CN103339300A

CN103339300A - 坩埚主体及其形成方法

Info

Publication number: CN103339300A
Application number: CN2011800664064A
Authority: CN
Inventors: E·A·科特利尼; C·J·雷利; V·K·布加瑞
Original assignee: Saint Gobain Industrial Ceramics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-10-02
Also published as: US20120208690A1; WO2012092369A3; US8664135B2; WO2012092369A2

Abstract

一种包含整体式坩埚主体的物品，该整体式坩埚主体包括氮氧化硅（Si_xN_yO，其中x>0并且y>0），其中该氮氧化硅延伸遍及该整体式坩埚主体的整个体积。

Description

坩埚主体及其形成方法

背景

本披露的领域

以下内容涉及坩埚，更具体地，具有包括氧氮化硅的整体式主体的一种坩埚。

相关技术的说明

形成单晶材料的某些步骤要求，当完成晶体形成过程时，容器或坩埚以容纳显著量的熔融材料。例如，直拉法（Czochralski process）从一个含有熔融材料的坩埚中拉拔并形成一种晶体材料，其中，在拉拔过程中，该材料凝固并结晶成一个锭，或可以进一步加工的大晶体块。事实上，通常使用三种方法中的一种形成硅锭，这三种方法是：(1)从熔融物中拉拔出一个锭（例，直拉法）；(2)通过定向凝固技术在一个坩埚中凝固一种熔融物；或(3)使用铸造技术将一种熔融物从一个坩埚浇注到一个模具中。

在定向凝固过程中，硅典型地熔融在该坩埚中并且在同一坩埚中定向凝固。在这种情况下，硅熔融物和该坩埚之间有接触，凝固的硅锭和该坩埚之间也有接触。在铸造过程中，硅熔融在一个坩埚中并且然后将该熔融物从该坩埚浇注到一个模具中，在该模具中该硅凝固。这个铸造过程可以在该熔融物和该坩埚、该熔融物和该模具（尽管最小限度的）、以及该模具和该凝固的锭之间具有接触。

尽管如此，当以这样的性能使用坩埚时大量问题困扰行业，包含例如，微粒的生成和涉及来自坩埚的污染物，在该熔融材料和该坩埚之间的化学反应，在该坩埚和该熔融材料之间的合适的润湿特性，从该坩埚释放凝固材料，热冲击和这些坩埚的开裂。事实上，一个典型的行业惯例是使用坩埚一次以形成单一的锭，并且丢弃该坩埚因为它已经被毁坏或严重损害。

硅仍然是坩埚和模具应用的优选材料，因为它容易以高纯度形式获得，并且在硅锭加工中使污染最小化。此外，这样的常规石英坩埚可以具有氮化硅涂覆层。尽管如此，这样的常规结构仍然经受到以上指出的问题。

工业持续要求用于盛放熔融材料的改进的坩埚并且用于形成单晶材料的改进工艺。

概述

根据一个方面，形成陶瓷物品的方法包含形成包括氮氧化硅（Si_xN_yO，其中x>0并且y>0）的一种混合物，并且将该混合物成形为一个坩埚主体，其中氮氧化硅延伸遍及该整体式坩埚主体的整个体积。

在另一个方面，一种物品包含具有一个整体式构造和一个坩埚热膨胀系数（CTE_c）的一个坩埚主体，该坩埚主体在CTE_c和一个金属硅热膨胀系数（CTE_s）之间有由方程式ΔCTE=[(CTEc-CTEs)/CTEs]定义的、不大于约20%的热膨胀系数差（ΔCTE）。

在再一个方面中，一种物品包含包括氮氧化硅（Si_xN_yO，其中x>0并且y>0）的一个整体式坩埚主体，其中该氮氧化硅延伸遍及该整体式坩埚主体的整个体积。

附图简要说明

通过参考附图可以更好地理解本披露，并且使它的众多特征和优点对本领域的普通技术人员而言变得清楚。

图1包含一个流程图，该流程图说明了用于形成根据一个实施例的物品的方法。

图2包含根据一个实施例的坩埚主体的一个截面图示。

在不同的绘图中使用相同的参考符号指示相似或相同的物件。

详细说明

以下内容针对可能适合用于其它材料加工的陶瓷物品。尤其，以下内容针对坩埚主体形式的、可能适合于用于在高温加工过程中加工并容纳材料的陶瓷物品。例如，如在此描述的坩埚可能适合于盛放熔融材料，诸如熔融硅，用于形成适合于在电子工业、光学产业、可再生能源工业，等等中形成产品的材料的单晶锭。在一个具体的例子中，该坩埚可以有助于用于形成半导体组件和电子器件，诸如太阳能电池，的熔融硅的加工。

图1包含一个流程图，该流程图提供了用于形成根据一个实施例的物品的方法。形成一个物品的过程可以开始于步骤101，通过形成包括以式Si_xN_yO表示（其中x>0并且y>0）的氮氧化硅的一种混合物。在某些例子中，该混合物可以是粉末成分的一种干燥的混合物。如此，这些粉末成分中的至少一种可以包含氮氧化硅。尤其，这些粉末成分中的一种可以主要由一种氮氧化硅组成，使得该粉末是一种氮氧化硅粉末材料。

