CN118207514B - 一种石英坩埚及其制备方法与应用 - Google Patents
一种石英坩埚及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118207514B CN118207514B CN202410599869.6A CN202410599869A CN118207514B CN 118207514 B CN118207514 B CN 118207514B CN 202410599869 A CN202410599869 A CN 202410599869A CN 118207514 B CN118207514 B CN 118207514B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quartz crucible
- silicon carbide
- quartz
- layer
- quartz sand
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 130
- 239000010453 quartz Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 56
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 38
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 30
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 20
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 62
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 claims description 49
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 20
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 abstract description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 35
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 9
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 9
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- RQPZNWPYLFFXCP-UHFFFAOYSA-L barium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ba+2] RQPZNWPYLFFXCP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910001863 barium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000007499 fusion processing Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
- C23C16/32—Carbides
- C23C16/325—Silicon carbide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
- C23C16/505—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using radio frequency discharges
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种石英坩埚及其制备方法与应用，属于单晶硅制造设备技术领域。该石英坩埚的制备包括：采用等离子体增强化学气相沉积方式，于石英坩埚本体的外表面制备碳化硅保护层；制备条件包括：射频功率为100W~200W，腔体温度为460℃～520℃，腔体压强为50Pa～100Pa，沉积时间为20min～6160min；工作气体包括甲烷和硅烷，其中，甲烷的流量为20sccm～40sccm，硅烷的流量为20sccm～50sccm。该方法能够在石英坩埚本体的外表面制备出高纯度、高致密度以及高附着力的碳化硅涂层，具有上述碳化硅涂层的石英坩埚在长时间拉晶时能够保证起形状不塌陷，同时有效阻止反应气体引起的鼓包。
Description
技术领域
本发明涉及单晶硅制造设备技术领域，具体而言，涉及一种石英坩埚及其制备方法与应用。
背景技术
石英坩埚是Czochralski法(简称“CZ法”)拉制单晶硅棒的重要辅件。石英坩埚作为硅料的载体有着不可替代的作用。在CZ法制备硅单晶工艺中，石英坩埚起到盛放多晶硅原料以及导热和热场控制等作用。石英坩埚的性能对单晶硅的产出起到关键性作用。
为满足生产需求，石英坩埚通常由外层气泡层和内层透明层构成，内层透明层直接接触硅液，外层气泡层接触石墨坩埚，起到均匀导热作用。在制备单晶硅过程中，硅的熔点约为1420℃，为使硅完全熔化为硅液，坩埚内熔料的温度一般设置为1500~1600℃。该温度下石英材料会发生软化，并在重力或者与硅液的相互作用逐渐发生变形，影响拉出的单晶硅质量，甚至会导致单晶硅拉晶失败。此外，在长时间、高温使用的过程中，变形后的石英坩埚与石墨坩埚直接接触，高温下发生化学反应产生CO等气体，这些气体会向坩埚内部扩散，导致坩埚发生鼓包等严重问题。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石英坩埚及其制备方法与应用，以解决或改善上述技术问题。
