專利名稱：多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石英坩堝制造領(lǐng)域，具體涉及一種用于多晶硅鑄錠的免噴涂熔融石英坩堝的制造方法。
背景技術(shù)：
太陽能多晶硅的迅猛發(fā)展，大大加快了多晶硅熔融鑄錠所使用的熔融石英坩堝的研究發(fā)展。行業(yè)內(nèi)由于坩堝成品率的問題，目前所生產(chǎn)的石英坩堝大多是未噴涂的，使用者在用這種坩堝時必須自備噴涂設(shè)備，在成品坩堝內(nèi)部噴上一層氮化硅涂層，然后在1000°c 以上燒結(jié)M個小時以上才能開始裝入純硅料進(jìn)行使用。市場上也有少量免噴涂石英坩堝， 但這只是在坩堝生產(chǎn)后繼續(xù)噴涂并燒結(jié)，工藝并沒有改變，而且這種工藝生產(chǎn)周期長，耗能巨大?，F(xiàn)行坩堝生產(chǎn)中的打磨工序是在坩堝燒結(jié)以后進(jìn)行，由于燒結(jié)后的坩堝硬度很高，導(dǎo)致對設(shè)備和磨具的要求也高，而且打磨過程中需要用大量的水進(jìn)行冷卻。另一方面，在燒結(jié)過程中坩堝由于不同部位受熱不均，容易在石英坩堝內(nèi)部形成瑕疵或裂紋等，這也是目前造成石英坩堝成品率低下的一個重要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提供一種用于多晶硅鑄錠的免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，該法可使石英坩堝的生產(chǎn)周期縮短，減化了客戶使用坩堝的工藝，大大降低了能耗并提高了坩堝成品率。本發(fā)明的目的可以通過以下措施達(dá)到一種多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其包括如下步驟(1)將塊狀及粒狀高純?nèi)廴谑⒃弦黄鹜ㄟ^球磨研磨進(jìn)行濕法造粒，研磨后的料漿粒徑為10 μ m 50 μ m ；(2)將料漿充分?jǐn)嚢韬螅偌尤敕蹱罡呒內(nèi)廴谑⒃匣旌暇鶆?，然后注入石膏模具中進(jìn)行充分的脫水成型，脫模；(3)脫模后的坯體在180°C以下進(jìn)行干燥，制得毛坯；(4)對毛坯進(jìn)行打磨、清潔預(yù)處理；(5)在毛坯內(nèi)表面噴涂0. 2 0. 7mm的氮化硅涂層；(6)將噴有氮化硅涂層的毛坯用燒結(jié)罩籠罩后或?qū)娪械柰繉拥拿餮b入帶有蓋子的燒結(jié)罩內(nèi)后，在梭式窯爐中于1000 1300°C下燒結(jié)14 M小時。本發(fā)明的高純?nèi)廴谑⒃希浼兌纫话阍?9. 9%以上。步驟(1)中，塊狀高純?nèi)廴谑⒃吓c粒狀高純?nèi)廴谑⒃系馁|(zhì)量比為25 30 70 75，所述塊狀高純?nèi)廴谑⒃系牧綖?0 60mm，所述粒狀高純?nèi)廴谑⒃系牧綖? 20mm。步驟(1)中濕法造粒過程中加入兩種高純?nèi)廴谑⒃腺|(zhì)量20 30%的水。粉狀高純?nèi)廴谑⒃吓c步驟(1)中所述料漿的質(zhì)量比為30 40 70 60，所述粉狀高純?nèi)廴谑⒃狭綖?0 200目。步驟O)中料漿在加入粉狀高純?nèi)廴谑⒃锨俺浞謹(jǐn)嚢?2小時以上，優(yōu)選為 72 200小時，進(jìn)一步優(yōu)選為100 170小時。該步驟中的脫水成型時間一般為5 20小時，優(yōu)選為10 15小時。步驟(3)中干燥溫度優(yōu)選為100 180°C。步驟(4)中的預(yù)處理包括對坯體進(jìn)行打磨和清潔步驟，打磨過程特別是采用砂輪打磨毛坯底部，該打磨過程一般只需5 25分鐘；清潔過程特別是清潔毛坯內(nèi)表面。步驟(5)中所述氮化硅涂層為20 25wt%的Si3N4水溶液，該氮化硅涂層的厚度優(yōu)選為0. 5mmο步驟(6)中，噴有氮化硅涂層的毛坯在進(jìn)入梭式窯爐燒結(jié)之前，先將其用燒結(jié)罩籠罩，或者先將其裝入帶有蓋子的燒結(jié)罩內(nèi)并用蓋子(包括上蓋或下蓋)封閉。所述用于籠罩或裝入毛坯的燒結(jié)罩為耐火材料材質(zhì)，其為內(nèi)部中空且一端開口的桶狀或錐臺狀結(jié)構(gòu)，在燒結(jié)罩的開口端或者還具有封閉該燒結(jié)罩的蓋子，包括上蓋或下蓋。