專(zhuān)利名稱(chēng)：硅脫模涂層、其制備方法及其使用方法
硅脫模涂層、其制備方法及其使用方法 政府權(quán)利聲明在政府支持下，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)學(xué)會(huì)合同GC0001研發(fā)本 發(fā)明。政府對(duì)本發(fā)明具有一定權(quán)利。
背景技術(shù)：
本發(fā)明可能涉及包含氮化硅和硅粉混合物的脫模涂層。某些實(shí) 施方案中，所述脫模涂層可抑制或防止碳化硅(SiC)合金的形成，所述 碳化硅(SiC)合金可作為硅部件和石墨部件之間的粘結(jié)或粘合劑。
石墨具有許多性能，這些性能使得在其上可生長(zhǎng)硅部件。但一 些情況下，硅能結(jié)合到石墨上，形成SiC合金。半導(dǎo)體行業(yè)可采用石英坩堝來(lái)排列石墨部件。某些情況下，這 會(huì)順利進(jìn)行，如在石英和硅之間界面可拋棄的情況下。在硅部件需要 脫模的情況下，例如錠鑄造或其它片鑄造法中，SbN4或SiCb的混合 物可用作脫模涂層。參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利4,218,418。
發(fā)明簡(jiǎn)述 —個(gè)實(shí)施方案為制備脫模涂層的方法，所述方法包括以下步 驟。首先，制備包含如下組分的混合物(a)包含(i)20-99。/。重量硅和 (ii)l-80。/。重量氮化硅的固體組分和(b)溶劑。第二，將所得混合物施加 到適合形成包含硅的錠或片的坩堝或石墨板的內(nèi)部。第三，在 1000-2000°C下、氮?dú)鈿夥罩袑?duì)施加的混合物進(jìn)行熱處理。
另一個(gè)實(shí)施方案為制備包含硅的錠或片的方法。所述方法包括 以下步驟。首先，制備包含如下組分的混合物(a)包含(i)30-90。/。重量 硅和(ii)10-70。/。重量氮化硅的固體組分和(b)水。第二，將所得混合物
施加到適合形成包含硅的錠或片的坩堝或石墨板上。第三，在
1300-1500°C下、氮?dú)鈿夥罩袑?duì)施加的混合物進(jìn)行熱處理(anneal)。第 四，將硅倒入所述坩堝或石墨板中并使之熔化。第五，將所述蚶堝或 石墨板冷卻直到所述硅固化。第六，將所得錠或片從所述坩堝或石墨 板移走。另一實(shí)施方案為用于制備脫模涂層的膠態(tài)混合物。所述膠態(tài)混 合物主要由以下組分組成(a)包含(i)30-90。/。重量硅和(ii)10-70。/。重量 氮化硅的固體組分；和(b)包含水的液體組分。所述膠態(tài)混合物固體組 分與液體組分的液-固重量比為3:1-10:1。
附圖簡(jiǎn)述
圖1部分說(shuō)明了本發(fā)明示例性實(shí)施方案鑄造爐加熱室內(nèi)的坩 堝。
發(fā)明詳述至少某些示例性實(shí)施方案中，本發(fā)明可防止或抑制硅和碳之間 形成結(jié)合，可引入很少到無(wú)雜質(zhì)，且可較為便宜。某些示例性實(shí)施方 案中，本發(fā)明可用于制備硅片，所述硅片可用于與太陽(yáng)能相關(guān)的應(yīng)用， 包括但不局限于光電模組。參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2005/0176218和 2007/0034251。所述硅片可摻雜一種或多種n-型摻雜劑和p-型摻雜
劑，包括例如元素周期表m族和/或v族中的元素。合適的摻雜劑可 包括例如硼、砷、磷和稼。本文中所用的"硅，，是指純硅和包含摻雜劑或其它雜質(zhì)的硅。此
外，本文中所用的"硅錠"應(yīng)包括硅片或任何其它合適形狀或形式的固 化硅。坩堝和鑄造爐在硅片制造領(lǐng)域中是眾所周知的，任何合適結(jié)構(gòu)
和操作參數(shù)組合可用于本發(fā)明至少某些實(shí)施方案中。例如，圖l說(shuō)明
了鑄造爐的加熱器102限定的圓柱形加熱室內(nèi)的坩堝100。坩堝100