本发明可这样实现：
第一方面，本发明提供一种石英坩埚的制备方法，其包括以下步骤：采用等离子体增强化学气相沉积方式，于石英坩埚本体的外表面制备碳化硅保护层；
碳化硅保护层的制备条件包括：射频功率为100W~200W，腔体温度为460℃～520℃，腔体压强为50Pa～100Pa，沉积总时间为20min～6160min；工作气体包括甲烷和硅烷，其中，甲烷的流量为20sccm～40sccm，硅烷的流量为20sccm～50sccm。
在可选的实施方式中，碳化硅保护层具有以下特征中的至少一种：
特征一：碳化硅保护层的总厚度为0.1μm~500μm；
特征二：碳化硅保护层的致密度不低于99%。
在可选的实施方式中，碳化硅保护层的层数为多层，单层碳化硅保护层的厚度为0.1μm~125μm。
在可选的实施方式中，石英坩埚本体包括由外至内依次设置的气泡层和透明层。
在可选的实施方式中，气泡层的厚度为2mm~30mm，和/或，透明层的厚度为1.2mm~10mm。
在可选的实施方式中，气泡层中含有第一石英砂，透明层中含有第二石英砂；
第一石英砂的粒径大于第二石英砂的粒径，且第一石英砂的纯度不高于第二石英砂的纯度。
在可选的实施方式中，第一石英砂的粒径为120μm~300μm；第二石英砂的粒径为50μm~170μm。
在可选的实施方式中，石英坩埚的制备方法还包括：于石英坩埚本体的内表面制备含钡涂层；
含钡涂层的厚度不超过10μm。
第二方面，本发明提供一种石英坩埚，其经前述实施方式任一项的制备方法制备而得。
第三方面，本发明提供一种如前述实施方式的石英坩埚在制备单晶硅中的应用。
本发明的有益效果包括：
本发明创造性地提出了采用等离子体增强化学气相沉积方式，按特定的条件于石英坩埚本体的外表面制备碳化硅保护层的方案。制备的碳化硅涂层使用温度较高，既能提升石英坩埚使用时的支撑性能，避免其在使用过程中塌陷，又能抑制石英坩埚中气泡层中的石英与石墨坩埚反应产生气体，进而避免了该部分CO气体向石英坩埚内部扩散导致坩埚鼓包等问题。
具有上述碳化硅涂层的石英坩埚在长时间拉晶时能够保证起形状不塌陷，同时有效阻止反应气体引起的鼓包，有利于制备出性能良好的硅棒。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中石英坩埚的结构示意图。
图标：1-碳化硅保护层；2-气泡层；3-透明层；4-含钡涂层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的石英坩埚（请参照图1）及其制备方法与应用进行具体说明。
本发明提出了一种石英坩埚的制备方法，其包括以下步骤：采用等离子体增强化学气相沉积方式，于石英坩埚本体的外表面制备碳化硅保护层1。
在一些实施方式中，碳化硅保护层1的制备可参照：将加有掩模板的石英坩埚本体置入等离子体增强化学气相沉积腔体中，以甲烷和硅烷为工作气体，按设置的等离子体增强化学气相沉积条件，对石英坩埚本体进行沉积，以在石英坩埚本体的外表面形成碳化硅保护层1。
作为参考地，上述等离子体增强化学气相沉积条件可包括：射频功率为100W~200W，腔体温度为460℃～520℃，腔体压强为50Pa～100Pa，沉积总时间为20min～6160min；甲烷的流量为20sccm～40sccm，硅烷的流量为20sccm～50sccm。
其中，射频功率可以为100W、110W、120W、130W、140W、150W、160W、170W、180W、190W或200W等，也可以为100W~200W范围内的其它值。
若射频功率小于100W，效率较低；若射频功率高于200W，容易使得碳化硅保护层1生长过快，难以得到致密度较高的碳化硅保护层1，进而影响碳化硅保护层1的附着力，不利于提高石英坩埚的耐高温性和力学性能。
腔体温度可以为460℃、465℃、470℃、475℃、480℃、485℃、490℃、495℃、500℃、505℃、510℃、515℃或520℃等，也可以为460℃～520℃范围内的其它值。
若腔体温度低于460℃，不利于为反应原子提供足够的活化能，容易限制原子扩散，降低反应速率，并导致镀层结合强度降低；若腔体温度高于520℃，容易使得反应速率过快，导致镀层致密度和强度降低。
腔体压强可以为50Pa、55Pa、60Pa、65Pa、70Pa、75Pa、80Pa、85Pa、90Pa、95Pa或100Pa等，也可以为50Pa～100Pa范围内的其它值。
若腔体压强小于50Pa，容易导致活化原子向空间逸散，并在镀层之外的区域形成液滴，导致镀层本身原子淀积不充分，进而导致薄膜强度降低，耐温性变差。若腔体压强大于100Pa，不利于活化原子向目标区域扩散，容易导致活化原子在达到目标沉积区域前就反应生成碳化硅，降低镀层的结合强度。
沉积总时间可以为20min、40min、60min、80min、100min、120min、140min、160min、180min、200min、400min、800min、1000min、1500min、2000min、2500min、3000min、3500min、4000min、4500min、5000min、5500min、6000min或6160min等，也可以为20min～6160min范围内的其它值。在一些实施方式中，沉积次数可以仅为1次，也可以为多次，如2次、3次或4次等。当沉积次数不止1次时，单次沉积的时间可以为20min~1540min。
