坩埚涂层及其喷涂方法与流程

本发明涉及多晶硅铸锭领域，特别是涉及一种坩埚涂层及其喷涂方法。
背景技术：
在晶体硅太阳能产业中，多晶硅片占据着产业链中重要的一环。太阳能多晶硅片的生产主要包括铸锭、开方、切片等环节，其中铸锭环节决定着太阳能多晶硅片的质量以及产量。铸锭环节需要将原生硅料放置于石英坩埚内，再将装有硅料的石英坩埚投入多晶铸锭炉中进行铸锭。在多晶铸锭炉中的硅料熔化为硅液，再经过控制炉内温度梯度将硅液冷却得到高质量定向生长的多晶硅锭。在硅料熔化过程中，由于高温以及硅液会与石英坩埚反应造成石英坩埚被侵蚀导致硅液溢流或粘锅，影响多晶硅的质量，生产率低。现有的坩埚一般在内壁上涂覆一层氮化硅涂层来保护坩埚，但是效果不明显，坩埚内壁上仍有大面的粘黏，并且，坩埚或涂层中的氧含量过高也会扩散至硅锭中，导致硅锭中氧含量过高，影响硅锭的质量。技术实现要素：鉴于上述状况，有必要针对现有技术中硅锭铸锭过程中，坩埚内壁上出现大面积的粘黏现象以及铸锭产品中含氧量高的问题，提供一种坩埚涂层及其喷涂方法。一种坩埚涂层，包括：涂覆于所述坩埚内壁上的第一涂层和涂覆于所述第二涂层上的第二涂层，其中，所述第一涂层的原料包括氮化硅、水、硅溶胶和分散剂，其质量配比为3～8:3～8:1～3:0.05～0.15；所述第二涂层的原料包括氮化硅、水和分散剂，其质量配比为3～8:3～8:0.05～0.15。进一步的，上述坩埚涂层，其中，所述第一涂层中的氮化硅、水、硅溶胶和分散剂的质量配比为5:5:2:0.1。进一步的，上述坩埚涂层，其中，所述第二涂层中的氮化硅、水和分散剂的质量配比为5:5:0.1。进一步的，上述坩埚涂层，其中，所述分散剂为无水乙醇或异丙醇或聚乙烯吡咯烷酮与无水乙醇的混合物。进一步的，上述坩埚涂层，其中，所述第一涂层和所述第二涂层的厚度为0.2～0.3mm。本发明实施例还提高了一种坩埚涂层的喷涂方法，包括：将质量配比为3～8:3～8:1～3:0.05～0.15的氮化硅、水、硅溶胶和分散剂混合搅拌均匀，得到第一涂层溶液；采用喷涂气枪将所述第一涂层溶液汽化后均匀喷涂至坩埚的内壁上，并烘干，以形成第一涂层；将质量配比为3～8:3～8:0.05～0.15的氮化硅、水和分散剂混合搅拌均匀，得到第二涂层溶液；采用喷涂气枪将所述第二涂层溶液汽化后均匀喷涂至第一涂层上，并烘干，以形成第二涂层。进一步的，上述坩埚涂层的喷涂方法，其中，所述第一涂层中的氮化硅、水、硅溶胶和分散剂的质量配比为5:5:2:0.1。进一步的，上述坩埚涂层的喷涂方法，其中，所述第二涂层中的氮化硅、水和分散剂的质量配比为5:5:0.1。进一步的，上述坩埚涂层的喷涂方法，其中，所述第一涂层和所述第二涂层的厚度为0.2～0.3mm。进一步的，上述坩埚涂层的喷涂方法，其中，所述第一涂层和第二涂层的烘干温度为80-120℃，烘干时间为5-10min本发明实施例中，在坩埚的内壁上依次涂覆第一涂层和第二涂层，一方面可直接减少与硅液接触的二氧化硅含量，硅液与二氧化硅反应减少，从而降低涂层被侵蚀概率，降低粘锅，同时也相应减少由涂层扩散至硅锭中的氧杂质含量，提高硅锭的成产质量。附图说明图1为本发明实施例中坩埚的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。请参阅图1，为本发明实施例中的坩埚的示意图，该坩埚包括一锅体和涂覆于锅体内壁上的坩埚涂层，该坩埚涂层包括两层涂层，第一涂层b均匀涂覆于锅体的内壁a上，第二涂层c均匀涂覆于第一涂层b上。其中，第一涂层b的原料包括氮化硅、水、硅溶胶和分散剂，其配比为3～8:3～8:1～3:0.05～0.15；第二涂层c的原料包括氮化硅、水和分散剂，其配比为3～8:3～8:0.05～0.15。第一涂层b和第二涂层b中均采用原料氮化硅(si3n4)，由于氮化硅材料具有硬度高、耐高温、化学稳定性、抗腐蚀性优良等特点，因此在坩埚中涂覆第一涂层和第二涂层可形成一保护层，防止硅料熔化过程中，硅液与石英坩埚反应，影响多晶硅的质量，同时防止粘埚，保护石英坩埚。