中国粉体网讯 石英坩埚是石英玻璃制品中的细分产品，由高纯石英砂通过模具定型，使用电弧熔融法高温制作而成。石英坩埚具有耐高温、使用时间长、高纯度等特点，是主要用于半导体和光伏高纯单晶硅棒的拉制的辅助性耗材，是单晶硅棒拉制过程中用于盛装熔融硅液的关键性消耗品。
众所周知，石英坩埚综合品质的好坏直接影响单晶硅生产的材料成本和加工成本，低品质的石英坩埚会扰乱单晶硅的生长过程，影响晶体的纯度和质量，增加硅棒的缺陷，降低单晶硅的成晶率。
那么，我们要从哪几个方面入手选择高品质的石英坩埚呢？
杂质含量
杂质的引入对单晶性能和成品率构成直接的影响，因此与硅熔体直接接触的石英坩埚的杂质含量至关重要，石英坩埚内表层的杂质会扩散到硅液中，进而影响到单晶硅棒的导电性。而坩埚所用原料高纯石英砂是石英坩埚纯度的基础。
石英砂中的碱金属杂质如Li、Na、K等会影响石英坩埚的耐温性，降低其熔点，导致高温性能变差；杂质含量高会导致石英坩埚产生气泡和色斑等缺陷，降低石英坩埚的透明度，严重时还会影响石英坩埚的成型过程；杂质含量高的石英坩埚高温强度低，易变形，直接对单晶拉制构成影响，比如坩埚上口内塌造成与导流筒碰撞而阻断正常拉晶。
由于采用低档次石英砂或者在生产制程中的污染而带来的坩埚中的杂质含量过高，往往会带来石英坩埚在本体上的析晶，如果析晶靠近内表面，则由于局部的析晶壳层过厚而极易脱落使单晶拉制无法继续。如果析晶造成外壁较厚的析晶，这种现象往往伴随着坩埚外壁在析晶前期已经过度软化贴紧石墨坩埚，而极易产生在底部或者弧度的鼓包现象。如果这种析晶有可能贯穿坩埚本体的话，就会引起漏硅等一系列严重后果。
羟基
石英砂中的羟基含量会影响石英坩埚的耐高温性能，羟基缺陷会破坏Si-O键，导致结构疏松度增加，化学稳定性降低。坩埚中的羟基（-OH）是对坩埚强度影响的核心因素，由于羟基的存在，改变了SiO2的键合结构，致使坩埚的耐温性能大幅降低，例如坩埚中的羟基含量超过150ppm，1050摄氏度就会开始软化变形，无法正常使用。坩埚中的羟基含量主要与坩埚制备所选取的工艺路线直接相关（其次与环境湿度以及原料选取等有关）。
气液包裹体
石英砂中的气液包裹体在高温熔制石英玻璃的过程中，H2O能与SiO2熔体发生反应，使得羟基含量增高，造成气泡增加。坩埚最内表层是指透明层中最靠近内表面1-2mm的部分。在使用过程中，坩埚对硅液起作用的机理——由于与硅液接触的内表面不断向硅液中熔解，并且伴随着透明层中的微气泡不断的长大，靠近最内表面的气泡破裂，伴随着硅液释放石英微颗粒以及微气泡。而这些杂质会以微颗粒以及微气泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体，直接影响到硅的成晶（整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本）以及单晶硅的质量（穿孔片、黑芯片等）。
粒度
粒形一致的石英砂有助于制造出均匀性和一致性更好的石英坩埚，这对于保证单晶硅生长过程中的温度和速度控制至关重要，直接影响到单晶硅的质量和产量。
首先，粒形均匀的石英砂有助于减少气泡和气液包裹体的含量，从而减少在单晶硅生长过程中气泡破裂释放的微颗粒和气体，避免对硅熔体造成污染；粒形均匀的石英砂更容易进行提纯，减少杂质含量；粒形均匀的石英砂可以通过优化的工艺路线减少羟基含量。
其次，石英砂的粒形影响其堆积密度和颗粒间的接触面积，这直接关系到石英坩埚的强度和高温下的稳定性。粒形均匀、大小适中的石英砂能够提高石英坩埚的机械强度，减少在高温下的形变和破裂风险，从而延长坩埚的使用寿命。
另外，石英砂的粒形影响坩埚内壁的光滑度和均匀性，粒形均匀的石英砂有助于形成光滑的坩埚内壁，减少晶体生长过程中的缺陷，提高单晶硅的品质。
小结
石英坩埚是拉制单晶硅的重要辅材，石英坩埚的品质和纯度直接影响硅棒中的杂质含量，进而影响硅片的品质稳定性。现阶段，单晶技术要求坩埚朝长寿命、大尺寸、低成本、高纯度及品质一致性的方向发展，这也要求其石英砂原料高纯度、包裹体少、粒度均匀、低羟基含量、品质具有稳定性，从而减少石英坩埚生产过程中的质量缺陷。
参考来源：
《光伏单晶硅生长用石英坩埚高纯内层砂》（征求意见稿）
孙红娟.坩埚用石英砂的工艺特征及高纯石英砂制备技术
胡泽晨.石英砂的提纯技术现状及挑战
王向东.光伏直拉单晶对于石英坩埚及石英砂的产业化需求
（中国粉体网编辑整理/初末）
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