根据一个实施例，该混合物可以被形成为使得它包含一种粗粉成分和一种细粉成分。在形成包括该粗粉成分和细粉成分的混合物中，某些混合物可能包含大体上等量的细粉和粗粉成分。即，这些混合物可以包含细粉成分和粗粉成分50/50（按wt%计）的一种共混物。尽管如此，在其他例子中该混合物可以含有多数量的、这些细粉成分或粗粉成分中的一种。

该粗粉成分可以具有显著地大于该细粉成分平均粒径的平均粒径。例如，该粗粉成分可以具有至少约40微米的平均粒径。在其他实施例中，该粗颗粒成分的平均粒径可以更大，诸如至少约50微米，至少约60微米，至少约70微米，或甚至至少约80微米。尽管如此，该粗粉成分的的平均粒径可以是有限的，使得它可能不大于约200微米，不大于约150微米，不大于约125微米，或甚至不大于约100微米。将理解的是该粗粉成分具有的平均粒径可以处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。

该细粉成分可以具有显著地小于该粗粉成分平均粒径的平均粒径。例如，在某些实施例中，该细粉成分的粒径可以是不大于约30微米。在其他例子中，该细粉成分的粒径可以是不大于约25微米，诸如不大于约20微米，不大于约15微米，不大于约10微米，或者甚至不大于约8微米。在某些例子中，这些细分成分可以具有至少约0.01微米的平均粒径，诸如至少约0.1微米，或者甚至至少约0.5微米。将理解的是这些细粉成分具有的平均粒径可以处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。

根据一个实施例，该粗粉成分可以包含选自由氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、金属硅、以及它们的一种组合组成的组的一种材料。一个具体的实施例的混合物使用包含氮氧化硅粉末的一种粗粉成分。在某些例子中，该粗粉成分可以含有多数含量的氮氧化硅粉末。尽管如此，某些方法可能使用基本上由氮氧化硅材料组成的一种粗粉成分，使得该粗粉成分完全是氮氧化硅粉末。

该粗粉成分可以包含一定含量的一种除氮氧化硅粉末之外的附加的粉末材料。例如，该粗粉成分可以包含粗尺寸的氮氧化硅粉末材料和以下各项中的一种或多种的混合物：粗尺寸的氮化硅粉末、粗尺寸的碳化硅粉末、粗尺寸的二氧化硅粉末或粗尺寸的硅金属粉末。该混合物可以含有等量的氮氧化硅粉末和任何其他粗尺寸附加物（即，粗尺寸的氮化硅粉末、粗尺寸的碳化硅粉末、或粗尺寸的硅金属粉末）。在一些具体的例子中，该粗尺寸附加物可以以较小的量存在，使得该粗粉成分包括多数含量（混合物总重量的wt%）的氮氧化硅粉末材料。

该细粉成分可以包含一种材料，诸如碳化物、氧化物、氮化物、硅金属、氮氧化物、以及它们的一种组合。该细粉成分可以含有干燥的粉末材料的一种混合物，这些干燥的粉末材料可能包含碳化物、氧化物、氮化物、硅金属和氮氧化物中的两种或多种粉末。

对于一些混合物，该细粉成分可以包含碳化硅粉末。在更具体的例子中，该细粉成分可以含有多数含量（对细粉成分总重量的wt%）的碳化硅粉末。在一个实施例中，该细粉成分基本上由碳化硅粉末组成。

在其它实施例中，该细粉成分可以包含一定含量的氮化硅粉末。例如，该细粉成分可以含有多数含量（对细粉成分总重量的wt%）的氮化硅粉末。在一个具体的实施例中，该细粉成分可以基本上由氮化硅粉末组成。

根据另一个实施例，该细粉可以包含硅金属粉末。事实上，这些硅金属粉末可能以多数含量（对细粉成分总重量的wt%）存在于该细粉成分中。在一个具体的实施例中，该细粉成分可以基本上由硅金属粉末组成。

在又一个实施方案中，该细粉成分可以包含一种氮氧化硅粉末。例如，该细粉成分可以含有多数含量（对细粉成分总重量的wt%）的氮氧化硅粉末材料。在一个具体的例子中，该细粉成分基本上由氮氧化硅粉末组成。

该细粉成分可以包含若干含量的氧化物粉末。例如，该细粉成分可以含有多数含量（对细粉成分总重量的wt%）的二氧化硅（SiO2）粉末材料。在一个具体的例子中，该细粉成分基本上由二氧化硅粉末组成。然而，在其他例子中，该混合物可以含有少数量的氧化物材料，特别是，二氧化硅。

包含该细粉成分和粗粉成分的混合物可以定义一种具有双峰粒度分布的混合物。即，当评估整个混合物的粒度分布时，该细粉成分和粗粉成分定义两种不同模的粒径。

此外，虽然该混合物被描述为具有定义了双峰粒度分布的细粉成分和粗粉成分，但该混合物可以包含另外的模。即，该混合物可以至少包含一种第三粉末成分，并且可以具有多于三种粉末成分。该第三粉末成分可以具有不同于细粉成分和粗粉成分的粒径。相应地，该混合物可以具有三峰粒度分布。

