中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石英坩堝主要應(yīng)用于光伏和半導(dǎo)體領(lǐng)域，是拉制大直徑單晶硅棒的消耗性器皿，對(duì)拉晶質(zhì)量有著重要影響。然而，石英坩堝在熔制和使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響拉晶效果，如果石英坩堝雜質(zhì)含量高或者有氣泡，就會(huì)導(dǎo)致硅片良率降低，甚至幾百萬(wàn)的產(chǎn)品都會(huì)報(bào)廢，付諸東流。
微氣泡
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)。坩堝透明層微氣泡含量的控制會(huì)影響坩堝壽命的長(zhǎng)短。在高溫熔制下，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長(zhǎng)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(huì)以微顆粒以及微氣泡的形式伴隨著硅液流遍整個(gè)硅熔體直接影響到硅的成晶(整棒率、成晶率、加熱時(shí)間、直接加工成本等)以及單晶硅的質(zhì)量(穿孔片、黑芯片等)。
透明層氣泡對(duì)石英坩堝的影響示意圖
來(lái)源：胡澤晨等.石英砂的提純技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)
在石英坩堝成型過(guò)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。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(zhǎng)。
來(lái)源：歐晶科技
產(chǎn)生原因：
石英顆�？p隙之間存在空氣；石英砂中存在氣液包裹體。
解決方案：
（1）優(yōu)化石英坩堝的生產(chǎn)工藝，調(diào)整坩堝熔制過(guò)程中的工藝參數(shù)，通過(guò)各個(gè)參數(shù)的精密調(diào)整和配合，進(jìn)一步減少石英砂之間的氣體被包裹在透明層中；
（2）選用高質(zhì)量的、氣液包裹體含量少的石英砂，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。
析晶
石英坩堝在高溫下具有趨向變成二氧化硅的晶體（方石英）。這個(gè)過(guò)程稱為再結(jié)晶，也稱為“失透”，通常也稱為“析晶”。析晶通常發(fā)生在石英坩堝的表層。
由于采用低檔次石英砂或者在生產(chǎn)制程中的污染而帶來(lái)的坩堝中的雜質(zhì)含量過(guò)高，往往會(huì)帶來(lái)石英坩堝在本體上的析晶，如果析晶靠近內(nèi)表面，則由于局部的析晶殼層過(guò)厚而極易脫落使單晶拉制無(wú)法繼續(xù)。如果析晶造成外壁較厚的析晶，這種現(xiàn)象往往伴隨著坩堝外壁在析晶前期已經(jīng)過(guò)度軟化貼緊石墨坩堝，而極易產(chǎn)生在底部或者弧度的鼓包現(xiàn)象。如果這種析晶有可能貫穿坩堝本體的話，就會(huì)引起漏硅等一系列嚴(yán)重后果。
來(lái)源：歐晶科技
產(chǎn)生原因：
析晶主要原因是石英坩堝內(nèi)外表面容易沾污，引起雜質(zhì)離子的局部聚集，特別是堿離子，如K、Na、Li、Ca、Mg等高溫后引起粘度降低，促使失透加速，形成析晶。
（1）員工在操作過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)不規(guī)范，如在石英坩堝檢驗(yàn)與裝料過(guò)程中，帶入汗水、口水、油污及塵埃等。石英坩堝的生產(chǎn)、清洗及包裝過(guò)程中受到沾污會(huì)使石英坩堝發(fā)生析晶現(xiàn)象。
（2）石英坩堝本身質(zhì)量存在問(wèn)題，石英坩堝的幾何尺寸和外觀是生產(chǎn)工藝決定的，而純度是由原料決定的。石英坩堝所用高純石英砂原料要求純度高、一致性好及粒度分布均勻等。當(dāng)石英坩堝內(nèi)部有害成分較高時(shí)，會(huì)影響坩堝的熔制與耐溫性，甚至還會(huì)出現(xiàn)氣泡、色斑、脫皮等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響石英坩堝質(zhì)量。
