一種多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝及涂層制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多晶硅鑄錠生產(chǎn)技術設備領域，特別涉及一種多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝及涂層制備方法。
【背景技術】
[0002]多晶硅鑄錠制備過程中，陶瓷坩堝是其必備的容器，硅料在坩堝內(nèi)熔化、晶體生長、退火冷卻，鑄成多晶硅錠。將硅錠按照技術要求切割成硅片，便成為生產(chǎn)制造太陽能電池的基體材料。陶瓷坩堝的材料基體為陶瓷，其晶相為晶體和玻璃體，制備鑄造多晶硅時，在原料熔化，晶體生長過程中，硅熔體和坩堝長時間接觸，會產(chǎn)生黏滯作用。由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，如果硅材料和坩堝壁結合緊密，在晶體冷卻時很可能造成晶體硅或坩堝破裂；同時，由于硅熔體和坩堝長時間接觸，會造成陶瓷坩堝的腐蝕，使多晶硅中的氧濃度升高。為了解決這一問題，工藝上一般利用氮化硅(Si3N4)等材料作為涂層，附加在坩堝的內(nèi)壁，從而隔離了硅熔體與坩堝的直接接觸，不僅能夠解決黏滯問題，而且可以降低多晶硅中的氧、碳雜質濃度，使陶瓷坩堝能夠重復使用，從而達到降低生產(chǎn)成本的目的。
[0003]隨著鑄錠技術的發(fā)展，硅錠越來越大，升級到G6硅錠以后，大坩堝(ImX Im以上)填料量大，高溫融化時間長，對保護涂層質量要求較小坩堝高，普通噴涂配比、方法無法滿足大坩堝鑄錠對涂層質量的苛刻要求，經(jīng)常會引起粘鍋等質量問題，導致生產(chǎn)成本始終保持在較高水平。因此，如何提高坩堝涂層的堅硬度和耐高溫性能，從而滿足大坩堝的鑄錠要求，是本領域技術人員急需解決的技術問題。
[0004]發(fā)明專利CN103506263A，公開了一種多晶硅坩堝噴涂免烘干的方法及氮化硅涂層，屬于免烘烤自然狀態(tài)干燥的涂層技術；所述氮化硅、硅溶膠和去離子水的質量配比為I: 0.6:3.2 ;發(fā)明專利CN102877126A，公開了一種多晶硅大坩堝及其涂層漿料、涂層制備，屬于免烘培氮化硅涂層技術；所述氮化硅、硅溶膠和高純水的重量配比為1:1:4。免烘培缺點是自然條件下環(huán)境溫度不可控，隨著季節(jié)的變化環(huán)境溫度也會變化，影響坩堝涂層自然干燥質量；在批量生產(chǎn)要求下，自然涼干難以保證坩堝批次涂層質量的要求，所以常常造成大量的不良坩堝粘接，使不良率升高。
[0005]發(fā)明專利CN102453955A，公開了一種太陽能級多晶硅提純鑄錠用坩堝涂層與其制法及坩堝，屬于烘烤方式制備氮化硅涂層坩堝技術；低溫烘干是在60?10(TC下，烘干I?8小時；加熱爐于800?1000°C燒結I?8小時后，在坩堝本體內(nèi)壁得到一層致密均勻的保護涂層。缺點是烘培時間過長，燒結溫度能耗過高。
[0006]綜合免烘培涂層技術與烘培涂層技術的缺點或不足，主要體現(xiàn)操作簡單的免烘涂層不良率太高，批次質量難以控制；烘培涂層的高能耗高溫度長時間又導致生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝及涂層制備方法，針對現(xiàn)有免烘培涂層和高溫烘培涂層技術的缺點和不足，利用氮化硅、高純水和硅溶膠優(yōu)選噴涂一種氮化硅涂層，解決二種涂層制造技術的缺點，調整配比關系，實現(xiàn)操作簡單、烘培時間短、批量生產(chǎn)坩堝良品率高的涂層，從而節(jié)約時間、減少能耗、提高生產(chǎn)效率。
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:一種多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝及涂層制備方法，包括陶瓷坩堝本體和氮化硅涂層，其特征在于:
[0009]所述陶瓷坩堝本體由陶瓷材料構成，所述陶瓷坩堝本體為方形結構，上部開口，四角與底邊經(jīng)過圓角處理，四面厚度均勻相同，底部厚度厚于四面?zhèn)缺冢凰鎏沾邵釄灞倔w內(nèi)部，噴涂有氮化硅涂層，所述氮化硅涂層均勻涂制在所述陶瓷坩堝本體內(nèi)表面上，所述氮化硅涂層厚度為毫米量級；所述氮化硅涂層起到隔離多晶硅與坩堝作用，避免黏滯現(xiàn)象發(fā)生，阻止雜質滲透，防止溫變過程造成多晶體或者坩堝破裂。
[0010]所述陶瓷坩堝本體為耐高溫結構陶瓷預制件，經(jīng)過模壓成型，高溫燒結固化，表面研磨加工而成。
[0011 ] 所述氮化硅涂層由氮化硅粉體、高純水和硅溶膠以一定比例配制成漿料，所述漿料經(jīng)過噴槍噴涂于所述坩堝內(nèi)表面上，并經(jīng)過烘培處理，在所述的陶瓷坩堝本體內(nèi)表面形成牢固的、均勻的表面氮化娃層。
