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毕业设计（论文）开题报告-多晶硅铸锭石英坩埚和氮化硅

涂层的研究

河南科技大学毕业设计(论文)开题报告

(学生填表)

院系:材料学院2011年3月8日课题名称多晶硅铸锭石英坩埚和氮化硅

涂层的研究学生姓名李伟乐专业班级硅光伏071课题类型论文

黄金亮/教授/工程指导教师职称课题来源科研李飞龙师

1.设计(或研究)的依据与意义

依据:在多晶硅铸造过程中，杂质的一个主要来源是熔炼中使用的石英材质的

坩埚，同时坩埚与多晶硅之间的反应粘连、渗透和扩散也会在硅锭脱模中引起问

题，使得多晶硅铸锭有断裂或破裂的危险。而且在多晶铸锭中坩埚喷涂所用的氮化

硅粉的质量和纯度，最终保证硅碇脱膜完整性。所以在多晶硅生产工艺中作为多晶

铸锭关键的辅助材料氮化硅和石英坩埚，它们的使用效果也决定了最后多晶锭的质

量，所以课题题目为“多晶硅铸锭石英坩埚和氮化硅涂层的研究”。

意义:在传统能源濒临枯竭，油、煤和天然气价格节节攀升的紧迫形势下，新

能源之一的太阳能倍受世界各国重视，作为太阳能电池最主要的原材料多晶硅需求

量也在激剧增长。在多晶硅铸锭过程中，影响多晶硅锭质量的因素很多，其中杂质

和高密度的缺陷是限制铸造多晶硅的关键的因素，杂质的引入途径很多，其中引入

杂质的一条主要途径为铸锭石英坩埚，在高温下熔硅会与石英坩埚直接接触发生反

应，引入杂质。石英材料与硅料直接接触时产生如下反应:

Si0+Si?2SiO?2Si+2O2

其中的氧成为硅晶体的杂质。同时如果硅材料和坩埚壁结合紧密，在晶体冷却

时很可能造成晶体硅或坩埚破裂，而不利于脱模分离。而硅熔体和坩埚的长时间接

触还会造成陶瓷坩埚的腐蚀，使多晶硅中的氧浓度升高。

为了防止熔融硅与石英陶瓷坩埚反应并容易脱模分离，需要在坩埚内表面进行

涂层。涂层要求高纯，不与二者反应，并有适中的结合强度。氮化硅是耐高温性能

和化学稳定性好，致密性好，是强共价键化合物，其自扩散系数低，并且抗杂质扩

散能力强，同时具有良好的抗氧化性、抗腐蚀和耐摩擦

等性能，且不与熔融硅发生反应，所以氮化硅在高温下能起到隔离的作用，氮

化硅还是一种很好的脱模剂，使定向结晶后的硅锭和坩埚容易脱落。因此，成为石

英陶瓷坩埚的首选涂层材料，已在多晶铸锭生产中成功应用。总之，非常符合在多

晶铸锭过程中坩埚涂层的要求。

光伏行业及太阳能多晶硅产业的极速发展，为之关键的配套辅助材料(石英坩

埚和氮化硅)提供了广阔的发展空间。石英坩埚和氮化硅质量决定了硅锭质量，研

究不同辅材对铸造多晶硅锭性能的影响，一方面对铸锭辅材生产厂家的产品开发或

产品升级具有一定的指导意义，另一方面提示多晶硅铸锭厂家应根据不同辅材开发

不同的工艺，有助于生产高质量的多晶硅锭，同时也降低了生产成本，提高企业生

产效益。所以研究这个课题具有十分重要的意义。

2.国内外同类设计(或同类研究)的概况综述

在目前用于多晶铸锭的坩埚类型主要有石英坩埚、石墨坩埚、高纯硅坩埚、氮

化硅坩埚等，由于石英陶瓷坩埚的生产技术难度大、原料纯度要求高、使用环境苛

刻，只有法国维苏威、美国赛瑞丹和日本东芝陶瓷等几个国外公司可以大规模生

产，采用的都是传统的注浆成型工艺，技术严格保密，鲜有文献公开报道。在国

内，中材集团采用自主开发的石英陶瓷注凝成型技术并开发成功了石英陶瓷坩埚。

在国内大多数多晶铸锭厂家也大都在用以上四种厂家生产的石英坩埚。

在涂层工艺上国外一般采用高纯氮化硅材料作为涂层附在坩埚的内壁，隔离硅

熔体和坩埚的直接接触。利用定向凝固技术生长的铸造多晶硅，多数情况下坩埚是

消耗品，不能重复循环使用，即每炉多晶硅都需要消耗一只陶瓷坩埚。采用氮化硅

涂层后可使石英陶瓷坩埚得到重复使用，大幅度降低生产成本。在国内工艺上同样

用氮化硅作为涂层材料。但是制备高纯氮化硅微粉技术都还不成熟。目前国内的石

英坩埚涂层粉完全依赖日本UBE、德国Starck等进口，所以本课题就是要研究最

佳的氮化硅和石英坩埚的使用效果。

3.课题设计(或研究)的内容

1)采用不同种类的氮化硅粉和石英坩埚的组合进行喷涂;

2)采用德国Nabertherm高温炉烧结炉进行烧结;

3)采用定向凝固法进行铸锭，即投入GT-DSS450进行铸锭;

4)利用少子寿命测试仪、IR红外探伤进行检测，检测硅锭中少子寿命和杂质