（3）坩堝未經(jīng)徹底煅燒或受到沾污后繼續(xù)投入使用；用于拉晶的原料純度低，所含雜質(zhì)太多（酸、堿離子的殘留）或清洗工藝不盡完善等，這對(duì)坩堝的正常使用影響也非常大，主要表現(xiàn)在容易發(fā)生嚴(yán)重析晶；熔料時(shí)溫度過(guò)高或多次回熔致使石英坩堝長(zhǎng)時(shí)間處在高溫中也將加重析晶的程度。
解決方案：
（1）在單晶拉制生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程中必須嚴(yán)格按照工藝規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)操作；
（2）石英坩堝的生產(chǎn)廠商要保證其生產(chǎn)的坩堝從用料到生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均符合質(zhì)量要求；
（3）拉晶所用的原料純度一定要符合標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的要求，且原料的清洗質(zhì)量也要符合工藝要求，避免硅料表面酸、堿殘留；
（4）新的石墨器件，如石墨坩堝因含有一定的灰粉和其它雜質(zhì)，在投入使用前須經(jīng)徹底的高溫煅燒才能使用；
（5）熔料時(shí)選用合適的熔料溫度以減少或降低析晶的程度。
變形
在熔料過(guò)程中常常發(fā)生石英坩堝變形的現(xiàn)象，這不但影響正常拉晶，嚴(yán)重時(shí)將無(wú)法拉晶。石英坩堝變形后，在拉晶過(guò)程中隨著堝位的上升，石英坩堝變形的凸出部分將碰撞到導(dǎo)流筒，輕則影響正常拉晶，嚴(yán)重時(shí)將無(wú)法拉晶；熔料中發(fā)生掛邊，會(huì)造成石英坩堝變形，坩堝上口向內(nèi)凸出過(guò)多，當(dāng)熔完料堝位上升到引晶位置時(shí)，已碰撞到導(dǎo)流筒，這將直接導(dǎo)致不能拉晶的嚴(yán)重后果。
產(chǎn)生原因：
（1）羥基含量過(guò)高，羥基含量是影響坩堝強(qiáng)度的核心因素，羥基會(huì)改變SiO2的鍵合結(jié)構(gòu)，致使坩堝的耐溫性能大幅降低。若坩堝中的羥基含量超過(guò)150ppm，1050攝氏度就會(huì)開(kāi)始軟化變形；
（2）析晶現(xiàn)象，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；
（3）裝料方法不當(dāng)，在液位以上的料與石英坩堝的接觸呈面接觸狀態(tài)，這在熔料過(guò)程中容易發(fā)生掛邊導(dǎo)致坩堝變形。坩堝最上部全部裝了碎小細(xì)料，這在熔料時(shí)易發(fā)生下部已溶完，上部呈結(jié)晶狀態(tài)而造成坩堝變形；
（4）熔料方法不當(dāng)；
（5）熔料溫度過(guò)高或者熔料溫度過(guò)低。
解決方案：
（1）裝填塊料時(shí)，在液位線以下，應(yīng)盡量裝的密實(shí)一些，在中下部塊料和堝
壁應(yīng)采取面接觸為好。在液位線以上的塊料應(yīng)以點(diǎn)接觸面為好，以免在溶料中發(fā)生因掛邊而將石英坩堝向內(nèi)拉彎造成變形。在裝填細(xì)小碎料時(shí)，應(yīng)盡量將小料裝入坩堝的中下部，不要在坩堝的最上面全部倒入碎料，在裝料時(shí)可留部分塊料放在小料的最上面。這樣當(dāng)下部原料溶完時(shí)，上部的塊料靠自身的重力將碎料一起帶下去。
（2）在熔料方法上，應(yīng)根據(jù)熱屏吊掛的方式采取相應(yīng)的措施來(lái)避免因溶料方法不當(dāng)而發(fā)生變形。
（3）選擇合適的熔料溫度。
鼓包
坩堝所用石英砂的雜質(zhì)含量，決定了坩堝的強(qiáng)度。雜質(zhì)含量高的石英坩堝高溫強(qiáng)度低，易變形，直接對(duì)單晶拉制構(gòu)成影響。石英坩堝變形后，在拉晶過(guò)程中隨著堝位的上升，石英坩堝變形的凸出部分將碰撞到導(dǎo)流筒，輕則影響正常拉晶，嚴(yán)重時(shí)將無(wú)法拉晶；熔料中發(fā)生掛邊，會(huì)造成石英坩堝變形，坩堝上口向內(nèi)凸出過(guò)多，當(dāng)熔完料堝位上升到引晶位置時(shí)，已碰撞到導(dǎo)流筒，這將直接導(dǎo)致不能拉晶的嚴(yán)重后果；熔料中發(fā)生鼓包且鼓包較大時(shí)，在拉晶過(guò)程中隨著液位的下降，鼓包會(huì)漸漸露出液面，這時(shí)已經(jīng)拉出的晶棒會(huì)碰擦鼓包，如不及時(shí)停爐會(huì)發(fā)生晶棒跌落的情況。
