專利名稱：石英坩堝及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種石英坩堝，所述石英坩堝能經受高溫，并能避免與置于其中進行熔融、轉化或分解的材料發生物理或化學反應，尤其涉及一種具有涂層的石英坩堝及其制造方法，所述涂層具有強附著力。
背景技術：
石英坩堝被廣泛地運用于容納需要在高溫下轉化，如熔融或分解的材料。石英坩堝被設計成具有耐高溫性、足夠的機械性能和熱學性能。最重要的是，要防止石英坩堝的內表面與容納其中的材料發生物理或化學反應，避免某些雜質的產生。石英坩堝的典型應用是用于精細制備貴重金屬或合金，如制備超合金。為避免在制備過程中產生某些雜質，現有技術，如專利號為US4723764的美國專利文件，公開了一些在石英坩堝的內壁上形成涂層的方法。其中一種方法包括:將漿料灌入石膏模型并進行風干，制成粉末燒結的熔融石英坩堝；然后，在所述坩堝內沉積氧化釔粉末基涂層，并在1200° C下對所述坩堝及所述涂層進行兩個小時的烘烤。然而，用這種方法在石英坩堝內表面制作的涂層并不能解決涂層脫落及脫落的組分快速擴散的問題。利用提拉法工藝(Czochralsky process)制備單晶娃是石英 甘禍的重要應用之一。在一個典型的提拉法工藝中，多晶硅被裝入坩堝中并在其中熔化，籽晶被浸入硅熔體中，然后慢慢地提拉以形成單晶硅錠。被用于提拉法工藝的坩堝一般被稱為熔融石英坩堝或者簡稱為石英坩堝，其含有的二氧化硅為非晶態，又稱為石英玻璃。使用石英玻璃的缺點是，在提拉法工藝過程中，爐內的氣壓低而溫度達到1450° C至1540° C，在這樣的條件下，硅熔體會和石英坩堝發生反應生成一氧化硅(SiO)，反應式為Si02+Si —ZSiOt5SiO會溶入硅熔體中。大部分的SiO會蒸發并被爐內的高純度氬 氣帶走，但有些SiO會殘留在硅熔體中并最終進入單晶硅錠中。這會產生位錯缺陷，極大地影響硅錠的質量，比如，其載流子壽命及電阻率均會受到影響。而且，所述坩堝與硅熔體接觸的內表面會被反玻璃化，呈方晶石相。這些反玻璃化的點會形成分散的反玻璃化的方晶石島，并逐漸生長成褐色的環狀體或玫瑰形團狀體，從而變得容易脫落至硅熔體中，污染硅熔體及硅錠。因此，人們發明了一些涂覆方法，在坩堝的內表面形成反玻璃化的殼，以防止產生上述缺陷。專利號為US5，980，629的美國專利公開了一種表面經處理的坩堝，能夠使在其中形成的晶體沒有位錯。該坩堝包括一個有底壁和側壁的石英玻璃本體，所述側壁是由所述底壁向上延伸而構成的。所述側壁的內表面上分布有第一反玻璃化促進劑，使在從熔融的半導體材料中生長晶體時，所述內表面上形成基本上反玻璃化的第一石英層。在晶體生長工藝中，所述內表面與熔融的半導體材料相接觸。在所述側壁的外表面上分布有第二反玻璃化促進劑，以在從熔融的半導體材料中生長晶體時，所述外表面上形成基本上反玻璃化的第二石英層。當在所述熔融的半導體材料中拉制晶體時，所述基本上反玻璃化的第一石英層能促進所述內表面的均勻分解并顯著地減少結晶石英顆粒向熔融的半導體材料中釋放。所述基本上反玻璃化的第二石英層能加固所述石英玻璃本體。然而，在專利號為US5，980，629的美國專利中所公開的氫氧化鋇或碳酸鋇涂層的附著力太小，很容易在外力作用下剝落，例如，在劇烈晃動的運輸過程中震落。而且，該涂層也很容易被手指或在坩堝中容納的材料劃傷，例如，在提拉過程之前，往坩堝中裝入多晶硅原材料時被所述多晶硅原材料劃傷。通過上述專利所提供的涂覆方法，形成的具有氫氧化鋇或碳酸鋇涂層的坩堝中，均出現了這些現象。因此，需要提供具有更強附著力的涂層的石英坩堝，能夠減少向容納其中的熔融材料或粉末材料釋放污染物顆粒。
發明內容
為解決上述問題，本發明提供一種石英坩堝，包括:
具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述石英玻璃本體的內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及形成在所述石英玻璃本體的內表面上的第一涂層，所述第一涂層通過在預設溫度下高溫分解鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫或硅的化合物形成，所述第一涂層基本上由非均質材料組成，在所述石英玻璃本體和所述涂層的均質材料和非均質材料之間構成了界面。可選地，在形成所述第一涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在650攝氏度至1600攝氏度之間。可選地，在形成所述第一涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。可選地，所述石英玻璃本體由粒度分布范圍是I微米至600微米的石英晶體、石英砂或石英玻璃砂形成。可選地，所述第一涂層包括方晶石結晶組分，在所述石英坩堝的腔體中容納所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第一涂層。可選地，所述第一涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是0.5%至80%。可選地，所述第一涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。可選地，所述第一涂層連續分布，基本上完全覆蓋所述石英玻璃本體的內表面。可選地，所述第一涂層不連續分布，包括多個暴露所述石英玻璃本體的內表面的空隙。可選地，所述第一涂層為單層。可選地，所述第一涂層為包括多個子層的疊層結構，所述子層依次形成在所述石英玻璃本體的內表面上。可選地，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分的點狀島，所述點狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。可選地，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分的星狀島，所述星狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。
