陶瓷坩埚在多晶硅材料提纯和铸锭中的应用

陶瓷坩埚在多晶硅材料提纯和铸锭中的应用 

摘要：由于在单晶硅生产中成熟的应用是石英玻璃重庆坩埚选购，所以许多人自然地把石英玻璃重庆坩埚移植在多晶硅的生产上，导致应用失败。技术上成熟的方法是采用陶瓷坩埚提纯多晶硅。在物理法提纯太阳能级多晶硅材料和定向结晶炉（DSS）系统中采用陶瓷坩埚越来越多。

重庆陶瓷坩埚的材料基体为陶瓷，其晶相为晶体和玻璃体，其基本性能和分析手段为工程陶瓷的研究内容。而石英玻璃坩埚简称重庆石英坩埚，其材料基体是玻璃，完全是玻璃相。  

陶瓷坩埚的主要化学成分： 

二氧化硅（Silica） SiO2  99.0% 

三氧化二铝（Alumina） Al2O3   0.5% 氧化钙（Calcia） CaO   0.5% 

石英玻璃坩埚的主要成分是单一高纯度的二氧化硅（Silica） SiO2   

涂层材料： 

在制备铸造多晶硅时，在原料熔化，晶体生长过程中，硅熔体和坩埚长时间接触，会产生黏滞作用。由于两种材料的热膨胀系数不同，如果硅材料和重庆坩埚壁结合紧密，在晶体冷却时很可能造成晶体硅或坩埚破裂；同时，由于硅熔体和坩埚长时间接触，与制备直拉单晶硅时一样，会造成陶瓷坩埚的腐蚀，使得多晶硅中的氧浓度升高。为了解决这个问题，工艺上一般利用Si3N4等材料作为涂层，附加在坩埚的内壁，从而隔离了硅熔体和坩埚的直接接触，不仅能够解决黏滞问题，而且可以降低多晶硅中的氧，碳杂质浓度；进一步地，利用Si3N4涂层，还使得陶瓷坩埚可能得到重复使用，达到降低生产成本的目的。利用定向凝固技术生长的铸造多晶硅，在多数情况下，坩埚是消耗件，不能重复循环使用，即每一炉多晶硅需要一支陶瓷坩埚。陶瓷坩埚的内涂层处理得恰当，陶瓷重庆坩埚选购可以重复使用。  

力学性能： 

陶瓷是脆硬性材料，其抗拉强度很低而抗压强度很高。性能测试与试样的内在质量和表面状态关系密切，一些显微缺陷和表面粗糙度对测试结果有很大影响。  

表 1 石英玻璃与陶瓷的物理性能比较 项目 不透明石英玻璃 陶瓷 密度/(g/cm3) 2.07~2.12 1.90 – 2.00 抗压强度/MPa 1150 50 抗拉强度/MPa 50 20 抗弯强度/MPa (rt) 67 27 – 30 莫氏硬度 5.5~6.5 7 显气孔率 0 <10 - 11% 结晶度  方石英 < 1%  

陶瓷坩埚尺寸的大型化： 

理论上陶瓷坩埚的尺寸可以无限制的扩大，仅受限于实际应用中铸锭炉的尺寸限制。硅锭越大，产品的质量越好。影响硅锭质量的缺陷和杂质都会趋向于硅锭的边缘。一个大尺寸的硅

2 锭能制造出更多更有用，质量更好的产品，得材率更高。因此，国际趋势就是倾向于生产更大尺寸的硅锭。石英坩埚的大尺寸为32”（784mm）。 目前，国内铸造多晶硅的重量普遍为400~450kg，尺寸为880mm×880mm×400mm。其坩埚规格如下图所示。  

热学性能： 

重庆陶瓷坩埚与石英重庆坩埚的在多晶硅的应用主要区别是其热性能的不同。某些热性能二者差别不大，如，线膨胀系数：陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚的线膨胀系数相差很少，线膨胀系数都非常低为0.6x10-6/℃，接近零膨胀；抗热振性：陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚具有极低的线膨胀系数，故都有非常好的抗热振性能。试样在加热到1000℃再投入20℃水中不会炸裂。通常用经多次加热淬水直到破碎的次数来衡量其抗热震能力。其主要区别是软化温度和失透。  

石英玻璃坩埚的主要不足是其变形温度和软化温度，和热传导能力。α-方石英在1723℃熔化为石英玻璃，而石英玻璃是非晶体材料，没有固定的熔点。一般用不同温度下的黏度值来表征其热度加工性能和应用性能。加热石英玻璃，当黏度到1013～1014dpa•s时，（约相当于温度1200℃），石英玻璃开始发生变形。所以一般要求石英玻璃制品应在1100℃以下工作。当加热到1400-1500℃时，黏度达到109～1010dpa•s，石英玻璃变形加快。再升温到1700℃，黏度为106dpa•s，可以进行吹制、弯曲等热加工。在熔融状态下，石英玻璃的黏度为105～106dpa•s。  

在多晶硅的生产工艺中，化料过程一直保持1500℃左右，直至化料结束，该过程约需要9～11小时，晶体生长的温度为1420～1440℃到硅熔点左右，该过程约需要20-22hr。 

 3  陶瓷坩埚的软化温度高达1700°C，且在此温度以下不发生翘曲，尺寸的稳定性和一致性非常好。所以在多晶硅提纯和定向结晶中使用陶瓷坩埚的效果是较好的。