专利名称：石英坩埚及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种石英坩埚，所述石英坩埚能经受高温，并能避免与置于其中进行熔融、转化或分解的材料发生物理或化学反应，尤其涉及一种具有涂层的石英坩埚及其制造方法，所述涂层具有强附着力。
背景技术：
石英坩埚被广泛地运用于容纳需要在高温下转化，如熔融或分解的材料。石英坩埚被设计成具有耐高温性、足够的机械性能和热学性能。最重要的是，要防止石英坩埚的内表面与容纳其中的材料发生物理或化学反应，避免某些杂质的产生。石英坩埚的典型应用是用于精细制备贵重金属或合金，如制备超合金。为避免在制备过程中产生某些杂质，现有技术，如专利号为US4723764的美国专利文件，公开了一些在石英坩埚的内壁上形成涂层的方法。其中一种方法包括:将浆料灌入石膏模型并进行风干，制成粉末烧结的熔融石英坩埚；然后，在所述坩埚内沉积氧化钇粉末基涂层，并在1200° C下对所述坩埚及所述涂层进行两个小时的烘烤。然而，用这种方法在石英坩埚内表面制作的涂层并不能解决涂层脱落及脱落的组分快速扩散的问题。利用提拉法工艺(Czochralsky process)制备单晶娃是石英 甘祸的重要应用之一。在一个典型的提拉法工艺中，多晶硅被装入坩埚中并在其中熔化，籽晶被浸入硅熔体中，然后慢慢地提拉以形成单晶硅锭。被用于提拉法工艺的坩埚一般被称为熔融石英坩埚或者简称为石英坩埚，其含有的二氧化硅为非晶态，又称为石英玻璃。使用石英玻璃的缺点是，在提拉法工艺过程中，炉内的气压低而温度达到1450° C至1540° C，在这样的条件下，硅熔体会和石英坩埚发生反应生成一氧化硅(SiO)，反应式为Si02+Si —ZSiOt5SiO会溶入硅熔体中。大部分的SiO会蒸发并被炉内的高纯度氩 气带走，但有些SiO会残留在硅熔体中并最终进入单晶硅锭中。这会产生位错缺陷，极大地影响硅锭的质量，比如，其载流子寿命及电阻率均会受到影响。而且，所述坩埚与硅熔体接触的内表面会被反玻璃化，呈方晶石相。这些反玻璃化的点会形成分散的反玻璃化的方晶石岛，并逐渐生长成褐色的环状体或玫瑰形团状体，从而变得容易脱落至硅熔体中，污染硅熔体及硅锭。因此，人们发明了一些涂覆方法，在坩埚的内表面形成反玻璃化的壳，以防止产生上述缺陷。专利号为US5，980，629的美国专利公开了一种表面经处理的坩埚，能够使在其中形成的晶体没有位错。该坩埚包括一个有底壁和侧壁的石英玻璃本体，所述侧壁是由所述底壁向上延伸而构成的。所述侧壁的内表面上分布有第一反玻璃化促进剂，使在从熔融的半导体材料中生长晶体时，所述内表面上形成基本上反玻璃化的第一石英层。在晶体生长工艺中，所述内表面与熔融的半导体材料相接触。在所述侧壁的外表面上分布有第二反玻璃化促进剂，以在从熔融的半导体材料中生长晶体时，所述外表面上形成基本上反玻璃化的第二石英层。当在所述熔融的半导体材料中拉制晶体时，所述基本上反玻璃化的第一石英层能促进所述内表面的均匀分解并显著地减少结晶石英颗粒向熔融的半导体材料中释放。所述基本上反玻璃化的第二石英层能加固所述石英玻璃本体。然而，在专利号为US5，980，629的美国专利中所公开的氢氧化钡或碳酸钡涂层的附着力太小，很容易在外力作用下剥落，例如，在剧烈晃动的运输过程中震落。而且，该涂层也很容易被手指或在坩埚中容纳的材料划伤，例如，在提拉过程之前，往坩埚中装入多晶硅原材料时被所述多晶硅原材料划伤。通过上述专利所提供的涂覆方法，形成的具有氢氧化钡或碳酸钡涂层的坩埚中，均出现了这些现象。因此，需要提供具有更强附着力的涂层的石英坩埚，能够减少向容纳其中的熔融材料或粉末材料释放污染物颗粒。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种石英坩埚，包括:
具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述石英玻璃本体的内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及形成在所述石英玻璃本体的内表面上的第一涂层，所述第一涂层通过在预设温度下高温分解铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡或硅的化合物形成，所述第一涂层基本上由非均质材料组成，在所述石英玻璃本体和所述涂层的均质材料和非均质材料之间构成了界面。可选地，在形成所述第一涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在650摄氏度至1600摄氏度之间。可选地，在形成所述第一涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。可选地，所述石英玻璃本体由粒度分布范围是I微米至600微米的石英晶体、石英砂或石英玻璃砂形成。可选地，所述第一涂层包括方晶石结晶组分，在所述石英坩埚的腔体中容纳所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第一涂层。可选地，所述第一涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是0.5%至80%。可选地，所述第一涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。可选地，所述第一涂层连续分布，基本上完全覆盖所述石英玻璃本体的内表面。可选地，所述第一涂层不连续分布，包括多个暴露所述石英玻璃本体的内表面的空隙。可选地，所述第一涂层为单层。可选地，所述第一涂层为包括多个子层的叠层结构，所述子层依次形成在所述石英玻璃本体的内表面上。可选地，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分的点状岛，所述点状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。可选地，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分的星状岛，所述星状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。
