技术领域
[0001] 本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种石英坩埚的制备方法和石英坩埚。
相关背景技术
[0002] 单晶，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序，单晶整个晶格是连续的，具有重要的工业应用，单晶硅在拉制完成后，石英坩埚需要从碳碳坩埚取出，高温下石英坩埚偏软，石英坩埚经过高温软化后与碳碳坩埚内壁贴合非常紧密，两者之间存在着相互作用力，对石英坩埚的脱模难度非常大。
[0003] 目前，通常通过人工使用工具敲击碳碳坩埚的方式实现单晶石英坩埚与碳碳坩埚的分离。
[0004] 但是，长期敲击碳碳坩埚会导致碳碳坩埚中纤维组织断裂，大大降低了碳碳坩埚的使用寿命。
具体实施方式
[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032] 参照图1，示出了本发明实施例的一种石英坩埚的制备方法的步骤流程图，该方法包括步骤101至步骤103：
[0033] 步骤101、获取成型后的坩埚坯体。
[0034] 其中，坩埚坯体为石英坩埚对应的坯体，该坩埚坯体可以是在熔制工艺完成后，在步骤102在坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料之前得到的坩埚坯体。
[0035] 坩埚坯体可以通过电弧法熔制高纯度石英砂的方式获取，也可以通过在成型模具中对石英砂浆料进行高温烧制获得，本发明实施例对此不作具体限定。
[0036] 步骤102、在所述坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料；所述脱模剂浆料包括氮化硼、硅溶胶和去离子水。
[0037] 需要说明的是，坩埚坯体的外表面包括坩埚坯体的侧表面、下表面，以及侧表面与下表面之间的过渡区域。
[0038] 在本发明实施例中，脱模剂浆料包括氮化硼、硅溶胶和去离子水。
[0039] 其中，氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6％的硼和56.4％的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼(HBN)、菱方氮化硼(RBN)、立方氮化硼(CBN)和纤锌矿氮化硼(WBN)。其立方结晶的变体被认为是已知的最硬的物质。在本发明实施例中，可以通过加入氮化硼粉末的方式配制脱模剂浆料。氮化硼作为脱模剂浆料的组份之一，氮化硼物化性质稳定，在真空条件下2700℃才发生分解，单晶炉内最高温度不超过1600℃，采用添加有氮化硼的脱模剂浆料制备的脱膜层可以在单晶硅的制备工艺过程中保持良好的稳定性和润滑性。
[0040] 硅溶胶(Silica gel，Silica)别名:硅酸凝胶是一种高活性吸附材料，属非晶态物质，其化学分子式为mSiO2·nH2O；除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应，化学性质稳定。各种型号的硅胶因其制造方法不同而形成不同的微孔结构。硅胶的化学组份和物理结构，决定了它具有许多其他同类材料难以取代的特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。在本发明实施例中，将硅溶胶作为脱模剂浆料的另一组份，可以利用硅溶胶的化学稳定性以及微孔结构将氮化硼分散在微孔结构内部，提高了脱模剂浆料中各组份分散的均匀性，进而提高了步骤103得到的包裹在石英坩埚的外表面的脱膜层的均匀性。
[0041] 此外，硅溶胶的组份与石英坩埚的组份一致，将包含硅溶胶的脱模剂浆料涂布在石英坩埚的坩埚坯体的外表面不会对石英坩埚造成污染。
[0042] 脱模剂浆料中还包括去离子水。石英坩埚对金属离子敏感，因此在脱模剂浆料中需要避免金属离子的引入，在本发明实施例中，配制脱模剂浆料的用水为去离子水。
[0043] 在本发明实施例中，脱模剂浆料中氮化硼、硅溶胶和去离子水三者之间的比例关系可以根据实际应用场景下对脱膜层的厚度以及脱膜层在石英坩埚的外表面的附着力等方面的要求灵活确定氮化硼、硅溶胶和去离子水三者之间的比例关系，本发明实施例对此不作具体限定。
[0044] 其中，可以通过刷涂、喷涂等涂布工艺在坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料，在本发明实施例中，将脱模剂浆料均匀涂布在坩埚坯体的外表面即可，对具体的涂布工艺不作具体限定。
[0045] 步骤103、对涂布有所述脱模剂浆料的坩埚坯体进行固化处理，得到石英坩埚。
[0046] 其中，所述石英坩埚的外表面包裹有脱模层；所述脱膜层为所述脱膜浆料经过固化处理得到的。
