯度不足不适合作为光伏应用的坩埚材料。氮化物结合碳化硅不足的纯度是由添加剂例如Al2O3或Fe2O3造成的。氮化物结合碳化硅的另一个缺点在于非铁金属熔体的可浸润性，如硅熔体。因此不考虑将它用于预期的应用。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·瓦格纳，M·马图塞克，
申请(专利权)人：HC施塔克股份有限公司，
类型：
国别省市：