可选地，所述石英坩埚进一步包括形成在所述外表面上的第二涂层。可选地，所述第二涂层是使用浆料形成的涂层。可选地，所述第二涂层包括方晶石结晶组分，在所述石英坩埚的腔体中容纳所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第二涂层。可选地，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是0.5%至80%。可选地，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。可选地，在形成所述第二涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在650摄氏度至1600摄氏度之间。可选地，在形成所述第二涂层时，所述石英 玻璃本体的预设温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。 可选地，所述石英坩埚的直径至少为3英寸。可选地，所述第一涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。可选地，所述第二涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。可选地，所述石英坩埚用于提拉法制备晶体。可选地，所述石英坩埚用于制备多晶。可选地，所述石英坩埚用于熔融超合金。可选地，所述石英坩埚用于烧结和/或分解电激发光物质、草酸盐、明矾、氮化硅、氧化铝或氧化锆的粉末。可选地，所述石英坩埚用于制备贵金属或合金。可选地，所述石英坩埚用于制备特种玻璃。本发明进一步提供一种制造石英坩埚的方法，包括:制备具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；加热所述石英玻璃本体到650摄氏度至1600摄氏度；以及在所述内表面上分布第一前驱体，通过所述第一前驱体与经过加热的所述石英玻璃本体发生的化学反应，在所述内表面上形成第一涂层。可选地,在加热所述石英玻璃本体的步骤中，所述石英玻璃本体被加热至750摄氏度至1300摄氏度。可选地，在所述内表面上分布所述第一前驱体的步骤中，经过加热的所述石英玻璃本体置于绝热空腔中。可选地，通过位于所述腔体中的喷头喷射所述第一前驱体，所述石英玻璃本体相对于所述嗔头转动。可选地，所述绝热空腔包括容器，经过加热的所述石英玻璃本体置于所述容器中。可选地，所述容器相对于所述喷头转动。可选地，所述喷头在所述腔体中转动。可选地，在所述内表面上分布所述第一前驱体的步骤中，带有所述第一前驱体的压缩空气被导入喷头中并从所述喷头中喷向经过加热的所述石英玻璃本体的内表面。可选地，所述压缩空气的压强范围是I巴至20巴。
可选地，所述压缩空气的流量范围是5立方米/小时至1000立方米/小时。可选地，所述容器相对于所述喷头的转速大于等于50转/分钟。可选地，形成在所述石英玻璃本体内表面上的所述第一涂层包括质量百分比为
0.5%至80%的方晶石结晶组分。可选地，形成在所述石英玻璃本体内表面上的所述第一涂层包括质量百分比为1%至50%的方晶石结晶组分。可选地，所述第一涂层连续分布，基本上完全覆盖所述石英玻璃本体的内表面。可选地，所述第一涂层不连续分布，包括多个暴露所述石英玻璃本体的内表面的空隙。可选地，所述第一涂层为单层。可选地，所述第一涂层为包括多个子层的叠层结构，所述子层依此形成在所述石英玻璃本体的内表面上。可选地，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分的点状岛，所述点状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。可选地，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分的星状岛，所述星状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。可选地，进一步包括在所述石英玻璃本体的外表面上分布用于在所述外表面上形成第二涂层的第二前驱体。`可选地，在所述外表面上，所述石英玻璃本体和所述第二前驱体发生化学反应，形成在所述外表面上的第二涂层包括方晶石结晶组分。可选地，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是0.5%至80%。可选地，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。可选地，所述石英坩埚的直径至少为3英寸。可选地，所述第一前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素。可选地，所述第一前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。可选地，所述第二前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素。可选地，所述第二前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。可选地，所述第二前驱体与所述第一前驱体相同。可选地，所述第二前驱体与所述第一前驱体不同。可选地，所述第一涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。可选地，所述第二涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。此外，本发明提供一种石英坩埚，包括:具有内表面和外表面的石英玻璃本体,所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及
