石英坩堝使用中常見問題和解決方法

1、石英坩堝使用中常見問題和解決方法講義一 引言在 Cz 法單晶的制備中，石英坩堝作為熔硅的載體有著其不可替代的作用。 了解石英坩堝的特性和掌握正確的方法對所有從事單晶制備的每一位從業(yè)人員 來說都是非常重要的。二 石英坩堝的特性（主要介紹熱學(xué)性能和結(jié)晶性能）1. 熱學(xué)性能： 熱學(xué)性能主要體現(xiàn)在以下幾個方面（ 1） 它的形變點為 1075（ 2） 它的軟化點為 1730（ 3） 其最高連續(xù)使用溫度為 1100，短時間內(nèi)為 1450。2. 結(jié)晶性能（ 1） 石英坩堝在高溫下具有趨向變成二氧化硅的晶體（方石英） 。這個過程稱 為再結(jié)晶，也稱為“失透” ，通常也稱為“析晶” 。（ 2） 析晶通常發(fā)生在石英

2、坩堝的表層， 按照中國石英玻璃行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 半導(dǎo) 體工業(yè)用石英玻璃在 1400 5下保溫 6 小時，其析晶層的平均厚度應(yīng)為 100m。三 石英坩堝使用中的常見問題1 析晶1.1 產(chǎn)生析晶的原因1.1.1 石英坩堝受到沾污，在所有隊石英坩堝的沾污中，堿金屬離子鉀（K）鈉（Na）鋰（Li ）和堿土金屬離子鈣（ Ca）鎂（Mg）這些離子的存在是石英坩堝產(chǎn) 生析晶的主要因素。1.1.2 在操作過程中， 因操作方法不當(dāng)也會產(chǎn)生析晶如在防止石英坩堝和裝填硅 料的過程中，帶入的汗水，口水，油污，塵埃等。1.1.3 新的石墨坩堝未經(jīng)徹底煅燒或受到沾污就投入使用是造成石英坩堝外層 析晶的主要原因。1.1.4

3、用于拉晶的原料純度低，所含雜質(zhì)太多或清洗工藝存在問題。1.1.5 熔料時溫度過高，也將加重析晶的程度。1.1.6 石英坩堝的生產(chǎn)，清洗，包裝過程中受到沾污。1.2 析晶對拉晶的影響1.2.1 石英坩堝內(nèi)壁發(fā)生析晶時有可能破換坩堝內(nèi)壁原有的涂層， 這將導(dǎo)致涂層 下面的氣泡層和熔硅發(fā)生反應(yīng)， 造成部分顆粒狀氧化硅進入熔硅內(nèi)， 使得正在生 長中的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變異而無法正常長晶。1.2.2 析晶將減薄石英坩堝原有的厚度， 降低了坩堝的強度容易引起石英坩堝的 變形。1.3 防止減少析晶的方法1.3.1 石英坩堝的生產(chǎn)廠商要保證其生產(chǎn)的坩堝從用料到生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都符合質(zhì)量要求。1.3.2 在單晶生產(chǎn)的整個

4、過程中應(yīng)嚴格按照工藝規(guī)程認真操作。1.3.3 拉晶所用的原料純度一定要符合生產(chǎn)要求，如果原料本身所含雜質(zhì)較多， 在溶料過程中也會造成析晶。尤其是堿金屬離子的存在，將會降低析晶溫度 200 300.1.3.4 原料的清洗一定要符合工藝要求， 進過酸或堿處理的原料如果未將酸堿殘 液沖洗徹底，易造成析晶。1.3.5 新的石墨器件， 如石墨坩堝因含有一定的灰粉和其它雜質(zhì)， 在投入使用前 須經(jīng)過徹底的高溫煅燒才能使用。1.3.6 熔料時應(yīng)選用合適的熔料溫度以減少析晶或降低析晶的程度。2 石英坩堝的變形2.1 產(chǎn)生變形的原因2.1.1 裝料方法不當(dāng)2.1.1.1 在液位線上的料與石英坩堝的接觸呈面接觸狀態(tài)