其中，第一涂层中采用硅溶胶成分，在氮化硅溶液中硅溶胶水份蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合，极大的缩短溶液内水分挥发的时间，能够很好地将氮化硅与石英坩埚粘结起来，使坩埚表面迅速的形成氮化硅层。由于硅溶胶的有效成分为二氧化硅(sio2)，但若单独使用第一涂层，其硅溶胶中二氧化硅容易与生产中的硅液反应使得涂层破坏，另一方面，由于第一涂层中氧含量过高也会扩散至硅锭中，导致硅锭中氧含量过高。因此，在第一涂层上涂覆第二涂层，第二涂层未加硅溶胶，能够起到降氧的作用。因此，在坩埚上依次涂覆第一涂层和第二涂层一方面直接减少与硅液接触的二氧化硅含量，硅液与二氧化硅反应减少，从而降低涂层被侵蚀概率，降低粘锅，同时也相应减少由涂层扩散至硅锭中的氧杂质含量，提高硅锭的成产质量。下面以具体的实施方式说明本发明的原理和实施步骤。实施例1将质量配比为3:3:1:0.05的氮化硅、水、硅溶胶和无水乙醇在容器中混合，在温度为40～50℃下搅拌5～10min，使其混合均匀，得到第一涂层溶液。其中，氮化硅采用粒径为0.5～1μm的粉末状氮化硅，硅溶胶的有效成分为sio2，硅溶胶具有易凝固的特点，能够迅速有效的吸附水分的作用。采用喷涂气枪将所述第一涂层溶液汽化后均匀喷涂至坩埚的内壁上，并烘干，以形成第一涂层。本身实施例中的喷涂气枪用于将第一涂层溶液气化喷出，其温度在80～120℃，喷涂压力20～40psi。第一涂层溶液喷涂至坩埚内壁后，在8～120℃烘干5～10min，得到第一涂层。第一涂层溶液中增加硅溶胶后，能够极大的缩短第一涂层溶液内水分挥发的时间，使坩埚表面迅速的形成氮化硅层。通过喷枪喷涂到坩埚内表面，能够加快氮化硅的凝结，形成致密的氮化硅层。第一涂层制备好后，将质量配比为3:3:0.05的氮化硅、水和无水乙醇混合搅拌均匀，得到第二涂层溶液。采用喷涂气枪将所述第二涂层溶液汽化后均匀喷涂至第一涂层上，并烘干，以形成第二涂层。喷涂气枪的温度和压力分别为80～120℃和20～40psi。第二涂层的烘干温度控制在80～120℃就烘干时间为5～10min。第一涂层和第二涂层的喷涂厚度控制在0.2～0.3mm之间，如本实施例中，第一涂层和第二涂层的厚度分别为0.2mm。第二涂层中不采用硅溶胶，其含氧成分极低(可近似无)，其可杜绝硅锭反应过程中硅液与第一涂层之间的接触，降低与硅液接触的二氧化硅含量，从而降低涂层被侵蚀概率，降低粘锅，也相应减少由涂层扩散至硅锭中的氧杂质含量，提高硅锭品质。实施例2将质量配比为5:5:2:0.1的氮化硅、水、硅溶胶和无水乙醇在容器中混合，在温度为40～50℃下搅拌5～10min，使其混合均匀，得到第一涂层溶液。其中，氮化硅采用粒径为0.5～1μm的粉末状氮化硅。采用喷涂气枪将所述第一涂层溶液汽化后均匀喷涂至坩埚的内壁上，并烘干，以形成第一涂层。本身实施例中的喷涂气枪用于将第一涂层溶液气化喷出，其温度在80～120℃，喷涂压力20～40psi。第一涂层溶液喷涂至坩埚内壁后，在8～120℃烘干5～10min，得到第一涂层。第一涂层制备好后，将质量配比为5:5:0.1的氮化硅、水和无水乙醇混合搅拌均匀，得到第二涂层溶液。采用喷涂气枪将所述第二涂层溶液汽化后均匀喷涂至第一涂层上，并烘干，以形成第二涂层。喷涂气枪的喷涂温度和压力分别为80～120℃和20～40psi。第二涂层的烘干温度控制在80～120℃就烘干时间为5～10min。本实施例中，第一涂层和第二涂层的厚度分别为0.25mm。实施例3将质量配比为8:8:3:0.15的氮化硅、水、硅溶胶和无水乙醇在容器中混合，在温度为40～50℃下搅拌5～10min，使其混合均匀，得到第一涂层溶液。其中，氮化硅采用粒径为0.5～1μm的粉末状氮化硅。采用喷涂气枪将所述第一涂层溶液汽化后均匀喷涂至坩埚的内壁上，并烘干，以形成第一涂层。本身实施例中的喷涂气枪用于将第一涂层溶液气化喷出，其温度在80～120℃，喷涂压力20～40psi。第一涂层溶液喷涂至坩埚内壁后，在8～120℃烘干5～10min，得到第一涂层。第一涂层制备好后，将质量配比为8:8:0.15的氮化硅、水和无水乙醇混合搅拌均匀，得到第二涂层溶液。