石英坩堝在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

石英坩堝屬于石英玻璃制品中的細(xì)分產(chǎn)品，具有潔凈、同質(zhì)、耐高溫等性能，是拉制單晶硅、制作單晶硅片及發(fā)展大規(guī)模集成電路必不可少的載體容器，主要用來裝放多晶硅原料或單晶回收料。1、半導(dǎo)體石英坩堝的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

石英坩堝具有良好的透光性能、耐熱性能、電學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性。從物理熱學(xué)性能上看，它的形變點(diǎn)約為1,100℃左右，軟化點(diǎn)為1,730℃，其最高連續(xù)使用溫度為1,100℃，短時(shí)間內(nèi)可為1,450℃。基于單晶硅片純度的要求，石英坩堝一次或幾次加熱拉晶完成后即報(bào)廢，需要購置新的石英坩堝用于下次拉晶，因而在單晶硅產(chǎn)業(yè)鏈中具備較強(qiáng)的消耗品屬性特征[1]。

長晶是硅片生產(chǎn)最核心的環(huán)節(jié)，單晶制備階段決定了硅片的直徑、晶向、摻雜導(dǎo)電類型、電阻率范圍及分布、碳氧濃度、晶格缺陷等技術(shù)參數(shù)。高純多晶硅原料在石英坩堝中熔化成硅液后，通過引晶、長晶，最后拉制出單晶硅棒，再經(jīng)過切片、拋光等一系列工序后，最終成為半導(dǎo)體或者太陽能硅片。半導(dǎo)體石英坩堝工藝流程圖目前市場(chǎng)主流的是用電弧法制備的半透明石英坩堝。電弧法制備的石英坩堝有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外層是高氣泡密度的區(qū)域，稱為氣泡復(fù)合層。氣泡復(fù)合層受熱較均勻，保溫效果較好；內(nèi)層是一層3-5mm的透明層，稱為氣泡空乏層。氣泡空乏層的存在使坩堝與溶液接觸區(qū)的氣泡密度降低，從而改善單晶生長的成功率及晶棒品質(zhì)。石英坩堝外形2、石英坩堝在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用2.1半導(dǎo)體用石英坩堝的要求半導(dǎo)體石英坩堝行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的下游客戶以半導(dǎo)體硅片廠商為主，少量半導(dǎo)體石英坩堝供應(yīng)給半導(dǎo)體分立器件、半導(dǎo)體硅部件等企業(yè)。

芯片制造對(duì)原材料硅片的品質(zhì)，尤其純度、缺陷密度、位錯(cuò)、雜質(zhì)(氧、碳、金屬離子)含量等方面要求極為嚴(yán)苛。作為承載多晶硅熔融料的石英坩堝，其與硅料及其熔融液直接接觸，特別是在高溫(1420℃)生產(chǎn)環(huán)境下，其本身的純度、強(qiáng)度、熱學(xué)性能、氣泡含量、表面狀態(tài)等方面的性能水平對(duì)半導(dǎo)體硅片的品質(zhì)、良率、一致性影響較大，屬于半導(dǎo)體硅片原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵耗材[2]。

高純度：適用于集成電路行業(yè)的半導(dǎo)體硅片對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有極高的要求，純度必須達(dá)到99.9999999%（9個(gè)9）以上，最先進(jìn)的工藝則需要達(dá)到99.999999999%（11個(gè)9），光伏行業(yè)對(duì)單晶硅片的需求是99.9999%（6個(gè)9），制備難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體硅片。故作為拉制單晶硅的載體容器石英坩堝，在拉制過程中對(duì)于純度、氣泡及雜質(zhì)的控制要求更高。特別是對(duì)金屬元素含量的要求達(dá)到了ppb級(jí)（10億分之一級(jí)），微小的雜質(zhì)污染都有可能導(dǎo)致晶棒的重大缺陷。

高強(qiáng)度：硅棒的拉制一般在1420℃左右的高溫環(huán)境下進(jìn)行。在該溫度下，石英材料會(huì)出現(xiàn)軟化。若石英坩堝強(qiáng)度不足，在拉晶過程中可能發(fā)生變形、塌陷，將直接導(dǎo)致長晶停止，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，在高溫環(huán)境下保持石英坩堝形態(tài)和強(qiáng)度十分關(guān)鍵。

除純度及強(qiáng)度外，石英坩堝的生產(chǎn)特性（熱學(xué)性能、表面狀態(tài)、氣泡狀態(tài)等）也會(huì)影響單晶硅棒的成品率和品質(zhì)。