形成在所述石英玻璃本体的内表面上的第一涂层，所述第一涂层包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素，而且基本上不包含碱土金属的氢氧化物。可选地，所述第一涂层进一步包括二氧化硅。可选地，所述第一涂层包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐和碳酸盐中的至少两种化合物。此外，本发明提供一种石英坩埚，包括:具有内表面和外表面的石英玻璃本体,所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体，所述石英玻璃本体基本上由均质材料构成；以及形成在所述石英玻璃本体的内表面上的涂层，所述涂层基本上由非均质材料构成，所述石英玻璃本体和所述涂层的均质材料和非均质材料之间构成界面，所述非均质材料的化学成分实质上沿着所述涂层的法线方向逐渐改变。可选地，所述非均质材料包括方晶石结晶组分。可选地，沿着所述涂层的法线方向分析所述涂层的化学成分时，靠近所述界面处的方晶石结晶组分的含量比离所述界面相对较远处的方晶石结晶组分的含量大。与现有技术相比，本发明具有如下优点:形成在石英玻璃本体内表面或外表面上的涂层不仅是物理地附着于所述内表面或所述外表面上，还形成了化学键，提供了较强的附着力，保证了所述涂层不会因手触摸、在石英坩埚中装入原材料或晃 动较大的运输而轻易地脱落或移动。而且，外表面上的涂层增强了石英坩埚的机械强度，延长了其使用寿命。
图1是本发明第一实施例的石英坩埚的剖面结构示意图；图2是本发明第二实施例的石英坩埚的剖面结构示意图；图3是如图2所示的石英坩埚的俯视图；图4是制造第一实施例中具有牢固涂层的石英坩埚的形成方法的流程图；图5是本发明实施例的形成石英坩埚涂层的系统的示意图；图6是本发明第一实施例的涂层放大5倍的显微照片；图7是本发明第一实施例的涂层放大2000倍的显微照片；以及图8是本发明第二实施例的涂层放大5000倍的显微照片。。
具体实施例方式为解决上述问题，本发明提供一种石英坩埚及其制造方法。所述石英坩埚包括:具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及形成在所述石英玻璃本体的内表面上的第一涂层。所述石英玻璃本体由粒度大小范围是I微米至600微米的石英晶体、石英砂或石英玻璃砂形成。所述石英玻璃本体可由火焰熔融、电熔融或电弧等离子体熔融形成。根据石英晶体、石英砂或石英玻璃砂的质量，可以将所述石英玻璃本体制造成具有不同层的结构。所述第一涂层通过在预设温度下高温分解铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡或硅的化合物形成。所述第一涂层包括方晶石结晶组分，在所述石英坩埚的腔体中容纳所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第一涂层。所述石英坩埚进一步包括可能形成在所述外表面上的第二涂层。所述第二涂层通过在预设温度下在所述石英坩埚的外表面上分布第二前驱体形成。可选地，所述第二涂层是在所述外表面上的使用浆料形成的涂层。所述第二涂层可与所述第一涂层同时形成。可选地，所述第一涂层和所述第二涂层也可以在不同步骤中分别形成。所述第二前驱体可以与用于形成所述第一涂层的第一前驱体相同或不同。以下将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。虽然本发明将在下面的实施例中被具体阐述，本发明也可以在其他不同的实施例中实施。因此，本发明不受以下提供的实施例所限。图1是本发明第一实施例的石英坩埚的剖面结构示意图。参考图1，石英坩埚10包括:具有内表面14和外表面16的石英玻璃本体12，所述石英玻璃本体的内表面14构成了用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及形成在所述石英玻璃本体12的内表面14上的第一涂层18。所述石英玻璃本体12由粒度分布(Particle Size Distribution,PSD)范围是I微米至600微米的石英晶体、石英砂或石英玻璃砂形成。所述第一涂层18 (未按实际比例示出)覆盖所述内表面14，牢固地附着在所述内表面14上，几乎不会因较强外力作用而移动或刮伤。所述第一涂层18可以包括质量百分比范围是0.5%至80%的方晶石结晶组分。可选地，所述第一涂层18中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。可选地，所述石英坩埚的直径至少为3英寸。
在所述石英坩埚的腔体容纳熔融材料或粉末材料前，即形成所述第一涂层18。具体地，通过在预设的温度下在所述石英玻璃本体12的内表面14上分布第一前驱体形成所述第一涂层18。当形成所述第一涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度维持在650摄氏度至1600摄氏度之间。所述第一前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素。所述第一前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。所述第一前驱体由压缩气体携带。热的所述石英坩埚以特定速度转动，从而使所述第一前驱体能均匀地喷射在所述石英坩埚的内表面14上。在所述预设温度下，所述第一前驱体分解，并部分地与所述石英玻璃本体12的二氧化硅材料发生反应，在所述内表面14上形成具有强附着力的涂层。上述过程中至少有两种化合物形成，所述化合物可能是氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐或碳酸盐。所述第一涂层基本上由非均质材料构成，并与所述石英玻璃本体的均质材料之间形成界面。因此,所述第一涂层18不仅是物理地附着于所述内表面14，还形成了化学键，保证了所述涂层18不会因手触摸、在石英坩埚中装入原材料或晃动较大的运输而轻易地脱落或移动。此外，当所述石英坩埚中容纳有熔融材料时，所述第一涂层18释放的污染物颗粒更少。可选地，在形成所述第一涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。可选地，所述第一涂层18连续分布，基本上完全覆盖所述坩埚本体的内表面。可选地，所述第一涂层18不连续分布，包括多个暴露所述坩埚本体的内表面的空隙。