5、， 這在熔料過程中容易 發(fā)生掛邊導(dǎo)致坩堝變形。2.1.1.2 坩堝最上部全部裝了碎小細料， 這在熔料時易發(fā)生下部已溶完， 上部呈 結(jié)晶狀態(tài)而造成坩堝變形。2.1.2 熔料方法不當(dāng) 目前在太陽能單晶生產(chǎn)中， 普遍都采用熱屏工藝， 而熱屏使用一般又分為 上掛式和下放式兩種，見圖：由于熔料方法不當(dāng)造成變形的原因有以下二種2.1.2.1 在上掛式熱屏中如采用上部先熔法， 即將堝位先降至最低位， 讓上部料 先熔，這種方式極易在熔料過程中產(chǎn)生石英坩堝變形。2.1.2.2 再下掛式熱屏中一般上部不容易變形， 但如果上部硅料融化下沉后如不 及時將堝位上升，石英堝底部極易鼓包變形。2.1.3 溶料功率不當(dāng) 溫度

6、對石英堝變形的影響主要有以下二點。2.1.3.1 溫度過高 由于硅熔點為 1420，一般的熔料溫度在 15501600左右，如果熔料溫 度過高，在熔料過程中極易發(fā)生變形。2.1.3.2 溫度過低當(dāng)熔料料溫度偏低時， 坩堝上部的料與堝壁接觸處易發(fā)生似熔非熔的狀態(tài)， 當(dāng)下部料熔完上部已掛邊的塊料將石英坩堝下拉二發(fā)生變形。2.1.4 原材料問題 原料質(zhì)量參差不齊，齊所含雜質(zhì)遠高于原始多晶，酸洗工藝不盡完善，這 對坩堝的正常使用影響也非常大，主要表現(xiàn)在容易發(fā)生嚴重析晶。2.1.5 石英本身存在質(zhì)量問題 石英坩堝在生產(chǎn)，清洗，包裝中受到沾污發(fā)生析晶（包括液位線以上的部 分）這樣石英坩堝原有的厚度會減薄，

7、強度也隨之下降，容易發(fā)生變形。2.1.6 在放置石英坩堝和裝填硅料的過程中由于操作不當(dāng)坩堝受到沾污也會造 成變形。2.1.7 石英坩堝原有厚度太薄，強度不夠，也易發(fā)生坩堝變形。2.2 石英坩堝變形對拉晶的影響 石英坩堝變形后，輕則影響正常拉晶，嚴重時將無法拉晶。2.2.1 石英坩堝變形后， 在拉晶過程中隨著堝位的上升， 石英坩堝變形的凸出部 分將碰撞到導(dǎo)流筒，影響或無法繼續(xù)正常的拉晶。2.2.2 溶料中發(fā)生掛邊造成的石英坩堝變形， 坩堝上口向內(nèi)凸出過多， 當(dāng)溶完料 堝位上升到正常引晶位置時， 已碰撞到導(dǎo)流筒， 這將直接導(dǎo)致不能拉晶的嚴重后 果。2.2.3 溶料中發(fā)生鼓包且鼓包較大時， 在拉晶過

8、程中隨著液位的下降， 鼓包會漸 漸露出液面， 這時已經(jīng)拉出的晶棒會碰擦鼓包， 如不及時停爐會發(fā)生晶棒跌落的 嚴重事故。2.3 防止變形的方法和措施 在單晶生產(chǎn)的過程中，防止變形的方法和措施有以下幾個方面。2.3.1 裝料2.3.1.1 裝填塊料時，在液位線以下， 應(yīng)盡量裝的密實一些， 在中下部塊料和堝 壁應(yīng)采取面接觸為好。在液位線以上的塊料應(yīng)以點接觸面為好， 以免在溶料中發(fā)生因掛邊而將 石英坩堝向內(nèi)拉彎造成變形。2.3.1.2 在裝填細小碎料時， 應(yīng)盡量將小料裝入坩堝的中下部， 不要在坩堝的最 上面全部倒入碎料， 在裝料時可留部分塊料放在小料的最上面。 這樣當(dāng)下部原料 溶完時，上部的塊料靠自身

9、的重力將碎料一起帶下去。2.3.2 溶料方法 在溶料方法上，應(yīng)根據(jù)熱屏吊掛的方式采取相應(yīng)的措施來避免因溶料方法 不當(dāng)而發(fā)生變形。2.3.2.1 上掛式熱屏所采用的加熱器的熱區(qū)一般較短， 溶料時應(yīng)先將堝位放在高 位，讓底部先溶待下部料溶化一部分， 上部的料下沉后立即將堝位下降， 這種溶 料的方法可最大限度地避免下部硅料已溶完，上部硅料發(fā)生掛邊的現(xiàn)象。2.3.2.2 下放式熱屏所采用的加熱器較高， 由于熱屏在裝完料時已放置好， 此時 的堝位已下降到底部， 熔料時上部先溶， 一般不易發(fā)生掛邊， 坩堝上部一般也不 會發(fā)生變形。這可最大限度地避免坩堝底部鼓包的發(fā)生。2.3.3 溶料溫度方面表為不同熱場所

