中國粉體網訊 石英坩堝屬于石英玻璃制品中的細分產品，具有潔凈、同質、耐高溫等性能。從物理熱學性能上看，它的形變點約為1,100℃左右，軟化點為1,730℃，其最高連續使用溫度為1,100℃，短時間內可為1,450℃。目前廣泛應用于太陽能和半導體領域提煉晶體硅的生產工藝中，是晶體硅生產過程中的消耗品。
石英坩堝的制備特點及發展趨勢
電弧法是制備石英坩堝的主流制備技術
目前，拉單晶的石英坩堝一般是采用電弧法生產，其原理為：將高純石英粉裝入可任意傾動角度的旋轉成型模內，利用離心力成型，將已成坩堝形的旋轉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，使其快速熔化成坩堝形狀的熔融石英，經冷卻后取出，即完成一個石英坩堝的熔制。
石英坩堝應用于單晶拉制
石英坩堝生產流程
來源：歐晶科技
石英坩堝呈現內外雙層結構
早期的石英坩堝是全透明的結構，這種透明的結構容易導致不均勻的熱傳輸條件，增加晶棒生長的難度，且均勻的結構對高品質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，有內外兩層結構，外層是高氣泡密度的區域，稱為氣泡復合層。氣泡復合層受熱較均勻，保溫效果較好；內層是一層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的氣泡密度降低，從而改善單晶生長的成功率及晶棒品質。
石英坩堝分為透明層和不透明層
石英坩堝的發展方向
由于下游行業對于石英坩堝的純度、潔凈度、精度具有嚴格標準，同時大硅片的演進也對坩堝產品提出更高的要求，石英坩堝工藝技術一直向“高純度、大尺寸、低成本、長壽命”方向發展，行業內企業須要具備較長時間的技術經驗積累，逐漸提高產品尺寸、純度和其他性能指標。
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，石英坩堝內部的羥基、雜質元素和氣泡的含量將會影響硅棒的質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）是影響坩堝強度的核心因素，由于羥基的存在，改變了SiO2的鍵合結構，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，也與環境濕度以及原料選取等有關。
雜質含量：石英砂的流體包裹體和晶格雜質中的堿性離子的存在是導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℃，導致析晶加速。石英坩堝內壁發生析晶時有可能破壞坩堝內壁原有的涂層，將導致涂層下面的氣泡層和熔硅發生反應，造成部分顆粒狀氧化硅進入熔硅內，使得正在生長中的晶體結構發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，降低了坩堝的強度，容易引起石英坩堝的變形。因此石英砂純度對拉晶質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層，可有效減少內表面氣泡破裂現象，為長時間拉晶（如多次復投料）提供保障。
坩堝內氣泡對硅熔體影響機理
石英坩堝中內層對高純石英砂要求更嚴苛。
坩堝生產環節用高純石英砂標準較光伏玻璃石英砂更嚴苛。光伏坩堝用石英砂純度需達到99.998%，光伏生產環節用（如清洗環節）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，石英坩堝內涂層對高純石英砂純度要求更高，純度等級需要達到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品達到4N5即可。
石英坩堝中內層對高純石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。坩堝最內表層是指透明層中最靠近內表面1-2mm的部分。坩堝對硅液起作用的機理是，由于與硅液接觸的內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）以及單晶硅的質量（穿孔片、黑芯片等）。
《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2018年版）》明確提出半導體級電弧石英坩堝，規格：14~24寸；內層純度：所有金屬雜質含量＜12ppm；強度：1500度高溫變形率＜2%；壽命可達200小時。
目前，國內適用于光伏、半導體純度等級的高純石英砂產能有限。石英坩堝內層砂仍以國外進口為主。而連續多次投料等拉晶發展方向對石英砂純度提出更高要求。尋找高品質石英礦源、提升提純技術尤為迫切。
未來，隨著國內在坩堝尺寸、純度、拉晶時間和拉晶次數等方面的提升。以及國內石英坩堝具有一定的成本優勢，石英坩堝國產替代將進步加速。
參考資料：
內蒙古歐晶科技股份有限公司招股說明書
李可倫等.高純石英砂行業深度報告
孫穎等.高純石英砂行業深度：詳析壁壘、供需和格局
長江證券.高純石英砂應用現狀、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
（中國粉體網編輯整理/黑金）
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！