燒結(jié)罩除開口端外其余為封閉結(jié)構(gòu)。用燒結(jié)罩籠罩毛坯使毛坯與外界環(huán)境隔離，或者在燒結(jié)罩內(nèi)裝入毛坯 (包括將毛坯裝入帶有上蓋的開口向上的燒結(jié)罩內(nèi)的底部，再用上蓋將開口端密閉；或者將毛坯置于下蓋上，然后用開口向下的燒結(jié)罩將毛坯密閉其內(nèi))使毛坯與外界環(huán)境隔離， 這兩種方式都可以使毛坯在梭式窯爐內(nèi)不被直接燒結(jié)，而是先通過加熱燒結(jié)罩，再由燒結(jié)罩傳熱至其內(nèi)部的毛坯，這樣不僅可以使毛坯的各個部位均勻受熱，保證毛坯燒結(jié)的一致性，而且還可以使毛坯的溫度緩慢變化，防止梭式窯爐內(nèi)溫度的驟然變化影響毛坯的燒結(jié)。步驟(6)結(jié)束后可采用超聲波無損探傷或X射線檢查燒結(jié)好的石英坩堝，檢測坩堝的成品率及其他性能。本方法在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，將打磨步驟從成品后處理提至毛坯預(yù)處理，不僅大大降低了處理難度，而且減少了處理設(shè)備和用料消耗。本法克服了由于成品率低而將氮化硅后涂的限制，將毛坯燒結(jié)和氮化硅涂層制備合二為一，在其他步驟的配合下，不僅簡化了工藝流程，更極大地減少了能源消耗和設(shè)備投入，同時還提高了坩堝的制備成品率。本發(fā)明的方法與無噴涂坩堝相比，因?yàn)閷③釄迳a(chǎn)中的燒結(jié)和氮化硅涂層的燒結(jié)合二為一，縮短了生產(chǎn)周期，較之前縮短了 30% ；簡化了客戶的生產(chǎn)工藝，提高了客戶的生產(chǎn)效率；提高了成品率及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本方法與現(xiàn)有的免噴涂坩堝相比，大大降低了能耗，較之前節(jié)省了 40 %以上。本發(fā)明采用燒結(jié)罩的方式避免了毛坯在梭式窯爐內(nèi)受熱不均或溫度變化過快的問題，極大地提高了石英坩堝的成品率，將其從60%左右提高至80 85%。本工藝與現(xiàn)有的工藝相比，提前進(jìn)行底部研磨預(yù)處理杜絕了水資源的浪費(fèi)，降低了處理難度，也提高了原料的利用率。


圖1為一種燒結(jié)罩結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，A為石英坩堝的長度，H為石英坩堝的高度。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一種燒結(jié)罩的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其為下口向下的中空桶狀結(jié)構(gòu)，由耐火材料制成，除開口端外其余部分均為封閉結(jié)構(gòu)。其直徑比坩堝的長度大100mm，高度比坩堝的高度大50mm，壁厚20mm。該坩堝還可具有一個用以密閉燒結(jié)罩開口端的蓋子，當(dāng)采用單純的籠罩方式無法將其內(nèi)部的坩堝毛坯密閉后，可繼續(xù)采用蓋子將坩堝毛坯密封于燒結(jié)罩內(nèi)。實(shí)施例1將250kg粒徑為50 60mm的塊狀高純?nèi)廴谑⒃虾?50kg粒徑為10 20mm的粒狀高純?nèi)廴谑⒃?塊狀及粒狀高純?nèi)廴谑⒃系馁|(zhì)量組分二氧化硅> 99. 9%， 氧化鋁< 2000ppm，氧化鐵< 50ppm，氧化鈉< 50ppm，其它組分為原料中不可避免的雜質(zhì)； 下同)，投入球磨機(jī)中加入250kg的水進(jìn)行濕法研磨，研磨后的料漿粒徑控制在ΙΟμπι 30 μ m0將料漿導(dǎo)出球磨機(jī)后進(jìn)行攪拌120小時，檢查料漿的物理及化學(xué)性能；再加入 673kg的干粉(100目粉狀高純?nèi)廴谑⒃?進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁粩嚢杈鶆蚝筠D(zhuǎn)入澆注罐注入石膏模具中，在模具中靜置10個小時后進(jìn)行脫模。脫模后的坩堝毛坯進(jìn)行干燥，干燥溫度控制在140°C。對干燥后的毛坯進(jìn)行底部打磨，打磨時間為15分鐘。清潔打磨后的坩堝內(nèi)表面。