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石英坩堝在單晶硅行業的應用
目前，國內拉制半導體單晶硅和拉制光伏單晶硅常用的是石英坩堝配合石墨坩堝同時進行的，制造單晶硅所用的石英坩堝規格通常是18英寸-36英寸的，也有個別廠家使用40英寸及以上的太陽能級石英坩堝或半導體級石英坩堝。
▲拉制單晶硅的石英坩堝
當前國內石英坩堝生產大廠的坩堝生產技術都比較成熟，大多采用電弧熔制法配合旋轉塑模法制作拉制單晶硅棒的石英坩堝，該方法是利用旋轉帶來的離心力使高純石英砂在潔凈環境中堆積于具有坩堝形狀模具的內表面，再通過電弧放電加熱使堆積于內表面的石英粉熔融、玻璃化，并最終成形為呈現半透明狀拉制單晶硅石英坩堝。生產拉制單晶硅石英坩堝具有內外兩層結構，由于石英坩堝內層影響最終的單晶硅片質量，所以一般采用進口美國高純石英砂或挪威高純石英砂，石英坩堝外層主要用來散熱，所以使用國產石英砂通常就能滿足需求。
拉制單晶硅的石英坩堝的不足之處
由于經涂層技術處理后石英坩堝僅能一次性使用，每拉制一爐單晶硅就需要更換一個石英坩堝�？梢赃@么說，石英坩堝就是用來裝高溫狀態下硅原料的容器件，是光伏硅片和半導體硅片加工環節中的關鍵耗材，也是硅片品質的重要保障，所以說石英坩堝是拉制單晶硅棒不可或缺的耗材和剛需。
當前半導體行業占據超過60%的單晶硅片需求量，但是近兩年由于新能源太陽能光伏電池行業需求大爆發，進口高純石英砂和國產高純石英砂在新能源太陽能光伏電池行業需求推動下，石英砂價格一路上行，進口高純石英砂因為原料壟斷格局，價格更是蹭蹭往上漲。據業內資深人士透露，由于石英砂原料價格上漲，目前一個石英坩堝的價格在1.2萬元左右，大約是去年同期的3倍還多。
▲石英坩堝配合石墨坩堝同時應用于拉制單晶硅棒
受進口高純石英砂原料壟斷格局的影響，石英坩堝不僅價格高而且質脆易破，在使用溫度下易軟化，需配合石墨坩堝同時使用，這種石英坩堝+石墨坩堝方式廣泛應用于太陽能和半導體領域拉制大直徑單晶硅棒的生產工藝中，石英坩堝+石墨坩堝方式支持高溫條件下連續拉制大直徑單晶硅棒的生產工藝不僅造成資源浪費，增加回收成本，同時增加了單晶硅的生產成本，不利于單晶硅氧含量的降低和太陽能光伏電池的轉化效率的提升。
尋找新的材料，開發節能降耗的坩堝，以降低單晶硅生產成本、提高單晶硅片的品質與電池的轉換效率是當前太陽能光伏行業和半導體單晶硅片行業內研究和產業化關注的重點。
氮化硅坩堝是拉制單晶硅棒或熔煉多晶硅錠中使用的石英坩堝升級迭代產品
在單晶硅或多晶硅鑄造過程中，影響多晶硅錠或單晶硅棒質量的主要是雜質，雜質的一個主要來源是熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒中使用的石英坩堝，液態硅在高溫下嚴重侵蝕石英坩堝，其反應方程式如下：
Si+SiO2→2SiO
部分SiO從硅熔體表面揮發，部分SiO在硅熔體中分解，其反應方程式如下：
SiO→Si+O
石英分解的氧便進入熔體中，最終引入硅晶體，石英分解的氧成為影響多晶硅錠或單晶硅棒質量的有害物質。
在單晶硅或多晶硅鑄造過程中，熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒中如果直接使用氮化硅坩堝，則不存在石英坩堝此類情況。氮在硅晶體中不是一種重要雜質，在物理法多晶硅的生產過程中還有不少廠家是使用氮氣保護，由于氮氧復合體是淺能級，且氮的固溶度很低，所以對單晶硅或多晶硅材料影響不大。
氮化硅是強共價化合物，化學性能穩定，耐高溫性能及致密性好；氮化硅自擴散系數低，抗雜質擴散和防水汽滲透能力強；氮化硅具有良好的抗腐蝕、抗氧化、耐摩擦、自潤滑等性能；氮化硅不與熔融硅Si發生反應，與Si硅熔液不粘連，具有優異的抗侵蝕性和可脫離性。
目前單晶硅和多晶硅燒結工藝，是向石英坩堝內壁噴涂一層高純氮化硅粉制成的漿料，其作用一是便于成品脫膜；二是提高制成品的透明度和色澤的一致性。
