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石英坩埚:光伏、半导体等行业不可或缺的容器。
来源:石英大会 | 作者:康美净环保净水设备 | 发布时间: 2024-04-17 | 96 次浏览 | 分享到:

01、认识石英坩埚


石英坩埚实际上就是一种容器,是由高纯石英砂通过模具定型,使用电弧法高温制作而成。具有耐高温、使用时间长、高纯度等特点,主要使用于半导体与太阳能拉制单晶硅棒的辅助性耗材。

石英坩埚可在1450℃以下使用,分为透明和不透明两种。最早期的石英坩埚是全部透明的,这种透明的构造容易导致不均匀的热传输条件,增加晶棒生长的困难度,所以这种坩埚被淘汰使用。


不透明石英坩埚(图片来源:Est官网)


目前,半透明石英坩埚是拉制大直径单晶硅、发展大规模集成电路必不可少的基础材料。当今,世界半导体工业发达国家已用此坩埚取代了小的透明石英坩埚。半透明石英坩埚具有高纯度、耐温性强、尺寸大精度高、保温性好、节约能源、质量稳定等优点。


02、石英坩埚的生产工艺


根据配方工艺的不同,石英坩埚生产成型一般采用注浆或注凝两种方法。这两种生产工艺大体相同。但由于生产方法存在一定的差异性,两种工艺流程对配套设备选型还是有所不同。 

(1)注浆法生产工艺

注浆法成型在陶瓷的生产工艺中历史悠久,较为传统,掌握起来相对容易,是目前较普遍采用的生产成型方法。注浆法在石英坩埚生产中得到普遍应用。 

注浆法一般生产工艺流程:注浆成型——脱模——翻转——固化——初检——修坯——干燥——煅烧——修边——终检——包装。

注浆法生产主要配套生产设备: 不锈钢模具——悬臂吸盘吊装机——脱模翻坯机——脱模平台——固化炉——初检线——悬臂吸盘吊装机——少空气干燥器——悬臂吸盘吊装机——煅烧炉——悬臂吸盘吊装机——修边机——悬臂吸盘吊装机——终检进坯台——终检翻坯机——灯光检测旋转台——灯光终检台——终检出坯线——悬臂吸盘吊装机——包装。

由于注浆成型脱模时间一般为8小时,成型效率相对较低,产量不宜过大。
(2)注凝法生产工艺 

注凝法成型在石英坩埚生产中刚刚兴起,工艺难度相对较大,不太容易掌握,在石英坩埚的生产工艺中使用相对较少。但这种方法相对于注浆法能大大缩短脱模时间,提高脱模效率,在大规模生产中具有一定优势。 

注凝法在石英坩埚生产中不易掌握,目前在国内有少数几家公司在使用该方法。由于在大规模生产中具有一定优势,它是未来生产工艺的发展方向。

注凝法一般生产工艺流程:注浆成型——脱模——翻转——初检——修坯——干燥——煅烧——修边——终检——包装。

注凝法生产主要配套生产设备:不锈钢模具——悬臂吸盘吊装机——脱模翻坯机——脱模平台——初检线——悬臂吸盘吊装机——少空气干燥器——悬臂吸盘吊装机——煅烧炉——悬臂吸盘吊装机——修边机——悬臂吸盘吊装机——终检进坯台——终检翻坯机——灯光检测旋转台——灯光终检台——终检出坯线——悬臂吸盘吊装机——包装。
(3)工艺对比

由于注浆法成型是靠石膏模吸水来干燥,脱模时间较长,生产效率较低。注凝法成型是采用钢模,但在产品配料中配有添加济,坯体在生产过程中能快速凝固成型,提高强度,易于快速脱模,且脱模后坯体强度较高,不需要通过固化炉进行固化。但这样产品在煅烧过程中,这些有机物添加剂会分解挥发,从而降低产品的密度与强度。目前国内提高成品密度与强度的方法基本得到了解决。

由以上对比分析知,两种生产工艺使用配套设备基本相同,仅仅是注凝法不需要固化炉对坯体进行固化,工艺流程及其他配套设备基本相同。


03、石英坩埚的使用及维护


石英坩埚主要化学成分是二氧化硅,除氢氟酸外不与其它酸作用,易与苛性碱及碱金属碳酸盐作用;

石英坩埚对热的稳定性很好,可直接放在火焰上加热;

石英坩埚容易破碎,使用时要特别小心;

石英坩埚可以用硫酸氢钾(钠),硫代硫酸钠(在212℃烘干)等作为熔剂,熔融温度不许超过800℃。


04、石英坩埚需求量分析


从使用寿命上看,石英坩埚寿命理想状态400小时+,较差情况为300小时左右。(备注:N型硅片对应石英坩埚的使用寿命比P型低50-100小时,即P型硅片的石英坩埚寿命约400小时,N型硅片的石英坩埚寿命为300-350小时)。

一台单晶炉的石英坩埚用量:目前P型硅片一台单晶炉平均一个月使用2个石英坩埚(720小时),一年使用24个石英坩埚。

1GW硅片的石英坩埚用量:1GW182硅片产能对应100台单晶炉,则1GW硅片出货对应使用约2400个石英坩埚。