可選地，所述石英坩堝進一步包括形成在所述外表面上的第二涂層。可選地，所述第二涂層是使用漿料形成的涂層。可選地，所述第二涂層包括方晶石結晶組分，在所述石英坩堝的腔體中容納所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第二涂層。可選地，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是0.5%至80%。可選地，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。可選地，在形成所述第二涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在650攝氏度至1600攝氏度之間。可選地，在形成所述第二涂層時，所述石英 玻璃本體的預設溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。 可選地，所述石英坩堝的直徑至少為3英寸。可選地，所述第一涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。可選地，所述第二涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。可選地，所述石英坩堝用于提拉法制備晶體。可選地，所述石英坩堝用于制備多晶。可選地，所述石英坩堝用于熔融超合金。可選地，所述石英坩堝用于燒結和/或分解電激發光物質、草酸鹽、明礬、氮化硅、氧化鋁或氧化鋯的粉末。可選地，所述石英坩堝用于制備貴金屬或合金。可選地，所述石英坩堝用于制備特種玻璃。本發明進一步提供一種制造石英坩堝的方法，包括:制備具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；加熱所述石英玻璃本體到650攝氏度至1600攝氏度；以及在所述內表面上分布第一前驅體，通過所述第一前驅體與經過加熱的所述石英玻璃本體發生的化學反應，在所述內表面上形成第一涂層。可選地,在加熱所述石英玻璃本體的步驟中，所述石英玻璃本體被加熱至750攝氏度至1300攝氏度。可選地，在所述內表面上分布所述第一前驅體的步驟中，經過加熱的所述石英玻璃本體置于絕熱空腔中。可選地，通過位于所述腔體中的噴頭噴射所述第一前驅體，所述石英玻璃本體相對于所述嗔頭轉動。可選地，所述絕熱空腔包括容器，經過加熱的所述石英玻璃本體置于所述容器中。可選地，所述容器相對于所述噴頭轉動。可選地，所述噴頭在所述腔體中轉動。可選地，在所述內表面上分布所述第一前驅體的步驟中，帶有所述第一前驅體的壓縮空氣被導入噴頭中并從所述噴頭中噴向經過加熱的所述石英玻璃本體的內表面。可選地，所述壓縮空氣的壓強范圍是I巴至20巴。
可選地，所述壓縮空氣的流量范圍是5立方米/小時至1000立方米/小時。可選地，所述容器相對于所述噴頭的轉速大于等于50轉/分鐘。可選地，形成在所述石英玻璃本體內表面上的所述第一涂層包括質量百分比為
0.5%至80%的方晶石結晶組分。可選地，形成在所述石英玻璃本體內表面上的所述第一涂層包括質量百分比為1%至50%的方晶石結晶組分。可選地，所述第一涂層連續分布，基本上完全覆蓋所述石英玻璃本體的內表面。可選地，所述第一涂層不連續分布，包括多個暴露所述石英玻璃本體的內表面的空隙。可選地，所述第一涂層為單層。可選地，所述第一涂層為包括多個子層的疊層結構，所述子層依此形成在所述石英玻璃本體的內表面上。可選地，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分的點狀島，所述點狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。可選地，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分的星狀島，所述星狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。可選地，進一步包括在所述石英玻璃本體的外表面上分布用于在所述外表面上形成第二涂層的第二前驅體。`可選地，在所述外表面上，所述石英玻璃本體和所述第二前驅體發生化學反應，形成在所述外表面上的第二涂層包括方晶石結晶組分。可選地，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是0.5%至80%。可選地，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。可選地，所述石英坩堝的直徑至少為3英寸。可選地，所述第一前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素。可選地，所述第一前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。可選地，所述第二前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素。可選地，所述第二前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。可選地，所述第二前驅體與所述第一前驅體相同。可選地，所述第二前驅體與所述第一前驅體不同。可選地，所述第一涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。可選地，所述第二涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。此外，本發明提供一種石英坩堝，包括:具有內表面和外表面的石英玻璃本體,所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及