部分通過(guò)碟106(如鉬或石墨碟)限定，所述碟106本身受到棒112(如 石墨棒)支撐，所述棒112安裝在加熱室底部支撐板114(如石墨支撐板) 上。熱交換器116(如氦冷卻的鉬熱交換器)延伸通過(guò)板114中間的開(kāi)口 并接合到碟106中間。盡管圖1沒(méi)有按照比例繪畫(huà)，坩堝100高度和 直徑可為約6英寸，其圓柱壁104和底部24可為約0.15英寸厚。
圖1舉例說(shuō)明坩堝100包含圓柱壁104(如石墨壁)。硅錠108 的形狀受壁104和碟106的具體形狀影響。如圖1中所示，硅片與壁 104和碟106之間存在包含脫模劑的邊界層110。邊界層110不必與 硅錠高度具有共同邊界。例如圖1實(shí)施方案中，邊界層IIO沿著壁104 進(jìn)一步延伸超過(guò)硅錠108。此外，邊界層不必具有均勻或基本均勻厚 度且不必覆蓋壁104和/或碟106的全部或基本上全部。
硅-純的或不純的(如包含摻雜劑、雜質(zhì)等)-可在坩堝中熔化，然 后固化形成錠108?；蛘?，所述硅當(dāng)?shù)谷脎釄?00時(shí)可至少部分熔化， 然后固化。固化方法可包括使用"種子"。當(dāng)硅至少部分或大部分固化 后，將坩堝壁104的溫度降低到例如低于硅的熔點(diǎn)，然后將坩堝100 和固化錠108冷卻。本文中描述的實(shí)施方案中，包含脫模劑的邊界層IIO可抑制或 防止硅錠108和坩堝壁104的接觸部分之間形成結(jié)合。 一個(gè)實(shí)施方案 中，脫模劑包括氮化硅、硅和溶劑(如水)的混合物。優(yōu)選該混合物在 混合后可為基本均勾的。將該混合物(可包含膠態(tài)懸浮體)噴射到或施 加到坩堝的至少一些石墨部件上，然后優(yōu)選在1000J000。C(更優(yōu)選 1300-1500。C)下、氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行熱處理。優(yōu)選實(shí)施方案中，將懸浮 體施加到基本所有會(huì)接觸硅的石墨。 一些實(shí)施方案中，氮?dú)鈿夥者€可 包含其它氣體，優(yōu)選惰性氣體如氬氣等。另一實(shí)施方案中，所述脫模涂層可與片鑄造法一起使用，所述 鑄造法包括具有經(jīng)機(jī)械加工的模的石墨板。例如一個(gè)實(shí)施方案中，存 在經(jīng)測(cè)量為115cm長(zhǎng)、30cm寬和0.5cm厚的石墨板。所述石墨板可 經(jīng)機(jī)械加工成每側(cè)上具有7個(gè)模具。這些?？蔀槔?.1 cm深和
16 cm2。首先，可將所述板涂布本文中所述的脫模涂層，然后將硅粉 倒入板上的模具中?？蓪⒕哂泄璧陌逋七^(guò)具有一定溫度曲線的爐，使 得硅首先熔化，然后結(jié)晶。例如， 一個(gè)示例性實(shí)施方案的合適溫度曲線可為如下。峰溫設(shè) 定值為約1500。C。熔化過(guò)程可能需要約3-5分鐘，從室溫到1415°C; 結(jié)晶過(guò)程可能需要約l-2分鐘，到達(dá)約1400°C。硅的溫度不會(huì)超過(guò)硅 的熔點(diǎn)1415。C。硅熔化(即從固體到液體)的過(guò)程需要大量能量(如溫度 從1414。C變到1415。C需要與將固體硅從室溫加熱到1414。C相同量的 能量)。這會(huì)導(dǎo)致在熔點(diǎn)處溫度穩(wěn)定直到所有硅熔化。優(yōu)選實(shí)施方案 中，硅沒(méi)有全部熔化，因此硅的溫度不會(huì)超過(guò)1415°C。片形成后，約 10分鐘內(nèi)從1400°C冷卻到約200°C。將硅片移走后，可將板旋轉(zhuǎn)，從而在所述板的反面進(jìn)行加工， 即另 一批硅可熔化并形成硅片?？啥啻沃貜?fù)該過(guò)程(如幾小時(shí))直到需 要施加新的脫才莫涂層。邊界層可抑制或防止熔融硅金屬形成碳化硅(SiC)合金，所述碳 化硅(SiC)合金可使硅錠結(jié)合到坩堝或石墨板的石墨部件。通過(guò)抑制或 防止SiC的形成，脫模涂層使得或促進(jìn)形成的硅錠較容易地從坩堝或 石墨板移走。制備后，可將所述錠切割成單獨(dú)的片或?qū)印?