采用喷涂气枪将所述第二涂层溶液汽化后均匀喷涂至第一涂层上，并烘干，以形成第二涂层。喷涂气枪的喷涂温度和压力分别为80～120℃和20～40psi。第二涂层的烘干温度控制在80～120℃就烘干时间为5～10min。本实施例中，第一涂层和第二涂层的厚度分别为0.3mm。实施例4将质量配比为5:5:2:0.1的氮化硅、水、硅溶胶和分散剂在容器中混合，在温度为40～50℃下搅拌5～10min，使其混合均匀，得到第一涂层溶液。其中，分散剂采用含量为10％聚乙烯吡咯烷酮与90％的无水乙醇的混合物。采用喷涂气枪将所述第一涂层溶液汽化后均匀喷涂至坩埚的内壁上，并烘干，以形成第一涂层。本身实施例中的喷涂气枪用于将第一涂层溶液气化喷出，其温度在80～120℃，喷涂压力20～40psi。第一涂层溶液喷涂至坩埚内壁后，在8～120℃烘干5～10min，得到第一涂层。第一涂层制备好后，将质量配比为5:5:0.1的氮化硅、水和分散剂混合搅拌均匀，得到第二涂层溶液。其中，分散剂采用含量为10％聚乙烯吡咯烷酮与90％的无水乙醇的混合物。采用喷涂气枪将所述第二涂层溶液汽化后均匀喷涂至第一涂层上，并烘干，以形成第二涂层。喷涂气枪的喷涂温度和压力分别为80～120℃和20～40psi。第二涂层的烘干温度控制在80～120℃就烘干时间为5～10min。本实施例中，第一涂层和第二涂层的厚度分别为0.25mm。实施例5将质量配比为5:5:2:0.1的氮化硅、水、硅溶胶和异丙醇在容器中混合，在温度为40～50℃下搅拌5～10min，使其混合均匀，得到第一涂层溶液。采用喷涂气枪将所述第一涂层溶液汽化后均匀喷涂至坩埚的内壁上，并烘干，以形成第一涂层。本身实施例中的喷涂气枪用于将第一涂层溶液气化喷出，其温度在80～120℃，喷涂压力20～40psi。第一涂层溶液喷涂至坩埚内壁后，在8～120℃烘干5～10min，得到第一涂层。第一涂层制备好后，将质量配比为5:5:0.1的氮化硅、水和异丙醇混合搅拌均匀，得到第二涂层溶液。采用喷涂气枪将所述第二涂层溶液汽化后均匀喷涂至第一涂层上，并烘干，以形成第二涂层。喷涂气枪的喷涂温度和压力分别为80～120℃和20～40psi。第二涂层的烘干温度控制在80～120℃就烘干时间为5～10min。本实施例中，第一涂层和第二涂层的厚度分别为0.25mm。实施1至3采用无水乙醇作为分散剂，而实施例4采用聚乙烯吡咯烷酮与的无水乙醇的混合物作为分散剂，实施例5采用异丙醇作为分散剂，通过实施例4和实施例5验证不同分散剂对坩埚粘连的影响。实施例6将质量配比为5:5:2:0.1的氮化硅、水、硅溶胶和无水乙醇在容器中混合，在温度为40～50℃下搅拌5～10min，使其混合均匀，得到氮化硅溶液。采用喷涂气枪将氮化硅溶液汽化后均匀喷涂至坩埚的内壁上，并烘干，以形成氮化硅涂层，该氮化硅涂层厚度5mm。本实施例中在坩埚的内壁上仅涂覆一层氮化硅涂层(即第一涂层)，以证明第二涂层对铸锭过程中坩埚粘黏的影响。对上述6个实施例中的坩埚分别投放硅料后，在多晶铸锭炉中进行铸锭。在铸锭脱膜后计算坩埚内壁的粘黏面积，以及计算该粘黏面积与坩埚内壁的表面积之比，其计算结果如下表所示。实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6粘黏面积比7.3％5.6％6.0％5.2％5.5％18.0％由上述计算结果可知，实施例1至5中的坩埚粘黏面积与只有第一涂层的坩埚(实施例6)相比均有极大程度的降低。由于在坩埚上涂覆第一涂层后再涂覆第二涂层，可减少与硅液接触的二氧化硅含量，硅液与二氧化硅反应减少，从而减少涂层被侵蚀概率，降低粘锅，提高铸锭质量。通过实施例5和实施例1至4的比较可知，采用含量为10％聚乙烯吡咯烷酮与90％的无水乙醇的混合物作为分散剂比采用乙醇和异丙醇作为涂层的分散剂得到的坩埚防粘黏性能好。由于聚乙烯吡咯烷酮与的无水乙醇的混合物的挥发速度与乙醇、异丙醇相比较慢，因此涂层的干燥速度不会过快，使涂层不易产生裂纹，因而具有更好的防粘黏性。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12