若沉积总时间短于20min，不利于原子充分活化并反应生成连续的薄膜；若沉积总时间长于6160min，不利于镀层的致密化，过长的沉积时间会导致镀层过厚，并且外层原子会逐渐疏松，影响镀层品质。
甲烷气体的流量可以为20sccm、25sccm、30sccm、35sccm或40sccm等，也可以为20sccm～40sccm范围内的其它值。甲烷气体的纯度例如可以为99.999%。
硅烷气体的流量可以为20sccm、25sccm、30sccm、35sccm、40sccm、45sccm或50sccm等，也可以为20sccm～50sccm范围内的其它值。硅烷气体的纯度例如可以为99.999%。
若甲烷气体和硅烷气体的流量不当，容易导致碳源和硅源反应不充分或者因为化学计量浓度的偏差导致在到达目标沉积位置前就发生反应生成碳化硅，降低镀层的致密度。
通过按上述条件进行沉积，甲烷气体和硅烷气体电离后的等离子体即可在石英坩埚本体的外表面形成致密的碳化硅涂层。该碳化硅保护层1的致密度不低于99%。
碳化硅保护层1的总厚度为0.1μm~500μm，如0.1μm、0.5μm、1μm、5μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等。当沉积次数不止1次时，单次沉积对应的单层碳化硅保护层1的厚度为0.1μm~125μm。
若碳化硅保护层1的总厚度小于0.1μm，会导致碳化硅保护层1对石英坩埚本体的支撑性不足，产时间使用后容易坍塌；若碳化硅保护层1的总厚度超过500μm，容易导致碳化硅保护层1的致密度降低，碳化硅保护层1与石英坩埚本体的结合性变差，容易剥落。
承上，本发明通过按特定的方法和条件在石英坩埚本体的外表面制备碳化硅涂层，该碳化硅涂层使用温度较高，既能提升石英坩埚使用时的支撑性能，避免其在使用过程中塌陷，又能抑制石英坩埚中气泡层2中的石英与石墨坩埚反应产生气体，进而避免了该部分CO气体向石英坩埚内部扩散导致坩埚鼓包等问题。
本发明中，石英坩埚本体包括由外至内依次设置的气泡层2和透明层3。
在一些可选的方式中，气泡层2的厚度可以为2mm~30mm，如2mm、5mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mm、22mm、25mm、28mm或30mm等，也可以为2mm~30mm范围内的其它任意值。
若气泡层2的厚度超过30mm，容易导致热量在气泡层聚集，会显著增加鼓包的风险。
在一些可选的方式中，透明层3的厚度可以为1.2mm~10mm，如1.2mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm或10mm等，也可以为1.2mm~10mm范围内的其它任意值。
若透明层3的厚度超过10mm，容易导致内部硅液受热不均匀或者整体热量不足，影响拉晶的成功率和单晶硅的品质。
气泡层2中含有第一石英砂，透明层3中含有第二石英砂；第一石英砂的粒径大于第二石英砂的粒径，且第一石英砂的纯度不高于第二石英砂的纯度。
示例性地，第一石英砂的粒径可以为120μm~300μm，如120μm、180μm、200μm、220μm、250μm、280μm或300μm等，也可以为120μm~300μm范围内的其它值。第一石英砂的纯度不低于99.9%。
若第一石英砂的粒径小于120μm，不利于致密且尺寸均一气泡的形成；若第一石英砂的粒径大于300μm，不利于熔制时颗粒的融合，增加坩埚成型难度。
第二石英砂的粒径可以为50μm~170μm，如50μm、80μm、100μm、120μm、150μm或170μm等，也可以为50μm~170μm范围内的其它值。第二石英砂的纯度不低于99.99%。
若第二石英砂的粒径小于50μm，容易导致石英坩埚熔制时内层发生析晶；若第二石英砂的粒径大于170μm，不利于颗粒的软化，增加成型难度，且第二石英砂粒径过大会导致透明层残留气泡。此外，具有上述纯度的第二石英砂有利于避免在直接与熔融单晶硅液体直接接触的时候引入杂质等。
作为参考地，上述气泡层2和透明层3的制备可参照以下方式：在钢质模具中先铺第一石英砂，再铺第二石英砂，向模具内部伸入石墨电极并采用电弧熔制的方式对模具和石英砂进行加热，由于用于形成透明层3的第二石英砂较用于形成气泡层2的第一石英砂受到的热更多，因此第二石英砂在电弧放热过程较第一石英砂熔融更为充分，呈现出玻璃透明状态，形成透明层3；而第一石英砂较第二石英砂的粒径更大，并且通过控制真空、石墨电弧加热制度等方式在气泡层中实现致密且均一的气泡结构，形成气泡层2。熔制结束后，冷却，脱模，裁切，清洗即可。
示例性地，电弧熔制是以石墨为电极，电弧放热，融化石英砂，同时坩埚模具保证旋转。
其中，融制工艺分为2个步骤：
第一步：开真空，控制模具转速为50rpm~100rpm（如50rpm、60rpm、70rpm、80rpm、90rpm或100rpm等），电极电流为800A~50000A（如800A、1000A、2000A、5000A、10000A、15000A、20000A、25000A、30000A、35000A、40000A、45000A或50000A等）。
第二步：关闭真空，控制模具转速为50rpm~100rpm（如50rpm、60rpm、70rpm、80rpm、90rpm或100rpm等），电极电流为200A~2000A（如200A、500A、800A、1000A、1200A、1500A、1800A或2000A等）。
需说明的是，在其它的一些实施方式中，上述气泡层2和透明层3的制备也可直接参照相关的现有技术进行。
进一步地，石英坩埚的制备方法还包括：于石英坩埚本体的内表面制备含钡涂层4。
示例性地，含钡涂层4可由氢氧化钡溶液通过喷涂的方式制备得到。
示例性地，含钡涂层4的厚度不超过10μm，例如可以为10μm、8μm、6μm、4μm或2μm等。
