鑄錠多晶硅制造用石英陶瓷坩堝的特性 

1．1 石英陶瓷坩堝已成為發(fā)展多晶硅鑄錠的重要配件 

世界及我國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的急速發(fā)展，驅(qū)動(dòng)了太陽能多晶硅用關(guān)鍵配套材料需要量的迅猛增長(zhǎng)。在發(fā)展太陽能多晶硅中，許多為之生產(chǎn)制造配套的新型材料，近年無論是技術(shù)上還是在生產(chǎn)量都得到了令人囑目的發(fā)展。這其中就有用于多晶硅鑄錠和熔煉提純用的石英陶瓷坩堝產(chǎn)品。

石英陶瓷坩堝（Fused Silica Crucibles）是太陽能電池用多晶硅鑄錠過程中用來裝載多晶硅原料、在1550℃的高溫下使之熔化結(jié)晶生產(chǎn)出多晶硅硅錠的容器。它目前已是多晶硅鑄錠生產(chǎn)中需求量很大的一種消耗品。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展為石英陶瓷坩堝提供了廣闊的市場(chǎng)前景。面對(duì)當(dāng)前高純度多晶硅原料供不應(yīng)求的局面，鑄錠多晶硅在原料使用上有更大優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上也是多晶硅太陽能電池占有很大的比例，由此近兩年我國(guó)鑄錠多晶硅生產(chǎn)更快速地發(fā)展。石英陶瓷坩堝作為發(fā)展多晶硅鑄錠中不可替代的關(guān)鍵配套部件，其需求量也隨著得到了快速的增長(zhǎng)。[1] [2] 

1．2 石英陶瓷坩堝與石英玻璃坩堝的差別 

在半導(dǎo)體、光伏行業(yè)使用的硅材料在生產(chǎn)制造過程中有兩大類常用的硅錠容器，即石英玻璃坩堝和石英陶瓷坩堝。 

石英陶瓷坩堝使用高純?nèi)廴诠栉⒎鬯瞥伞Ｋ闹饕瘜W(xué)成分是：二氧化硅（SiO2）99.0%，三氧化鋁（Al2O3）0.5%，氧化鈣（CaO）0.5%。由于它的組成份與石英玻璃坩堝有較大的差異，因此這兩類硅錠容器在應(yīng)用領(lǐng)域、工藝特點(diǎn)、技術(shù)性能等方面都有著較明顯的差別。

1

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石英陶瓷坩堝的性能特點(diǎn)

（

1

）力學(xué)性能特點(diǎn)

陶瓷是脆硬性材料，

其抗拉強(qiáng)度很低而抗壓強(qiáng)度較高。

性能測(cè)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(cè)試結(jié)果有很大影

響。

（

2

）易于實(shí)現(xiàn)尺寸大型化

石英陶瓷坩堝比石英玻璃坩堝易于制成部品的大型化，

這對(duì)生產(chǎn)更多更好的

鑄錠有著很重要的實(shí)際意義。硅錠越大，產(chǎn)品的質(zhì)量就越好，得材率更高。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。

正因如此，

國(guó)際趨勢(shì)就是傾向于生產(chǎn)更大尺寸的硅錠。

目前，

國(guó)內(nèi)鑄造多晶

硅的重量普遍為

400

～

450kg

，

尺寸為

880mm×880mm×400mm。

裝載

800

公斤硅料

的

1100

型超大尺寸坩堝在國(guó)內(nèi)外鑄造多晶硅業(yè)中也在逐漸實(shí)現(xiàn)之中。

（

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）熱學(xué)性能

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石英陶瓷坩堝的性能特點(diǎn)

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）力學(xué)性能特點(diǎn)

陶瓷是脆硬性材料，

其抗拉強(qiáng)度很低而抗壓強(qiáng)度較高。

性能測(cè)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(cè)試結(jié)果有很大影

響。

（

2

）易于實(shí)現(xiàn)尺寸大型化

石英陶瓷坩堝比石英玻璃坩堝易于制成部品的大型化，

這對(duì)生產(chǎn)更多更好的

鑄錠有著很重要的實(shí)際意義。硅錠越大，產(chǎn)品的質(zhì)量就越好，得材率更高。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。

正因如此，

國(guó)際趨勢(shì)就是傾向于生產(chǎn)更大尺寸的硅錠。

目前，

國(guó)內(nèi)鑄造多晶

硅的重量普遍為

400

～

450kg

，

尺寸為

880mm×880mm×400mm。

裝載

800

公斤硅料

的

1100

型超大尺寸坩堝在國(guó)內(nèi)外鑄造多晶硅業(yè)中也在逐漸實(shí)現(xiàn)之中。

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）熱學(xué)性能

1．3 石英陶瓷坩堝的性能特點(diǎn) 

（1）力學(xué)性能特點(diǎn) 

陶瓷是脆硬性材料，其抗拉強(qiáng)度很低而抗壓強(qiáng)度較高。性能測(cè)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(cè)試結(jié)果有很大影響。 

（2）易于實(shí)現(xiàn)尺寸大型化 

石英陶瓷坩堝比石英玻璃坩堝易于制成部品的大型化，這對(duì)生產(chǎn)更多更好的鑄錠有著很重要的實(shí)際意義。硅錠越大，產(chǎn)品的質(zhì)量就越好，得材率更高。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。 

正因如此，國(guó)際趨勢(shì)就是傾向于生產(chǎn)更大尺寸的硅錠。目前，國(guó)內(nèi)鑄造多晶硅的重量普遍為400～450kg，尺寸為880mm×880mm×400mm。裝載800公斤硅料的1100型超大尺寸坩堝在國(guó)內(nèi)外鑄造多晶硅業(yè)中也在逐漸實(shí)現(xiàn)之中。 

（3）熱學(xué)性能 

陶瓷坩堝和石英玻璃坩堝具有極低的線膨脹系數(shù)（線膨脹系數(shù)為0.6× 10-6/℃），故都有非常好的抗熱振性能。 

由于在單晶硅生產(chǎn)中已經(jīng)成熟的應(yīng)用石英玻璃坩堝，所以過去許多人曾自然而然的作了這樣的嘗試，即把石英玻璃坩堝移植在多晶硅鑄錠生產(chǎn)使用，但其結(jié)果都是導(dǎo)致應(yīng)用上的失敗。石英陶瓷坩堝以高的、穩(wěn)定的軟化溫度和熱傳導(dǎo)能力的特性，使得目前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)中所用的硅錠容器，選擇陶瓷坩堝比例在越來越增多。 

加熱石英玻璃，當(dāng)黏度到1013～1014dPa?s時(shí)

（Pa.s=1000cP=1000mPa.s=10P=10dPa.s），（約相當(dāng)于溫度1200℃），石英玻璃開始發(fā)生變形（一般要求石英玻璃制品應(yīng)在1100℃以下工作），而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。在鑄錠多晶硅的生產(chǎn)工藝中，化料過程在1500℃左右高溫下需保持，約需要9～11小時(shí)；在硅晶體生長(zhǎng)過程中，溫度達(dá)到硅熔點(diǎn)的1420～1440℃左右，其晶體生長(zhǎng)過程約需要20-22hr。在長(zhǎng)時(shí)間的高溫下，多晶硅的提純和定向結(jié)晶加工使用陶瓷坩堝的效果是較理想的選擇。