可选地，所述第一涂层18为包括多个子层的叠层结构，所述子层依此形成在所述坩埚本体的内表面上。可选地，所述第一涂层18包括多个包含所述方晶石结晶组分的点状岛，所述点状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。可选地，所述第一涂层18包括多个包含所述方晶石结晶组分的星状岛，所述星状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。可选地,所述第一涂层18的厚度范围是0.05微米至10微米。可选地，所述石英坩埚10用于提拉法制备晶体。可选地，所述石英坩埚10用于制备多晶。可选地，所述石英坩埚10用于熔融超合金。可选地，所述石英坩埚10用于烧结和/或分解电激发光物质、草酸盐、明矾、氮化硅、氧化铝或氧化锆的粉末。可选地，所述石英坩埚10用于制备贵金属或合金。可选地，所述石英坩埚10用于制备特种玻璃，例如用于激光系统的玻璃。在如图2和图3所示的变化实施例中，提供了具有内涂层和外涂层的石英坩埚。参考图2和图3，所述石英坩埚10包括:具有内表面14和外表面16的石英玻璃本体12，所述石英玻璃本体的内表面14构成了用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；形成在所述石英玻璃本体12的内表面14上的第一涂层18 ;以及，形成在所述石英玻璃本体12的外表面16上的第二涂层20。所述第一涂层18 (未按实际比例示出)覆盖所述内表面14，牢固地附着在所述内表面14上，几乎不会因较强外力作用而移动或刮伤。所述第二涂层20(未按实际比例示出)覆盖所述外表面16，牢固地附着在所述外表面16上，几乎不会因较强外力作用而移动或刮伤。所述第二涂层20包括质量百分比范围是0.5%至80%的方晶石结晶组分。可选地，所述第二涂层20中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。可选地，所述石英坩埚的直径至少为3英寸。类似于所述第一涂层18，在所述石英坩埚的腔体容纳熔融材料或粉末材料前，即形成所述第二涂层20。具体地，通过在预设的温度下在所述石英玻璃本体12的外表面16上分布第二前驱体形成所述第二涂层20，所述石英玻璃本体12的温度维持在650摄氏度至1600摄氏度之间。所述第二前驱体由压缩气体携带。热的所述石英坩埚以特定速度转动，从而使所述第二前驱体能均匀地喷射在所述石英坩埚的外表面16上。所述第二前驱体分解，并部分地与所述石英玻璃本体12的二氧化硅材料发生反应，在所述外表面16上形成具有强附着力的涂层。至少有两种化合物形成，所述化合物可能是氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐或碳酸盐。因此，所述第二涂层20不仅是物理地附着于所述外表面16，还形成了化学键，保证了所述第二涂层20不会因手触摸、在石英坩埚中装入原材料或晃动较大的运输而轻易地脱落或移动。此外，所述第二涂层20增强了所述石英坩埚的机械强度，延长了其使用寿命。在一个具体实施例 中，所述第二涂层是使用浆料形成的涂层。可选地，在形成所述第二涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。
可选地，所述第二涂层20连续分布，基本上完全覆盖所述坩埚本体的外表面。可选地，所述第二涂层20不连续分布，包括多个暴露所述坩埚本体的外表面的空隙。可选地，所述第二涂层20为包括多个子层的叠层结构，所述子层依此形成在所述坩埚本体的外表面上。可选地，所述第二涂层20包括多个包含所述方晶石结晶组分的点状岛，所述点状岛基本上在整个所述第二涂层中随机分布。可选地，所述第二涂层20包括多个包含所述方晶石结晶组分的星状岛，所述星状岛基本上在整个所述第二涂层中随机分布。可选地,所述第二涂层20的厚度范围是0.05微米至10微米。可选地，所述第二前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素。可选地，所 述第二前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。可选地，所述第二前驱体与所述第一前驱体相同。可选地，所述第二前驱体与所述第一前驱体不同。在另一实施例中，本发明提供一种石英 甘祸，包括:具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及形成在所述石英玻璃本体的内表面上的第一涂层，所述第一涂层包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素，而且基本上不包含碱土金属的氢氧化物。而且，所述
第一涂层进一步包括二氧化娃。可选地，所述第一涂层包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐和碳酸盐中的至少两种化合物。在又一实施例中，本发明提供一种石英坩埚，包括:具有内表面和外表面的坩埚本体，所述坩埚本体的内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体，所述坩埚本体基本上由均质材料构成；以及形成在所述坩埚本体的内表面上的涂层，所述涂层基本上由非均质材料构成，所述坩埚本体和所述涂层的均质材料和非均质材料之间构成界面。具体地，所述非均质材料的化学成分实质上沿着所述涂层的法线方向逐渐改变。沿着所述涂层的法线方向分析所述涂层的化学成分时，靠近所述界面处的方晶石结晶组分的含量比离所述界面相对较远处的方晶石结晶组分的含量大。可选地，所述非均质材料包括方晶石结晶组分。本发明进一步提供一种制造石英坩埚的方法。所述石英坩埚10包括:具有内表面14和外表面16的石英玻璃本体12，所述石英玻璃本体的内表面14构成了用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及形成在所述石英玻璃本体12的内表面14上的第一涂层18。图4是流程示意图，示出了一种形成如第一实施例所述的具有牢固涂层的石英坩埚的方法。该方法包括:步骤Sll:制备具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；步骤S12:加热所述石英玻璃本体至650摄氏度至1600摄氏度之间；以及