相应地，本发明还提供了一种石英坩埚，其经上述制备方法制备而得。
该石英坩埚具有较高的耐高温性和硬度，能够在长时间拉晶时能够保证起形状不塌陷，同时有效阻止反应气体引起的鼓包，有利于制备出性能良好的硅棒。
在一些可选的方式中，本发明提供的石英坩埚在1450℃条件下的有效使用时间不低于470h。
在一些可选的方式中，本发明提供的石英坩埚中，碳化硅保护层的硬度与杨氏模量之比（H/E）不低于0.14，从而说明本发明提供的碳化硅保护层具有较高的稳定性和附着力。此外，本发明还提供了所述石英坩埚在制备单晶硅中的应用。
在一些实施方式中，单晶硅为棒状的单晶硅棒。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种石英坩埚，其包括石英坩埚本体以及设置于石英坩埚本体的外表面的碳化硅涂层和设置于石英坩埚本体的内表面的含钡涂层4。其中，石英坩埚本体包括由内至外依次设置的透明层3和气泡层2。
上述含钡涂层4的厚度为5μm，透明层3的厚度为4mm，气泡层2的厚度为15mm，碳化硅涂层的总厚度为135μm（单层碳化硅涂层的厚度为45μm）。
该石英坩埚的制备包括：
S1：制备石英坩埚本体。
在钢质模具中先铺用于形成透明层3的第二石英砂，再铺用于形成气泡层2的第一石英砂，向模具内部伸入石墨电极并采用电弧熔制的方式对模具和所有的石英砂进行加热。熔制结束后，冷却，脱模，清洗，得到石英坩埚本体。
其中，第一石英砂的粒径为120μm~300μm（D50=200μm），纯度为99.99%；第二石英砂的粒径为50μm~170μm（D50=100μm），纯度为99%。
电弧熔制包括：
S11：开真空，模具转速为70rpm，电极电流为20000A；
S21：关闭真空，模具转速为70rpm，电极电流为1500A。
S2：制备碳化硅涂层。
S21：将S1制备得到的石英坩埚本体进行清洗并加盖掩模板，以避免沉积气体污染石英坩埚本体的内壁。
S22：将加盖有掩模板的石英坩埚本体置入等离子体增强化学气相沉积腔体中，以甲烷和硅烷为工作气体进行等离子体增强化学气相沉积，以在气泡层2的外表面形成碳化硅保护层1。
等离子体增强化学气相沉积的条件包括：射频功率为150W，腔体温度为460℃，腔体压强为60Pa，单次沉积时间为540min，沉积次数为3次；甲烷的流量为30sccm，硅烷的流量为35sccm，甲烷和硅烷的纯度均为99.999%。
S3：制备含钡涂层4。
于形成有碳化硅保护层1的石英坩埚本体的内表面（即透明层3的内表面）涂覆氢氧化钡溶液（浓度为8%），干燥（温度为180℃，时间为10min）后形成含钡涂层4。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为480℃。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为500℃。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为520℃。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为500℃，腔体压强为50Pa。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为500℃，腔体压强为70Pa。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为500℃，单次沉积时间为500min。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为500℃，单次沉积时间为600min。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为500℃，沉积次数为2次。
实施例10
本实施例与实施例1的区别在于：
含钡涂层4的厚度为2μm，透明层3的厚度为6mm，气泡层2的厚度为30mm，碳化硅涂层的总厚度为500μm（单层碳化硅涂层的厚度为125μm）。
S2中，等离子体增强化学气相沉积的条件包括：射频功率为200W，腔体温度为520℃，腔体压强为100Pa，单次沉积时间为1540min，沉积次数为4次；甲烷的流量为40sccm，硅烷的流量为50sccm，甲烷和硅烷的纯度均为99.999%。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为440℃。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为540℃。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于：等离子体增强化学气相沉积的腔体温度为440℃，腔体压强为40Pa，单层碳化硅涂层的厚度为25μm。
对比例4
对比例与实施例1的区别在于：未设置碳化硅保护层1。
对比例5
对比例与实施例1的区别在于：S2中，射频功率为50W。
对比例6
对比例与实施例1的区别在于：S2中，射频功率为250W。
对比例7
对比例与实施例1的区别在于：S2中，腔体温度为420℃。
对比例8
对比例与实施例1的区别在于：S2中，腔体温度为560℃。
对比例9
对比例与实施例1的区别在于：S2中，腔体压强为40Pa。
对比例10
对比例与实施例1的区别在于：S2中，腔体压强为120Pa。
对比例11
对比例与实施例1的区别在于：S2中，甲烷的流量为10sccm，硅烷的流量为10sccm。
对比例12
对比例与实施例1的区别在于：S2中，甲烷的流量为50sccm，硅烷的流量为60sccm。
对比例13
