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石英坩堝在單晶硅行業(yè)的應(yīng)用
目前，國(guó)內(nèi)拉制半導(dǎo)體單晶硅和拉制光伏單晶硅常用的是石英坩堝配合石墨坩堝同時(shí)進(jìn)行的，制造單晶硅所用的石英坩堝規(guī)格通常是18英寸-36英寸的，也有個(gè)別廠家使用40英寸及以上的太陽能級(jí)石英坩堝或半導(dǎo)體級(jí)石英坩堝。
▲拉制單晶硅的石英坩堝
當(dāng)前國(guó)內(nèi)石英坩堝生產(chǎn)大廠的坩堝生產(chǎn)技術(shù)都比較成熟，大多采用電弧熔制法配合旋轉(zhuǎn)塑模法制作拉制單晶硅棒的石英坩堝，該方法是利用旋轉(zhuǎn)帶來的離心力使高純石英砂在潔凈環(huán)境中堆積于具有坩堝形狀模具的內(nèi)表面，再通過電弧放電加熱使堆積于內(nèi)表面的石英粉熔融、玻璃化，并最終成形為呈現(xiàn)半透明狀拉制單晶硅石英坩堝。生產(chǎn)拉制單晶硅石英坩堝具有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，由于石英坩堝內(nèi)層影響最終的單晶硅片質(zhì)量，所以一般采用進(jìn)口美國(guó)高純石英砂或挪威高純石英砂，石英坩堝外層主要用來散熱，所以使用國(guó)產(chǎn)石英砂通常就能滿足需求。
拉制單晶硅的石英坩堝的不足之處
由于經(jīng)涂層技術(shù)處理后石英坩堝僅能一次性使用，每拉制一爐單晶硅就需要更換一個(gè)石英坩堝�？梢赃@么說，石英坩堝就是用來裝高溫狀態(tài)下硅原料的容器件，是光伏硅片和半導(dǎo)體硅片加工環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵耗材，也是硅片品質(zhì)的重要保障，所以說石英坩堝是拉制單晶硅棒不可或缺的耗材和剛需。
當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)占據(jù)超過60%的單晶硅片需求量，但是近兩年由于新能源太陽能光伏電池行業(yè)需求大爆發(fā)，進(jìn)口高純石英砂和國(guó)產(chǎn)高純石英砂在新能源太陽能光伏電池行業(yè)需求推動(dòng)下，石英砂價(jià)格一路上行，進(jìn)口高純石英砂因?yàn)樵蠅艛喔窬�，價(jià)格更是蹭蹭往上漲。據(jù)業(yè)內(nèi)資深人士透露，由于石英砂原料價(jià)格上漲，目前一個(gè)石英坩堝的價(jià)格在1.2萬元左右，大約是去年同期的3倍還多。
▲石英坩堝配合石墨坩堝同時(shí)應(yīng)用于拉制單晶硅棒
受進(jìn)口高純石英砂原料壟斷格局的影響，石英坩堝不僅價(jià)格高而且質(zhì)脆易破，在使用溫度下易軟化，需配合石墨坩堝同時(shí)使用，這種石英坩堝+石墨坩堝方式廣泛應(yīng)用于太陽能和半導(dǎo)體領(lǐng)域拉制大直徑單晶硅棒的生產(chǎn)工藝中，石英坩堝+石墨坩堝方式支持高溫條件下連續(xù)拉制大直徑單晶硅棒的生產(chǎn)工藝不僅造成資源浪費(fèi)，增加回收成本，同時(shí)增加了單晶硅的生產(chǎn)成本，不利于單晶硅氧含量的降低和太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)化效率的提升。
尋找新的材料，開發(fā)節(jié)能降耗的坩堝，以降低單晶硅生產(chǎn)成本、提高單晶硅片的品質(zhì)與電池的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前太陽能光伏行業(yè)和半導(dǎo)體單晶硅片行業(yè)內(nèi)研究和產(chǎn)業(yè)化關(guān)注的重點(diǎn)。
氮化硅坩堝是拉制單晶硅棒或熔煉多晶硅錠中使用的石英坩堝升級(jí)迭代產(chǎn)品
在單晶硅或多晶硅鑄造過程中，影響多晶硅錠或單晶硅棒質(zhì)量的主要是雜質(zhì)，雜質(zhì)的一個(gè)主要來源是熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒中使用的石英坩堝，液態(tài)硅在高溫下嚴(yán)重侵蝕石英坩堝，其反應(yīng)方程式如下：
Si+SiO2→2SiO
