一种用于单晶生长的石英坩埚及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于单晶生长的石英坩埚，包括内层和外层，其中，所述内层由0.5mm～2mm的二氧化硅颗粒和100nm以下的纳米二氧化硅制备而得；所述的外层由0.5mm～2mm的二氧化硅颗粒、100nm以下的纳米二氧化硅、稳定相物质和氮化硅按比例制备而成，所述的稳定性物质为氧化钛、氧化锆、氧化铝、氮化钛、氮化铝和氮化锆中的任意一种。本发明将石英坩埚分为内外两层生产，内层是采用合成石英，其中在石英的颗粒尺度上进行控制，包括大颗粒与小颗粒；外层通过加入增强相和稳定相控制石英强度，增强相加入的物质为天然硅砂二氧化硅。本发明的制造方法提供了石英坩埚强度高、耐久性好、外层粘度高等物理性质，因此可以防止高温加热导致的石英坩埚的开裂、漏硅。
【专利说明】一种用于单晶生长的石英坩埚及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于陶瓷领域，具体的涉及一种用于单晶生长的石英坩埚及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，石英坩埚为节能降耗逐渐向大尺寸方向发展。由于纯石英存在一系列的相变，在单晶加工过程中，存在温度场的变化，这些变化影响了坩埚基体的温度，造成局部温度的差异。提拉法是生产单晶的生长主要工艺，在生产中，它是将籽晶浸在容纳于石英坩埚中的硅熔体中，然后旋转籽晶绳，缓慢向上移动，通过固液界面生长出单晶锭。用于进行提拉法的单晶生长装置通常包括石英坩埚、包围并支撑石英坩埚的坩埚支座、设置在坩埚支座外侧向石英坩埚提供辐射热量的加热器。单晶生产要求石英坩埚的杂质含量少，高温时物理变形小。通常，石英坩埚包括无气泡的透明内层以及设置在内层外侧的外层。容纳空间设置在内层的内侧，石英坩埚具有开放的表面。当石英坩埚长时间保持在约1450°C至1500°C的高温时，石英坩埚被软化，尤其是当石英坩埚尺寸变大后，出现局部温度差异，这些温差会影响坩埚局部的温度，从而导致局部所出现的方石英出现的比例不一，其膨胀系数的存在差异，产生内应力，这一结果导致在高温下坩埚开裂，出现漏硅和强度下降的问题，这对单晶生产是极其危险的事情。
【发明内容】
[0003]发明目的:本发明提出了一种用于单晶生长的石英坩埚，以解决大尺寸坩埚生产中出现的坩埚开裂的问题。
[0004]技术手段:为实现上述技术目的，本发明提出一种用于单晶生长的石英坩埚，包括内层和外层，其中，所述内层由0.5mm?2_的二氧化娃颗粒和10nm以下的纳米二氧化娃制备而得；所述的外层由0.5mm?2mm的二氧化娃颗粒、10nm以下的纳米二氧化娃、稳定相物质和氮化硅按比例制备而成，所述的稳定性物质为氧化钛、氧化锆、氧化铝、氮化钛、氮化铝和氮化锆中的任意一种。
[0005]优选地，所述内层中的二氧化硅颗粒为纯石英；所述外层中的二氧化硅颗粒为天然硅砂。
[0006]优选地，所述内层中，二氧化硅颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为90: I?90: 10，优选为 90: 2。
[0007]所述外层中，二氧化硅颗粒、纳米二氧化硅、稳定性物质、氮化硅的质量比为(85 ?95): (0.5 ?1.5): (0.5 ?1.5): (I ?3)，优选地为 90:1:1: 2。
[0008]更为优选地，所述的稳定性物质的粒径为0.4?0.6 μ m，优选地为0.5 μ m。
[0009]所述的内层的厚度为I?2mm,外层的厚度为8?10mm。
[0010]本发明同时提出了上述用于单晶生长的石英坩埚的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:通过将0.5mm?2mm的二氧化娃颗粒、10nm以下的纳米二氧化娃、稳定性物质和氮化硅按照质量比为(85?95): (0.5?1.5): (0.5?1.5): (I?3)放入坩埚模具中，然后熔化上述物质，从而形成外层；然后将0.5mm?2mm的二氧化硅颗粒和10nm以下的纳米二氧化硅颗粒按照质量比90:1?90: 10放入上述坩埚模具中，然后熔化，从而在所述外层的内侧形成内层。
[0011]其中，所述内层中的二氧化硅颗粒为纯石英；所述外层中的二氧化硅颗粒为天然硅砂。
[0012]本发明采用大尺寸颗粒与小尺寸颗粒混合方案提高内层的强度，这主要利用大颗粒材料增加强度，采用小颗粒的低熔点的物质改善颗粒之间界面连接性能，从而提高烧结致密度，从而改变其强度，通过采用外加物质来控制、稳定方石英相。在石英坩埚中，所用的石英存在一系列的相变，温度的差异导致局部出现的相比例不同，而不同比例的相，膨胀系数不一致，这种情况的存在导致开裂。本发明采用在外层加入膨胀系数小的物质和稳定相结构办法，实现控制开裂的目标；另外，在本发明的坩埚中，由于S1-N键比S1-O键的共价键特性强，因此外层的玻璃化转变点高、密度高、维氏硬度(Vicker-hardness)高、粘度高、弹性高、化学耐久性好，热膨胀系数低，可以在高温下持续使用而不会出现高温下坩埚开裂、气泡、漏硅和强度下降现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1本发明石英坩埚示意图。
【具体实施方式】
[0014]实施例1
[0015]一种用于单晶生长的石英i甘祸,将0.5mm天然娃砂、1nm纳米二氧化娃、0.5μηι氮化铝、0.5 μ m氮化硅的按质量比为90: I: I: 2混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为8mm。
