[发明专利]用于光伏领域的坩埚

说明书

背景技术

本发明涉及制备应用于光伏领域的坩埚。目前在光伏领域中以及为拉制单晶硅使用仅能一次性使用的SO₂的坩埚。一方面，在硅熔融(约1500℃)期间，SO₂坩埚由于高温而变形，并且此外材料SO₂在温度变化时经历多次石英变型，因此坩埚开裂并在该过程后不能再次使用。传统的SO₂坩埚在硅的熔融工艺期间被毁坏，并因此是仅能使用一次的一次性物品。

本发明致力于多次使用的，例如至少五个生产周期的使用寿命的坩埚，以相较于传统的SO₂坩埚实现经济效益的提高。

氮化物结合碳化硅(也称为NSiC)是已知的窑具(Brennhilfsmittel)，主要在陶瓷快速烧制中用作支撑结构。氮化物结合碳化硅的制备在文献中已有大量描述。由于它的化学组成NSiC不能直接作为坩埚材料使用。

另一种已知的窑具是石墨。由这种材料也制备了市售坩埚。可是由于碳与硅反应生成SiC，所以石墨也不能作为坩埚直接用于硅熔融。如果例如直接在石墨坩埚中进行硅熔融，则坩埚的石墨反应生成碳化硅，并因此毁坏坩埚。所以，它不能作为坩埚直接用于硅熔融。

发明目的

本发明的目的在于提供成型件或材料，特别是用于硅尤其是纯硅或高纯硅(reinstes Silizium)的熔融的坩埚，其具有至少五个生产周期的使用寿命。此外该成型件或坩埚必须确保良好的变温稳定性及高纯度。该材料或成型件必须适合用于制备金属熔体，且尤其是用于纯硅且尤其是高纯硅的熔融。该材料尤其应该在熔融非铁金属和硅时不会被侵润。本发明的另一个目的是提供作为坩埚材料的材料，该材料到目前为止由于其反应性不能用于熔融硅。

现有技术中的解决建议

从文献中的大量前期实验已知，氮化硅是一种合适的材料。氮化硅(Si₃N₄)是一种已知的材料，由其制成了用于工业应用的高品质零部件。没有添加剂就不能将纯氮化硅粉通过热处理压制成固体(作为“纯氮化硅”，在本申请中被理解为无添加的氮化硅，也就是不含有添加剂或添加剂体系的氮化硅)。这种氮化硅仍会包含少量杂质。

已知的材料氮化硅是“常规的”氮化硅(Si₃N₄)，其具有相应的添加剂体系以实现充分压制。这里，人们通常提及所谓的“密闭孔隙率”和基于烧结氮化硅的理论密度计具有密度超过97％的密实的氮化硅，取决于所选择的添加剂体系，所述密度＞3.2g/cm³。为了达到这种密度，使用氧化性添加剂，如Al₂O₃、Y₂O₃和其他稀土的氧化物。得自碱土金属元素族的添加剂，例如MgO，也是现有技术。所有这些添加物在烧结期间造成压缩过程，其导致约20％的线性收缩。然而，这些添加剂妨碍了作为太阳能坩埚的应用，因为尤其是铝对太阳能电池的性能具有不利影响。

Rec Scanwafer AS公司的WO 2007/148986公开了一种用于制造矩形坩埚的金属硅和氮化硅的混合物，类似于RBSN(＝反应烧结氮化硅)。

DE 10 2005 032 790 A1公开了一种容器基体，它是烧制的锭模或锭模生坯，被设计作为容器用于熔融非铁金属，尤其是硅。该容器具有一个涂层，所述涂层包含化合物氮化硅或二氧化硅的至少一种，其中朝向坩埚壁的二氧化硅的浓度会增加。混合二氧化硅的优点在于，使氮化硅粉在基底(例如SiO₂坩埚壁)上获得更好的附着力。在该发明中，通常必须将一种有机成分混合在该粉末中，由此在容器壁上产生附着力。也可以使该容器在使用前经受热处理，其中与本发明相反，通过烧结或反应没有出现层的压实。但是，如果进行热处理，有机粘合剂燃烧并留下松散的粉末层。该设计方式只能适合于石英坩埚，因为他们终归只使用一次。此外，向坩埚方面增加的SO₂梯度是SO₂坩埚使用的标志。如果将该石英坩埚使用多次，则该粉末涂层由于缺失的粘结剂部分而丧失其附着力。因此该层粘附不牢固并因而只能使用一次。

DE 10 2006 003 820 A1公开了一种在二氧化硅(SiO₂)成型件上的氮化硅涂层。该氮化硅层的制备通过施加硅层，和紧接着随后的氮化来进行。在基体基于石墨/碳的情况下，用纯硅进行涂覆是不可能的，因为替代氮化硅，优选形成碳化硅。但是，碳化硅作为分界层不适合用于太阳能-硅的熔融。