二)材质规格:石英坩埚内、中、外三层所用石英砂品质有所差异。内层坩埚使用的高纯石英砂纯度要求达4N8(大于99.998%),且对气液包裹体、晶格杂质、稳定性也有较高要求,目前行业内层石英砂主要使用尤尼明、TQC产品。石英坩埚外涂层、石英管、石英棒、石英舟和石英锭等产品达到4N5即可。由于供应紧缺,国产石英砂亦在导入中。中外层石英砂品质要求相对较低,目前已基本实现国产替代。
三)产品制备:直拉法生产单晶硅用标准石英坩埚制造所使用的生产技术已有40余年历史。
1、由于硅的熔化温度高(1412°C)及熔融硅在高温下的反应性,适合用于制造石英坩埚的材料种类较少,比如大部分的金属材料,因为它们只被允许存在于浓度非常低的晶体中,通常在万亿分之一的原子(PPTA)范围内。在元素周期表中第Ⅲ、V族中的材料常被用作晶体中的掺杂,但允许的浓度也非常低即无法用于实际生产制造石英坩埚。为解决这一问题,目前所采用的材料之一是无定形二氧化硅也被称为石英,它也是光伏行业中使用最多的材料,使用高纯度石英砂作为原料制造的应用于直拉单晶硅的石英坩埚也被称为熔融二氧化硅坩埚。
2、石英坩埚是用提炼后的石英石即二氧化硅制作的,直径大于等于250mm的坩埚目前均采用电弧法生产,直径较小的还维持原来的气炼法生产。目前实际生产中广泛采用的直拉单晶硅用石英坩埚制备方法是电弧熔融法,因单晶硅棒的形状往往被制造为圆形,虽然具体的制造工艺被不同的生产厂商所保密,但通过对不同的发明专利和实体石英坩埚产品进行分析,可以探究出所采用的主要原理。通过石墨电极之间的电弧放电,将预先放置在旋转模具中的石英砂原料熔融为致密的玻璃态,在制备的过程中通过两个连续的熔融步骤产生一个内外分层结构,内层成分主要为高纯度熔融硅而外层为天然石英。
3、石英坩埚的制备过程步骤如下:将高纯石英粉装入可任意倾动角度的旋转成型模内,利用离心力作用和成型棒手工成型,将已成坩埚形的旋转装置移动至电极棒处,然后将电极送电启弧并插入已成型的粉料腔内,同时启动真空系统,使其快速熔化成坩埚形状的熔融石英,经冷却后取出,即完成一个石英坩埚的毛坯生产。它的工艺特点是利用电弧产生的高温,使坩埚内表面石英砂开始熔融,然后向外表面扩展逐渐加厚熔融层所以内表面是透明光滑的,而外表面要经过磨削成型,去掉黏附的石英砂形成磨砂面所以是不透明的,再经过切断、倒角、检验、清洗和包装后可以进行销售。电弧法生产效率高、成本低,而且可以制作大直径坩埚而备受欢迎。
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