中國粉體網(wǎng)訊 石英坩堝屬于石英玻璃制品中的細(xì)分產(chǎn)品，具有潔凈、同質(zhì)、耐高溫等性能。從物理熱學(xué)性能上看，它的形變點約為1,100℃左右，軟化點為1,730℃，其最高連續(xù)使用溫度為1,100℃，短時間內(nèi)可為1,450℃。目前廣泛應(yīng)用于太陽能和半導(dǎo)體領(lǐng)域提煉晶體硅的生產(chǎn)工藝中，是晶體硅生產(chǎn)過程中的消耗品。
石英坩堝的制備特點及發(fā)展趨勢
電弧法是制備石英坩堝的主流制備技術(shù)
目前，拉單晶的石英坩堝一般是采用電弧法生產(chǎn)，其原理為：將高純石英粉裝入可任意傾動角度的旋轉(zhuǎn)成型模內(nèi)，利用離心力成型，將已成坩堝形的旋轉(zhuǎn)著的裝置移動至電極棒處，然后將電極送電啟弧，同時啟動真空系統(tǒng)，使其快速熔化成坩堝形狀的熔融石英，經(jīng)冷卻后取出，即完成一個石英坩堝的熔制。
石英坩堝應(yīng)用于單晶拉制
石英坩堝生產(chǎn)流程
來源：歐晶科技
石英坩堝呈現(xiàn)內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)
早期的石英坩堝是全透明的結(jié)構(gòu)，這種透明的結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致不均勻的熱傳輸條件，增加晶棒生長的難度，且均勻的結(jié)構(gòu)對高品質(zhì)的高純石英砂需求較大，成本較高，因此這種石英坩堝的制備方法基本被淘汰。
電弧法制備的石英坩堝為半透明狀，有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外層是高氣泡密度的區(qū)域，稱為氣泡復(fù)合層。氣泡復(fù)合層受熱較均勻，保溫效果較好；內(nèi)層是一層3-5mm的透明層，稱為氣泡空乏層。氣泡空乏層的存在使坩堝與溶液接觸區(qū)的氣泡密度降低，從而改善單晶生長的成功率及晶棒品質(zhì)。
石英坩堝分為透明層和不透明層
石英坩堝的發(fā)展方向
由于下游行業(yè)對于石英坩堝的純度、潔凈度、精度具有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，同時大硅片的演進(jìn)也對坩堝產(chǎn)品提出更高的要求，石英坩堝工藝技術(shù)一直向“高純度、大尺寸、低成本、長壽命”方向發(fā)展，行業(yè)內(nèi)企業(yè)須要具備較長時間的技術(shù)經(jīng)驗積累，逐漸提高產(chǎn)品尺寸、純度和其他性能指標(biāo)。
石英坩堝用高純石英砂的要求
高純石英砂是石英坩堝核心原材料，其純度顯著影響拉晶效果。
拉晶的過程中，石英坩堝內(nèi)部的羥基、雜質(zhì)元素和氣泡的含量將會影響硅棒的質(zhì)量和石英坩堝的使用壽命，其中工藝路線能夠改善羥基的含量，但雜質(zhì)與氣泡的含量更多依賴于石英砂本身的純度。
羥基（-OH）含量：坩堝中的羥基（-OH）是影響坩堝強(qiáng)度的核心因素，由于羥基的存在，改變了SiO2的鍵合結(jié)構(gòu)，致使坩堝的耐溫性能大幅降低，例如坩堝中的羥基含量超過150ppm，1050攝氏度就會開始軟化變形，無法正常使用。坩堝中的羥基含量主要與坩堝制備所選取的工藝路線直接相關(guān)，也與環(huán)境濕度以及原料選取等有關(guān)。
雜質(zhì)含量：石英砂的流體包裹體和晶格雜質(zhì)中的堿性離子的存在是導(dǎo)致石英坩堝析晶的主要因素，尤其是堿金屬離子的存在，將會降低析晶溫度200-300℃，導(dǎo)致析晶加速。石英坩堝內(nèi)壁發(fā)生析晶時有可能破壞坩堝內(nèi)壁原有的涂層，將導(dǎo)致涂層下面的氣泡層和熔硅發(fā)生反應(yīng)，造成部分顆粒狀氧化硅進(jìn)入熔硅內(nèi)，使得正在生長中的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變異而無法正常長晶。此外，析晶將減薄石英坩堝原有的厚度，降低了坩堝的強(qiáng)度，容易引起石英坩堝的變形。因此石英砂純度對拉晶質(zhì)量有較大程度的影響。