[0047] 在通过步骤102在坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料之后，可以通过表面固化工艺对涂布有脱模剂浆料的坩埚坯体进行固化处理，得到外表面包裹有脱模层的石英坩埚。
[0048] 可以理解的是，涂布有脱模剂浆料的坩埚坯体进行固化处理之后，涂布在坩埚坯体外表面的脱模剂浆料固化形成脱膜层，该脱膜层包裹在坩埚坯体的外表面，从而得到外表面包裹有脱模层的石英坩埚。
[0049] 在本发明实施例中，固化处理主要是针对坩埚坯体外表面涂布的脱模剂浆料的固化处理，具体可以通过常温风干、加热风干等方式使脱模剂浆料在坩埚坯体的外表面固化。本发明实施例通过固化处理将坩埚坯体外表面的脱模剂浆料固化即可，对具体的固化工艺不作具体限定。
[0050] 参照图2，示出了本发明实施例的一种石英坩埚的结构示意图。该石英坩埚包括坩埚坯体10和脱膜层20。其中，脱膜层20均匀包裹在坩埚坯体10的外表面。
[0051] 本发明实施例提供的石英坩埚的制备方法，通过在成型后的坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料，并将涂布有脱模剂浆料的坩埚坯体进行固化处理，得到石英坩埚；该石英坩埚的外表面包裹有脱模层；脱膜层为脱膜浆料经过固化处理得到的，脱模剂浆料包括氮化硼、硅溶胶和去离子水。脱模剂浆料中的氮化硼具有良好的耐高温性能，在高温作业过程中不易分解，提高了包裹在石英坩埚外表面的脱膜层的可靠性。本发明实施例得到的石英坩埚通过脱膜层的润滑作用，在石英坩埚从碳碳坩埚中脱模的过程中，有利于石英坩埚顺利从碳碳坩埚中取出，不需要通过敲击碳碳坩埚的方式实现石英坩埚的脱模，在提高脱模效率的同时，还避免对碳碳坩埚造成不必要的损伤，提高了碳碳坩埚的使用寿命。此外，通过本发明实施例提供的石英坩埚的制备方法得到的石英坩埚在高温脱模过程中不需要通过敲击碳碳坩埚的方式实现脱模，在保护碳碳坩埚的同时也降低了工作人员的劳动强度。
[0052] 可选地，所述氮化硼在所述脱模剂浆料中的占比为10wt.％至20wt.％、所述硅溶胶在所述脱模剂浆料中的占比为10wt.％至30wt.％，所述去离子水在所述脱模剂浆料中的占比为60wt.％至70wt.％。
[0053] 其中，所述氮化硼、所述硅溶胶和所述去离子水在所述脱模剂浆料中的占比之和为100％。
[0054] 可选地，在所述脱模剂浆料中，所述氮化硼、所述硅溶胶和所述去离子水的配制比例为2:1:7或者1:3:6。
[0055] 在本发明实施例中，配制比例2:1:7和配制比例1:3:6均为氮化硼、硅溶胶和去离子水的质量百分数比例。
[0056] 具体地，在氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例为2:1:7的情况下，通过步骤103得到的脱膜层的厚度为2mm至3mm；在氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例为1:3:6的情况下，通过步骤103得到的脱膜层的厚度为1mm至2mm。
[0057] 作为一种示例，在同一设备中采用相同品质的氮化硼、硅溶胶和去离子水，配制得到配制比例分别为3:2:4、2:1:7和1:3:6三种不同配制比例的脱模剂浆料，参照表1，表1示出了本发明实施例的三种不同配制比例的脱模剂浆料。
[0058] 表1
[0059] 脱模剂浆料 氮化硼配制比例 硅溶胶配制比例 去离子水配制比例第一脱模剂浆料 3 2 4
第二脱模剂浆料 2 1 7
第三脱模剂浆料 1 3 6
[0060] 采用表1所示的三种不同配制比例的脱模剂浆料分别涂布在三个通过相同成型工艺制备的相同尺寸(例如，36英寸)的坩埚坯体的外表面，得到涂布有第一脱模剂浆料的第一坩埚坯体、涂布有第二脱模剂浆料的第二坩埚坯体和涂布有第三脱模剂浆料的第三坩埚坯体；之后，经过步骤103的固化处理得到第一坩埚坯体对应的第一石英坩埚、第二坩埚坯体对应的第二石英坩埚和第三坩埚坯体对应的第三石英坩埚。
[0061] 其中，用于涂布的第一坩埚坯体、第二坩埚坯体和第三坩埚坯体的脱模剂浆料的质量均为1000g。基于表1所示的氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例，在第一脱模剂浆料中：氮化硼的质量为300g，硅溶胶的质量为200g，去离子水的质量为400g；在第二脱模剂浆料中：氮化硼的质量为200g，硅溶胶的质量为100g，去离子水的质量为700g；在第三脱模剂浆料中：氮化硼的质量为100g，硅溶胶的质量为300g，去离子水的质量为600g。
