中國粉體網訊 石英坩堝是石英玻璃制品中的細分產品，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、使用時間長、高純度等特點，是主要用于半導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鍵性消耗品。
眾所周知，石英坩堝綜合品質的好壞直接影響單晶硅生產的材料成本和加工成本，低品質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，我們要從哪幾個方面入手選擇高品質的石英坩堝呢？
雜質含量
雜質的引入對單晶性能和成品率構成直接的影響，因此與硅熔體直接接觸的石英坩堝的雜質含量至關重要，石英坩堝內表層的雜質會擴散到硅液中，進而影響到單晶硅棒的導電性。而坩堝所用原料高純石英砂是石英坩堝純度的基礎。
石英砂中的堿金屬雜質如Li、Na、K等會影響石英坩堝的耐溫性，降低其熔點，導致高溫性能變差；雜質含量高會導致石英坩堝產生氣泡和色斑等缺陷，降低石英坩堝的透明度，嚴重時還會影響石英坩堝的成型過程；雜質含量高的石英坩堝高溫強度低，易變形，直接對單晶拉制構成影響，比如坩堝上口內塌造成與導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制程中的污染而帶來的坩堝中的雜質含量過高，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。如果析晶造成外壁較厚的析晶，這種現象往往伴隨著坩堝外壁在析晶前期已經過度軟化貼緊石墨坩堝，而極易產生在底部或者弧度的鼓包現象。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，導致結構疏松度增加，化學穩定性降低。坩堝中的羥基（-OH）是對坩堝強度影響的核心因素，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（其次與環境濕度以及原料選取等有關）。
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熔體發生反應，使得羥基含量增高，造成氣泡增加。坩堝最內表層是指透明層中最靠近內表面1-2mm的部分。在使用過程中，坩堝對硅液起作用的機理——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）以及單晶硅的質量（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重要，直接影響到單晶硅的質量和產量。
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行提純，減少雜質含量；粒形均勻的石英砂可以通過優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，這直接關系到石英坩堝的強度和高溫下的穩定性。粒形均勻、大小適中的石英砂能夠提高石英坩堝的機械強度，減少在高溫下的形變和破裂風險，從而延長坩堝的使用壽命。
另外，石英砂的粒形影響坩堝內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壁，減少晶體生長過程中的缺陷，提高單晶硅的品質。
小結
石英坩堝是拉制單晶硅的重要輔材，石英坩堝的品質和純度直接影響硅棒中的雜質含量，進而影響硅片的品質穩定性。現階段，單晶技術要求坩堝朝長壽命、大尺寸、低成本、高純度及品質一致性的方向發展，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、品質具有穩定性，從而減少石英坩堝生產過程中的質量缺陷。
參考來源：
《光伏單晶硅生長用石英坩堝高純內層砂》（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
胡澤晨.石英砂的提純技術現狀及挑戰
王向東.光伏直拉單晶對于石英坩堝及石英砂的產業化需求
（中國粉體網編輯整理/初末）
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