形成在所述石英玻璃本體的內表面上的第一涂層，所述第一涂層包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素，而且基本上不包含堿土金屬的氫氧化物。可選地，所述第一涂層進一步包括二氧化硅。可選地，所述第一涂層包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽和碳酸鹽中的至少兩種化合物。此外，本發明提供一種石英坩堝，包括:具有內表面和外表面的石英玻璃本體,所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體，所述石英玻璃本體基本上由均質材料構成；以及形成在所述石英玻璃本體的內表面上的涂層，所述涂層基本上由非均質材料構成，所述石英玻璃本體和所述涂層的均質材料和非均質材料之間構成界面，所述非均質材料的化學成分實質上沿著所述涂層的法線方向逐漸改變。可選地，所述非均質材料包括方晶石結晶組分。可選地，沿著所述涂層的法線方向分析所述涂層的化學成分時，靠近所述界面處的方晶石結晶組分的含量比離所述界面相對較遠處的方晶石結晶組分的含量大。與現有技術相比，本發明具有如下優點:形成在石英玻璃本體內表面或外表面上的涂層不僅是物理地附著于所述內表面或所述外表面上，還形成了化學鍵，提供了較強的附著力，保證了所述涂層不會因手觸摸、在石英坩堝中裝入原材料或晃 動較大的運輸而輕易地脫落或移動。而且，外表面上的涂層增強了石英坩堝的機械強度，延長了其使用壽命。
圖1是本發明第一實施例的石英坩堝的剖面結構示意圖；圖2是本發明第二實施例的石英坩堝的剖面結構示意圖；圖3是如圖2所示的石英坩堝的俯視圖；圖4是制造第一實施例中具有牢固涂層的石英坩堝的形成方法的流程圖；圖5是本發明實施例的形成石英坩堝涂層的系統的示意圖；圖6是本發明第一實施例的涂層放大5倍的顯微照片；圖7是本發明第一實施例的涂層放大2000倍的顯微照片；以及圖8是本發明第二實施例的涂層放大5000倍的顯微照片。。
具體實施例方式為解決上述問題，本發明提供一種石英坩堝及其制造方法。所述石英坩堝包括:具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及形成在所述石英玻璃本體的內表面上的第一涂層。所述石英玻璃本體由粒度大小范圍是I微米至600微米的石英晶體、石英砂或石英玻璃砂形成。所述石英玻璃本體可由火焰熔融、電熔融或電弧等離子體熔融形成。根據石英晶體、石英砂或石英玻璃砂的質量，可以將所述石英玻璃本體制造成具有不同層的結構。所述第一涂層通過在預設溫度下高溫分解鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫或硅的化合物形成。所述第一涂層包括方晶石結晶組分，在所述石英坩堝的腔體中容納所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第一涂層。所述石英坩堝進一步包括可能形成在所述外表面上的第二涂層。所述第二涂層通過在預設溫度下在所述石英坩堝的外表面上分布第二前驅體形成。可選地，所述第二涂層是在所述外表面上的使用漿料形成的涂層。所述第二涂層可與所述第一涂層同時形成。可選地，所述第一涂層和所述第二涂層也可以在不同步驟中分別形成。所述第二前驅體可以與用于形成所述第一涂層的第一前驅體相同或不同。以下將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。雖然本發明將在下面的實施例中被具體闡述，本發明也可以在其他不同的實施例中實施。因此，本發明不受以下提供的實施例所限。圖1是本發明第一實施例的石英坩堝的剖面結構示意圖。參考圖1，石英坩堝10包括:具有內表面14和外表面16的石英玻璃本體12，所述石英玻璃本體的內表面14構成了用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及形成在所述石英玻璃本體12的內表面14上的第一涂層18。所述石英玻璃本體12由粒度分布(Particle Size Distribution,PSD)范圍是I微米至600微米的石英晶體、石英砂或石英玻璃砂形成。所述第一涂層18 (未按實際比例示出)覆蓋所述內表面14，牢固地附著在所述內表面14上，幾乎不會因較強外力作用而移動或刮傷。所述第一涂層18可以包括質量百分比范圍是0.5%至80%的方晶石結晶組分。可選地，所述第一涂層18中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。可選地，所述石英坩堝的直徑至少為3英寸。
在所述石英坩堝的腔體容納熔融材料或粉末材料前，即形成所述第一涂層18。具體地，通過在預設的溫度下在所述石英玻璃本體12的內表面14上分布第一前驅體形成所述第一涂層18。當形成所述第一涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度維持在650攝氏度至1600攝氏度之間。所述第一前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素。所述第一前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。所述第一前驅體由壓縮氣體攜帶。熱的所述石英坩堝以特定速度轉動，從而使所述第一前驅體能均勻地噴射在所述石英坩堝的內表面14上。在所述預設溫度下，所述第一前驅體分解，并部分地與所述石英玻璃本體12的二氧化硅材料發生反應，在所述內表面14上形成具有強附著力的涂層。上述過程中至少有兩種化合物形成，所述化合物可能是氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽或碳酸鹽。所述第一涂層基本上由非均質材料構成，并與所述石英玻璃本體的均質材料之間形成界面。因此,所述第一涂層18不僅是物理地附著于所述內表面14，還形成了化學鍵，保證了所述涂層18不會因手觸摸、在石英坩堝中裝入原材料或晃動較大的運輸而輕易地脫落或移動。此外，當所述石英坩堝中容納有熔融材料時，所述第一涂層18釋放的污染物顆粒更少。可選地，在形成所述第一涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。可選地，所述第一涂層18連續分布，基本上完全覆蓋所述坩堝本體的內表面。可選地，所述第一涂層18不連續分布，包括多個暴露所述坩堝本體的內表面的空隙。
