一種用于單晶生長的石英坩堝及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于單晶生長的石英坩堝，包括內(nèi)層和外層，其中，所述內(nèi)層由0.5mm～2mm的二氧化硅顆粒和100nm以下的納米二氧化硅制備而得；所述的外層由0.5mm～2mm的二氧化硅顆粒、100nm以下的納米二氧化硅、穩(wěn)定相物質(zhì)和氮化硅按比例制備而成，所述的穩(wěn)定性物質(zhì)為氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氮化鈦、氮化鋁和氮化鋯中的任意一種。本發(fā)明將石英坩堝分為內(nèi)外兩層生產(chǎn)，內(nèi)層是采用合成石英，其中在石英的顆粒尺度上進(jìn)行控制，包括大顆粒與小顆粒；外層通過加入增強(qiáng)相和穩(wěn)定相控制石英強(qiáng)度，增強(qiáng)相加入的物質(zhì)為天然硅砂二氧化硅。本發(fā)明的制造方法提供了石英坩堝強(qiáng)度高、耐久性好、外層粘度高等物理性質(zhì)，因此可以防止高溫加熱導(dǎo)致的石英坩堝的開裂、漏硅。
【專利說明】一種用于單晶生長的石英坩堝及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷領(lǐng)域，具體的涉及一種用于單晶生長的石英坩堝及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，石英坩堝為節(jié)能降耗逐漸向大尺寸方向發(fā)展。由于純石英存在一系列的相變，在單晶加工過程中，存在溫度場的變化，這些變化影響了坩堝基體的溫度，造成局部溫度的差異。提拉法是生產(chǎn)單晶的生長主要工藝，在生產(chǎn)中，它是將籽晶浸在容納于石英坩堝中的硅熔體中，然后旋轉(zhuǎn)籽晶繩，緩慢向上移動，通過固液界面生長出單晶錠。用于進(jìn)行提拉法的單晶生長裝置通常包括石英坩堝、包圍并支撐石英坩堝的坩堝支座、設(shè)置在坩堝支座外側(cè)向石英坩堝提供輻射熱量的加熱器。單晶生產(chǎn)要求石英坩堝的雜質(zhì)含量少，高溫時(shí)物理變形小。通常，石英坩堝包括無氣泡的透明內(nèi)層以及設(shè)置在內(nèi)層外側(cè)的外層。容納空間設(shè)置在內(nèi)層的內(nèi)側(cè)，石英坩堝具有開放的表面。當(dāng)石英坩堝長時(shí)間保持在約1450°C至1500°C的高溫時(shí)，石英坩堝被軟化，尤其是當(dāng)石英坩堝尺寸變大后，出現(xiàn)局部溫度差異，這些溫差會影響坩堝局部的溫度，從而導(dǎo)致局部所出現(xiàn)的方石英出現(xiàn)的比例不一，其膨脹系數(shù)的存在差異，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這一結(jié)果導(dǎo)致在高溫下坩堝開裂，出現(xiàn)漏硅和強(qiáng)度下降的問題，這對單晶生產(chǎn)是極其危險(xiǎn)的事情。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:本發(fā)明提出了一種用于單晶生長的石英坩堝，以解決大尺寸坩堝生產(chǎn)中出現(xiàn)的坩堝開裂的問題。
[0004]技術(shù)手段:為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出一種用于單晶生長的石英坩堝，包括內(nèi)層和外層，其中，所述內(nèi)層由0.5mm?2_的二氧化娃顆粒和10nm以下的納米二氧化娃制備而得；所述的外層由0.5mm?2mm的二氧化娃顆粒、10nm以下的納米二氧化娃、穩(wěn)定相物質(zhì)和氮化硅按比例制備而成，所述的穩(wěn)定性物質(zhì)為氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氮化鈦、氮化鋁和氮化鋯中的任意一種。
[0005]優(yōu)選地，所述內(nèi)層中的二氧化硅顆粒為純石英；所述外層中的二氧化硅顆粒為天然硅砂。
[0006]優(yōu)選地，所述內(nèi)層中，二氧化硅顆粒與納米二氧化硅顆粒的質(zhì)量比為90: I?90: 10，優(yōu)選為 90: 2。
[0007]所述外層中，二氧化硅顆粒、納米二氧化硅、穩(wěn)定性物質(zhì)、氮化硅的質(zhì)量比為(85 ?95): (0.5 ?1.5): (0.5 ?1.5): (I ?3)，優(yōu)選地為 90:1:1: 2。
[0008]更為優(yōu)選地，所述的穩(wěn)定性物質(zhì)的粒徑為0.4?0.6 μ m，優(yōu)選地為0.5 μ m。
[0009]所述的內(nèi)層的厚度為I?2mm,外層的厚度為8?10mm。
[0010]本發(fā)明同時(shí)提出了上述用于單晶生長的石英坩堝的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:通過將0.5mm?2mm的二氧化娃顆粒、10nm以下的納米二氧化娃、穩(wěn)定性物質(zhì)和氮化硅按照質(zhì)量比為(85?95): (0.5?1.5): (0.5?1.5): (I?3)放入坩堝模具中，然后熔化上述物質(zhì)，從而形成外層；然后將0.5mm?2mm的二氧化硅顆粒和10nm以下的納米二氧化硅顆粒按照質(zhì)量比90:1?90: 10放入上述坩堝模具中，然后熔化，從而在所述外層的內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層。
[0011]其中，所述內(nèi)層中的二氧化硅顆粒為純石英；所述外層中的二氧化硅顆粒為天然硅砂。
[0012]本發(fā)明采用大尺寸顆粒與小尺寸顆粒混合方案提高內(nèi)層的強(qiáng)度，這主要利用大顆粒材料增加強(qiáng)度，采用小顆粒的低熔點(diǎn)的物質(zhì)改善顆粒之間界面連接性能，從而提高燒結(jié)致密度，從而改變其強(qiáng)度，通過采用外加物質(zhì)來控制、穩(wěn)定方石英相。在石英坩堝中，所用的石英存在一系列的相變，溫度的差異導(dǎo)致局部出現(xiàn)的相比例不同，而不同比例的相，膨脹系數(shù)不一致，這種情況的存在導(dǎo)致開裂。本發(fā)明采用在外層加入膨脹系數(shù)小的物質(zhì)和穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)辦法，實(shí)現(xiàn)控制開裂的目標(biāo)；另外，在本發(fā)明的坩堝中，由于S1-N鍵比S1-O鍵的共價(jià)鍵特性強(qiáng)，因此外層的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)高、密度高、維氏硬度(Vicker-hardness)高、粘度高、彈性高、化學(xué)耐久性好，熱膨脹系數(shù)低，可以在高溫下持續(xù)使用而不會出現(xiàn)高溫下坩堝開裂、氣泡、漏硅和強(qiáng)度下降現(xiàn)象。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1本發(fā)明石英坩堝示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1
[0015]一種用于單晶生長的石英i甘禍,將0.5mm天然娃砂、1nm納米二氧化娃、0.5μηι氮化鋁、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為90: I: I: 2混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為8mm。
[0016]再將混合后0.5mm純石英與50nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 2。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1mm。
[0017]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0018]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用100h，強(qiáng)度達(dá)到200MPa，不開裂。
[0019]實(shí)施例2
[0020]一種用于單晶生長的石英坩堝，將2mm天然硅砂、80nm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鋁、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為85: 0.5: 0.5: I混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為10mm。
[0021]再將混合后1.5mm純石英與20nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 10。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為2mm。
[0022]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0023]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用40h，強(qiáng)度達(dá)到190MPa，不開裂。
[0024]實(shí)施例3
[0025]一種用于單晶生長的石英坩堝，將Imm天然硅砂、10nm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鈦、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為95: 1.5: 1.5: 3混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為9mm。
[0026]再將混合后2mm純石英與10nm納米二氧化娃顆粒按質(zhì)量比為90: 5。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1.5mm。
[0027]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0028]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用60h，強(qiáng)度達(dá)到180MPa，不開裂。
[0029]實(shí)施例4
[0030]一種用于單晶生長的石英坩堝，將1.5mm天然硅砂、Inm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鋯、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為90: 1.5: 1.0: 2混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為9mm。
[0031]再將混合后Imm純石英與80nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 7。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1.5mm。
[0032]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0033]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用72h，強(qiáng)度達(dá)到lOOMPa，不開裂。
[0034]實(shí)施例5
[0035]一種用于單晶生長的石英坩堝，將0.8mm天然硅砂、1nm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鋯、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為87: 1.0: 1.0: 3混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為8.5mm。
[0036]再將混合后0.8mm純石英與80nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 3。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1.8mm。
[0037]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0038]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用63h，強(qiáng)度達(dá)到109MPa，不開裂。
[0039]實(shí)施例6
[0040]一種用于單晶生長的石英坩堝，將0.8mm天然硅砂、1nm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鋯、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為88: 1.0: 1.0: I混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為8mm。
[0041]再將混合后0.8mm純石英與80nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 3。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1.6mm。
[0042]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0043]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用83h，強(qiáng)度達(dá)到99MPa，不開裂。
[0044]實(shí)施例7
[0045]一種用于單晶生長的石英坩堝，將0.8mm天然硅砂、1nm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鋯、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為94: 1.0: 1.0: 2混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為9.5mm。
[0046]再將混合后0.8mm純石英與80nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 3。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1.9mm。
[0047]石英樹禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0048]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用67h，強(qiáng)度達(dá)到129MPa，不開裂。
[0049]實(shí)施例8
[0050]一種用于單晶生長的石英坩堝，將0.8mm天然硅砂、1nm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鋯、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為93: 1.5: 1.5: I混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為9.2mm。
[0051]再將混合后0.8mm純石英與80nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 3。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1.5mm。
[0052]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0053]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用75h，強(qiáng)度達(dá)到134MPa，不開裂。
[0054]實(shí)施例9
[0055]一種用于單晶生長的石英坩堝，將0.8mm天然硅砂、1nm納米二氧化硅、0.5 μ m氧化鋯、0.5 μ m氮化硅的按質(zhì)量比為90: 1.0: 1.5: 2混合均勻放入坩堝模具中，1500°C下熔化形成外層；外層的厚度為9.0mm。
[0056]再將混合后0.8mm純石英與80nm納米二氧化硅顆粒按質(zhì)量比為90: 3。1500°C下熔融在外層內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層，內(nèi)層的厚度為1.7mm。
[0057]石英相■禍尺寸如下:外直徑300mm,高度200mm。
[0058]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:所制備的坩堝內(nèi)層透明無氣泡，可在1500°C高溫一次性持續(xù)使用68h，強(qiáng)度達(dá)到120MPa，不開裂。
【權(quán)利要求】
1.一種用于單晶生長的石英坩堝，其特征在于，包括內(nèi)層和外層，其中，所述內(nèi)層由0.5mm?2mm的二氧化娃顆粒和10nm以下的納米二氧化娃制備而得；所述的外層由0.5mm?2mm的二氧化娃顆粒、10nm以下的納米二氧化娃、穩(wěn)定相物質(zhì)和氮化娃按比例制備而成，所述的穩(wěn)定性物質(zhì)為氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、氮化鈦、氮化鋁和氮化鋯中的任意一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于單晶生長的石英坩堝，其特征在于，所述內(nèi)層中的二氧化硅顆粒為純石英；所述外層中的二氧化硅顆粒為天然硅砂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于單晶生長的石英坩堝，其特征在于，所述內(nèi)層中，二氧化硅顆粒與納米二氧化硅顆粒的質(zhì)量比為90:1?90: 10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于單晶生長的石英坩堝，其特征在于，所述外層中，二氧化硅顆粒、納米二氧化硅、穩(wěn)定性物質(zhì)、氮化硅的質(zhì)量比為(85?95): (0.5?1.5): (0.5 ?1.5): (I ?3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的用于單晶生長的石英坩堝，其特征在于，所述的穩(wěn)定性物質(zhì)的粒徑為0.4?0.6 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于單晶生長的石英坩堝，其特征在于，所述的內(nèi)層的厚度為I?2mm,外層的厚度為8?10_。
7.權(quán)利要求1所述的用于單晶生長的石英坩堝的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:通過將0.5mm?2mm的二氧化娃顆粒、10nm以下的納米二氧化娃、穩(wěn)定性物質(zhì)和氮化硅按照質(zhì)量比為(85?95): (0.5?1.5): (0.5?1.5): (I?3)放入坩堝模具中，然后熔化上述物質(zhì)，從而形成外層；然后將0.5mm?2mm的二氧化娃顆粒和10nm以下的納米二氧化硅顆粒按照質(zhì)量比90:1?90: 10放入上述坩堝模具中，然后熔化，從而在所述外層的內(nèi)側(cè)形成內(nèi)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述內(nèi)層中的二氧化硅顆粒為純石英；所述外層中的二氧化硅顆粒為天然硅砂。
【文檔編號】C30B15/10GK104389014SQ201410720086
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】高延敏, 李麗英, 陸介平, 韓蓮, 趙君 申請人:江蘇科技大學(xué)