[0012]為了獲得滿足要求的氮化硅涂層結構，要求操作簡單、工藝溫度可控、噴涂層厚度均勻一致、烘培時間短、烘培溫度低和成品坩堝的良品率高的具體工藝限制條件。在優(yōu)選各種參數(shù)方案中，首先考慮的是氮化硅粉體用量問題，氮化硅用量超大，噴涂效率越高，涂層內(nèi)含量越大；雖然氮化硅含量的增加會導致費用增大，但是通過控制噴制涂層厚度，則可以很好的控制氮化硅總消耗量，保持總量不增加；所以氮化硅粉體用量宜向增加用量方向優(yōu)化，經(jīng)過實際測試，按照重量百分比計，本發(fā)明氮化硅用量為大于24%以上。
[0013]所述高純水用量，水作為稀釋劑用量越大，烘培時間越長，所需要的烘培溫度越高，與本發(fā)明要解決的問題不利，所以該高純水用量參數(shù)宜越少越有利，經(jīng)過實際測試，按照重量百分比計，本發(fā)明高純水用量為小于60%。
[0014]所述硅溶膠用于粘結氮化硅粉體，起分散與固化作用，由于其主要成份為二氧化硅水合物，其中的固形特成份含量越大，對于整體噴涂漿料的干燥和涂層結構的固化越有利，但含量過多也會影響整體涂層的性能發(fā)揮；經(jīng)過實際測試與研究，按照重量百分比計，本發(fā)明所述娃溶膠用量為大于18%為最佳。
[0015]綜合上述參數(shù)用量數(shù)據(jù)，本發(fā)明噴涂漿料成份配比為氮化硅:硅溶膠:高純水=1.25:1:3。其中各物質的比例變化方向是:所述氮化硅宜向著增加含量方向變化；所述硅溶膠宜向著增加含量方向變化；高純水宜向著減少含量方向變化。這種優(yōu)選方向的變化趨勢,主導了本發(fā)明所要解決問題的本質要求。
[0016]所述多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝的涂層制備方法是:
[0017]1、配料:按照配比要求，稱量確定數(shù)量的高純水；按照配比要求，稱取確定數(shù)量的硅溶膠；將所述的高純水緩慢加入到所述的硅溶膠中，并在添加過程中，進行攪拌均勻。按照配比要求，稱取確定數(shù)量的氮化硅粉體，備用。
[0018]2、漿料配制:在連續(xù)均勻攪拌條件下，控制溫度為25-35°C，將所述氮化硅粉體緩慢加入到所述高純水和硅溶膠混合液中，待全部添加完成，整體混合均勻后，即得所需漿料。
[0019]3、噴涂:在噴涂之前，應預先對漿料進行連續(xù)攪拌，預攪拌時間至少為20分鐘；保持室內(nèi)溫度為25—35°C ;保持待噴涂陶瓷坩堝本體溫度為70—80°C ;為保證噴制的均一性，要求對噴槍進行適當預熱；控制噴槍噴霧量，控制噴槍到陶瓷坩堝本體表面的距離為1cm一15cm ;最終控制噴涂氮化娃涂層厚度為0.3mm—0.7mm范圍。
[0020]4、所述高純水電阻率要求大于15兆歐。
[0021]由于使用了較高含量的氮化硅配比，所以噴涂涂層厚度可以減小，在減小涂層厚度的同時，一方面是涂層內(nèi)氮化硅的量基本不會減少，另一方面由于涂層厚度的降低，使得烘培的溫度和烘培的時間均可以實現(xiàn)降低，從而節(jié)約能源消耗量，節(jié)約成本。
[0022]5、烘培:控制烘培溫度為1802200C ;控制烘培時間為I小時以內(nèi)；采用非強制排風烘制。
[0023]所述的陶瓷樹禍本體的長寬高尺寸為(800mm—IlOmm)* (800mm一 IlOmm)*(400mm一600mm);所述陶瓷相.禍本體的厚度為側壁厚度為20mm—40mm ;底部厚度為20mm—50mm ;所述氮化娃涂層，厚度為0.3mm—0.7mm。
[0024]通過上述技術方案，本發(fā)明技術方案的有益效果是:經(jīng)過大量的實驗與探索，優(yōu)化了氮化硅、硅溶膠和高純水的比例關系，通過涂噴工藝制取的涂層坩堝，操作簡單、烘培時間短、批量生產(chǎn)坩堝良品率高，粘堝比例從原來的百分之一級別下降到千分之一級別，從而節(jié)約時間、減少能耗、提聞生廣效率。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為本發(fā)明實施例所公開的一種多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝剖面圖示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例所公開的一種多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝俯視圖示意圖
[0028]圖3為本發(fā)明實施例所公開的一種多晶硅鑄錠氮化硅涂層坩堝局部放大圖示意圖。
[0029]圖中數(shù)字和字母所表示的相應部件名稱:
[0030]1