根据一个实施例，该混合物可以包含一种第三粉末成分，该第三粉末成分包含一种材料，诸如金属、碳化物、氧化物、氮化物、氧氮化合物、以及它们的一种组合。在具体的例子中，该第三粉末可以包含一种材料，诸如硅金属、碳化硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、以及它们的一种组合。值得注意地，该第三粉末成分可以包含一种材料，这种材料区别于在细粉成分和/或粗粉成分中使用的材料。

在形成该混合物时，可以添加一种液体载体到这些粉末成分的混合物中以形成一种浆料。通过使用包含一种水基液体载体（诸如水）的液体载体可以促进一种浆料的形成。

包含干混合物或者湿混合物（即，浆料）的该混合物，可以包含添加剂成分。这些添加剂成分可以相较于该细粉成分和粗粉成分的量以少数的量（对混合物的总重量的wt%）存在。例如，对于该混合物的总重量，该添加剂成分的量可以不大于约20wt%，诸如不大于约15wt%，不大于约12wt%，不大于约10wt%，不大于约8wt%，甚至不大于约5wt%。尽管如此，该混合物可以被形成为使得它包含至少约1wt%，至少约2wt%，或甚至至少约3wt%的添加剂成分。该混合物中的添加剂成分的量值可以处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。

一些适合的添加剂可以包含：氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、以及它们的一种组合。在具体的例子中，该混合物可能含有处于氧化物材料形式的一种添加剂成分，并且特别是，氧化铝。在其他例子中，该混合物可以进一步包含少数量的氧化铁形式的添加剂成分。然而，在某些例子中，添加剂的量可能是有限的，使得最终形成的物品的纯度是受控的。

在步骤101形成包括一种氮氧化硅的混合物之后，该过程可以通过在步骤102通过成形该混合物以形成一个生坯而继续。成形生胚的过程可以包含多个过程，诸如铸造、模制、压制、挤出、注射、以及它们的一种组合。在一个具体的例子中，该成形过程可以包括注浆成型过程，其中将该浆料引进到典型地由一种石膏材料制成的一个模具中，并且将该浆料的液体抽出到该模具主体中，留下该浆料的固体内容物以符合该模具的形状。在合适的量的时间后，该模具中的浆料充分地脱水以造成生胚陶瓷体。对于形成陶瓷体的技术的一个详细说明，关注的是美国专利号4,990,469，通过引用结合在此。

成形该混合物以形成一个生胚体可以包含，讲该混合物成形为具有一个内部碗状表面并且被构造为在其中容纳液体或粉末材料的坩埚形式。值得注意地，成形这些混合物以形成生胚体包括将该混合物成形为一个坩埚主体，使得存在于初始混合物中的氮氧化硅粉末成分延伸遍及该生胚体的整个体积。

在步骤102成形混合物后，可以通过烧制该生胚体以形成一个烧结体继续该过程。根据一个实施例，可以在至少1000℃的一个烧制温度实施烧制。在其他例子中，烧制温度可以更大，诸如至少约1100℃，至少约1200℃，至少约1300℃，或甚至至少约1350℃。对于某些过程，烧制温度可以不大于约2000℃，诸如不大于约1800℃，不大于约1700℃，不大于约1600℃，或甚至不大于约1500℃。将理解的是，该烧制温度可以处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。

在烧制过程中，容纳该生坯的腔内的气氛可以被控制。例如，可以在包括一种还原物种的烧制气氛内实施该烧制过程。某些合适的还原物种可以包括氮气。在具体的例子中，可以在具有大多数含量的氮气的气氛（包含例如，主要由氮气组成的气氛）中实施烧制。

此外，该烧制气氛可以具有可以不大于约3大气压（0.3MPa）的气压。仍然在其他例子中，该烧制气氛可以具有不大于约2大气压的气压，诸如不大于约1.5大气压，或甚至近似1大气压。

烧制该生胚体以形成一个烧结体可以包含热处理以促进该生胚体的致密化。例如，烧制过程可以包含烧结该生胚体，烧结可以促进致密化和晶粒生长。根据一个实施例，该烧结体可以处于具有至少约70%的理论密度的密度的整体式坩埚本体的形式。在其他实施例中，该烧结体可以具有更大的理论密度。

烧制过程可以被完成，使得烧结体形成包括氮氧化硅的一个整体式坩埚主体，其中该氮氧化硅合并到整个主体中并且氮氧化硅材料延伸遍及该整体式坩埚主体的整个体积。即，该氮氧化硅材料可能不一定仅作为薄膜或涂覆层存在在主体上。而是，该整体式坩埚主体含有延伸遍及整个体积的氮氧化硅晶粒，该晶粒可以延伸遍及该主体的整个厚度。此外，将理解的是，提及的一个整体式主体是一个形成自单一材料主体，而不是形成自许多单独部分的一个主体，诸如结合在一起的一系列的涂覆层或层。整体式坩埚主体的形成可能促进改进的润特性和热机械性能。