可選地，所述第一涂層18為包括多個子層的疊層結構，所述子層依此形成在所述坩堝本體的內表面上。可選地，所述第一涂層18包括多個包含所述方晶石結晶組分的點狀島，所述點狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。可選地，所述第一涂層18包括多個包含所述方晶石結晶組分的星狀島，所述星狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。可選地,所述第一涂層18的厚度范圍是0.05微米至10微米。可選地，所述石英坩堝10用于提拉法制備晶體。可選地，所述石英坩堝10用于制備多晶。可選地，所述石英坩堝10用于熔融超合金。可選地，所述石英坩堝10用于燒結和/或分解電激發光物質、草酸鹽、明礬、氮化硅、氧化鋁或氧化鋯的粉末。可選地，所述石英坩堝10用于制備貴金屬或合金。可選地，所述石英坩堝10用于制備特種玻璃，例如用于激光系統的玻璃。在如圖2和圖3所示的變化實施例中，提供了具有內涂層和外涂層的石英坩堝。參考圖2和圖3，所述石英坩堝10包括:具有內表面14和外表面16的石英玻璃本體12，所述石英玻璃本體的內表面14構成了用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；形成在所述石英玻璃本體12的內表面14上的第一涂層18 ;以及，形成在所述石英玻璃本體12的外表面16上的第二涂層20。所述第一涂層18 (未按實際比例示出)覆蓋所述內表面14，牢固地附著在所述內表面14上，幾乎不會因較強外力作用而移動或刮傷。所述第二涂層20(未按實際比例示出)覆蓋所述外表面16，牢固地附著在所述外表面16上，幾乎不會因較強外力作用而移動或刮傷。所述第二涂層20包括質量百分比范圍是0.5%至80%的方晶石結晶組分。可選地，所述第二涂層20中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。可選地，所述石英坩堝的直徑至少為3英寸。類似于所述第一涂層18，在所述石英坩堝的腔體容納熔融材料或粉末材料前，即形成所述第二涂層20。具體地，通過在預設的溫度下在所述石英玻璃本體12的外表面16上分布第二前驅體形成所述第二涂層20，所述石英玻璃本體12的溫度維持在650攝氏度至1600攝氏度之間。所述第二前驅體由壓縮氣體攜帶。熱的所述石英坩堝以特定速度轉動，從而使所述第二前驅體能均勻地噴射在所述石英坩堝的外表面16上。所述第二前驅體分解，并部分地與所述石英玻璃本體12的二氧化硅材料發生反應，在所述外表面16上形成具有強附著力的涂層。至少有兩種化合物形成，所述化合物可能是氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽或碳酸鹽。因此，所述第二涂層20不僅是物理地附著于所述外表面16，還形成了化學鍵，保證了所述第二涂層20不會因手觸摸、在石英坩堝中裝入原材料或晃動較大的運輸而輕易地脫落或移動。此外，所述第二涂層20增強了所述石英坩堝的機械強度，延長了其使用壽命。在一個具體實施例 中，所述第二涂層是使用漿料形成的涂層。可選地，在形成所述第二涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。
可選地，所述第二涂層20連續分布，基本上完全覆蓋所述坩堝本體的外表面。可選地，所述第二涂層20不連續分布，包括多個暴露所述坩堝本體的外表面的空隙。可選地，所述第二涂層20為包括多個子層的疊層結構，所述子層依此形成在所述坩堝本體的外表面上。可選地，所述第二涂層20包括多個包含所述方晶石結晶組分的點狀島，所述點狀島基本上在整個所述第二涂層中隨機分布。可選地，所述第二涂層20包括多個包含所述方晶石結晶組分的星狀島，所述星狀島基本上在整個所述第二涂層中隨機分布。可選地,所述第二涂層20的厚度范圍是0.05微米至10微米。可選地，所述第二前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素。可選地，所 述第二前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。可選地，所述第二前驅體與所述第一前驅體相同。可選地，所述第二前驅體與所述第一前驅體不同。在另一實施例中，本發明提供一種石英 甘禍，包括:具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及形成在所述石英玻璃本體的內表面上的第一涂層，所述第一涂層包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素，而且基本上不包含堿土金屬的氫氧化物。而且，所述
第一涂層進一步包括二氧化娃。可選地，所述第一涂層包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽和碳酸鹽中的至少兩種化合物。在又一實施例中，本發明提供一種石英坩堝，包括:具有內表面和外表面的坩堝本體，所述坩堝本體的內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體，所述坩堝本體基本上由均質材料構成；以及形成在所述坩堝本體的內表面上的涂層，所述涂層基本上由非均質材料構成，所述坩堝本體和所述涂層的均質材料和非均質材料之間構成界面。具體地，所述非均質材料的化學成分實質上沿著所述涂層的法線方向逐漸改變。沿著所述涂層的法線方向分析所述涂層的化學成分時，靠近所述界面處的方晶石結晶組分的含量比離所述界面相對較遠處的方晶石結晶組分的含量大。可選地，所述非均質材料包括方晶石結晶組分。本發明進一步提供一種制造石英坩堝的方法。所述石英坩堝10包括:具有內表面14和外表面16的石英玻璃本體12，所述石英玻璃本體的內表面14構成了用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及形成在所述石英玻璃本體12的內表面14上的第一涂層18。圖4是流程示意圖，示出了一種形成如第一實施例所述的具有牢固涂層的石英坩堝的方法。該方法包括:步驟Sll:制備具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；步驟S12:加熱所述石英玻璃本體至650攝氏度至1600攝氏度之間；以及