步骤S13:在所述内表面上分布第一前驱体，通过所述第一前驱体与所述石英玻璃本体发生的化学反应，在所述内表面上形成第一涂层。可选地，所述石英玻璃本体被加热到750摄氏度至1300摄氏度之间。可选地，本实施例中所使用的石英坩埚的直径至少有3英寸。可选地，所述石英玻璃本体由PSD范围是I微米至600微米的石英晶体、石英砂或石英玻璃砂形成。图5是本发明一个实施例的用于形成石英坩埚涂层的系统的示意图。在一个实施例中，提供石英玻璃本体12。在向内表面分布第一前驱体的过程中，经过加热的所述石英玻璃本体12被置于绝热空腔内。所述绝热空腔包括容器101。经过加热的所述石英玻璃本体12置于所述容器101中，喷头在所述腔体中转动。在另一实施例中，位于所述腔体内的喷头102对所述第一前驱体进行分布，所述石英玻璃本体12相对于所述喷头102转动。可选地，所述容器101的转速大于50转/分钟。在向所述内表面分布所述第一前驱体的过程中，携带所述第一前驱体的压缩空气109被导入所述喷头中并从所述喷头102中喷射至经过加热的所述石英玻璃本体102的内表面上。根据本实施例，提供自动送料机108。所述自动送料机108包括压缩气体管道103，漏斗104和文丘里(Venturi) 105。所述漏斗104和所述文丘里105与所述压缩气体管道103相连接，用于向所述压缩空气管道103中加入所述前驱体。所述自动送料机108能够连续提供所述前驱体并精确控制送料速度。在本实施例中，在转动的所述容器101上固定有多个金属臂107，在所述金属臂107上又固定有多个喷头102。所述喷头102用于将带有前驱体的压缩气体109均匀地喷射到热的石英坩埚的内表面14上。所述金属臂107控制所述喷头102，使之向上、向下运动，以及水平转动。所述金属臂107由驱动系统106驱动，以保证用于喷射前驱体的喷头能够快速运动，防止热的石英坩埚102冷却。所述驱动系统106是马达系统或气压系统。在沉积过程中，所述石英玻璃本体12的温度维持在650摄氏度至1600摄氏度之间。 此外，所述自动送料机108和所述喷头102上还连接有压缩气体系统，以运输和喷射所述前驱体。可选地，所述压缩气体109的压强范围是I巴至20巴，流量范围是5立方米/小时至1000立方米/小时。所述第一前驱体在高温下分解并部分地与所述石英玻璃本体12的石英发生反应，在所述内表面14上形成第一涂层18。形成的混合物至少包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐和碳酸盐化合物中的两种。因此，所述第一涂层18不仅是物理地附着于所述内表面14，还形成了化学键，提供了更强的附着力，保证了所述涂层18不会因手触摸、在石英坩埚中装入原材料或晃动较大的运输而轻易地脱落或移动。此外，当所述石英坩埚中容纳有熔融材料时，所述第一涂层18释放的污染物颗粒更少。可选地，在所述沉积过程中，所述石英玻璃本体12的温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。可选地，形成在所述石英玻璃本体内表面上的所述第一涂层中包括质量百分比范围是0.5%至80%的方晶石结晶组分。可选地，所述第一涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。所述第一前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素。所述第一前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。在一个实施例中，所述第一前驱体包括醋酸钙。在高温下，醋酸钙分解成为氧化钙和碳酸钙，以及副产品，如水和二氧化碳。分解生成的氧化钙和碳酸钙与二氧化硅反应，在所述石英玻璃本体12的内表面14上形成牢固的、均匀的涂层。可选地，所述第一涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。在另一实施例中，所述第一前驱体采用异丙醇钡。在高温下，异丙醇钡分解成氧化钡和碳酸钡。分解成的氧化钡和碳酸钡与二氧化硅反应，在所述石英玻璃本体12的内表面14上形成牢固的、均匀的涂层。在另一实施例中，所述第一前驱体采用乙酰丙酮铝。在高温下，乙酰丙酮铝分解成氧化铝。分解成的氧化铝与二氧化硅反应，在所述石英玻璃本体12的内表面14上形成牢固的、均匀的涂层。在另一实施例中，所述第一前驱体采用乙酰丙酮钇。在高温下，乙酰丙酮钇分解成氧化钇。分解成的氧化钇与二氧化硅反应，在所述石英玻璃本体12的内表面14上形成牢固的、均匀的涂层。在另一实施例中，所述第一前驱体采用乙酰丙酮铪。乙酰丙酮铪前驱体和氨一起被压缩气体所携带。在高温下，乙酰丙酮铪分解并与氨反应生成氮化铪。氮化铪在所述石英玻璃本体12的内表面14上形成牢固的、均匀的涂层。此外，本发明提供一种制造内表面上具有第一涂层及外表面上具有第二涂层的石英坩埚的方法。参考图2，示出了内外均经过处理的石英坩埚的剖面结构示意图。具体地，本实施例中制造的石英坩埚10包括:具有内表面14和外表面16的石英玻璃本体12，所述石英玻璃本体的内表面14构成了用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；形成在所述石英玻璃本体12的内表面14上的第一涂层18 ;以及形成在所述石英玻璃本体12的外表面16上的第二涂层20。所述第一涂层18 (未按实际比例示出)覆盖所述内表面14，牢固地附着在所述内表面14上，几乎不会因较强外力作用而移动或刮伤。所述第二涂层20(未按实际比例示出)覆盖所述外表面16，牢固地附着在所述外表面16上，几乎不会因较强外力作用而移动或刮伤。可选地，本实施例中采用的石英坩埚的直径至少为3英寸。具体地，在所述石英玻璃本体12的外表面16上沉积第二前驱体，所述石英玻璃本体12的温度维持在650摄氏度至1600摄氏度之间。所述第二前驱体由压缩气体携带，通过喷射压缩气体将所述第二前驱体带入一个转动容器的绝热空腔中。在高温下，所述第二前驱体分解，并部分地与所述石英玻璃本体12的二氧化硅材料发生反应，在所述外表面16上形成第二涂层20。至少有两种化合物形成，所述化合物可能是氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐或碳酸盐。在所述外表面上的第二涂层20包括质量百分比范围是0.5%至80%的方晶石结晶组分。因此，所述第二涂层20不仅是物理地附着于所述外表面16，还形成了化学键，保证了所述第二涂层20不会因手触摸、在石英坩埚中装入原材料或晃动较大的运输而轻易地脱落或移动。此外，所述第二涂层20增强了所述石英坩埚的机械强度，延长了其使用寿命。可选地，在形成所述第二涂层时，所述石英玻璃本体12的温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。