中國粉體網(wǎng)訊  在單晶硅生產(chǎn)中，石英坩堝是一次性使用的用于熔硅和晶體生長的關(guān)鍵材料，對(duì)單晶硅的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量都有著直接的重要影響。石英坩堝具有多層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁氣泡含量不同，石英坩堝的原材料純度、耐溫、耐久性等是單晶品質(zhì)的重要影響因素。

直拉單晶硅用石英坩堝

來源：胡澤晨等.石英砂的提純技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

氣泡對(duì)石英坩堝質(zhì)量的潛在影響

石英坩堝為半透明狀，分為外層，也叫氣泡復(fù)合層（不透明層，氣泡含量較多），以及中內(nèi)層，也叫氣泡空乏層（真空透明層，不含氣泡，3~5mm）兩層結(jié)構(gòu)。外層需要把來自加熱器的熱量均勻散射，所以需要規(guī)定數(shù)量和大小的氣泡，從而對(duì)硅熔體均勻加熱；中內(nèi)層是一層3-5mm的透明層，成為氣泡空乏層，對(duì)高純石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。石英坩堝的內(nèi)壁因?yàn)榕c硅熔體接觸，在高溫狀態(tài)下，若內(nèi)壁存在氣泡，氣泡會(huì)導(dǎo)致氣體和雜質(zhì)從坩堝內(nèi)釋放到熔體中從而擾亂到單晶硅的生長。那么石英坩堝中的氣泡是怎么來的呢？它又如何去除呢？

如何除去石英坩堝中的氣泡？

原來，在石英坩堝成型過程中，由于溫度極高，石英表面液體包裹體會(huì)吸收膨脹，使坩堝表面充滿氣泡裂紋，影響到坩堝質(zhì)量。故類質(zhì)同象金屬雜質(zhì)及氣液包裹體通常被認(rèn)為是石英坩堝用高純石英砂最主要的技術(shù)指標(biāo)。因此，要想保持石英坩堝質(zhì)量的穩(wěn)定性，必須將石英坩堝的原料高純石英砂中的氣液包裹體控制在較低水平。

礦物包裹體是礦物成礦過程中被包裹在主礦物晶格缺陷中的成巖成礦流體（包括氣體、液體及硅酸鹽熔融體），且與主礦物存在明顯相界限。通常把液相（或氣相）填充度不小于60％的包裹體稱之為液體（或氣體）包裹體。

透明層氣泡對(duì)石英坩堝的影響示意圖

來源：胡澤晨等.石英砂的提純技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

石英氣液包裹體主要去除方法為：破碎磨礦、高溫氯化脫氣法、差異腐蝕法、熱或冷爆裂法、微波法等。

破碎、磨礦

破碎與磨礦工藝也是暴露、去除氣液包裹體的常見方法。破碎與磨礦工藝能夠一定程度上選擇性暴露次生、假次生流體包裹體，利用浮選直接分離整個(gè)石英顆粒，或利用水/酸浸出分離表面雜質(zhì)。但這些工藝對(duì)高品質(zhì)石英中微小原生包裹體的選擇性低。

高溫氯化脫氣法

在高溫條件下，氣液包裹體在氯氣與礦物表面作用產(chǎn)生化學(xué)位梯度的促使下擴(kuò)散出去。將石英砂加熱到1000~1200℃并向其通入Cl₂和HCl混合氣體，在高溫條件下使Cl₂和雜質(zhì)離子發(fā)生反應(yīng)，生成的氣態(tài)鹽類從石英晶體微裂紋處排出，從而達(dá)到提純的效果。美國的尤尼明公司就是主要采用此技術(shù)生產(chǎn)高純石英砂，在這項(xiàng)技術(shù)上尤尼明公司一直處于國際領(lǐng)先的地位。

酸堿差異腐蝕法

酸堿差異腐蝕法是通過石英晶體與氣液包裹體在酸和堿的腐蝕下有著不同的腐蝕速率，從而使其去除氣液包裹體。張仕軒利用差異腐蝕方法發(fā)現(xiàn)，石英樣品粒度越細(xì)，其雜質(zhì)去除效果越顯著。

冷或熱爆裂法

冷或熱爆裂法是通過加熱石英晶體，使其處于高溫的條件下，則石英晶體與其中的氣液包裹體界面將會(huì)產(chǎn)生極大的壓力差。這極大壓力差將會(huì)使石英晶體內(nèi)的氣液包裹體炸裂，從而使石英晶體內(nèi)的氣液包裹體達(dá)到去除的效果。

其中熱爆裂法是將石英礦石先經(jīng)馬弗爐高溫煅燒，再遇冷水使其炸裂成小顆粒的石英砂，并將其中大部分的氣液包裹體氣化后從石英砂壁的裂紋中排出的方法。熱爆裂法的原理是當(dāng)石英礦石處于高溫條件下，基體的熱膨脹系數(shù)比包裹在內(nèi)部的氣液包裹體的小，在二者界面間產(chǎn)生極大的壓力差使得氣液包裹體從砂粒壁裂紋處爆裂而出，再經(jīng)清洗工藝去除氣液包裹體。

微波法

微波能夠選擇性地對(duì)石英的氣液包裹體進(jìn)行加熱消解，達(dá)到去除氣液包裹體的目的。微波是一種交變電磁波，具有獨(dú)特的選擇性加熱、可以使高介電常數(shù)物質(zhì)在幾分鐘內(nèi)加熱到較高的溫度，因而微波對(duì)去除介電常數(shù)有較大差異的雜質(zhì)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)微波穿過石英砂時(shí)，SiO2基本不吸波，但氣液包裹體中的小分子受熱，其熵焓值提高，分子之間產(chǎn)生劇烈碰撞摩擦，氣液包裹體的空間一定，從而使其內(nèi)部壓力不斷上升，達(dá)到一定的壓強(qiáng)后砂粒壁內(nèi)外產(chǎn)生強(qiáng)大的壓強(qiáng)差，形成較大的剪切應(yīng)力促使砂粒壁炸裂，氣液包裹體從裂紋中逸出，從而達(dá)到剔除氣液包裹體的目的。

參考來源：

叢金瑤.幾種偉晶巖石英的礦石學(xué)特征及雜質(zhì)去除工藝研究

石星宇.連續(xù)拉晶下石英坩堝內(nèi)氣泡變化規(guī)律及晶棒的性能研究

胡澤晨等.石英砂的提純技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

侯清麟等.石英砂結(jié)構(gòu)組成性雜質(zhì)剔除技術(shù)現(xiàn)狀

侯清麟等.剔除硅石礦中氣液包裹體方法的研究

中金點(diǎn)睛.中金·聯(lián)合研究 | 追光深度系列01：詳解光伏石英坩堝

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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