对比例与实施例1的区别在于：单次沉积时间为2500min，碳化硅保护层1的总厚度为600μm。
对比例14
对比例与实施例1的区别在于：单次沉积时间为1620min，单层碳化硅保护层的厚度为150μm。
对比例15
对比例与实施例1的区别在于：S1中，第一石英砂的粒径为80μm~100μm（D50=90μm）。
对比例16
对比例与实施例1的区别在于：S1中，第二石英砂的粒径为20μm~40μm（D50=30μm）。
为便于比较，将上述实施例1~10以及对比例1~16的主要沉积条件统计于表1。
表1碳化硅保护层沉积条件
对上述实施例1~10以及对比例1~16所得的石英坩埚进行性能测试，其结果如表2所示。其中，硬度按照《GB/T 25898-2010》进行测试，杨氏模量按照《7962.6-2010》进行测试。
表2测试结果
由表2可以看出，本发明实施例提供的石英坩埚较对比例提供的石英坩埚能够同时具有优异的耐高温性以及较高的硬度。
综上所述，本发明在熔制成型的石英坩埚气泡层2外壁采用等离子体增强化学气相沉积的方式制备致密的碳化硅涂层，该碳化硅涂层与气泡层2结合性强，力学性能良好，使用温度较高，能够提升坩埚使用时的支撑性能并同时抑制气泡层2中的石英与石墨坩埚反应产生气体。而现有技术中常用的解决气泡层2鼓包的方式为对石英坩埚的外表面进行粗化处理，以促进反应气体排出，但该方式下的粗化表面夹杂的气体仍有向坩埚内层扩散的趋势，造成鼓包问题。此外，现有技术中直接采用喷涂氢氧化钡溶液以促进气泡层2外壁析晶的方式无法解决反应CO气体生成的问题，同时析晶后的石英对高温的耐受性效果不好，坩埚支撑性不佳仍有待提升。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种石英坩埚的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用等离子体增强化学气相沉积方式，于石英坩埚本体的外表面制备碳化硅保护层；
所述碳化硅保护层的制备条件包括：射频功率为100W~200W，腔体温度为460℃～520℃，腔体压强为50Pa～100Pa，单次沉积时间为540min~1540min，沉积次数为2次~4次；工作气体包括甲烷和硅烷，其中，甲烷的流量为20sccm～40sccm，硅烷的流量为20sccm～50sccm；
所述碳化硅保护层的总厚度为0.1μm~500μm；
所述碳化硅保护层的层数为多层，单层碳化硅保护层的厚度为0.1μm~125μm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅保护层的致密度不低于99%。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述石英坩埚本体包括由外至内依次设置的气泡层和透明层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述气泡层的厚度为2mm~30mm，所述透明层的厚度为1.2mm~10mm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述气泡层中含有第一石英砂，所述透明层中含有第二石英砂；
所述第一石英砂的粒径大于所述第二石英砂的粒径，且所述第一石英砂的纯度不高于所述第二石英砂的纯度。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一石英砂的粒径为120μm~300μm；所述第二石英砂的粒径为50μm~170μm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，还包括：于所述石英坩埚本体的内表面制备含钡涂层；
所述含钡涂层的厚度不超过10μm。
8.一种石英坩埚，其特征在于，经权利要求1~7任一项所述的制备方法制备而得。
9.一种如权利要求8所述的石英坩埚在制备单晶硅中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410599869.6A CN118207514B (zh) | 2024-05-15 | 2024-05-15 | 一种石英坩埚及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410599869.6A CN118207514B (zh) | 2024-05-15 | 2024-05-15 | 一种石英坩埚及其制备方法与应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118207514A CN118207514A (zh) | 2024-06-18 |
| CN118207514B true CN118207514B (zh) | 2024-07-16 |
Family
ID=91448764
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410599869.6A Active CN118207514B (zh) | 2024-05-15 | 2024-05-15 | 一种石英坩埚及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118207514B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110629281A (zh) * | 2019-10-11 | 2019-12-31 | 内蒙古中环协鑫光伏材料有限公司 | 一种新型石英坩埚的制备方法 |