根据一个实施例，该整体式坩埚主体可以具有对于该整体式坩埚主体的总体积至少约5vol%的孔隙率。在其他例子中，这种孔隙率可以更大，如至少约10vol%，至少约12vol%，至少约15vol%，或甚至至少约18vol%。尽管如此，该整体式坩埚主体可以被形成为使得孔隙率不大于约40vol%，诸如不大于约35vol%，不大于约30vol%，不大于约25vol%，或甚至不大于约20vol%。将理解的是，该坩埚主体所包含的孔隙率的量值可以处于以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。

根据一个实施例，该整体式坩埚主体可以被形成为使得包括氮氧化硅的整体式坩埚主体的总体积的至少约20vol%的孔隙率。在其他实施例中，该整体式坩埚主体包含对于该整体式坩埚主体的总体积至少30vol%，诸如至少40vol%，至少约50vol%，或甚至至少约55vol%的氮氧化硅。尽管如此，根据一个实施例，该整体式坩埚主体可以含有对于该坩埚主体的总体积不大于约99vol%的氮氧化硅，或甚至近似不大于约95vol%，不大于约90vol%，不大于约85vol%，或甚至不大于约75vol%的氮氧化硅。将理解的是，该坩埚主体所包含的氮氧化硅的量可以处于以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。

将理解的是，该整体式坩埚主体可以是除氮氧化硅之外包含一种第二材料的复合材料。该第二材料可以包含由添加到原始混合物中的第二粉末成分形成的一种不同的材料相。如此，该第二材料可以包括材料诸如氮化物、碳化物、氧化物、以及它们的一种组合。在一个具体的实施例中，该第二材料可以包括氮化硅、碳化硅、硅金属、以及它们的一种组合。

将理解的是，在该整体式坩埚主体中所含的第二材料可以以小于该整体式坩埚主体之内的氮氧化硅的量的一个量（vol%）存在。在一个具体的实施例中，该第二材料可以以大体上以与该整体式坩埚主体之内存在的氮氧化硅的量相同的一个量（vol%）存在。尽管如此，可以形成某些坩埚主体，其中该整体式坩埚主体中的第二材料的量（vol%）可以大于该整体式坩埚主体中存在的氮氧化硅的量。

根据在此的实施例，该整体式坩埚主体可以含有相对于该整体式坩埚主体的总体积的一个显著含量的晶相。即，该坩埚主体可以含有少数量的非晶相材料，并且尤其是，可能是基本不含非晶相内容物。例如，在一个实施例中，该坩埚主体可以被形成为使得它含有对于该坩埚主体的总体积至少90vol%的晶相含量。在其他例子中，晶体含量可以更大，使得它是至少约95vol%，至少约97vol%，或使得该主体基本上仅由晶相材料组成。

该坩埚主体可以包含少数量的某些材料，包含例如铝（Al）。例如，该坩埚主体可以包含对于该坩埚的整个主体不大于约5vol%的铝。在其他例子中，铝的量可能更小，诸如不大于约3vol%，不大于约2vol%，或甚至不大于约1vol%。根据一个实施例，该坩埚主体可以基本不含铝。

应该指出，可以存在氮氧化硅的不同的配制品。根据一个实施例，在该坩埚主体中存在的氮氧化硅可以是Si₂N₂O的形式。事实上，在该坩埚主体中存在的氮氧化硅可以基本上由Si₂N₂O组成。

该坩埚主体可以具有特别的机械性能。例如，该坩埚主体的杨氏模量可以不大于约250GPa。可以通过标准技术测量杨氏模量，包括例如，基于ASTM1876的声波技术。在其他例子中，该坩埚主体的杨氏模量可以不大于约200GPa，诸如不大于约180GPa，或甚至不大于约150GPa。尽管如此，该坩埚主体可以被形成为使得杨氏模量是至少约10GPa，诸如不至少约25GPa，或甚至至少约50GPa。

另外提及某些机械特性，该坩埚主体可以被形成为使得它具有一个不大于约100GPa的剪切模量（G）。可以使用本领域已知的合适的技术测量剪切模量，包含例如，根据ASTM D4027-D4。在某些其他例子中，该坩埚主体可以具有不大于约90GPa，诸如不大于约80GPa，或甚至不大于约70GPa的一个剪切模量。根据一个实施例，该坩埚主体可以具有至少约5GPa，诸如至少约10GPa，至少约15GPa，或甚至至少约20GPa的一个剪切模量。应了解的是，该坩埚主体可以具有在以上所述的任何最小值与最大值之间的范围内的一个剪切模量。应了解的是，该坩埚主体可以具有在以上所述的任何最小值与最大值之间的范围内的一个杨氏模量。