氣泡（氣體包裹體）含量：氣泡（氣液包裹體）主要由結(jié)晶水和氣組成，氣的成分主要有CO2、H2O、H2O2、N2、CH4、CO。在坩堝使用過程中，由于與硅液接觸的內(nèi)表面不斷向硅液中熔解，并且伴隨著透明層中的微氣泡不斷的長大，靠近最內(nèi)表面的氣泡破裂，伴隨著硅液釋放石英微顆粒以及微氣泡。而這些雜質(zhì)會以微顆粒以及微氣泡的形式伴隨著硅液流遍整個硅熔體，直接影響到硅的成晶（整棒率、成晶率、加熱時間、直接加工成本等）以及單晶硅的質(zhì)量（穿孔片、黑芯片等）。目前，通過使用低氣泡密度的高純度石英砂作為石英坩堝的內(nèi)層，可有效減少內(nèi)表面氣泡破裂現(xiàn)象，為長時間拉晶（如多次復(fù)投料）提供保障。
坩堝內(nèi)氣泡對硅熔體影響機(jī)理
石英坩堝中內(nèi)層對高純石英砂要求更嚴(yán)苛。
坩堝生產(chǎn)環(huán)節(jié)用高純石英砂標(biāo)準(zhǔn)較光伏玻璃石英砂更嚴(yán)苛。光伏坩堝用石英砂純度需達(dá)到99.998%，光伏生產(chǎn)環(huán)節(jié)用（如清洗環(huán)節(jié)）石英制品純度要求為99.99%以上，均高于光伏玻璃石英砂98.55%的純度要求。
目前，石英坩堝內(nèi)涂層對高純石英砂純度要求更高，純度等級需要達(dá)到4N8（SiO2=99.998%），而石英坩堝外涂層、石英管、石英棒、石英舟和石英錠等產(chǎn)品達(dá)到4N5即可。
石英坩堝中內(nèi)層對高純石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。坩堝最內(nèi)表層是指透明層中最靠近內(nèi)表面1-2mm的部分。坩堝對硅液起作用的機(jī)理是，由于與硅液接觸的內(nèi)表面不斷向硅液中熔解，并且伴隨著透明層中的微氣泡不斷的長大，靠近最內(nèi)表面的氣泡破裂，伴隨著硅液釋放石英微顆粒以及微氣泡。而這些雜質(zhì)會以微顆粒以及微氣泡的形式伴隨著硅液流遍整個硅熔體，直接影響到硅的成晶（整棒率、成晶率、加熱時間、直接加工成本等）以及單晶硅的質(zhì)量（穿孔片、黑芯片等）。
《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2018年版）》明確提出半導(dǎo)體級電弧石英坩堝，規(guī)格：14~24寸；內(nèi)層純度：所有金屬雜質(zhì)含量＜12ppm；強(qiáng)度：1500度高溫變形率＜2%；壽命可達(dá)200小時。
目前，國內(nèi)適用于光伏、半導(dǎo)體純度等級的高純石英砂產(chǎn)能有限。石英坩堝內(nèi)層砂仍以國外進(jìn)口為主。而連續(xù)多次投料等拉晶發(fā)展方向?qū)κ⑸凹兌忍岢龈咭�。尋找高品質(zhì)石英礦源、提升提純技術(shù)尤為迫切。
未來，隨著國內(nèi)在坩堝尺寸、純度、拉晶時間和拉晶次數(shù)等方面的提升。以及國內(nèi)石英坩堝具有一定的成本優(yōu)勢，石英坩堝國產(chǎn)替代將進(jìn)步加速。
參考資料：
內(nèi)蒙古歐晶科技股份有限公司招股說明書
李可倫等.高純石英砂行業(yè)深度報告
孫穎等.高純石英砂行業(yè)深度：詳析壁壘、供需和格局
長江證券.高純石英砂應(yīng)用現(xiàn)狀、工藝壁壘和市場展望
李蓉蓉.坩堝氣泡特征檢測與計量方法研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！