[0062] 通过观察第一石英坩埚、第二石英坩埚和第三石英坩埚外表面的脱膜层的固化效果显示：第一脱模剂浆料对应的脱膜层的厚度约为3mm至5mm，脱模层有部分龟裂现象；第二脱模剂浆料对应的脱膜层的厚度约为2mm至3mm，脱膜层整体厚度均匀，脱膜层无龟裂现象；第三脱模剂浆料对应的脱膜层的厚度约为1mm至2mm，脱膜层表面有少量液体流动痕迹，脱模层无龟裂现象。
[0063] 进一步地，将第二石英坩埚和第三石英坩埚装料运行，运行400h停炉后，正常拆炉脱模，脱模时对比第二石英坩埚和第三石英坩埚的脱模效果，第二石英坩埚和第三石英坩埚的脱模效果差异不大。
[0064] 通过观察第一石英坩埚、第二石英坩埚和第三石英坩埚外表面的脱膜层的固化效果，以及第二石英坩埚和第三石英坩埚装料运行过程中的脱模效果，在氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例为2:1:7或者1:3:6的情况下，坩埚坯体外表面的脱膜层的固化效果较好，且具有较好的脱模效果。因此，可以将氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例确定为2:1:7或者1:3:6。
[0065] 在本发明实施例中，在脱模剂浆料中，氮化硼的配制比例与脱模层的厚度呈正相关的关联关系，氮化硼在脱模剂浆料中的配制比例不宜过高，在氮化硼的配制比例过高的情况下，容易导致通过步骤103得到的脱膜层的厚度过大，脱膜层与坩埚坯体之间的附着力较弱；氮化硼在脱模剂浆料中的配制比例也不宜过低，在氮化硼的配制比例过低的情况下，容易导致通过步骤103得到的脱膜层的厚度过小，在石英坩埚脱模过程中，该脱膜层起到的脱模效果有限。
[0066] 可选地，在步骤102所述在所述坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料之前，所述方法还可以包括步骤A11和步骤A12：
[0067] 步骤A11、根据预设脱膜层厚度，确定所述氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例。
[0068] 步骤A12、根据所述配制比例配制脱模剂浆料。
[0069] 在本发明实施例中，在坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料之前，可以先根据预设脱膜层厚度，确定氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例，并根据该配制比例配制脱模剂浆料；之后，再执行步骤102在坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料。
[0070] 其中，预设脱模层厚度可以根据脱膜层厚度与脱膜层附着力之间的关系，将满足脱模要求的附着力对应的脱膜层厚度确定为预设脱膜层厚度。脱膜层附着力为脱膜层与坩埚坯体的外表面之间的附着力。
[0071] 在预设脱膜层厚度确定的情况下，可以进一步基于脱膜层厚度与氮化硼的配制比例之间的关联关系，确定氮化硼的配制比例，进而基于氮化硼的配制比例确定硅溶胶和去离子水的配制比例，由此，实现了氮化硼、硅溶胶和去离子水的配制比例的确定；然后，再基于步骤A11中确定的配制比例，执行步骤A12根据配制比例配制脱模剂浆料。
[0072] 可选地，所述在所述坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料的工艺温度为50℃至80℃。
[0073] 在本发明实施例中，可以通过喷涂、刷涂等方式在坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料，涂布脱模剂浆料的工艺温度可以为50℃至80℃。
[0074] 可以理解的是，在执行步骤102之前，将脱模剂浆料预热至50℃至80℃，以提高脱模剂浆料的流动性，进而提高脱模剂浆料涂布的均匀性。
[0075] 作为一种可选地实现方式，还可以基于脱模剂浆料流动性，确定在坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料的工艺温度。示例性地，在脱模剂浆料的流动性较大的情况下，可以设置相对较低的工艺温度，例如50℃、30℃等；在脱模剂浆料的流动性较小的情况下，可以设置相对较高的工艺温度，例如80℃、90℃等。
[0076] 在实际应用场景下，可以基于脱模剂浆料流动性以及脱模剂浆料的涂布效果确定实际的工艺温度，本发明实施例对此不作具体限定。可以理解的是，在工艺温度过低，或者脱模剂浆料的流动性过小的情况下，在涂布脱模剂浆料的过程中则不易将脱模剂浆料在坩埚坯体的外表面涂布均匀；在工艺温度过高，或者脱模剂浆料的流动性过大的情况下，在涂布脱模剂浆料的过程中脱模剂浆料在坩埚坯体的外表面形成的脱膜层则会较薄。
