陶瓷坩堝在多晶硅材料提純和鑄錠中的應(yīng)用 

摘要：由于在單晶硅生產(chǎn)中成熟的應(yīng)用是石英玻璃重慶坩堝選購，所以許多人自然地把石英玻璃重慶坩堝移植在多晶硅的生產(chǎn)上，導(dǎo)致應(yīng)用失敗。技術(shù)上成熟的方法是采用陶瓷坩堝提純多晶硅。在物理法提純太陽能級(jí)多晶硅材料和定向結(jié)晶爐（DSS）系統(tǒng)中采用陶瓷坩堝越來越多。

重慶陶瓷坩堝的材料基體為陶瓷，其晶相為晶體和玻璃體，其基本性能和分析手段為工程陶瓷的研究內(nèi)容。而石英玻璃坩堝簡稱重慶石英坩堝，其材料基體是玻璃，完全是玻璃相。  

陶瓷坩堝的主要化學(xué)成分： 

二氧化硅（Silica） SiO2  99.0% 

三氧化二鋁（Alumina） Al2O3   0.5% 氧化鈣（Calcia） CaO   0.5% 

石英玻璃坩堝的主要成分是單一高純度的二氧化硅（Silica） SiO2   

涂層材料： 

在制備鑄造多晶硅時(shí)，在原料熔化，晶體生長過程中，硅熔體和坩堝長時(shí)間接觸，會(huì)產(chǎn)生黏滯作用。由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，如果硅材料和重慶坩堝壁結(jié)合緊密，在晶體冷卻時(shí)很可能造成晶體硅或坩堝破裂；同時(shí)，由于硅熔體和坩堝長時(shí)間接觸，與制備直拉單晶硅時(shí)一樣，會(huì)造成陶瓷坩堝的腐蝕，使得多晶硅中的氧濃度升高。為了解決這個(gè)問題，工藝上一般利用Si3N4等材料作為涂層，附加在坩堝的內(nèi)壁，從而隔離了硅熔體和坩堝的直接接觸，不僅能夠解決黏滯問題，而且可以降低多晶硅中的氧，碳雜質(zhì)濃度；進(jìn)一步地，利用Si3N4涂層，還使得陶瓷坩堝可能得到重復(fù)使用，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。利用定向凝固技術(shù)生長的鑄造多晶硅，在多數(shù)情況下，坩堝是消耗件，不能重復(fù)循環(huán)使用，即每一爐多晶硅需要一支陶瓷坩堝。陶瓷坩堝的內(nèi)涂層處理得恰當(dāng)，陶瓷重慶坩堝選購可以重復(fù)使用。  

力學(xué)性能： 

陶瓷是脆硬性材料，其抗拉強(qiáng)度很低而抗壓強(qiáng)度很高。性能測試與試樣的內(nèi)在質(zhì)量和表面狀態(tài)關(guān)系密切，一些顯微缺陷和表面粗糙度對(duì)測試結(jié)果有很大影響。  

表 1 石英玻璃與陶瓷的物理性能比較 項(xiàng)目 不透明石英玻璃 陶瓷 密度/(g/cm3) 2.07~2.12 1.90 – 2.00 抗壓強(qiáng)度/MPa 1150 50 抗拉強(qiáng)度/MPa 50 20 抗彎強(qiáng)度/MPa (rt) 67 27 – 30 莫氏硬度 5.5~6.5 7 顯氣孔率 0 <10 - 11% 結(jié)晶度  方石英 < 1%  

陶瓷坩堝尺寸的大型化： 

理論上陶瓷坩堝的尺寸可以無限制的擴(kuò)大，僅受限于實(shí)際應(yīng)用中鑄錠爐的尺寸限制。硅錠越大，產(chǎn)品的質(zhì)量越好。影響硅錠質(zhì)量的缺陷和雜質(zhì)都會(huì)趨向于硅錠的邊緣。一個(gè)大尺寸的硅

2 錠能制造出更多更有用，質(zhì)量更好的產(chǎn)品，得材率更高。因此，國際趨勢就是傾向于生產(chǎn)更大尺寸的硅錠。石英坩堝的大尺寸為32”（784mm）。 目前，國內(nèi)鑄造多晶硅的重量普遍為400~450kg，尺寸為880mm×880mm×400mm。其坩堝規(guī)格如下圖所示。  

熱學(xué)性能： 

重慶陶瓷坩堝與石英重慶坩堝的在多晶硅的應(yīng)用主要區(qū)別是其熱性能的不同。某些熱性能二者差別不大，如，線膨脹系數(shù)：陶瓷坩堝和石英玻璃坩堝的線膨脹系數(shù)相差很少，線膨脹系數(shù)都非常低為0.6x10-6/℃，接近零膨脹；抗熱振性：陶瓷坩堝和石英玻璃坩堝具有極低的線膨脹系數(shù)，故都有非常好的抗熱振性能。試樣在加熱到1000℃再投入20℃水中不會(huì)炸裂。通常用經(jīng)多次加熱淬水直到破碎的次數(shù)來衡量其抗熱震能力。其主要區(qū)別是軟化溫度和失透。  

石英玻璃坩堝的主要不足是其變形溫度和軟化溫度，和熱傳導(dǎo)能力。α-方石英在1723℃熔化為石英玻璃，而石英玻璃是非晶體材料，沒有固定的熔點(diǎn)。一般用不同溫度下的黏度值來表征其熱度加工性能和應(yīng)用性能。加熱石英玻璃，當(dāng)黏度到1013～1014dpa?s時(shí)，（約相當(dāng)于溫度1200℃），石英玻璃開始發(fā)生變形。所以一般要求石英玻璃制品應(yīng)在1100℃以下工作。當(dāng)加熱到1400-1500℃時(shí)，黏度達(dá)到109～1010dpa?s，石英玻璃變形加快。再升溫到1700℃，黏度為106dpa?s，可以進(jìn)行吹制、彎曲等熱加工。在熔融狀態(tài)下，石英玻璃的黏度為105～106dpa?s。  

在多晶硅的生產(chǎn)工藝中，化料過程一直保持1500℃左右，直至化料結(jié)束，該過程約需要9～11小時(shí)，晶體生長的溫度為1420～1440℃到硅熔點(diǎn)左右，該過程約需要20-22hr。 

 3  陶瓷坩堝的軟化溫度高達(dá)1700°C，且在此溫度以下不發(fā)生翹曲，尺寸的穩(wěn)定性和一致性非常好。所以在多晶硅提純和定向結(jié)晶中使用陶瓷坩堝的效果是較好的。