10、采用的熔料功率和時間以供參考序號熱場熔料功率熔料時間投料量1168082kw44.5 小時4045 2188590kw4.55 小時5560 3209095kw5.56 小時8090 2.3.4 其他方面除了上面幾項是防止變形的措施外，其他還應(yīng)注意的一些因素有以下幾 點：（ 1）避免和減少析晶的發(fā)生（2）選用合適單晶生長的原材料（3）選用厚度符合要求的石英坩堝（4）采用正確的原料處置工藝并嚴格按照工藝規(guī)程認真操作（5）在放置石英坩堝和裝填硅料時應(yīng)嚴格按照操作規(guī)程認真操作 3 石英坩堝的破裂3.1 在熔料和拉晶的過程中有時會發(fā)生石英坩堝破裂，發(fā)生破裂的原因有以下 幾個因素。3.1.1 熔料的方法

11、不當(dāng)3.1.1.1 二次結(jié)晶 上部硅料熔化后沿著石英坩堝的內(nèi)壁向下流到底部時往往會因底部溫度過 低而發(fā)生“二次”結(jié)晶，硅料在“二次”結(jié)晶時發(fā)生膨脹而將石英坩堝脹裂。3.1.1.2 底部翻料后漏硅 當(dāng)上部熔硅液體沿堝壁流到坩堝底部時將底部塊料和石英坩堝粘連在一 起，當(dāng)上部硅料完全熔化成液體后， 對底部的塊料形成浮力， 當(dāng)浮力大到足以將 未熔完的塊料脫離與之粘連的石英坩堝底部時，往往能將坩堝拉破。3.1.2 熔料的溫度不當(dāng) 溶料的溫度太高會加劇坩堝析晶的程度，增加了破裂的可能性。3.1.3 原料問題 原料的雜質(zhì)太多或在原料的清洗和裝填過程中受到沾污，都會對石英坩堝 產(chǎn)生侵蝕作用，嚴重時熔硅會滲透到

12、坩堝內(nèi)層。3.1.4 石墨坩堝問題3.1.4.1 新的石墨坩堝煅燒不夠徹底即投入使用會造成石英坩堝外層嚴重析 晶。3.1.4.2 石墨坩堝因使用時間過長，其原有的厚度氧化降解而大為減薄。3.1.5 石英坩堝問題3.1.5.1 石英坩堝在放入時用力過量，底部受到損傷而產(chǎn)生隱裂。3.1.5.2 在裝底部料時大塊的硅料撞擊到石英坩堝底部產(chǎn)生隱裂。3.1.5.3 坩堝上部裝入太多的大料， 熔料過程中發(fā)生塌料時易將坩堝底部撞破 導(dǎo)致漏硅。3.1.5.4 石英坩堝因受到外力損傷已產(chǎn)生隱裂，熔料過程中發(fā)生破裂。3.1.5.5 在石英坩堝的生產(chǎn)、包裝、運輸中受到損傷而產(chǎn)生隱裂。3.2 石英坩堝破裂對拉晶的影響

13、3.2.1 石英坩堝的破裂對生產(chǎn)造成的損失往往是非常巨大的。3.3 如何防止漏硅的發(fā)生3.3.1 選用合適的熔料方法采用下放式熱屏的熔料方法時應(yīng)在上部硅料熔化后及時將堝位上升， 就能 有效防止因“二次”結(jié)晶而發(fā)生的漏硅。3.3.2 大塊的塊料宜放置在石英坩堝的中部位置。3.3.3 在熔料過程中，隨著原料的逐步熔化和下沉，應(yīng)隨時提升堝位，這在很 大程度上可減少因熔硅與底部石英坩堝發(fā)生粘連而出現(xiàn)的鼓包現(xiàn)象。3.3.4 在熔料時應(yīng)根據(jù)不同的熱場， 不同的投料量選擇合適的熔料溫度與時間。3.3.5 當(dāng)遇到反復(fù)幾天都無法拉出單晶就應(yīng)及時吊料結(jié)束拉晶，以避免發(fā)生因 石英坩堝破裂而造成的漏硅事故。3.3.6 新投入的石墨坩堝應(yīng)徹底煅燒后才能投入使用以減少石英坩堝外層析晶 的程度。3.3.7 當(dāng)石墨坩堝使用時間過長，其厚度已減薄