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铸锭多晶硅制造用石英陶瓷坩埚的特性
1.1 石英陶瓷坩埚已成为发展多晶硅铸锭的重要配件
世界及我国太阳能光伏产业的急速发展,驱动了太阳能多晶硅用关键配套材料需要量的迅猛增长。在发展太阳能多晶硅中,许多为之生产制造配套的新型材料,近年无论是技术上还是在生产量都得到了令人嘱目的发展。这其中就有用于多晶硅铸锭和熔炼提纯用的石英陶瓷坩埚产品。
石英陶瓷坩埚(Fused Silica Crucibles)是太阳能电池用多晶硅铸锭过程中用来装载多晶硅原料、在1550℃的高温下使之熔化结晶生产出多晶硅硅锭的容器。它目前已是多晶硅铸锭生产中需求量很大的一种消耗品。太阳能光伏产业的高速发展为石英陶瓷坩埚提供了广阔的市场前景。面对当前高纯度多晶硅原料供不应求的局面,铸锭多晶硅在原料使用上有更大优势,国际上也是多晶硅太阳能电池占有很大的比例,由此近两年我国铸锭多晶硅生产更快速地发展。石英陶瓷坩埚作为发展多晶硅铸锭中不可替代的关键配套部件,其需求量也随着得到了快速的增长。[1] [2]
1.2 石英陶瓷坩埚与石英玻璃坩埚的差别
在半导体、光伏行业使用的硅材料在生产制造过程中有两大类常用的硅锭容器,即石英玻璃坩埚和石英陶瓷坩埚。
石英陶瓷坩埚使用高纯熔融硅微粉所制成。它的主要化学成分是:二氧化硅(SiO2)99.0%,三氧化铝(Al2O3)0.5%,氧化钙(CaO)0.5%。由于它的组成份与石英玻璃坩埚有较大的差异,因此这两类硅锭容器在应用领域、工艺特点、技术性能等方面都有着较明显的差别。
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石英陶瓷坩埚的性能特点
(
1
)力学性能特点
陶瓷是脆硬性材料,
其抗拉强度很低而抗压强度较高。
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。
(
2
)易于实现尺寸大型化
石英陶瓷坩埚比石英玻璃坩埚易于制成部品的大型化,
这对生产更多更好的
铸锭有着很重要的实际意义。硅锭越大,产品的质量就越好,得材率更高。影响
硅锭质量的缺陷和杂质都会趋向于硅锭的边缘。
正因如此,
国际趋势就是倾向于生产更大尺寸的硅锭。
目前,
国内铸造多晶
硅的重量普遍为
400
~
450kg
,
尺寸为
880mm×880mm×400mm。
装载
800
公斤硅料
的
1100
型超大尺寸坩埚在国内外铸造多晶硅业中也在逐渐实现之中。
(
3
)热学性能
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石英陶瓷坩埚的性能特点
(
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)力学性能特点
陶瓷是脆硬性材料,
其抗拉强度很低而抗压强度较高。
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。
(
2
)易于实现尺寸大型化
石英陶瓷坩埚比石英玻璃坩埚易于制成部品的大型化,
这对生产更多更好的
铸锭有着很重要的实际意义。硅锭越大,产品的质量就越好,得材率更高。影响
硅锭质量的缺陷和杂质都会趋向于硅锭的边缘。
正因如此,
国际趋势就是倾向于生产更大尺寸的硅锭。
目前,
国内铸造多晶
硅的重量普遍为
400
~
450kg
,
尺寸为
880mm×880mm×400mm。
装载
800
公斤硅料
的
1100
型超大尺寸坩埚在国内外铸造多晶硅业中也在逐渐实现之中。
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)热学性能
1.3 石英陶瓷坩埚的性能特点
(1)力学性能特点
陶瓷是脆硬性材料,其抗拉强度很低而抗压强度较高。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。
(2)易于实现尺寸大型化
石英陶瓷坩埚比石英玻璃坩埚易于制成部品的大型化,这对生产更多更好的铸锭有着很重要的实际意义。硅锭越大,产品的质量就越好,得材率更高。影响硅锭质量的缺陷和杂质都会趋向于硅锭的边缘。
正因如此,国际趋势就是倾向于生产更大尺寸的硅锭。目前,国内铸造多晶硅的重量普遍为400~450kg,尺寸为880mm×880mm×400mm。装载800公斤硅料的1100型超大尺寸坩埚在国内外铸造多晶硅业中也在逐渐实现之中。
(3)热学性能
陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚具有极低的线膨胀系数(线膨胀系数为0.6× 10-6/℃),故都有非常好的抗热振性能。
由于在单晶硅生产中已经成熟的应用石英玻璃坩埚,所以过去许多人曾自然而然的作了这样的尝试,即把石英玻璃坩埚移植在多晶硅铸锭生产使用,但其结果都是导致应用上的失败。石英陶瓷坩埚以高的、稳定的软化温度和热传导能力的特性,使得目前物理法提纯太阳能级多晶硅材料和定向结晶炉(DSS)系统中所用的硅锭容器,选择陶瓷坩埚比例在越来越增多。
加热石英玻璃,当黏度到1013~1014dPa•s时
(Pa.s=1000cP=1000mPa.s=10P=10dPa.s),(约相当于温度1200℃),石英玻璃开始发生变形(一般要求石英玻璃制品应在1100℃以下工作),而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。在铸锭多晶硅的生产工艺中,化料过程在1500℃左右高温下需保持,约需要9~11小时;在硅晶体生长过程中,温度达到硅熔点的1420~1440℃左右,其晶体生长过程约需要20-22hr。在长时间的高温下,多晶硅的提纯和定向结晶加工使用陶瓷坩埚的效果是较理想的选择。