—個(gè)實(shí)施方案中，所述脫模涂層包含(a)硅粉，(b)氮化硅^3>^4) 和任選(c)溶劑。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，溶劑包括水，盡管可使用其 它合適溶劑，包括例如在接觸熔融硅之前蒸發(fā)的那些溶劑(即熱處理過(guò) 程中蒸發(fā)的那些溶劑)。其它合適溶劑可包括有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑，包括例 如醇如乙醇、丙醇等。此外，其它添加劑可包含于脫模涂層中，如表 面活性劑等。 一個(gè)實(shí)施方案中，溶劑-固體重量比優(yōu)選為3:1-10:1和其 間所有子范圍，更優(yōu)選4:1-6:1和其間所有的子范圍，最優(yōu)選5:1。
—個(gè)實(shí)施方案中，所述脫模涂層包含占固體組分20-99%重量和 其間所有子范圍的硅。另一實(shí)施方案中，所述脫模涂層包含占固體組 分30-90%重量和其間所有子范圍的硅。另一實(shí)施方案中，所述脫模涂
層包含占固體組分50-85%重量和其間所有子范圍的硅。另 一實(shí)施方案 中，所述脫模涂層包含占固體組分65-75%重量和其間所有子范圍的硅。所述硅可包含粒徑分布Dso小于50lam(即50%顆粒的直徑小于 50pm)的粉。較大多晶硅粉顆粒(如平均尺寸大于100pm的顆粒)可研 磨或粉粹成較小尺寸。 一個(gè)實(shí)施方案中，所述硅可為硅研磨工序的副 產(chǎn)物。 —個(gè)實(shí)施方案中，所述脫模涂層包含占固體組分1-80%重量和 其間所有子范圍的氮化硅。另一實(shí)施方案中，所述脫模涂層包含占固 體組分10-70%重量和其間所有子范圍的氮化硅。另一實(shí)施方案中，所 述脫模涂層包含占固體組分15-50%重量和其間所有子范圍的氮化硅。 另 一 實(shí)施方案中，所述脫模涂層包含占固體組分25-35%重量和其間所 有子范圍的氮化硅。所述氮化硅可包含產(chǎn)自維斯達(dá)陶瓷(Vesta Ceramics)、商標(biāo)為 8&0^146@的粉末。例如合適氮化硅粉末的粒徑分布D5o可為小于 l(im(即50%顆粒的直徑小于lpm),比表面積大于6m2/g。
認(rèn)為高溫、氮?dú)獯嬖谙碌杩纱龠M(jìn)硅粉轉(zhuǎn)變成氮化硅。硅 粉通常沒(méi)有氮化硅粉貴。某些實(shí)施方案中，硅和氮化硅的混合物可包 含其它成分，條件是當(dāng)在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行熱處理時(shí)那些其它成分部分 沒(méi)有明顯抑制氮化硅的形成(即不會(huì)本質(zhì)影響所得脫模涂層的性能)。
應(yīng)該注意的是本文中描述和提出的所有數(shù)值和數(shù)值范圍是近 似值且包括一定程度的變化。盡管已結(jié)合目前認(rèn)為是最可行和優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn) 行描述，應(yīng)理解的是本發(fā)明不局限于已述實(shí)施方案，相反，將包括 包含于附錄權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種改進(jìn)和等同排列。
權(quán)利要求
1.一種制備包含硅的錠(108)或片的方法，所述方法包括以下步驟制備包含如下的混合物(a)包含(i)30-90％重量硅和(ii)10-70％重量氮化硅的固體組分和(b)水；將所得混合物施加到適合形成所述包含硅的錠(108)或片的坩堝(100)或石墨板；在1300-1500℃下、氮?dú)鈿夥罩袑?duì)所述混合物進(jìn)行熱處理；將硅倒入坩堝(100)或石墨板中；使所述硅熔化；將所述坩堝(100)或石墨板冷卻直到所述硅固化；和將所述包含硅的錠(108)或片從所述坩堝或石墨板移走。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述混合物的水-固體重量比為 3:1-10:1。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中所述固體組分包含(i) 65-75%重量硅 和(ii) 25-35%重量氮化硅。
4. 一種用于制備脫模涂層的膠態(tài)混合物，所述膠態(tài)混合物主要由 以下組分纟且成(a)包含(i)30-90。/o重量硅和(ii)10-70。/。重量氮化硅的固體組分；和 (b)包含水的液體組分。其中所述固體組分與液體組分的液-固重量比為3:1-10:1。
5. 權(quán)利要求4的膠態(tài)混合物，其中所述固體組分與液體組分的液 -固重量比為4:1-6:1。
6. 權(quán)利要求4的膠態(tài)混合物，其中所述硅包含粒徑分布Dso小于 50|im的粉末。
7. 權(quán)利要求5的膠態(tài)混合物，其中所述氮化硅包含粒徑分布D50 小于l(im的粉末。2
8. 權(quán)利要求7的膠態(tài)混合物，其中所述(a)固體組分包含(i) 50-85% 重量硅和(ii) 15-50%重量氮化硅。
9. 權(quán)利要求8的膠態(tài)混合物，其中所述(a)固體組分包含(i) 65-75% 重量硅和(ii)25-35。/。重量氮化硅。
全文摘要
一種制備脫模涂層的方法，所述方法包括以下步驟制備包含如下組分的混合物(a)包含(i)20-99％重量硅和(ii)1-80％重量氮化硅的固體組分和(b)溶劑；將所得混合物施加到適合形成包含硅的錠或片的坩堝或石墨板的內(nèi)部；在1000-2000℃、氮?dú)鈿夥罩袑?duì)所述混合物進(jìn)行熱處理。本發(fā)明還可涉及脫模涂層和制備硅錠或片的方法，所述方法包括使用脫模涂層。
文檔編號(hào)B22C3/00GK101357393SQ20081010898
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月2日
發(fā)明者R·容奇克 申請(qǐng)人:通用電氣公司