[0077] 可选地，步骤101所述获取成型后的坩埚坯体，包括步骤1011和步骤1012：
[0078] 步骤1011、采用第一纯度的石英砂熔制制备气泡复合层。
[0079] 步骤1012、在所述气泡复合层的内表面，采用第二纯度的石英砂熔制制备气泡空乏层，得到成型后的坩埚坯体。
[0080] 其中，所述第二纯度高于所述第一纯度。
[0081] 在本发明实施例中，获取成型后的坩埚坯体的过程具体可以为：首先，采用第一纯度的石英砂熔制制备气泡复合层；然后，在步骤1011制备的气泡复合层的内表面，采用第二纯度的石英砂熔制制备气泡空乏层，得到成型后的坩埚坯体。其中成型后的坩埚坯体包括气泡复合层和气泡空乏层，气泡复合层处于坩埚坯体的外部，气泡空乏层处于坩埚坯体的内部，且气泡复合层的内表面与气泡空乏层的外表面接触。
[0082] 气泡空乏层的内表面与溶体直接接触，气泡空乏层为真空透明层，不含气泡，气泡空乏层的厚度可以为3mm至5mm。由于气泡空乏层与硅熔体直接接触，在高温状态下，在气泡空乏层中存在气泡的情况下，气泡会由于硅熔体侵蚀而破裂，破裂的碎片如果溶于硅熔体中，将直接影响到硅的成晶(例如，整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等问题)以及单晶硅的质量(例如，穿孔片、黑芯片等问题)。因此，用于制备气泡空乏层的石英砂需要具有较高的纯度、较低的铝含量、较低的碱含量以及良好的抗析晶性能。在本发明实施例中，制备气泡空乏层的第一纯度的石英砂熔可以采用进口高纯度石英砂。
[0083] 气泡复合层的外表面与脱膜层直接接触，气泡复合层为不透明层，气泡复合层中气泡含量较多，气泡复合层用于将来自加热器的热量均匀散射至石英坩埚的内部，从而实现对硅熔体均匀加热的目标，所以气泡复合层需要包含规定数量和大小的气泡。在本发明实施例中，制备气泡复合层的第二纯度的石英砂熔可以采用国产石英砂。
[0084] 可选地，所述第一纯度高于99.9％，所述第二纯度高于99.99％。
[0085] 参照图3，示出了本发明实施例的另一种石英坩埚的结构示意图。该石英坩埚包括坩埚坯体10和脱膜层20。其中，坩埚坯体10包括气泡空乏层11和气泡复合层12；气泡空乏层11的外表面与气泡复合层12的内表面接触，气泡复合层12的外表面与脱膜层20接触。
[0086] 可选地，步骤103所述将涂布有所述脱模剂浆料的坩埚坯体进行固化处理，得到石英坩埚，包括步骤1031：
[0087] 步骤1031、将涂布有所述脱模剂浆料的坩埚坯体进行风干处理，得到石英坩埚；所述风干处理的时长为6小时至10小时。
[0088] 在本发明实施例中，将涂布有脱模剂浆料的坩埚坯体进行固化处理具体可以为将涂布有脱模剂浆料的坩埚坯体进行风干处理，并且风干处理的时长可以为6小时至10小时。
[0089] 此外，风干处理的风干温度可以为室温，例如25℃；风干处理的风干温度也可以为高于室温的温度，例如40℃，风干温度可以是进行风干处理时送风的温度。
[0090] 需要说明的是，风干处理的送风功率可以是一个恒定的功率，也可以是根据风干处理的时长和风干温度调节的功率。示例性地，在风干时长较长，或者风干温度较高的情况下，送风功率可以相对较小；在风干时长较短，或者风干温度较低的情况下，送风功率可以相对较大。本发明实施例对风干处理的风干温度和送风功率不作具体限定。
[0091] 综上所述，在本发明实施例提供的石英坩埚的制备方法，通过在成型后的坩埚坯体的外表面涂布脱模剂浆料，并将涂布有脱模剂浆料的坩埚坯体进行固化处理，得到石英坩埚；该石英坩埚的外表面包裹有脱模层；脱膜层为脱膜浆料经过固化处理得到的，脱模剂浆料包括氮化硼、硅溶胶和去离子水。脱模剂浆料中的氮化硼具有良好的耐高温性能，在高温作业过程中不易分解，提高了包裹在石英坩埚外表面的脱膜层的可靠性。本发明实施例得到的石英坩埚通过脱膜层的润滑作用，在石英坩埚从碳碳坩埚中脱模的过程中，有利于石英坩埚顺利从碳碳坩埚中取出，不需要通过敲击碳碳坩埚的方式实现石英坩埚的脱模，在提高脱模效率的同时，还避免对碳碳坩埚造成不必要的损伤，提高了碳碳坩埚的使用寿命。
[0092] 本发明实施例还提供了一种石英坩埚，所述石英坩埚为采用如上任一项所述的石英坩埚的制备方法获得的石英坩埚。
[0093] 可选地，所述石英坩埚为单晶用石英坩埚。
[0094] 具体地，采用如上任一项所述的石英坩埚的制备方法获得的石英坩埚可以应用在单晶硅的制备工艺中。
[0095] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0096] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0097] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