2.2石英砂雜質(zhì)元素含量要求高純石英砂是石英坩堝核心原材料，其純度顯著影響拉晶效果。石英坩堝的原材料大體分為兩種：一種是以天然石英為原料的石英砂，一種是高純合成原料。

石英坩堝原料要求純度高、一致性好、粒度分布均勻。有害成分高時(shí)會(huì)影響坩堝的熔制，影響其耐溫性，還會(huì)出現(xiàn)氣泡、色斑、脫皮等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成石英坩堝軟化漏硅。例如：當(dāng)Al含量過高時(shí)會(huì)對(duì)拉制單晶硅的純度產(chǎn)生影響，當(dāng)Na、K、Li等元素含量高時(shí)會(huì)使石英坩堝軟化溫度降低，當(dāng)Cu、Mn、Fe等元素含量高時(shí)會(huì)產(chǎn)生色斑。有害元素總含量高還會(huì)產(chǎn)生一些氣泡、白斑等缺陷，造成石英坩堝透明度下降，嚴(yán)重時(shí)還影響坩堝成形[3]。我國對(duì)石英原料純度一般是以Al等十三個(gè)有害元素來衡量的，要求它們的總和要小于20×10-6，半導(dǎo)體級(jí)石英坩堝13種雜質(zhì)元素含量之和小于17ppm。

《單晶硅生長用石英坩堝》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于石英坩堝的雜質(zhì)元素含量要求如下：

單晶硅生長用石英坩堝的雜質(zhì)元素含量要求[4]（單位為微克每克）由內(nèi)蒙古歐晶科技股份有限公司、江西中昱新材料科技有限公司、錦州佑鑫石英科技有限公司為主要起草單位編制的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《半導(dǎo)體單晶硅生長用石英坩堝生產(chǎn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)石英砂雜質(zhì)元素含量要求如下：

半導(dǎo)體單晶硅生長用石英坩堝石英砂雜質(zhì)元素含量[5]（單位為微克每克）3、半導(dǎo)體用石英坩堝的發(fā)展趨勢(shì)3.1向大尺寸方向發(fā)展為提高生產(chǎn)效率并降低成本，向大尺寸演進(jìn)是半導(dǎo)體硅片制造技術(shù)的發(fā)展方向。硅片尺寸越大，在單片硅片上制造的芯片數(shù)量就越多，單位芯片的成本隨之降低。同時(shí)，在圓形的硅片上制造矩形的芯片會(huì)使硅片邊緣處的一些區(qū)域無法被利用，必然會(huì)浪費(fèi)部分硅片。硅片的尺寸越大，相對(duì)而言硅片邊緣的損失會(huì)越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。

半導(dǎo)體硅片正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，從最初的2英寸發(fā)展到了目前的12英寸，未來還有可能發(fā)展到18英寸，硅片的可利用面積比例將逐步增高。這也促使硅單晶硅材料進(jìn)一步朝著無缺陷、大尺寸、高均勻度和結(jié)構(gòu)完整性的方向發(fā)展[2,6]。

未來，大尺寸硅片需求量持續(xù)攀升將推動(dòng)半導(dǎo)體石英坩堝規(guī)模進(jìn)一步增長。隨著8英寸及12英寸半導(dǎo)體硅片出貨量持續(xù)增長，對(duì)應(yīng)24英寸及32英寸半導(dǎo)體石英坩堝的需求持續(xù)增加。

3.2拉晶工藝的提升對(duì)石英坩堝提出更高要求傳統(tǒng)的直拉法下，石英坩堝只能用一次，一次僅能產(chǎn)出一根晶棒。近年來，為了提高直拉單晶硅的質(zhì)量和產(chǎn)量，連續(xù)加料、多次加料等一爐多根直拉單晶硅生長技術(shù)被開發(fā)和應(yīng)用。

多次加料直拉法(Re-chargingCzochralski，RCZ)是目前主流的單晶生長方法。RCZ是在傳統(tǒng)的一爐拉制一根硅棒的工藝基礎(chǔ)上，在拉完第一根棒后，采用二次加料工藝向坩堝內(nèi)重新裝料，進(jìn)而拉制第二、第三甚至更多的晶棒。RCZ也是基于石英坩堝等熱場(chǎng)輔材的品質(zhì)提升上實(shí)現(xiàn)的，該工藝的應(yīng)用，減少了停爐、拆爐時(shí)間，同時(shí)，也減少了石英坩堝、籽晶使用量，從而降低分?jǐn)偟絾胃璋羯系睦r(shí)間和坩堝成本，且能源利用率也得到提高[7,8]。