步驟S13:在所述內表面上分布第一前驅體，通過所述第一前驅體與所述石英玻璃本體發生的化學反應，在所述內表面上形成第一涂層。可選地，所述石英玻璃本體被加熱到750攝氏度至1300攝氏度之間。可選地，本實施例中所使用的石英坩堝的直徑至少有3英寸。可選地，所述石英玻璃本體由PSD范圍是I微米至600微米的石英晶體、石英砂或石英玻璃砂形成。圖5是本發明一個實施例的用于形成石英坩堝涂層的系統的示意圖。在一個實施例中，提供石英玻璃本體12。在向內表面分布第一前驅體的過程中，經過加熱的所述石英玻璃本體12被置于絕熱空腔內。所述絕熱空腔包括容器101。經過加熱的所述石英玻璃本體12置于所述容器101中，噴頭在所述腔體中轉動。在另一實施例中，位于所述腔體內的噴頭102對所述第一前驅體進行分布，所述石英玻璃本體12相對于所述噴頭102轉動。可選地，所述容器101的轉速大于50轉/分鐘。在向所述內表面分布所述第一前驅體的過程中，攜帶所述第一前驅體的壓縮空氣109被導入所述噴頭中并從所述噴頭102中噴射至經過加熱的所述石英玻璃本體102的內表面上。根據本實施例，提供自動送料機108。所述自動送料機108包括壓縮氣體管道103，漏斗104和文丘里(Venturi) 105。所述漏斗104和所述文丘里105與所述壓縮氣體管道103相連接，用于向所述壓縮空氣管道103中加入所述前驅體。所述自動送料機108能夠連續提供所述前驅體并精確控制送料速度。在本實施例中，在轉動的所述容器101上固定有多個金屬臂107，在所述金屬臂107上又固定有多個噴頭102。所述噴頭102用于將帶有前驅體的壓縮氣體109均勻地噴射到熱的石英坩堝的內表面14上。所述金屬臂107控制所述噴頭102，使之向上、向下運動，以及水平轉動。所述金屬臂107由驅動系統106驅動，以保證用于噴射前驅體的噴頭能夠快速運動，防止熱的石英坩堝102冷卻。所述驅動系統106是馬達系統或氣壓系統。在沉積過程中，所述石英玻璃本體12的溫度維持在650攝氏度至1600攝氏度之間。 此外，所述自動送料機108和所述噴頭102上還連接有壓縮氣體系統，以運輸和噴射所述前驅體。可選地，所述壓縮氣體109的壓強范圍是I巴至20巴，流量范圍是5立方米/小時至1000立方米/小時。所述第一前驅體在高溫下分解并部分地與所述石英玻璃本體12的石英發生反應，在所述內表面14上形成第一涂層18。形成的混合物至少包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽和碳酸鹽化合物中的兩種。因此，所述第一涂層18不僅是物理地附著于所述內表面14，還形成了化學鍵，提供了更強的附著力，保證了所述涂層18不會因手觸摸、在石英坩堝中裝入原材料或晃動較大的運輸而輕易地脫落或移動。此外，當所述石英坩堝中容納有熔融材料時，所述第一涂層18釋放的污染物顆粒更少。可選地，在所述沉積過程中，所述石英玻璃本體12的溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。可選地，形成在所述石英玻璃本體內表面上的所述第一涂層中包括質量百分比范圍是0.5%至80%的方晶石結晶組分。可選地，所述第一涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。所述第一前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素。所述第一前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。在一個實施例中，所述第一前驅體包括醋酸鈣。在高溫下，醋酸鈣分解成為氧化鈣和碳酸鈣，以及副產品，如水和二氧化碳。分解生成的氧化鈣和碳酸鈣與二氧化硅反應，在所述石英玻璃本體12的內表面14上形成牢固的、均勻的涂層。可選地，所述第一涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。在另一實施例中，所述第一前驅體采用異丙醇鋇。在高溫下，異丙醇鋇分解成氧化鋇和碳酸鋇。分解成的氧化鋇和碳酸鋇與二氧化硅反應，在所述石英玻璃本體12的內表面14上形成牢固的、均勻的涂層。在另一實施例中，所述第一前驅體采用乙酰丙酮鋁。在高溫下，乙酰丙酮鋁分解成氧化鋁。分解成的氧化鋁與二氧化硅反應，在所述石英玻璃本體12的內表面14上形成牢固的、均勻的涂層。在另一實施例中，所述第一前驅體采用乙酰丙酮釔。在高溫下，乙酰丙酮釔分解成氧化釔。分解成的氧化釔與二氧化硅反應，在所述石英玻璃本體12的內表面14上形成牢固的、均勻的涂層。在另一實施例中，所述第一前驅體采用乙酰丙酮鉿。乙酰丙酮鉿前驅體和氨一起被壓縮氣體所攜帶。在高溫下，乙酰丙酮鉿分解并與氨反應生成氮化鉿。氮化鉿在所述石英玻璃本體12的內表面14上形成牢固的、均勻的涂層。此外，本發明提供一種制造內表面上具有第一涂層及外表面上具有第二涂層的石英坩堝的方法。參考圖2，示出了內外均經過處理的石英坩堝的剖面結構示意圖。具體地，本實施例中制造的石英坩堝10包括:具有內表面14和外表面16的石英玻璃本體12，所述石英玻璃本體的內表面14構成了用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；形成在所述石英玻璃本體12的內表面14上的第一涂層18 ;以及形成在所述石英玻璃本體12的外表面16上的第二涂層20。所述第一涂層18 (未按實際比例示出)覆蓋所述內表面14，牢固地附著在所述內表面14上，幾乎不會因較強外力作用而移動或刮傷。所述第二涂層20(未按實際比例示出)覆蓋所述外表面16，牢固地附著在所述外表面16上，幾乎不會因較強外力作用而移動或刮傷。可選地，本實施例中采用的石英坩堝的直徑至少為3英寸。具體地，在所述石英玻璃本體12的外表面16上沉積第二前驅體，所述石英玻璃本體12的溫度維持在650攝氏度至1600攝氏度之間。所述第二前驅體由壓縮氣體攜帶，通過噴射壓縮氣體將所述第二前驅體帶入一個轉動容器的絕熱空腔中。在高溫下，所述第二前驅體分解，并部分地與所述石英玻璃本體12的二氧化硅材料發生反應，在所述外表面16上形成第二涂層20。至少有兩種化合物形成，所述化合物可能是氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽或碳酸鹽。在所述外表面上的第二涂層20包括質量百分比范圍是0.5%至80%的方晶石結晶組分。因此，所述第二涂層20不僅是物理地附著于所述外表面16，還形成了化學鍵，保證了所述第二涂層20不會因手觸摸、在石英坩堝中裝入原材料或晃動較大的運輸而輕易地脫落或移動。此外，所述第二涂層20增強了所述石英坩堝的機械強度，延長了其使用壽命。可選地，在形成所述第二涂層時，所述石英玻璃本體12的溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。