[0016]再将混合后0.5mm纯石英与50nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 2。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1mm。
[0017]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0018]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用100h，强度达到200MPa，不开裂。
[0019]实施例2
[0020]一种用于单晶生长的石英坩埚，将2mm天然硅砂、80nm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化铝、0.5 μ m氮化硅的按质量比为85: 0.5: 0.5: I混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为10mm。
[0021]再将混合后1.5mm纯石英与20nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 10。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为2mm。
[0022]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0023]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用40h，强度达到190MPa，不开裂。
[0024]实施例3
[0025]一种用于单晶生长的石英坩埚，将Imm天然硅砂、10nm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化钛、0.5 μ m氮化硅的按质量比为95: 1.5: 1.5: 3混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为9mm。
[0026]再将混合后2mm纯石英与10nm纳米二氧化娃颗粒按质量比为90: 5。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1.5mm。
[0027]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0028]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用60h，强度达到180MPa，不开裂。
[0029]实施例4
[0030]一种用于单晶生长的石英坩埚，将1.5mm天然硅砂、Inm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化锆、0.5 μ m氮化硅的按质量比为90: 1.5: 1.0: 2混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为9mm。
[0031]再将混合后Imm纯石英与80nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 7。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1.5mm。
[0032]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0033]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用72h，强度达到lOOMPa，不开裂。
[0034]实施例5
[0035]一种用于单晶生长的石英坩埚，将0.8mm天然硅砂、1nm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化锆、0.5 μ m氮化硅的按质量比为87: 1.0: 1.0: 3混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为8.5mm。
[0036]再将混合后0.8mm纯石英与80nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 3。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1.8mm。
[0037]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0038]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用63h，强度达到109MPa，不开裂。
[0039]实施例6
[0040]一种用于单晶生长的石英坩埚，将0.8mm天然硅砂、1nm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化锆、0.5 μ m氮化硅的按质量比为88: 1.0: 1.0: I混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为8mm。
[0041]再将混合后0.8mm纯石英与80nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 3。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1.6mm。