未來連續(xù)加料直拉法(ContinuousCzochralski，CCZ)有望成為主流生產(chǎn)方法。CCZ采用特殊直拉單晶爐，可一邊進(jìn)行單晶拉制，一邊加料熔化，要求硅原料為高品質(zhì)的顆粒硅。該工藝在坩堝壽命允許的周期內(nèi)可完成8-10根的晶棒拉制。產(chǎn)出的晶棒品質(zhì)高，電阻率分布均勻、范圍更窄，相比傳統(tǒng)工藝?yán)频膯尉Ч杵?，更適用于P型PERC電池工藝及更加高效的N型電池工藝，有利于提高高功率組件產(chǎn)出[7,9]。

單晶技術(shù)發(fā)展對(duì)石英坩堝的綜合性能提出了更高的要求3.3國產(chǎn)石英坩堝正逐漸在各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)進(jìn)口替代縱觀半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展史，全球已發(fā)生兩次大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移：第一次是20世紀(jì)70年代從美國向日本轉(zhuǎn)移，第二次是20世紀(jì)80年代向韓國與中國臺(tái)灣地區(qū)轉(zhuǎn)移。如今，中國大陸則成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)第三次轉(zhuǎn)移的核心地區(qū)。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移是市場(chǎng)需求、國家產(chǎn)業(yè)政策和資本驅(qū)動(dòng)的綜合結(jié)果。歷史上兩次成功的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移都帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向改變、分工細(xì)化專業(yè)化、資源重新配置，并給予了追趕者切入市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的革新與發(fā)展[2]。

目前在光伏石英坩堝領(lǐng)域，憑借著價(jià)格優(yōu)勢(shì)，我國企業(yè)已占據(jù)絕大部分的市場(chǎng)份額；在半導(dǎo)體石英坩堝領(lǐng)域，伴隨著國外半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)移至國內(nèi)，作為其重要配套原輔料供應(yīng)行業(yè)，石英坩堝制造領(lǐng)域獲得了較快的發(fā)展，產(chǎn)品正逐漸實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。4、半導(dǎo)體石英坩堝行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局[2,10]目前中國在18英寸及以下半導(dǎo)體石英坩堝領(lǐng)域本土化程度較高，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。24～32英寸半導(dǎo)體石英坩堝對(duì)制造商的技術(shù)、參數(shù)、工藝及自動(dòng)化程度要求高，目前仍主要由美國、日本傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料頭部廠商所掌握。

石英坩堝的純度、微量元素的控制水平、氣泡層的分部、熱學(xué)性能、內(nèi)表面與硅液的化學(xué)反應(yīng)程度，都將很大程度影響晶體的微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能以及產(chǎn)品的良率、穩(wěn)定性和一致性。而高品質(zhì)的半導(dǎo)體石英坩堝需要在各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)中達(dá)到一個(gè)完美的平衡，如何控制各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)是先進(jìn)石英坩堝廠商的核心技術(shù)，特別是大尺寸半導(dǎo)體石英坩堝的制備技術(shù)，目前仍是行業(yè)頭部企業(yè)的核心機(jī)密。

目前全球主要市場(chǎng)份額集中于Momentive（34%）、信越石英（26%）及勝高JSQ事業(yè)部（25.3%）。其中，Momentive于2022年6月宣布收購Coorstek的石英坩堝產(chǎn)品線。國內(nèi)本土半導(dǎo)體石英坩堝制造商包括盾源聚芯、錦州佑鑫、浙江美晶、江西中昱及歐晶科技等。5、結(jié)語相比太陽能石英坩堝，半導(dǎo)體石英坩堝在生產(chǎn)制造過程中對(duì)原料石英砂雜質(zhì)含量要求更為嚴(yán)苛，不同內(nèi)層位置對(duì)石墨電極的灰分標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)所用的化學(xué)藥液、涂層材料及純水的等級(jí)要求也更高。

近十年來，國家層面半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)扶持力度持續(xù)加碼，全方位推動(dòng)半導(dǎo)體國產(chǎn)化進(jìn)程?！笆奈濉币?guī)劃更是確定了集成電路前沿領(lǐng)域的戰(zhàn)