可選地， 所述第二涂層20中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。可選地，所述第二前驅體與所述第一前驅體相同。可選地，所述第二前驅體與所述第一前驅體不同。可選地，所述第二涂層20可與所述第一涂層18同時形成。可選地，所述第一涂層18和所述第二涂層20可以在不同步驟中分別形成。可選地，所述第二涂層包括方晶石結晶組分，在所述石英坩堝的腔體中容納所述熔融材料或所述粉末材料之前即形成所述第二涂層。可選地，所述第二前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種或多種的組合。可選地，所述第二前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。可選地,所述第二涂層20的厚度范圍是0.05微米至10微米。在一個具體實施例中，所述第二涂層是使用漿料形成的涂層。通過如下步驟形成所述第二涂層。制備氧化鋇含水漿料。將金屬雜質含量小于1% (質量百分比)的高純度氧化鋇粉末與去離子水混合。所述氧化鋇含水漿料的濃度(質量百分比)范圍是5%至60%。可選地，可以在所述氧化鋇含水漿料中加入分散劑，如甲基`丙烯酸或甲基纖維素，以減少沉降。混合、老化所述氧化鋇含水漿料，然后將其噴射到所述石英坩堝的外表面上。具體地，所述氧化鋇含水漿料被置于噴射器容器中。所述噴射器與提供壓縮氣體的泵相連。所述氧化鋇含水漿料被壓縮氣體噴射到所述石英坩堝的外表面上。也可以用干凈的刷子將所述氧化鋇含水漿料刷涂到所述石英坩堝的外表面上。可選地，在所述噴射過程中，所述石英坩堝的溫度范圍是20攝氏度至300攝氏度。在所述噴射過程或刷涂過程完成后，將所述石英坩堝置于一個溫度范圍是80攝氏度至300攝氏度的干燥箱中，以蒸發水分，使涂層干燥。圖6是本發明第一實施例的涂層放大5倍的顯微圖。圖7是本發明第一實施例的涂層放大2000倍的顯微圖。所述涂層連續分布并完全覆蓋所述石英坩堝的內表面。所述涂層和所述石英玻璃本體反應，生成的混合物至少包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽和碳酸鹽化合物中的兩種。在所述石英玻璃本體和所述涂層冷卻后，可能會形成如圖7所示的微小裂痕。然而，所述涂層不僅是物理地附著在所述內表面上，而且還形成了化學鍵，提供了較強的附著力，保證了所述涂層不會因為人手的觸摸、向石英坩堝中裝入原材料或晃動較大的運輸而輕易地脫落或移動。圖8是本發明第二實施例的涂層放大5000倍的顯微圖。所述涂層不連續分布，沒有完全地覆蓋所述石英坩堝的內表面。所述涂層與所述石英玻璃本體的二氧化硅反應，在所述界面的邊緣形成枝晶狀結構。綜上所述，根據本發明，形成在所述石英玻璃本體的內表面或外表面上的涂層不僅物理地附著于所述內表面或所述外表面，而且還形成了化學鍵，提供了較強的附著力，保證了所述涂層不會因為人手的觸摸、向石英坩堝中裝入原材料或晃動較大的運輸而輕易地脫落或移動。此外，在外表面上的涂層還增強了所述石英坩堝的機械強度，延長了其使用壽命O雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限 定的 范圍為準。
權利要求
1.一種石英坩堝，包括: 具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述石英玻璃本體的內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及 形成在所述石英玻璃本體的內表面上的第一涂層， 所述第一涂層通過在預設溫度下高溫分解鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫或硅的化合物形成， 所述第一涂層基本上由非均質材料組成，在所述石英玻璃本體和所述涂層的均質材料和非均質材料之間構成了界面。
2.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，在形成所述第一涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在650攝氏度至1600攝氏度之間。
3.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，在形成所述第一涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。
4.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英玻璃本體由粒度分布范圍是I微米至600微米的石英晶體、石英砂或石英玻璃砂形成。
5.如權利要求1所述的·石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層包括方晶石結晶組分，在所述石英坩堝的腔體中容納所述熔融材料或所述粉末材料之前形成所述第一涂層。
6.如權利要求5所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是0.5%至80%。
7.如權利要求5所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。
8.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層連續分布，基本上完全覆蓋所述石英玻璃本體的內表面。
9.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層不連續分布，包括多個暴露所述石英玻璃本體的內表面的空隙。
10.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層為單層。
11.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層為包括多個子層的疊層結構，所述子層依次形成在所述石英玻璃本體的內表面上。
12.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分的點狀島，所述點狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。