產(chǎn)生原因：
（1）石英砂雜質(zhì)含量過(guò)高、粘度較低；
（2）石英坩堝外表面析晶嚴(yán)重，造成反應(yīng)產(chǎn)生的氣體聚集；
（3）燒煉溫度過(guò)高，石英坩堝在高溫下會(huì)變軟，如果燒煉溫度超過(guò)其耐溫極限，它就會(huì)畸變、變形，甚至出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；
（4）石英坩堝因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下，如果突然受到冷卻或者遭受快速的溫度變化，會(huì)引起熱震現(xiàn)象。熱震會(huì)導(dǎo)致坩堝表面出現(xiàn)撕裂甚至鼓包；
（5）石英坩堝在制作過(guò)程中存在生產(chǎn)缺陷，例如存在空洞、氣泡或者裂紋等缺陷，這些問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)在使用過(guò)程中，并表現(xiàn)為鼓包等問(wèn)題；
解決方案：
（1）在投料過(guò)程中要注意控制投料量，避免發(fā)生掛邊現(xiàn)象；
（2）合理的投料操作可以減少對(duì)石英坩堝造成的壓力和變形；
（3）在熔化過(guò)程中要密切觀察液面變化情況。發(fā)現(xiàn)有鼓包問(wèn)題應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的措施來(lái)消除或降低鼓包。
黑點(diǎn)
石英坩堝內(nèi)壁有時(shí)會(huì)出現(xiàn)小到零點(diǎn)幾mm到大到十幾個(gè)mm的黑點(diǎn)。
產(chǎn)生原因：
（1）石英砂原料沒(méi)有充分進(jìn)行提純；
（2）石英砂加工設(shè)備的金屬殘留，對(duì)石英砂產(chǎn)生污染；
（3）在高溫下，設(shè)備的迸濺進(jìn)入坩堝里面；
（4）在石英坩堝上料成型過(guò)程當(dāng)中，人工的操作的不規(guī)范，將外界的一些雜質(zhì)帶入到坩堝里面。
解決方案：
（1）使用高品質(zhì)的石英砂或?qū)κ⑸斑M(jìn)行充分提純除雜；
（2）在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格按照操作工藝規(guī)程認(rèn)真操作。
漏硅
石英砂的雜質(zhì)含量過(guò)高，尤其是堿金屬和堿土金屬，如含有許多Li、Na、K、Ca、Fe雜質(zhì)含量的石英砂用在石英坩堝內(nèi)層，雜質(zhì)會(huì)遷移擴(kuò)散到硅液當(dāng)中，如果它在內(nèi)表面濃度較高，會(huì)形成異常的破壞性析晶，產(chǎn)生的顆粒進(jìn)入到硅液中也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的斷線，如果濃度更高，則會(huì)形成一個(gè)腐蝕坑，一旦形成腐蝕坑，硅液會(huì)順著坑和縫隙不斷向外腐蝕，最終產(chǎn)生漏硅的風(fēng)險(xiǎn)。
解決方案：
（1）選擇合適的熔料方法，防止因“二次”結(jié)晶發(fā)生漏硅；
（2）在熔料時(shí)，根據(jù)不同的熔料場(chǎng)，不同的投料量選擇合適的熔料溫度與時(shí)間；
（3）在石英坩堝的生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)避免石英坩堝受到撞擊，以免其受到損傷而產(chǎn)生破裂；
（4）在清洗原料的過(guò)程中應(yīng)該將酸堿殘液徹底沖洗干凈以避免坩堝內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重析晶。
參考來(lái)源：
民生證券.供需缺口，頭部石英坩堝公司拉大差距的好時(shí)機(jī)
中國(guó)粉體網(wǎng).影響石英坩堝品質(zhì)的關(guān)鍵因素有哪些？——訪資深石英材料技術(shù)專家韓東博士
羅曉斌.直拉法硅單晶中石英坩堝析晶問(wèn)題的探討
光伏行研.石英坩堝常見(jiàn)問(wèn)題技術(shù)匯總
復(fù)材社.石英坩堝相關(guān)知識(shí)介紹
石英坩堝使用中常見(jiàn)問(wèn)題和解決方法
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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