在某些例子中，该坩埚主体可以被形成为具有一个特定的热膨胀系数（CTE_c）。例如，在从20℃到200℃加热期间，该坩埚主体可以具有不大于约3.00x10^-61/℃的一个热膨胀系数。在其他例子中，从20℃到200℃，该坩埚主体可以具有不大于约2.9x10^-61/℃的一个热膨胀系数，诸如不大于约2.88x10^-61/℃。尽管如此，该坩埚主体可以被形成为使得从20℃到200℃的热膨胀系数是至少约2.00x10^-61/℃，诸如至少约2.20x10^-61/℃，至少约2.40x10^-61/℃，至少约2.60x10^-61/℃，或甚至至少约2.75x10^-61/℃。将理解的是，该坩埚主体可以具有在以上所述的任何最小值与最大值之间的范围内的一个热膨胀系数。

在其他示例性实施例中，该坩埚主体可以被形成为使得它具有被设计为与另一种材料的热膨胀系数相比具有一个特定的差的一个热膨胀系数（CTE_c）。尤其，该坩埚主体可以具有在该坩埚主体的热膨胀系数与金属硅的热膨胀系数（CTE_s）之间的热膨胀系数差（ΔCTE），该差可以通过方程式ΔCTE=[(CTE_c-CTE_s)/CTE_s]定义。

根据一个实施例，该坩埚可以被形成为使其具有一个不大于约20%的热膨胀系数差（ΔCTE）。在其他例子中，热膨胀系数差可以更小，诸如不大于约18%，不大于约16%，不大于约14%，不大于约12%，不大于约10%，或甚至不大于约9.5%。尽管如此，热膨胀系数差（ΔCTE）可以是至少约2%，诸如至少约4%，至少约6%，至少约7%，或甚至至少约8%。值得注意地，热膨胀系数的差可以处于以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。

再参见图1，在步骤103烧制该生胚体后，可以用一个任选的步骤105继续该过程，该步骤包含在烧结体外表面上形成一个涂覆层。涂覆层的施加可能促进更少的颗粒生成，改进润的湿特性以及改进的热机械性能。参见图2，提供了一种坩埚的截面图示。如图所示，坩埚200包含一个坩埚主体201和覆盖在该主体201的一个外表面上的一个涂覆层202。尤其，该涂覆层202可以界定该坩埚200的一个外表面203。尤其，该涂覆层202可以覆盖在该坩埚主体201的一个内部碗状表面205上。该涂覆层202可以被配置为在加工过程中直接接触该坩埚内含有的材料204。

该涂覆层可以通过合适的沉积技术形成。例如，可以通过喷涂、刷涂、浸渍或它们的一个组合来施用该涂覆层202。此外，尽管图2图示了涂覆层202覆盖在该坩埚主体201的内部碗状表面205上，然而将理解的是，该涂覆层可以覆盖在该坩埚主体201的更大百分比的外表面区域上。例如，该涂覆层202可以扩展遍布该坩埚主体201的全部表面。

根据一个实施例，这些涂覆层可以包含一种材料，诸如一种碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、氮氧化物、及它们的一种组合。在具体的例子中，该涂覆层202可以包含硅，诸如一种含硅的化合物，并且更具体地说，氮化硅。在一个示例性坩埚中，该涂覆层202可以基本上由氮化硅组成。

根据另一个实施例，该涂覆层202可以包含氮氧化硅。事实上，根据在此的实施例的一种坩埚包括基本上由氮氧化硅组成的一个涂覆层202。

该涂覆层202可以含有相较于该坩埚主体201中的氮氧化硅的浓度更高的一个氮氧化硅浓度。即，例如，在涂覆层202中存在的氮氧化硅的量可以是比该坩埚主体201的整个体积中存在的氮氧化硅的量大至少约5%。在其他例子中，涂覆层202中存在的氮氧化硅的量与该坩埚主体201的相比的差可以更大，诸如相较于该坩埚主体中存在的氮氧化硅的量它是至少大出约10vol%，至少大出约15vol%，至少大出约20vol%，至少大出约30vol%，或甚至至少大出约40vol%。

根据某些实施例，该涂覆层202可以具有显著地小于该坩埚主体201的孔隙率的一个孔隙率。例如，该涂覆层可以具有对于该涂覆层202的总体积不大于约25vol%的孔隙率。在其他例子中，涂覆层的孔隙率可以更小，诸如不大于约20vol%，不大于约15vol%，不大于约10vol%，不大于约5vol%，或者甚至不大于约3vol%。

根据一个实施例，该涂覆层可以具有不大于约10mm的一个平均厚度。在其他实施例中，该涂覆层202的平均厚度可以更小，诸如它是不大于约8mm，不大于约5mm，不大于约3mm，或甚至不大于约2mm。尽管如此，该涂覆层具有的平均厚度可以是至少约0.01mm，诸如至少约0.05mm，至少约0.1mm，至少约0.5mm，或甚至至少约1mm。将理解的是，该涂覆层202具有的平均厚度可以处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。