部分SiO從硅熔體表面揮發(fā)，部分SiO在硅熔體中分解，其反應(yīng)方程式如下：
SiO→Si+O
石英分解的氧便進(jìn)入熔體中，最終引入硅晶體，石英分解的氧成為影響多晶硅錠或單晶硅棒質(zhì)量的有害物質(zhì)。
在單晶硅或多晶硅鑄造過程中，熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒中如果直接使用氮化硅坩堝，則不存在石英坩堝此類情況。氮在硅晶體中不是一種重要雜質(zhì)，在物理法多晶硅的生產(chǎn)過程中還有不少?gòu)S家是使用氮?dú)獗Ｗo(hù)，由于氮氧復(fù)合體是淺能級(jí)，且氮的固溶度很低，所以對(duì)單晶硅或多晶硅材料影響不大。
氮化硅是強(qiáng)共價(jià)化合物，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐高溫性能及致密性好；氮化硅自擴(kuò)散系數(shù)低，抗雜質(zhì)擴(kuò)散和防水汽滲透能力強(qiáng)；氮化硅具有良好的抗腐蝕、抗氧化、耐摩擦、自潤(rùn)滑等性能；氮化硅不與熔融硅Si發(fā)生反應(yīng)，與Si硅熔液不粘連，具有優(yōu)異的抗侵蝕性和可脫離性。
目前單晶硅和多晶硅燒結(jié)工藝，是向石英坩堝內(nèi)壁噴涂一層高純氮化硅粉制成的漿料，其作用一是便于成品脫膜；二是提高制成品的透明度和色澤的一致性。
在導(dǎo)熱性能方面，拉制單晶硅的石英坩堝與無氧氮化硅坩堝顯然不在一個(gè)層級(jí)上。無氧氮化硅坩堝導(dǎo)熱系數(shù)最高幾十倍于石英坩堝，使用高純度高導(dǎo)熱無氧氮化硅坩堝替代石英坩堝，在拉制單晶硅時(shí)可以大幅壓縮熔硅時(shí)間和隨爐冷卻時(shí)間，不僅生產(chǎn)效率得以提高，而且用電量也得以減少，節(jié)省能源和生產(chǎn)運(yùn)行成本。
與石英坩堝相比，可重復(fù)使用的高純度高導(dǎo)熱無氧氮化硅坩堝還具有優(yōu)異高溫性能和抗熱震性，而優(yōu)異高溫性能和抗熱震性為實(shí)現(xiàn)連續(xù)拉晶投料提供了有效的性能保障，連續(xù)拉晶投料不僅可以實(shí)現(xiàn)縮短單晶硅制備時(shí)間周期，提高產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，而且還避免了反復(fù)進(jìn)行熔硅、降溫開爐等工序，也將使拉制單晶硅的用電量進(jìn)一步降低。
使用的氮化硅坩堝熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒有如此多優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)已有廠家在熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒的石英坩堝上使用氮化硅涂層，由此可以說，一步到位無需氮化硅涂層，可重復(fù)利用的高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝是熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒中使用的石英坩堝升級(jí)迭代產(chǎn)品。
氮化硅坩堝與石英坩堝的物理性能指標(biāo)對(duì)比
可重復(fù)利用的高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝助力我國(guó)單晶硅行業(yè)發(fā)展
威海圓環(huán)先進(jìn)陶瓷股份有限公司是一家專業(yè)從事Si3N4可重復(fù)利用的高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝、高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷基板、氮化硅微珠、氮化硅陶瓷球、氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件、氮化硅陶瓷磨介等系列氮化硅精密陶瓷材料的生產(chǎn)企業(yè)。
▲威海圓環(huán)生產(chǎn)的可重復(fù)利用的高純度高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝
威海圓環(huán)為突破現(xiàn)有的氮化硅坩堝尺寸及熱導(dǎo)率，現(xiàn)已開發(fā)出可在太陽能光伏新能源行業(yè)和集成電路芯片半導(dǎo)體領(lǐng)域重復(fù)利用的高純度高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝。威海圓環(huán)制備的高純度、高熱導(dǎo)氮化硅坩堝，可重復(fù)多次使用，避免了石英坩堝一次性使用造成的資源浪費(fèi)，且其高熱導(dǎo)及耐高溫性能優(yōu)越，抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度高可以替代石英坩堝+石墨坩堝的雙層作用，可降低單晶硅棒的氧含量，不僅提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，而且對(duì)單晶硅性能起到積極作用，極大地提高硅晶圓產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。
威海圓環(huán)制備的可重復(fù)多次使用的高純度、高熱導(dǎo)氮化硅坩堝可以實(shí)現(xiàn)與硅錠輕松脫落不粘硅，并能大幅提高單晶硅棒制成品的色澤的一致性和透明度。
威海圓環(huán)的無氧氮化硅坩堝可以制備出氧含量極低的高品質(zhì)單晶硅棒，可以完全克服由于石英坩堝中氧原子對(duì)單晶硅棒的氧施主效應(yīng)的缺陷，以及硼氧復(fù)合體存在所造成太陽能光伏電池的光致衰減等固有缺點(diǎn)。
然而，目前燒結(jié)大尺寸氮化硅陶瓷坩堝需要大口徑和壓力的冷等靜壓機(jī)和爐體內(nèi)腔尺寸足夠大的氣氛氣壓燒結(jié)爐等各種成型方式大型專業(yè)設(shè)備。更大規(guī)格的坩堝需要更大腔體的燒結(jié)爐來燒結(jié)制成，特大型專業(yè)設(shè)備限制了大口徑大尺寸氮化硅陶瓷坩堝的生產(chǎn)和使用。因此，購(gòu)置和開發(fā)出符合要求的特大尺寸的成型和燒結(jié)專業(yè)裝備是當(dāng)務(wù)之急。
威海圓環(huán)可重復(fù)利用的高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝可以按照用戶特殊要求定制。關(guān)于大尺寸、超大尺寸可重復(fù)利用的高純度高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝性能、規(guī)格、技術(shù)參數(shù)，配套氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件等問題——威海圓環(huán)隨時(shí)歡迎各位同行、各位同仁交流探討！我們一起解決問題，一起學(xué)習(xí)各種設(shè)備或大型工業(yè)裝置關(guān)鍵部件改進(jìn)新技術(shù)、新方法。
威海圓環(huán)多年來與國(guó)內(nèi)在精密陶瓷材料領(lǐng)域具有一定權(quán)威和建樹的高等院校和科研機(jī)構(gòu)建立了校企研發(fā)合作關(guān)系，擁有了一批多年從事研制、開發(fā)的中高級(jí)技術(shù)人員和管理人員，使我們具有精湛的技術(shù)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、高效的管理水平。威海圓環(huán)公司研發(fā)及生產(chǎn)測(cè)試團(tuán)隊(duì)具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，核心工程師擁有十余年的精密陶瓷技術(shù)積累和強(qiáng)大的應(yīng)用開發(fā)能力。威海圓環(huán)始終致力于高性能及高可靠性氮化硅陶瓷設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)銷售，打造可重復(fù)利用的高熱導(dǎo)氮化硅陶瓷坩堝生產(chǎn)領(lǐng)軍品牌，持續(xù)通過技術(shù)創(chuàng)新為客戶及時(shí)提供高性價(jià)比的氮化硅陶瓷材料產(chǎn)品和服務(wù)。
