中國粉體網(wǎng)訊 石英坩堝是石英玻璃制品中的細(xì)分產(chǎn)品，由高純石英砂通過模具定型，使用電弧熔融法高溫制作而成。石英坩堝具有耐高溫、使用時(shí)間長、高純度等特點(diǎn)，是主要用于半導(dǎo)體和光伏高純單晶硅棒的拉制的輔助性耗材，是單晶硅棒拉制過程中用于盛裝熔融硅液的關(guān)鍵性消耗品。
眾所周知，石英坩堝綜合品質(zhì)的好壞直接影響單晶硅生產(chǎn)的材料成本和加工成本，低品質(zhì)的石英坩堝會擾亂單晶硅的生長過程，影響晶體的純度和質(zhì)量，增加硅棒的缺陷，降低單晶硅的成晶率。
那么，我們要從哪幾個(gè)方面入手選擇高品質(zhì)的石英坩堝呢？
雜質(zhì)含量
雜質(zhì)的引入對單晶性能和成品率構(gòu)成直接的影響，因此與硅熔體直接接觸的石英坩堝的雜質(zhì)含量至關(guān)重要，石英坩堝內(nèi)表層的雜質(zhì)會擴(kuò)散到硅液中，進(jìn)而影響到單晶硅棒的導(dǎo)電性。而坩堝所用原料高純石英砂是石英坩堝純度的基礎(chǔ)。
石英砂中的堿金屬雜質(zhì)如Li、Na、K等會影響石英坩堝的耐溫性，降低其熔點(diǎn)，導(dǎo)致高溫性能變差；雜質(zhì)含量高會導(dǎo)致石英坩堝產(chǎn)生氣泡和色斑等缺陷，降低石英坩堝的透明度，嚴(yán)重時(shí)還會影響石英坩堝的成型過程；雜質(zhì)含量高的石英坩堝高溫強(qiáng)度低，易變形，直接對單晶拉制構(gòu)成影響，比如坩堝上口內(nèi)塌造成與導(dǎo)流筒碰撞而阻斷正常拉晶。
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的坩堝中的雜質(zhì)含量過高，往往會帶來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厚而極易脫落使單晶拉制無法繼續(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，就會引起漏硅等一系列嚴(yán)重后果。
羥基
石英砂中的羥基含量會影響石英坩堝的耐高溫性能，羥基缺陷會破壞Si-O鍵，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松度增加，化學(xué)穩(wěn)定性降低。坩堝中的羥基（-OH）是對坩堝強(qiáng)度影響的核心因素，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)（其次與環(huán)境濕度以及原料選取等有關(guān)）。
氣液包裹體
石英砂中的氣液包裹體在高溫熔制石英玻璃的過程中，H2O能與SiO2熔體發(fā)生反應(yīng)，使得羥基含量增高，造成氣泡增加。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。在使用過程中，坩堝對硅液起作用的機(jī)理——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(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）以及單晶硅的質(zhì)量（穿孔片、黑芯片等）。
粒度
粒形一致的石英砂有助于制造出均勻性和一致性更好的石英坩堝，這對于保證單晶硅生長過程中的溫度和速度控制至關(guān)重要，直接影響到單晶硅的質(zhì)量和產(chǎn)量。
首先，粒形均勻的石英砂有助于減少氣泡和氣液包裹體的含量，從而減少在單晶硅生長過程中氣泡破裂釋放的微顆粒和氣體，避免對硅熔體造成污染；粒形均勻的石英砂更容易進(jìn)行提純，減少雜質(zhì)含量；粒形均勻的石英砂可以通過優(yōu)化的工藝路線減少羥基含量。
其次，石英砂的粒形影響其堆積密度和顆粒間的接觸面積，這直接關(guān)系到石英坩堝的強(qiáng)度和高溫下的穩(wěn)定性。粒形均勻、大小適中的石英砂能夠提高石英坩堝的機(jī)械強(qiáng)度，減少在高溫下的形變和破裂風(fēng)險(xiǎn)，從而延長坩堝的使用壽命。
另外，石英砂的粒形影響坩堝內(nèi)壁的光滑度和均勻性，粒形均勻的石英砂有助于形成光滑的坩堝內(nèi)壁，減少晶體生長過程中的缺陷，提高單晶硅的品質(zhì)。
小結(jié)
石英坩堝是拉制單晶硅的重要輔材，石英坩堝的品質(zhì)和純度直接影響硅棒中的雜質(zhì)含量，進(jìn)而影響硅片的品質(zhì)穩(wěn)定性�，F(xiàn)階段，單晶技術(shù)要求坩堝朝長壽命、大尺寸、低成本、高純度及品質(zhì)一致性的方向發(fā)展，這也要求其石英砂原料高純度、包裹體少、粒度均勻、低羥基含量、品質(zhì)具有穩(wěn)定性，從而減少石英坩堝生產(chǎn)過程中的質(zhì)量缺陷。
參考來源：
《光伏單晶硅生長用石英坩堝高純內(nèi)層砂》（征求意見稿）
孫紅娟.坩堝用石英砂的工藝特征及高純石英砂制備技術(shù)
胡澤晨.石英砂的提純技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)
王向東.光伏直拉單晶對于石英坩堝及石英砂的產(chǎn)業(yè)化需求
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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