在此指出的形成该坩埚的过程可以促进在加工熔融硅时可以重复利用的大尺寸坩埚的构造。通常，在工业中，某些坩埚可能被使用一次以促进硅的熔融，由于这样的过程可能需要破坏坩埚以在熔融后除去硅材料。根据在此的实施例，坩埚可以被制造并构造以具有以下特征的一个组合，这些特征包括：整体式结构、材料相（例，氮氧化硅、碳化硅、氮化硅和硅）的特定组合、材料相的分布、材料相的量、低的非晶相含量和当加工熔融材料（诸如硅金属）时促进改进性能的一个涂覆层。某些改进的参数可以包含减少的颗粒生成、更低的化学反应性、改进的热机械性能（包含减少的破裂）以及受控的热膨胀系数。

此外，在此的实施例提供的材料和过程的组合可以促进可以容纳并加工更大量的材料的大尺寸坩埚的形成。例如，该坩埚具有的直径（D）可以是至少约0.25米。在其他例子中，坩埚可以更大，使得直径（D）是至少约0.5米，诸如至少0.75米，或甚至至少1米。这样的坩埚的形成和使用，对典型地按单次使用坩埚材料的行业提供了功效和可复用性。

在具体的例子中，该整体式坩埚主体可以包含一种复合材料，该材料除氮氧化硅之外包含一种第二材料。值得注意地，该主体可以含有比氮氧化硅更大含量的第二材料。根据一个实施例，该第二材料可以包含氮化硅（Si₃N₄），并且可以基本上由氮化硅组成。对至少一个实施例，该主体可以是特征为至少约0.10的氮氧化硅对氮化硅的比率[Si₂ON₂/Si₃N₄]。在其他实施例中，该比率可以是至少约0.12，诸如至少约0.15，至少约0.2，至少约0.23，至少约0.25，或甚至至少约0.27。尽管如此，在一个非限制性实施例中，该比率可以是不大于约0.7，诸如不大于约0.6，不大于约0.55，或甚至不大于约0.5。将理解的是，该比率可以处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。

额外地，该整体式坩埚主体可以由依据在此的实施例可以包含一种第三材料（包括一种氧化物，诸如二氧化硅（SiO₂））的一种复合材料制成。在具体的例子中，该主体可以具有相对于该第三材料更大的氮氧化硅含量。此外，该主体可能含有相对于该第三材料更大的含量的、包括一种氮化物（诸如氮化硅）的第二材料。例如，该主体可以含有氮化硅和二氧化硅，其中氮化硅的含量大于二氧化硅的含量。

在至少一个实施例中，该主体由可以包含特定的第三材料含量的复合材料制成。例如，该主体可以具有对于该主体的总体积，不大于该约12vol%的第三材料。在另外的其他例子中，该主体可以包含不大于约10vol%，诸如不大于约9vol%、不大于约8vol%，不大于约7vol%，不大于约6vol%，或者甚至不大于约5vol%。尽管如此，在一个非限制性实施例中，该主体可以含有至少约0.5vol%，诸如至少约1vol%，至少约1.5vol%，或甚至至少约2vol%的第三材料。将应理解的是，该主体中第三材料的含量可以处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。

额外地，该第三材料可以存在于不同的相中，包含例如，晶相、玻璃相、以及它们的一种组合。对于某些组合物，该第三材料可以具有比晶相的含量更大的玻璃相的含量。在一个具体的实施例中，在第三材料中晶相和玻璃相的量的特征可以为，玻璃相与晶相的比率[Pvit/Pcry]具有不大于约0.45的一个值。在具体的实施例中，该比率可以是不大于约0.40，诸如不大于约0.37，不大于约0.33，不大于约0.3，或甚至不大于约0.28。尽管如此，在至少一个非限制性实施例中，该比率可以是至少约0.01。

根据实施例中的一个组合物，该第三材料中的晶相可能是以相对于该主体的总体积不大于约5vol%的量存在。在另外的其他实施例中，该第三材料中晶相的量可以是更少，诸如不大于约4vol%，不大于约3vol%，或甚至不大于约2vol%。在具体的例子中，该第三材料可以基本上不含晶相。在一个替代性实施例中，该第三材料可以基本上不含非晶相。此外，在一个实施例中，该主体可以基本不含第三材料，并且具体地，二氧化硅。

实例：

实例1

由在下面的表1中确定的材料形成一种混合物。首先，一种干燥混合物形成自具有近似150微米的平均粒径的粗糙氮氧化硅粗粉（Si₂ON₂（粗糙的））和具有近似1微米的平均粒径的精细氮氧化硅粉末（Si₂ON₂（精细的））。在充分混合这两种粉末材料后，加入添加剂和硅金属并且继续混合。将该混合物干燥、过筛并且移动到一个处理区，在其中该混合物被加热到近似600℃的一个挥发温度以除去有机材料。然后在一个烧制区内将该混合物在近似1440℃的温度下在基本上由氮组成的气氛中加热约60小时。这个过程的结果是一种整体式坩埚主体，其包括延伸遍及整个主体的氮氧化硅材料。

值得注意地，将金属硅在坩埚中熔融以在电子工业中加工。硅以一种可接受的方式熔融并且被从该坩埚主体中释放出而不损害该坩埚主体，使得该坩埚可以在一个第二连续熔融过程中重复利用。