[0042]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0043]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用83h，强度达到99MPa，不开裂。
[0044]实施例7
[0045]一种用于单晶生长的石英坩埚，将0.8mm天然硅砂、1nm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化锆、0.5 μ m氮化硅的按质量比为94: 1.0: 1.0: 2混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为9.5mm。
[0046]再将混合后0.8mm纯石英与80nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 3。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1.9mm。
[0047]石英樹祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0048]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用67h，强度达到129MPa，不开裂。
[0049]实施例8
[0050]一种用于单晶生长的石英坩埚，将0.8mm天然硅砂、1nm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化锆、0.5 μ m氮化硅的按质量比为93: 1.5: 1.5: I混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为9.2mm。
[0051]再将混合后0.8mm纯石英与80nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 3。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1.5mm。
[0052]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0053]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用75h，强度达到134MPa，不开裂。
[0054]实施例9
[0055]一种用于单晶生长的石英坩埚，将0.8mm天然硅砂、1nm纳米二氧化硅、0.5 μ m氧化锆、0.5 μ m氮化硅的按质量比为90: 1.0: 1.5: 2混合均匀放入坩埚模具中，1500°C下熔化形成外层；外层的厚度为9.0mm。
[0056]再将混合后0.8mm纯石英与80nm纳米二氧化硅颗粒按质量比为90: 3。1500°C下熔融在外层内侧形成内层，内层的厚度为1.7mm。
[0057]石英相■祸尺寸如下:外直径300mm,高度200mm。
[0058]实验结果:所制备的坩埚内层透明无气泡，可在1500°C高温一次性持续使用68h，强度达到120MPa，不开裂。
【权利要求】
1.一种用于单晶生长的石英坩埚，其特征在于，包括内层和外层，其中，所述内层由0.5mm?2mm的二氧化娃颗粒和10nm以下的纳米二氧化娃制备而得；所述的外层由0.5mm?2mm的二氧化娃颗粒、10nm以下的纳米二氧化娃、稳定相物质和氮化娃按比例制备而成，所述的稳定性物质为氧化钛、氧化锆、氧化铝、氮化钛、氮化铝和氮化锆中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的用于单晶生长的石英坩埚，其特征在于，所述内层中的二氧化硅颗粒为纯石英；所述外层中的二氧化硅颗粒为天然硅砂。
3.根据权利要求1所述的用于单晶生长的石英坩埚，其特征在于，所述内层中，二氧化硅颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为90:1?90: 10。
4.根据权利要求1所述的用于单晶生长的石英坩埚，其特征在于，所述外层中，二氧化硅颗粒、纳米二氧化硅、稳定性物质、氮化硅的质量比为(85?95): (0.5?1.5): (0.5 ?1.5): (I ?3)。
5.根据权利要求1或4所述的用于单晶生长的石英坩埚，其特征在于，所述的稳定性物质的粒径为0.4?0.6 μ m。
6.根据权利要求1所述的用于单晶生长的石英坩埚，其特征在于，所述的内层的厚度为I?2mm,外层的厚度为8?10_。
7.权利要求1所述的用于单晶生长的石英坩埚的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:通过将0.5mm?2mm的二氧化娃颗粒、10nm以下的纳米二氧化娃、稳定性物质和氮化硅按照质量比为(85?95): (0.5?1.5): (0.5?1.5): (I?3)放入坩埚模具中，然后熔化上述物质，从而形成外层；然后将0.5mm?2mm的二氧化娃颗粒和10nm以下的纳米二氧化硅颗粒按照质量比90:1?90: 10放入上述坩埚模具中，然后熔化，从而在所述外层的内侧形成内层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述内层中的二氧化硅颗粒为纯石英；所述外层中的二氧化硅颗粒为天然硅砂。
【文档编号】C30B15/10GK104389014SQ201410720086
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】高延敏, 李丽英, 陆介平, 韩莲, 赵君 申请人:江苏科技大学