可选地， 所述第二涂层20中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。可选地，所述第二前驱体与所述第一前驱体相同。可选地，所述第二前驱体与所述第一前驱体不同。可选地，所述第二涂层20可与所述第一涂层18同时形成。可选地，所述第一涂层18和所述第二涂层20可以在不同步骤中分别形成。可选地，所述第二涂层包括方晶石结晶组分，在所述石英坩埚的腔体中容纳所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第二涂层。可选地，所述第二前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种或多种的组合。可选地，所述第二前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。可选地,所述第二涂层20的厚度范围是0.05微米至10微米。在一个具体实施例中，所述第二涂层是使用浆料形成的涂层。通过如下步骤形成所述第二涂层。制备氧化钡含水浆料。将金属杂质含量小于1% (质量百分比)的高纯度氧化钡粉末与去离子水混合。所述氧化钡含水浆料的浓度(质量百分比)范围是5%至60%。可选地，可以在所述氧化钡含水浆料中加入分散剂，如甲基`丙烯酸或甲基纤维素，以减少沉降。混合、老化所述氧化钡含水浆料，然后将其喷射到所述石英坩埚的外表面上。具体地，所述氧化钡含水浆料被置于喷射器容器中。所述喷射器与提供压缩气体的泵相连。所述氧化钡含水浆料被压缩气体喷射到所述石英坩埚的外表面上。也可以用干净的刷子将所述氧化钡含水浆料刷涂到所述石英坩埚的外表面上。可选地，在所述喷射过程中，所述石英坩埚的温度范围是20摄氏度至300摄氏度。在所述喷射过程或刷涂过程完成后，将所述石英坩埚置于一个温度范围是80摄氏度至300摄氏度的干燥箱中，以蒸发水分，使涂层干燥。图6是本发明第一实施例的涂层放大5倍的显微图。图7是本发明第一实施例的涂层放大2000倍的显微图。所述涂层连续分布并完全覆盖所述石英坩埚的内表面。所述涂层和所述石英玻璃本体反应，生成的混合物至少包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐和碳酸盐化合物中的两种。在所述石英玻璃本体和所述涂层冷却后，可能会形成如图7所示的微小裂痕。然而，所述涂层不仅是物理地附着在所述内表面上，而且还形成了化学键，提供了较强的附着力，保证了所述涂层不会因为人手的触摸、向石英坩埚中装入原材料或晃动较大的运输而轻易地脱落或移动。图8是本发明第二实施例的涂层放大5000倍的显微图。所述涂层不连续分布，没有完全地覆盖所述石英坩埚的内表面。所述涂层与所述石英玻璃本体的二氧化硅反应，在所述界面的边缘形成枝晶状结构。综上所述，根据本发明，形成在所述石英玻璃本体的内表面或外表面上的涂层不仅物理地附着于所述内表面或所述外表面，而且还形成了化学键，提供了较强的附着力，保证了所述涂层不会因为人手的触摸、向石英坩埚中装入原材料或晃动较大的运输而轻易地脱落或移动。此外，在外表面上的涂层还增强了所述石英坩埚的机械强度，延长了其使用寿命O虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限 定的 范围为准。
权利要求
1.一种石英坩埚，包括: 具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述石英玻璃本体的内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及 形成在所述石英玻璃本体的内表面上的第一涂层， 所述第一涂层通过在预设温度下高温分解铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡或硅的化合物形成， 所述第一涂层基本上由非均质材料组成，在所述石英玻璃本体和所述涂层的均质材料和非均质材料之间构成了界面。
2.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，在形成所述第一涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在650摄氏度至1600摄氏度之间。
3.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，在形成所述第一涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。
4.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英玻璃本体由粒度分布范围是I微米至600微米的石英晶体、石英砂或石英玻璃砂形成。
5.如权利要求1所述的·石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层包括方晶石结晶组分，在所述石英坩埚的腔体中容纳所述熔融材料或所述粉末材料之前形成所述第一涂层。
6.如权利要求5所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是0.5%至80%。
7.如权利要求5所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。
8.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层连续分布，基本上完全覆盖所述石英玻璃本体的内表面。
9.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层不连续分布，包括多个暴露所述石英玻璃本体的内表面的空隙。
10.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层为单层。
11.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层为包括多个子层的叠层结构，所述子层依次形成在所述石英玻璃本体的内表面上。
12.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分的点状岛，所述点状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。