表1

实例2

根据在此的实施例制作五个样品，S1A、S2B、S3C、S4D和S5E。与实例1一样地制备样品S1A，除了在实例1中该主体在最大烧制区温度下烧制近似两次。

样品S2B和S2E是根据实例1制备的。

样品S3C是根据实例1制备的，除了氮是在处理期间直接引进而不是在烧制区引进，因此当该样品最初进入该处理区时该样品暴露于附加的氮氛。

样品S4D是根据实例1制备的，除了它是在立式熔炉中制备、处理和烧制的。在加热（即，处理和烧制）期间氮被直接引入，因此与实例1相比该样品暴露于额外的氮。

在从1400℃至100℃的冷却中测量这些样品中的每个的CTE。而且，使用Reitfield分析仪通过X射线分析这些样品中的每一个以确定晶体含量和存在的材料。通过LECO分析仪表征样品S2B和S3C以确定这些复合物样品的非晶相的含量。试验结果概述在下表2中。

表2

从表2和表3的数据显然的是，这些组合物中的每一种都具有在冷却时适合的CTE以便作为在硅金属加工中可重复使用的坩埚。

在上文中，对特定实施例的提及和某些部件的连接是说明性的。应了解，对于作为被联接或被连接的部件的提及旨在披露如将了解的在所述部件之间的直接连接或通过一个或多个介入部件的间接连接，以进行在此所讨论的方法。因此，以上披露的主题应被视为说明性的，且不是限制性的，并且随附权利要求书旨在涵盖属于本发明的真实范围内的所有此类修改、改进以及其他实施例。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围是由以下权利要求书和其等效物的最宽泛的可允许解释所确定的、并且不应受到以上详细说明的制约或限制。

本披露是在以下理解下递交的，即，它将不是用来解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在上述披露中，出于精简本披露的目的，可能将不同的特征集合在一起或在一个单独的实施例中加以描述。本披露不应解释为反映出在此的实施例限制了在权利要求书中所提供的特征的意图，并且此外，在此描述的任何特征可以被组合在一起以描述发明主题。发明从属的主题所指向的、可能少于任何在此披露的实施例的全部特征。

Claims

1.一种物品，包括：

包括氮氧化硅（Si_xN_yO，其中x>0并且y>0）的一个整体式坩埚主体，其中该氮氧化硅延伸遍及该整体式坩埚主体的整个体积。

2.一种物品，包括：

具有一个整体式结构和一个坩埚热膨胀系数（CTE_c）的一个坩埚主体，该坩埚主体具有通过式ΔCTE=[(CTEc-CTEs)/CTEs]定义的、在该CTE_c与金属硅的热膨胀系数（CTE_s）之间不大于约20%的热膨胀系数差（ΔCTE）。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该坩埚主体包括一种复合材料，该复合材料除氮氧化硅之外包含一种第二材料。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该主体包括至少约0.10的氮氧化硅与氮化硅的比率[Si₂ON₂/Si₃N₄]。

5.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该主体包括不大于约0.7的氮氧化硅与氮化硅的比率[Si₂ON₂/Si₃N₄]。

6.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括一种第三材料，该第三材料包括一种氧化物。

7.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括一种包括二氧化硅（SiO2）的第三材料，并且其中该主体包括比二氧化硅的含量更大的氮氧化硅的含量。

8.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体以对于该主体的总体积不大于约12vol%的量包括一种第三材料。

9.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括一种第三材料，并且其中该第三材料包括一种晶相。

10.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括一种第三材料，并且其中该第三材料包括一种玻璃相。

11.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括一种第三材料，并且其中该主体包括不大于约0.45的该第三材料中的玻璃相与该第三材料中的晶相的比率[Pvit/Pcry]。

12.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括一种第三材料，并且其中该主体包括不大于约0.3的该第三材料中的玻璃与该第三材料中的晶相的比率[Pvit/Pcry]。

13.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括一种复合材料，该复合材料除氮氧化硅之外包含一种第二材料，该第二材料选自由以下各项组成的组：氮化物、氧化物、碳化物、氮氧化物、以及它们的组合。

14.根据权利要求13所述的物品，其中该第二材料包括选自下组材料的一种材料，该组由以下各项组成：氮化硅（Si_xN_y）、碳化硅、硅、二氧化硅、以及它们的组合。

15.根据权利要求13所述的物品，其中该第二材料以小于该整体式坩埚主体中氮氧化硅的量的一个量（vol%）存在。

16.根据权利要求13所述的物品，其中该第二材料以大于该整体式坩埚主体中氮氧化硅的量的一个量（vol%）存在。

17.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括该整体式坩埚主体的总体积的至少约20vol%的氮氧化硅。

18.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括不大于约99vol%的氮氧化硅。

19.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括该整体式坩埚主体的总体积的至少约90vol%的晶相含量。

