[发明专利]一种石英玻璃坩埚及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种石英玻璃坩埚，特别是在提拉法生产单晶硅中使用的石英玻璃坩埚，以及所述石英玻璃坩埚的制备方法。

(二)背景技术

CZ法被广泛应用于单晶硅的生产过程中，石英坩埚作为CZ法高温生产单晶硅过程中盛放多晶硅料的容器而被普遍采用，因此石英坩埚作为与生产单晶硅的原料直接接触的物体，决定了单晶硅能否顺利生产的关键因素。

CZ法生产单晶硅的过程是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根棒状晶种(称籽晶)浸入到熔融的硅液中。在合适的温度下，熔融硅液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。硅的熔点约为1420℃，整个CZ法生产单晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。因此，石英坩埚易发生变形等行为，迫使拉晶进程中断，对拉晶过程造成不利影响，严重时甚至会发生熔融的硅液泄漏等事故，造成重大损失。同时，随着硅片直径要求的不断增大，对石英坩埚的尺寸和石英坩埚中多晶硅原料装载量的要求也随之不断增加，这就对石英坩埚的抗变形能力和使用寿命的要求进一步提高。

通常解决石英坩埚抗变形能力和延长使用寿命的方法，多采用提高石英坩埚的纯度，以提高石英坩埚在高温下的粘度，来改善石英坩埚的抗变形能力，例如中国专利CN 1671891采用纯度极高的合成砂在石英坩埚内表面形成透明内层的办法，来延长石英坩埚在高温下的使用时间，但该方法因大量使用价格十分昂贵的合成砂，造成产品成本较高，同时工艺较复杂，难以满足生产要求。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种石英玻璃坩埚，该坩埚具有较强的抗变形能力，可以延长其使用寿命，同时本发明还提供所述石英玻璃坩埚的制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种石英玻璃坩埚，所述石英玻璃坩埚包括坩埚基体，所述的坩埚基体覆盖有外表面，所述的外表面为坩埚基体的壁部外表面层或坩埚基体的全部外表面层，所述壁部外表面层或全部外表面层的理论厚度为0.2～3.0mm，由掺杂含有铝元素的天然石英砂熔融制备得到，所述铝元素来自于氢氧化铝和/或铝盐，所述铝元素的质量以可生成的氧化铝的质量计算，所述掺杂含有铝元素的天然石英砂中铝元素的质量含量为100～1000ppm，优选300～600ppm。

进一步，所述石英玻璃坩埚按以下方法得到：将掺杂含有铝元素的天然石英砂放入旋转的坩埚模具中，在离心力作用下所述掺杂含有铝元素的天然石英砂形成坩埚状的壁部基体外层或全部基体外层，然后加入天然石英砂，在离心力的作用下所述天然石英砂在壁部基体外层或全部基体外层的表面上形成坩埚状的基体层，然后对坩埚模具上方的电极通入强电流形成2000℃以上高温状态的电弧，将石英砂缓慢融化，壁部基体外层或全部基体外层形成相应的壁部外表面层或全部外表面层，基体层形成坩埚基体，待石英砂熔融完成后，冷却后取出，即制得所述石英玻璃坩埚，所述的铝元素来自于氢氧化铝和/或铝盐。

所述铝盐优选为硝酸铝或氯化铝中的任意一种或两种的混合，最优选为硝酸铝。

所述掺杂含有铝元素的天然石英砂可按以下方法得到：氢氧化铝和/或铝盐溶于水中，配成质量百分分数为0.1～30％(优选5％～15％)的溶液，加入到天然石英砂中，充分搅拌混合后在50～800℃下干燥20～500分钟，得到掺杂含有铝元素的天然石英砂，使铝元素在天然石英砂中的质量含量为100～1000ppm，所述铝元素的质量以可生成的氧化铝的质量计算。

较为具体的，本发明所述的石英玻璃坩埚按以下方法制备得到：

(1)氢氧化铝、硝酸铝、氯化铝的任意一种或两种以上的混合溶于水中，配成质量百分含量为0.1～30％的溶液，加入到天然石英砂中，充分搅拌混合后在50～800℃下干燥20～500分钟，得到掺杂含有铝元素的天然石英砂，使铝元素在天然石英砂中的质量含量为100～1000ppm，所述铝元素的质量以可生成的氧化铝的质量计算；