13.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分的星状岛，所述星状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。
14.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚进一步包括形成在所述外表面上的第二涂层。
15.如权利要求14所述的石英坩埚，其特征在于，所述第二涂层是使用浆料形成的涂层。
16.如权利要求14所述的石英坩埚，其特征在于，所述第二涂层包括方晶石结晶组分，在所述石英坩埚的腔体中容纳所述熔融材料或所述粉末材料之前形成所述第二涂层。
17.如权利要求14所述的石英坩埚，其特征在于，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是0.5%至80%。
18.如权利要求14所述的石英坩埚，其特征在于，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。
19.如权利要求14所述的石英坩埚，其特征在于，在形成所述第二涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在650摄氏度至1600摄氏度之间。
20.如权利要求14所述的石英坩埚，其特征在于，在形成所述第二涂层时，所述石英玻璃本体的预设温度保持在750摄氏度至1300摄氏度之间。
21.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚的直径至少为3英寸。
22.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。
23.如权利要求14所述的石英坩埚，其特征在于，所述第二涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。
24.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚用于提拉法制备晶体。
25.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚用于制备多晶。
26.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚用于熔融超合金。
27.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚用于烧结和/或分解电激发光物质、草酸盐、明矾、氮化硅、氧化铝或氧化锆的粉末。
28.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚用于制备贵金属或合 金。
29.如权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述石英坩埚用于制备特种玻璃。
30.一种制造石英坩埚的方法，包括: 提供具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体； 加热所述石英玻璃本体到650摄氏度至1600摄氏度；以及 在所述内表面上分布第一前驱体，通过所述第一前驱体与经过加热的所述石英玻璃本体发生的化学反应，在所述内表面上形成第一涂层。
31.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，在加热所述石英玻璃本体的步骤中，所述石英玻璃本体被加热至750摄氏度至1300摄氏度。
32.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，在所述内表面上分布所述第一前驱体的步骤中，经过加热的所述石英玻璃本体置于绝热空腔中。
33.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，通过位于所述腔体中的喷头喷射所述第一前驱体，所述石英玻璃本体相对于所述喷头转动。
34.如权利要求32所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述绝热空腔包括容器，经过加热的所述石英玻璃本体置于所述容器中。
35.如权利要求34所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述容器相对于所述喷头转动。
36.如权利要求33所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述喷头在所述腔体中转动。
37.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，在所述内表面上分布所述第一前驱体的步骤中，带有所述第一前驱体的压缩空气被导入喷头中并从所述喷头中喷向经过加热的所述石英玻璃本体的内表面。
38.如权利要求37所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述压缩空气的压强范围是I巴至20巴。
39.如权利要求37所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述压缩空气的流量范围是5立方米/小时至1000立方米/小时。
40.如权利要求35所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述容器相对于所述喷头的转速大于等于50转/分钟。
41.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，形成在所述石英玻璃本体内表面上的所述第一涂层包括质量百分比为0.5%至80%的方晶石结晶组分。
42.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，形成在所述石英玻璃本体内表面上的所述第一涂层包括质量百分比为1%至50%的方晶石结晶组分。
43.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一涂层连续分布，基本上完全覆盖所述石英玻璃本体的内表面。