在清潔后的坩堝內(nèi)表面噴上一層0. 3mm厚度的氮化硅涂層(2Iwt %的Si3N4水溶液)。先分別用圖1所示的開口向下的燒結(jié)罩籠罩噴涂好的坩堝毛坯，再放入梭式窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的溫度控制在1200°C，燒結(jié)時間為20小時。用超聲波無損探傷或X射線檢查燒結(jié)好的石英坩堝，除去次品，即得本發(fā)明的免噴涂熔融石英坩堝。經(jīng)性能檢測得知本實(shí)施例得到的免噴涂熔融石英坩堝，成品率為80% 85%， 其室溫彎曲強(qiáng)度在17MPa以上，體積密度為1. 85 1. 98g/cm3,真密度為2. 16 2. 23g/cm3, 線性膨脹系數(shù)為0.6X10_6/°C，氣孔率為11% 14%。實(shí)施例2將300kg粒徑為40 50mm的塊狀高純?nèi)廴谑⒃虾?00kg粒徑為10 15mm 的粒狀高純?nèi)廴谑⒃?，投入球磨機(jī)中加入250kg的水進(jìn)行濕法研磨，研磨后的料漿粒徑控制在10 μ m 50 μ m。將料漿導(dǎo)出球磨機(jī)后進(jìn)行攪拌168小時，檢查料漿的物理及化學(xué)性能；再加入 680kg的干粉(100目粉狀高純?nèi)廴谑⒃?進(jìn)行充分?jǐn)嚢?；攪拌均勻后轉(zhuǎn)入澆注罐注入石膏模具中，在模具中靜置15個小時后進(jìn)行脫模。脫模后的坩堝毛坯進(jìn)行干燥，干燥溫度控制在100°C。對干燥后的毛坯進(jìn)行底部打磨，打磨時間為15分鐘。清潔打磨后的坩堝內(nèi)表面。在清潔后的坩堝內(nèi)表面噴上一層0. 5mm厚度的氮化硅涂層(22wt%的Si3N4水溶液)。將噴涂好后的坩堝毛坯先分別用圖1所示的開口向下的燒結(jié)罩籠罩并與外界密閉后，放入梭式窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的溫度控制在1300°C，燒結(jié)時間為M小時。用超聲波無損探傷或X射線檢查燒結(jié)好的石英坩堝，除去次品，即得本發(fā)明的免噴涂熔融石英坩堝。經(jīng)性能檢測得知本實(shí)施例得到的熔融石英坩堝，成品率為81% 85%，其室溫彎曲強(qiáng)度在17MPa以上，體積密度為1. 85 1. 98g/cm3，真密度為2. 16 2. 23g/cm3，線性膨脹系數(shù)為0.6X10_6/°C，氣孔率為11% 14%。對比例1將250kg粒徑為50 60mm的塊狀高純?nèi)廴谑⒃虾?50kg粒徑為10 20mm 的粒狀高純?nèi)廴谑⒃希度肭蚰C(jī)中加入250kg的水進(jìn)行濕法研磨，研磨后的料漿粒徑控制在10 μ m 30 μ m。將料漿導(dǎo)出球磨機(jī)后進(jìn)行攪拌120小時，檢查料漿的物理及化學(xué)性能；再加入 673kg的干粉(100目粉狀高純?nèi)廴谑⒃?進(jìn)行充分?jǐn)嚢?；攪拌均勻后轉(zhuǎn)入澆注罐注入石膏模具中，在模具中靜置10個小時后進(jìn)行脫模。脫模后的坩堝毛坯進(jìn)行干燥，干燥溫度控制在140°C。將干燥后的坩堝毛坯放入梭式窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的溫度控制在1200°C，燒結(jié)時間為20小時，得到熔融石英坩堝。用數(shù)控銑床配金剛石磨輪外加純水冷卻進(jìn)行底部打磨，打磨時間為40分鐘。用超聲波無損探傷或X射線檢查打磨后的石英坩堝，除去次品，再次干燥坩堝，干燥溫度為140°C，干燥時間為2小時。在干燥后的坩堝內(nèi)表面噴上一層0. 3mm厚度的氮化硅涂層(2Iwt %的Si3N4水溶液)。將噴涂好后的坩堝直接放入梭式窯爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的溫度控制在1200°C，燒結(jié)時間為M小時。經(jīng)性能檢測得知本例得到的熔融石英坩堝，成品率在60%左右，其室溫彎曲強(qiáng)度均在17MPa以上，體積密度為1. 85 1. 98g/cm3,真密度為2. 16 2. 23g/cm3,線性膨脹系數(shù)為0. 6X10_6/°C，氣孔率為11% 14%。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于包括如下步驟(1)將塊狀及粒狀高純?nèi)廴谑⒃弦黄鹜ㄟ^球磨研磨進(jìn)行濕法造粒，研磨后的料漿粒徑為10 μ m 50 μ m ；(2)將料漿充分?jǐn)嚢韬螅偌尤敕蹱罡呒內(nèi)廴谑⒃匣旌暇鶆?，然后注入石膏模具中進(jìn)行充分的脫水成型，脫模；(3)脫模后的坯體在180°C以下進(jìn)行干燥，制得毛坯；(4)對毛坯進(jìn)行打磨、清潔預(yù)處理；(5)在毛坯內(nèi)表面噴涂0.2 0. 7mm的氮化硅涂層；(6)將噴有氮化硅涂層的毛坯用燒結(jié)罩籠罩后或?qū)娪械柰繉拥拿餮b入帶有蓋子的燒結(jié)罩內(nèi)后，在梭式窯爐中于1000 1300°C下燒結(jié)14 M小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于所述用于籠罩或裝入毛坯的燒結(jié)罩為耐火材料材質(zhì)，其為內(nèi)部中空且一端開口的桶狀或錐臺狀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于所述氮化硅涂層為20 25wt%的Si3N4水溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于步驟(4)中打磨過程為采用砂輪打磨毛坯底部，清潔過程為清潔毛坯內(nèi)表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于所述塊狀高純?nèi)廴谑⒃吓c粒狀高純?nèi)廴谑⒃系馁|(zhì)量比為25 30 70 75， 所述塊狀高純?nèi)廴谑⒃系牧綖?0 60mm，所述粒狀高純?nèi)廴谑⒃系牧綖? 20mmo
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于步驟(1)中濕法造粒過程中加入高純?nèi)廴谑⒃腺|(zhì)量20 30%的水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于所述粉狀高純?nèi)廴谑⒃吓c步驟(1)中所述料漿的質(zhì)量比為30 40 70 60，所述粉狀高純?nèi)廴谑⒃狭綖?0 200目。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于步驟O)中料漿在加入粉狀高純?nèi)廴谑⒃锨俺浞謹(jǐn)嚢?2小時以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于步驟O)中脫水成型的時間為5 20小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于步驟(3)中干燥溫度為100 180°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶硅鑄錠用免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其先將高純?nèi)廴谑⒃弦黄鹜ㄟ^球磨研磨進(jìn)行濕法造粒，將料漿充分?jǐn)嚢韬?，再加入粉狀高純?nèi)廴谑⒃匣旌暇鶆?，然后注入石膏模具中進(jìn)行充分的脫水成型，脫模；脫模后的坯體在180℃以下進(jìn)行干燥，制得毛坯；對毛坯進(jìn)行打磨、清潔預(yù)處理；在毛坯內(nèi)表面噴涂0.2～0.7mm的氮化硅涂層；將噴有氮化硅涂層的毛坯用燒結(jié)罩籠罩后或?qū)娪械柰繉拥拿餮b入帶有蓋子的燒結(jié)罩內(nèi)后，在梭式窯爐中于1000～1300℃下燒結(jié)14～24小時。本發(fā)明較現(xiàn)有技術(shù)縮短了生產(chǎn)周期，簡化了生產(chǎn)工藝，大大降低了能耗，提高了生產(chǎn)效率、成品率及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號C01B33/021GK102249523SQ201110118008
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月8日
發(fā)明者方清 申請人:江蘇潤弛太陽能材料科技有限公司