13.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分的星狀島，所述星狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。
14.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝進一步包括形成在所述外表面上的第二涂層。
15.如權利要求14所述的石英坩堝，其特征在于，所述第二涂層是使用漿料形成的涂層。
16.如權利要求14所述的石英坩堝，其特征在于，所述第二涂層包括方晶石結晶組分，在所述石英坩堝的腔體中容納所述熔融材料或所述粉末材料之前形成所述第二涂層。
17.如權利要求14所述的石英坩堝，其特征在于，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是0.5%至80%。
18.如權利要求14所述的石英坩堝，其特征在于，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。
19.如權利要求14所述的石英坩堝，其特征在于，在形成所述第二涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在650攝氏度至1600攝氏度之間。
20.如權利要求14所述的石英坩堝，其特征在于，在形成所述第二涂層時，所述石英玻璃本體的預設溫度保持在750攝氏度至1300攝氏度之間。
21.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝的直徑至少為3英寸。
22.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。
23.如權利要求14所述的石英坩堝，其特征在于，所述第二涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。
24.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝用于提拉法制備晶體。
25.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝用于制備多晶。
26.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝用于熔融超合金。
27.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝用于燒結和/或分解電激發光物質、草酸鹽、明礬、氮化硅、氧化鋁或氧化鋯的粉末。
28.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝用于制備貴金屬或合 金。
29.如權利要求1所述的石英坩堝，其特征在于，所述石英坩堝用于制備特種玻璃。
30.一種制造石英坩堝的方法，包括: 提供具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體； 加熱所述石英玻璃本體到650攝氏度至1600攝氏度；以及 在所述內表面上分布第一前驅體，通過所述第一前驅體與經過加熱的所述石英玻璃本體發生的化學反應，在所述內表面上形成第一涂層。
31.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，在加熱所述石英玻璃本體的步驟中，所述石英玻璃本體被加熱至750攝氏度至1300攝氏度。
32.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，在所述內表面上分布所述第一前驅體的步驟中，經過加熱的所述石英玻璃本體置于絕熱空腔中。
33.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，通過位于所述腔體中的噴頭噴射所述第一前驅體，所述石英玻璃本體相對于所述噴頭轉動。
34.如權利要求32所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述絕熱空腔包括容器，經過加熱的所述石英玻璃本體置于所述容器中。
35.如權利要求34所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述容器相對于所述噴頭轉動。
36.如權利要求33所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述噴頭在所述腔體中轉動。
37.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，在所述內表面上分布所述第一前驅體的步驟中，帶有所述第一前驅體的壓縮空氣被導入噴頭中并從所述噴頭中噴向經過加熱的所述石英玻璃本體的內表面。
38.如權利要求37所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述壓縮空氣的壓強范圍是I巴至20巴。
39.如權利要求37所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述壓縮空氣的流量范圍是5立方米/小時至1000立方米/小時。
40.如權利要求35所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述容器相對于所述噴頭的轉速大于等于50轉/分鐘。
41.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，形成在所述石英玻璃本體內表面上的所述第一涂層包括質量百分比為0.5%至80%的方晶石結晶組分。
42.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，形成在所述石英玻璃本體內表面上的所述第一涂層包括質量百分比為1%至50%的方晶石結晶組分。
43.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一涂層連續分布，基本上完全覆蓋所述石英玻璃本體的內表面。
44.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一涂層不連續分布，包括多個暴露所述石英玻璃本體的內表面的空隙。