20.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体基本由晶相材料组成。

21.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括不大于约5vol%的铝。

22.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体基本不含铝。

23.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该氮氧化硅包括Si₂N₂O。

24.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该氮氧化硅基本由Si₂N₂O组成。

25.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括不大于约250GPa的杨氏模量（E）。

26.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括至少约10GPa的杨氏模量（E）。

27.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括不大于约100GPa的剪切模量（G）。

28.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括至少约5GPa的剪切模量（G）。

29.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括至少约5vol%的孔隙率。

30.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括不大于约40vol%的孔隙率。

31.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括在从20℃至200℃不大于约3.00x10^-61/℃的热膨胀系数（CTE_c）。

32.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括在从20℃至200℃不大于约2.90x10^-61/℃的热膨胀系数（CTE_c）。

33.根据权利要求1和2中任一项所述的物品，其中该整体式坩埚主体包括在从20℃至200℃至少约2.00x10^-61/℃的热膨胀系数（CTE_c）。

34.据权利要求1和2中任一项所述的物品，进一步包括覆盖在该整体式坩埚主体的一个外表面上的一个涂覆层。

35.据权利要求34所述的物品，其中该外表面是该整体式坩埚主体的一个内部碗状表面。

36.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层包括不大于约10mm的平均厚度。

37.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层包括至少约0.01mm的平均厚度。

38.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层包括选自下组材料的一种材料，该组由以下各项组成：碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、氮氧化物、以及它们的组合。

39.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层包括硅。

40.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层包括氮化硅（Si_xN_y）。

41.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层基本上由氮化硅（Si_xN_y）组成。

42.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层包括氮氧化硅（Si_xN_yO）。

43.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层基本上由氮氧化硅（Si_xN_yO）组成。

44.根据权利要求34所述的物品，其中该涂覆层包括一个孔隙率，并且该涂覆层的孔隙率小于该整体式坩埚主体的孔隙率。

45.根据权利要求2所述的物品，其中该热膨胀系数差（ΔCTE）不大于约22%。

46.根据权利要求34所述的物品，其中该热膨胀系数差（ΔCTE）不大于约12%。

47.根据权利要求34所述的物品，其中该热膨胀系数差（ΔCTE）是至少约2%。

48.一种形成陶瓷物品的方法，该方法包括：

形成包括氮氧化硅（(Si_xN_yO，其中x>0并且y>0）的一种混合物；以及

将该混合物成形为一个坩埚主体，其中该氮氧化硅延伸遍及该整体式坩埚主体的整个体积。

49.根据权利要求48所述的方法，其中成形包含一种选自由下组的工艺，该组由以下各项组成：铸造、压制、模制、挤出、以及它们的组合。

50.根据权利要求34所述的方法，其中成形包括粉浆浇注。

51.根据权利要求34所述的方法，进一步包括成形后烧制。

52.根据权利要求51所述的方法，其中烧制是在至少约1000℃的烧制温度下实施的。

53.根据权利要求51所述的方法，其中该烧制温度为不大于2000℃。

54.根据权利要求51所述的方法，其中烧制是在一种包括还原物种的烧制气氛中实施的。

55.根据权利要求54所述的方法，其中该还原物种包括氮。

56.根据权利要求54所述的方法，其中该烧制气氛包括多数含量（vol%）的氮。

57.根据权利要求54所述的方法，其中该烧制气氛基本上由氮组成。

58.根据权利要求54所述的方法，其中该烧制气氛包括不大于约3atm（0.3MPa）的气压。

59.根据权利要求34所述的方法，其中该混合物包括：包括氮氧化硅（Si_xN_yO）的一种第一粉末；以及一种第二粉末，该第二粉末包括选自由以下各项组成的组的一种材料：硅、碳化硅、二氧化硅、氮化硅（Si_xN_y）、以及它们的组合。

60.根据权利要求59所述的方法，其中该第二粉末包括碳化硅。

61.根据权利要求59所述的方法，其中该第二粉末包括氮化硅。

62.根据权利要求59所述的方法，其中该第二粉末包括硅。

63.根据权利要求59所述的方法，其中该混合物包括一种第三粉末，该第三粉末包括选自由以下各项组成的组的一种材料：硅、碳化硅、二氧化硅、氮化硅（Si_xN_y）、以及它们的组合。

64.根据权利要求63所述的方法，其中该第二粉末包括与第三粉末的组成不同的组成。

65.根据权利要求48所述的方法，其中该混合物包括具有精细平均粒径的一种细粉和具有粗糙平均粒径的一种粗粉，其中该精细平均粒径显著小于该粗糙平均粒径。

66.根据权利要求65所述的方法，其中该粗粉包括选自下组的一种材料，该组由以下各项组成：氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、硅、以及它们的组合。

67.根据权利要求65所述的方法，其中该粗粉包括氮氧化硅。

68.根据权利要求65所述的方法，其中该粗粉基本由氮氧化硅组成。

69.根据权利要求65所述的方法，其中该细粉包括选自下组的一种材料，该组由以下各项组成：氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、二氧化硅、硅、以及它们的组合。

70.根据权利要求65所述的方法，其中该细粉包括氮化硅。

71.根据权利要求65所述的方法，其中该细粉包括氮氧化硅。

72.根据权利要求65所述的方法，其中该细粉包括硅。

73.根据权利要求48所述的方法，其中该混合物包括一种浆料。