44.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一涂层不连续分布，包括多个暴露所述石英玻璃本体的内表面的空隙。
45.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一涂层为单层。
46.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一涂层为包括多个子层的叠层结构，所述子层依此形成在所述石英玻璃本体的内表面上。
47.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分 的点状岛，所述点状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。
48.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一涂层包括多个包含所述方晶石结晶组分的星状岛，所述星状岛基本上在整个所述第一涂层中随机分布。
49.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，进一步包括在所述石英玻璃本体的外表面上分布用于在所述外表面上形成第二涂层的第二前驱体。
50.如权利要求49所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，在所述外表面上，所述石英玻璃本体和所述第二前驱体发生化学反应，形成在所述外表面上的第二涂层包括方晶石结晶组分。
51.如权利要求50所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是0.5%至80%。
52.如权利要求50所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第二涂层中包括的方晶石结晶组分的质量百分比范围是1%至50%。
53.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述石英坩埚的直径至少为3英寸。
54.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素。
55.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。
56.如权利要求49所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第二前驱体包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素。
57.如权利要求49所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第二前驱体包括螯合物、醇化物、醋酸盐、乙酰丙酮基化物和异丙醇盐中的一种有机金属基物质。
58.如权利要求49所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第二前驱体与所述第一前驱体相同。
59.如权利要求49所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第二前驱体与所述第一前驱体不同。
60.如权利要求30所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第一涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。
61.如权利要求49所述的制造石英坩埚的方法，其特征在于，所述第二涂层的厚度范围是0.05微米至10微米。
62.一种石英坩埚，包括: 具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及 形成在所述石英玻璃本体的内表面上的第一涂层，所述第一涂层包括铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡和硅中的一种元素或多种元素，而且基本上不包含碱土金属的氢氧化物。
63.如权利要求62所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层进一步包括二氧化硅。
64.如权利要求62所述的石英坩埚，其特征在于，所述第一涂层包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐和碳酸盐中的至少两种化合物。
65.一种石英坩埚 ，包括: 具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体，所述石英玻璃本体基本上由均质材料构成；以及 形成在所述石英玻璃本体的内表面上的涂层，所述涂层基本上由非均质材料构成，所述石英玻璃本体和所述涂层的均质材料和非均质材料之间构成界面， 所述非均质材料的化学成分实质上沿着所述涂层的法线方向逐渐改变。
66.如权利要求65所述的石英坩埚，其特征在于，所述非均质材料包括方晶石结晶组分。
67.如权利要求65所述的石英坩埚，其特征在于，沿着所述涂层的法线方向分析所述涂层的化学成分时，靠近所述界面处的方晶石结晶组分的含量比离所述界面相对较远处的方晶石结晶组分的含量大。
全文摘要
本发明提供具有强附着力的涂层的石英坩埚及其制造方法。所述石英坩埚包括具有内表面和外表面的石英玻璃本体，所述内表面构成用于容纳熔融材料或粉末材料的腔体；以及形成在所述石英玻璃本体的内表面上的第一涂层。所述第一涂层通过在预设温度下高温分解铝、镁、钙、钛、锆、镭、铬、硒、钡、钇、铈、铪、钽、锡或硅的化合物形成。所述第一涂层基本上由非均质材料组成，在所述透明玻璃本体和所述涂层的均质材料和非均质材料之间构成了界面。所述第一涂层具有较强的附着力，保证了所述涂层不会因手触摸、在石英坩埚中装入原材料或晃动较大的运输而轻易地脱落或移动。而且，外层的涂层增强了石英坩埚的机械强度，延长了其使用寿命。
文档编号C30B15/10GK103154330SQ201180043767
公开日2013年6月12日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者王璐, 孙雷雷, 劳伦·莫利斯, 保罗·萨古德 申请人:圣戈班研发(上海)有限公司