45.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一涂層為單層。
46.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一涂層為包括多個子層的疊層結構，所述子層依此形成在所述石英玻璃本體的內表面上。
47.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分 的點狀島，所述點狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。
48.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一涂層包括多個包含所述方晶石結晶組分的星狀島，所述星狀島基本上在整個所述第一涂層中隨機分布。
49.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，進一步包括在所述石英玻璃本體的外表面上分布用于在所述外表面上形成第二涂層的第二前驅體。
50.如權利要求49所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，在所述外表面上，所述石英玻璃本體和所述第二前驅體發生化學反應，形成在所述外表面上的第二涂層包括方晶石結晶組分。
51.如權利要求50所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是0.5%至80%。
52.如權利要求50所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第二涂層中包括的方晶石結晶組分的質量百分比范圍是1%至50%。
53.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述石英坩堝的直徑至少為3英寸。
54.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素。
55.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。
56.如權利要求49所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第二前驅體包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素。
57.如權利要求49所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第二前驅體包括螯合物、醇化物、醋酸鹽、乙酰丙酮基化物和異丙醇鹽中的一種有機金屬基物質。
58.如權利要求49所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第二前驅體與所述第一前驅體相同。
59.如權利要求49所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第二前驅體與所述第一前驅體不同。
60.如權利要求30所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第一涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。
61.如權利要求49所述的制造石英坩堝的方法，其特征在于，所述第二涂層的厚度范圍是0.05微米至10微米。
62.一種石英坩堝，包括: 具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及 形成在所述石英玻璃本體的內表面上的第一涂層，所述第一涂層包括鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫和硅中的一種元素或多種元素，而且基本上不包含堿土金屬的氫氧化物。
63.如權利要求62所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層進一步包括二氧化硅。
64.如權利要求62所述的石英坩堝，其特征在于，所述第一涂層包括氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽和碳酸鹽中的至少兩種化合物。
65.一種石英坩堝 ，包括: 具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體，所述石英玻璃本體基本上由均質材料構成；以及 形成在所述石英玻璃本體的內表面上的涂層，所述涂層基本上由非均質材料構成，所述石英玻璃本體和所述涂層的均質材料和非均質材料之間構成界面， 所述非均質材料的化學成分實質上沿著所述涂層的法線方向逐漸改變。
66.如權利要求65所述的石英坩堝，其特征在于，所述非均質材料包括方晶石結晶組分。
67.如權利要求65所述的石英坩堝，其特征在于，沿著所述涂層的法線方向分析所述涂層的化學成分時，靠近所述界面處的方晶石結晶組分的含量比離所述界面相對較遠處的方晶石結晶組分的含量大。
全文摘要
本發明提供具有強附著力的涂層的石英坩堝及其制造方法。所述石英坩堝包括具有內表面和外表面的石英玻璃本體，所述內表面構成用于容納熔融材料或粉末材料的腔體；以及形成在所述石英玻璃本體的內表面上的第一涂層。所述第一涂層通過在預設溫度下高溫分解鋁、鎂、鈣、鈦、鋯、鐳、鉻、硒、鋇、釔、鈰、鉿、鉭、錫或硅的化合物形成。所述第一涂層基本上由非均質材料組成，在所述透明玻璃本體和所述涂層的均質材料和非均質材料之間構成了界面。所述第一涂層具有較強的附著力，保證了所述涂層不會因手觸摸、在石英坩堝中裝入原材料或晃動較大的運輸而輕易地脫落或移動。而且，外層的涂層增強了石英坩堝的機械強度，延長了其使用壽命。
文檔編號C30B15/10GK103154330SQ201180043767
公開日2013年6月12日 申請日期2011年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者王璐, 孫雷雷, 勞倫·莫利斯, 保羅·薩古德 申請人:圣戈班研發(上海)有限公司