| CN115368155A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-11-22 | 湖南晶碳新材料有限公司 | 一种直拉硅单晶用复合材料坩埚的制备方法及应用 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000319080A (ja) * | 1999-05-07 | 2000-11-21 | Tokai Carbon Co Ltd | 炭化珪素被覆黒鉛部材 |
| JP3717151B2 (ja) * | 2000-03-13 | 2005-11-16 | 東芝セラミックス株式会社 | シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法 |
| CN209024415U (zh) * | 2018-08-30 | 2019-06-25 | 浙江美晶新材料有限公司 | 一种制作石英坩埚用石墨模具 |
| CN117902835A (zh) * | 2024-01-22 | 2024-04-19 | 浙江美晶新材料股份有限公司 | 一种石英件保护层及其制备方法、改性后的石英件和用途 |
-
2024
- 2024-05-15 CN CN202410599869.6A patent/CN118207514B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110629281A (zh) * | 2019-10-11 | 2019-12-31 | 内蒙古中环协鑫光伏材料有限公司 | 一种新型石英坩埚的制备方法 |
| CN115368155A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-11-22 | 湖南晶碳新材料有限公司 | 一种直拉硅单晶用复合材料坩埚的制备方法及应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN118207514A (zh) | 2024-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6841210B2 (en) | Multilayer structured quartz glass crucible and method for producing the same | |
| WO2000059837A1 (en) | Method for manufacturing quartz glass crucible | |
| TWI248916B (en) | Flexible high purity expanded graphite sheet, and carbon crucible lining using said sheet | |
| WO2022095301A1 (zh) | 一种金刚石及其制备方法和应用 | |
| WO2011060717A1 (zh) | 连续熔炼去除多晶硅中磷和硼的方法及装置 | |
| CN118207514B (zh) | 一种石英坩埚及其制备方法与应用 | |
| JP3913442B2 (ja) | カーボンナノチューブ及びその作製方法、電子放出源 | |
| TW201022179A (en) | Method of manufacturing carbon electrodes and vitreous silica crucible | |
| JP4789437B2 (ja) | シリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼおよびその製造方法 | |
| CN106868469A (zh) | 一种在硅基上无金属催化剂制备石墨烯的方法 | |
| JP4454059B2 (ja) | シリコン単結晶引き上げ用大口径石英ガラスるつぼ | |
| JPWO2009122936A1 (ja) | 石英ガラスルツボとその製造方法 | |
| CN115557678A (zh) | 一种石英坩埚的生产工艺 | |
| JP2023502851A (ja) | 充電式電池用のナノシリコン粒子／ワイヤーのアーク炉による製造 | |
| CN111848202A (zh) | 一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭导流筒及其制备方法 | |
| JP3798907B2 (ja) | シリコン単結晶製造用石英ガラスるつぼおよび その製造方法 | |
| CN116730596A (zh) | 一种石英坩埚及其制备方法 | |
| TW546848B (en) | Method of manufacturing thin sheet and solar battery | |
| JP2016508479A (ja) | チョクラルスキー・ゾーンメルト法を用いたソーラーグレードシリコン単結晶の製造方法 | |
| CN105755302A (zh) | 一种高性能储氢合金及其制备方法 | |
| JP2736863B2 (ja) | 石英ガラスルツボの製造方法 | |
| CN115188944A (zh) | 纳米硅基复合材料的制备方法、纳米硅基复合材料及其应用 | |
| CN118186567B (zh) | 一种具有单质硅掺杂层的石英坩埚及其制备方法与应用 | |
| JPH1129355A (ja) | 多結晶ＭｇＯ蒸着材とその製造方法 | |
| JP2005219997A (ja) | シリカガラスルツボ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |