中国粉体网讯 在单晶硅生产中，石英坩埚是一次性使用的用于熔硅和晶体生长的关键材料，对单晶硅的生产成本和产品质量都有着直接的重要影响。石英坩埚具有多层结构，内外壁气泡含量不同，石英坩埚的原材料纯度、耐温、耐久性等是单晶品质的重要影响因素。
直拉单晶硅用石英坩埚
来源：胡泽晨等.石英砂的提纯技术现状及挑战
气泡对石英坩埚质量的潜在影响
石英坩埚为半透明状，分为外层，也叫气泡复合层（不透明层，气泡含量较多），以及中内层，也叫气泡空乏层（真空透明层，不含气泡，3~5mm）两层结构。外层需要把来自加热器的热量均匀散射，所以需要规定数量和大小的气泡，从而对硅熔体均匀加热；中内层是一层3-5mm的透明层，成为气泡空乏层，对高纯石英砂高纯、低铝、低碱、抗析晶的要求更高。石英坩埚的内壁因为与硅熔体接触，在高温状态下，若内壁存在气泡，气泡会导致气体和杂质从坩埚内释放到熔体中从而扰乱到单晶硅的生长。那么石英坩埚中的气泡是怎么来的呢？它又如何去除呢？
如何除去石英坩埚中的气泡？
原来，在石英坩埚成型过程中，由于温度极高，石英表面液体包裹体会吸收膨胀，使坩埚表面充满气泡裂纹，影响到坩埚质量。故类质同象金属杂质及气液包裹体通常被认为是石英坩埚用高纯石英砂最主要的技术指标。因此，要想保持石英坩埚质量的稳定性，必须将石英坩埚的原料高纯石英砂中的气液包裹体控制在较低水平。
矿物包裹体是矿物成矿过程中被包裹在主矿物晶格缺陷中的成岩成矿流体（包括气体、液体及硅酸盐熔融体），且与主矿物存在明显相界限。通常把液相（或气相）填充度不小于60％的包裹体称之为液体（或气体）包裹体。
透明层气泡对石英坩埚的影响示意图
来源：胡泽晨等.石英砂的提纯技术现状及挑战
石英气液包裹体主要去除方法为：破碎磨矿、高温氯化脱气法、差异腐蚀法、热或冷爆裂法、微波法等。
破碎、磨矿
破碎与磨矿工艺也是暴露、去除气液包裹体的常见方法。破碎与磨矿工艺能够一定程度上选择性暴露次生、假次生流体包裹体，利用浮选直接分离整个石英颗粒，或利用水/酸浸出分离表面杂质。但这些工艺对高品质石英中微小原生包裹体的选择性低。
高温氯化脱气法
在高温条件下，气液包裹体在氯气与矿物表面作用产生化学位梯度的促使下扩散出去。将石英砂加热到1000~1200℃并向其通入Cl2和HCl混合气体，在高温条件下使Cl2和杂质离子发生反应，生成的气态盐类从石英晶体微裂纹处排出，从而达到提纯的效果。美国的尤尼明公司就是主要采用此技术生产高纯石英砂，在这项技术上尤尼明公司一直处于国际领先的地位。
酸碱差异腐蚀法
酸碱差异腐蚀法是通过石英晶体与气液包裹体在酸和碱的腐蚀下有着不同的腐蚀速率，从而使其去除气液包裹体。张仕轩利用差异腐蚀方法发现，石英样品粒度越细，其杂质去除效果越显著。
冷或热爆裂法
冷或热爆裂法是通过加热石英晶体，使其处于高温的条件下，则石英晶体与其中的气液包裹体界面将会产生极大的压力差。这极大压力差将会使石英晶体内的气液包裹体炸裂，从而使石英晶体内的气液包裹体达到去除的效果。
其中热爆裂法是将石英矿石先经马弗炉高温煅烧，再遇冷水使其炸裂成小颗粒的石英砂，并将其中大部分的气液包裹体气化后从石英砂壁的裂纹中排出的方法。热爆裂法的原理是当石英矿石处于高温条件下，基体的热膨胀系数比包裹在内部的气液包裹体的小，在二者界面间产生极大的压力差使得气液包裹体从砂粒壁裂纹处爆裂而出，再经清洗工艺去除气液包裹体。
微波法
微波能够选择性地对石英的气液包裹体进行加热消解，达到去除气液包裹体的目的。微波是一种交变电磁波，具有独特的选择性加热、可以使高介电常数物质在几分钟内加热到较高的温度，因而微波对去除介电常数有较大差异的杂质有着独特的优势。当微波穿过石英砂时，SiO2基本不吸波，但气液包裹体中的小分子受热，其熵焓值提高，分子之间产生剧烈碰撞摩擦，气液包裹体的空间一定，从而使其内部压力不断上升，达到一定的压强后砂粒壁内外产生强大的压强差，形成较大的剪切应力促使砂粒壁炸裂，气液包裹体从裂纹中逸出，从而达到剔除气液包裹体的目的。
参考来源：
丛金瑶.几种伟晶岩石英的矿石学特征及杂质去除工艺研究
石星宇.连续拉晶下石英坩埚内气泡变化规律及晶棒的性能研究
胡泽晨等.石英砂的提纯技术现状及挑战
侯清麟等.石英砂结构组成性杂质剔除技术现状
侯清麟等.剔除硅石矿中气液包裹体方法的研究
中金点睛.中金·联合研究 | 追光深度系列01：详解光伏石英坩埚
（中国粉体网编辑整理/初末）
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