在導熱性能方面，拉制單晶硅的石英坩堝與無氧氮化硅坩堝顯然不在一個層級上。無氧氮化硅坩堝導熱系數最高幾十倍于石英坩堝，使用高純度高導熱無氧氮化硅坩堝替代石英坩堝，在拉制單晶硅時可以大幅壓縮熔硅時間和隨爐冷卻時間，不僅生產效率得以提高，而且用電量也得以減少，節省能源和生產運行成本。
與石英坩堝相比，可重復使用的高純度高導熱無氧氮化硅坩堝還具有優異高溫性能和抗熱震性，而優異高溫性能和抗熱震性為實現連續拉晶投料提供了有效的性能保障，連續拉晶投料不僅可以實現縮短單晶硅制備時間周期，提高產量和生產效率，而且還避免了反復進行熔硅、降溫開爐等工序，也將使拉制單晶硅的用電量進一步降低。
使用的氮化硅坩堝熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒有如此多優勢，國內已有廠家在熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒的石英坩堝上使用氮化硅涂層，由此可以說，一步到位無需氮化硅涂層，可重復利用的高熱導氮化硅陶瓷坩堝是熔煉多晶硅錠或拉制單晶硅棒中使用的石英坩堝升級迭代產品。
氮化硅坩堝與石英坩堝的物理性能指標對比
可重復利用的高熱導氮化硅陶瓷坩堝助力我國單晶硅行業發展
威海圓環先進陶瓷股份有限公司是一家專業從事Si3N4可重復利用的高熱導氮化硅陶瓷坩堝、高熱導率氮化硅陶瓷基板、氮化硅微珠、氮化硅陶瓷球、氮化硅陶瓷結構件、氮化硅陶瓷磨介等系列氮化硅精密陶瓷材料的生產企業。
▲威海圓環生產的可重復利用的高純度高熱導氮化硅陶瓷坩堝
威海圓環為突破現有的氮化硅坩堝尺寸及熱導率，現已開發出可在太陽能光伏新能源行業和集成電路芯片半導體領域重復利用的高純度高熱導氮化硅陶瓷坩堝。威海圓環制備的高純度、高熱導氮化硅坩堝，可重復多次使用，避免了石英坩堝一次性使用造成的資源浪費，且其高熱導及耐高溫性能優越，抗壓強度及抗折強度高可以替代石英坩堝+石墨坩堝的雙層作用，可降低單晶硅棒的氧含量，不僅提高太陽能電池轉換效率，而且對單晶硅性能起到積極作用，極大地提高硅晶圓產品產量、質量和降低生產成本。
威海圓環制備的可重復多次使用的高純度、高熱導氮化硅坩堝可以實現與硅錠輕松脫落不粘硅，并能大幅提高單晶硅棒制成品的色澤的一致性和透明度。
威海圓環的無氧氮化硅坩堝可以制備出氧含量極低的高品質單晶硅棒，可以完全克服由于石英坩堝中氧原子對單晶硅棒的氧施主效應的缺陷，以及硼氧復合體存在所造成太陽能光伏電池的光致衰減等固有缺點。
然而，目前燒結大尺寸氮化硅陶瓷坩堝需要大口徑和壓力的冷等靜壓機和爐體內腔尺寸足夠大的氣氛氣壓燒結爐等各種成型方式大型專業設備。更大規格的坩堝需要更大腔體的燒結爐來燒結制成，特大型專業設備限制了大口徑大尺寸氮化硅陶瓷坩堝的生產和使用。因此，購置和開發出符合要求的特大尺寸的成型和燒結專業裝備是當務之急。
威海圓環可重復利用的高熱導氮化硅陶瓷坩堝可以按照用戶特殊要求定制。關于大尺寸、超大尺寸可重復利用的高純度高熱導氮化硅陶瓷坩堝性能、規格、技術參數，配套氮化硅陶瓷結構件等問題——威海圓環隨時歡迎各位同行、各位同仁交流探討！我們一起解決問題，一起學習各種設備或大型工業裝置關鍵部件改進新技術、新方法。
威海圓環多年來與國內在精密陶瓷材料領域具有一定權威和建樹的高等院校和科研機構建立了校企研發合作關系，擁有了一批多年從事研制、開發的中高級技術人員和管理人員，使我們具有精湛的技術、嚴謹的治學態度、高度的敬業精神、高效的管理水平。威海圓環公司研發及生產測試團隊具有豐富的行業經驗，核心工程師擁有十余年的精密陶瓷技術積累和強大的應用開發能力。威海圓環始終致力于高性能及高可靠性氮化硅陶瓷設計開發和生產銷售，打造可重復利用的高熱導氮化硅陶瓷坩堝生產領軍品牌，持續通過技術創新為客戶及時提供高性價比的氮化硅陶瓷材料產品和服務。
