石英坩埚使用中常见问题和解决方法

石英坩埚使用中常见问题和解决方法

讲义

一引言

在Cz法单晶的制备中，石英坩埚作为熔硅的载体有着其不可替代的作用。了解石英坩埚的特性和掌握正确的方法对所有从事单晶制备的每一位从业人员来说都是非常重要的。

二石英坩埚的特性（主要介绍热学性能和结晶性能）

1. 热学性能：

热学性能主要体现在以下几个方面

（1）它的形变点为1075℃

（2）它的软化点为1730℃

（3）其最高连续使用温度为1100℃，短时间内为1450℃。

2. 结晶性能

（1）石英坩埚在高温下具有趋向变成二氧化硅的晶体（方石英）。这个过程称为再结晶，也称为“失透”，通常也称为“析晶”。

（2）析晶通常发生在石英坩埚的表层，按照中国石英玻璃行业标准规定，半导体工业用石英玻璃在1400℃±5℃下保温6小时，其析晶层的平均厚度应为﹤100μm。

三石英坩埚使用中的常见问题

1 析晶

1.1 产生析晶的原因

1.1.1 石英坩埚受到沾污，在所有对石英坩埚的沾污中，碱金属离子钾（K）钠（Na）锂（Li）和碱土金属离子钙（Ca）镁（Mg）这些离子的存在是石英坩埚产生析晶的主要因素。

1.1.2 在操作过程中，因操作方法不当也会产生析晶如在防止石英坩埚和装填硅料的过程中，带入的汗水，口水，油污，尘埃等。

1.1.3 新的石墨坩埚未经彻底煅烧或受到沾污就投入使用是造成石英坩埚外层析晶的主要原因。

1.1.4 用于拉晶的原料纯度低，所含杂质太多或清洗工艺存在问题。

1.1.5 熔料时温度过高，也将加重析晶的程度。

1.1.6 石英坩埚的生产，清洗，包装过程中受到沾污。

1.2 析晶对拉晶的影响

1.2.1 石英坩埚内壁发生析晶时有可能破换坩埚内壁原有的涂层，这将导致涂层下面的气泡层和熔硅发生反应，造成部分颗粒状氧化硅进入熔硅内，使得正在生长中的晶体结构发生变异而无法正常长晶。

1.2.2 析晶将减薄石英坩埚原有的厚度，降低了坩埚的强度容易引起石英坩埚的变形。

1.3 防止减少析晶的方法

1.3.1 石英坩埚的生产厂商要保证其生产的坩埚从用料到生产的各个环节都符

合质量要求。

1.3.2 在单晶生产的整个过程中应严格按照工艺规程认真操作。

1.3.3 拉晶所用的原料纯度一定要符合生产要求，如果原料本身所含杂质较多，在溶料过程中也会造成析晶。尤其是碱金属离子的存在，将会降低析晶温度200 ～300℃.

1.3.4 原料的清洗一定要符合工艺要求，经过酸或碱处理的原料如果未将酸碱残液冲洗彻底，易造成析晶。

1.3.5 新的石墨器件，如石墨坩埚因含有一定的灰粉和其它杂质，在投入使用前须经过彻底的高温煅烧才能使用。

1.3.6 熔料时应选用合适的熔料温度以减少析晶或降低析晶的程度。

2 石英坩埚的变形

2.1 产生变形的原因

2.1.1 装料方法不当

2.1.1.1 在液位线上的料与石英坩埚的接触呈面接触状态，这在熔料过程中容易发生挂边导致坩埚变形。

2.1.1.2 坩埚最上部全部装了碎小细料，这在熔料时易发生下部已溶完，上部呈结晶状态而造成坩埚变形。

2.1.2 熔料方法不当

目前在太阳能单晶生产中，普遍都采用热屏工艺，而热屏使用一般又分为上挂式和下放式两种，见图：

由于熔料方法不当造成变形的原因有以下二种

2.1.2.1 在上挂式热屏中如采用上部先熔法，即将埚位先降至最低位，让上部料先熔，这种方式极易在熔料过程中产生石英坩埚变形。

2.1.2.2 再下挂式热屏中一般上部不容易变形，但如果上部硅料融化下沉后如不及时将埚位上升，石英埚底部极易鼓包变形。

2.1.3 溶料功率不当

温度对石英埚变形的影响主要有以下二点。

2.1.

3.1 温度过高

由于硅熔点为1420℃，一般的熔料温度在1550~1600℃左右，如果熔料温度过高，在熔料过程中极易发生变形。

2.1.

3.2 温度过低

当熔料料温度偏低时，坩埚上部的料与埚壁接触处易发生似熔非熔的状态，当下部料熔完上部已挂边的块料将石英坩埚下拉二发生变形。

2.1.4 原材料问题

原料质量参差不齐，齐所含杂质远高于原始多晶，酸洗工艺不尽完善，这对坩埚的正常使用影响也非常大，主要表现在容易发生严重析晶。

2.1.5 石英本身存在质量问题

石英坩埚在生产，清洗，包装中受到沾污发生析晶（包括液位线以上的部分）这样石英坩埚原有的厚度会减薄，强度也随之下降，容易发生变形。

2.1.6 在放置石英坩埚和装填硅料的过程中由于操作不当坩埚受到沾污也会造成变形。

2.1.7 石英坩埚原有厚度太薄，强度不够，也易发生坩埚变形。

2.2 石英坩埚变形对拉晶的影响

石英坩埚变形后，轻则影响正常拉晶，严重时将无法拉晶。

2.2.1 石英坩埚变形后，在拉晶过程中随着埚位的上升，石英坩埚变形的凸出部分将碰撞到导流筒，影响或无法继续正常的拉晶。

2.2.2 溶料中发生挂边造成的石英坩埚变形，坩埚上口向内凸出过多，当溶完料埚位上升到正常引晶位置时，已碰撞到导流筒，这将直接导致不能拉晶的严重后果。

2.2.3 溶料中发生鼓包且鼓包较大时，在拉晶过程中随着液位的下降，鼓包会渐渐露出液面，这时已经拉出的晶棒会碰擦鼓包，如不及时停炉会发生晶棒跌落的严重事故。

2.3 防止变形的方法和措施

在单晶生产的过程中，防止变形的方法和措施有以下几个方面。

2.3.1 装料

2.3.1.1 装填块料时，在液位线以下，应尽量装的密实一些，在中下部块料和埚壁应采取面接触为好。在液位线以上的块料应以点接触面为好，以免在溶料中发生因挂边而将石英坩埚向内拉弯造成变形。

2.3.1.2 在装填细小碎料时，应尽量将小料装入坩埚的中下部，不要在坩埚的最上面全部倒入碎料，在装料时可留部分块料放在小料的最上面。这样当下部原料溶完时，上部的块料靠自身的重力将碎料一起带下去。

2.3.2 溶料方法

在溶料方法上，应根据热屏吊挂的方式采取相应的措施来避免因溶料方法不当而发生变形。

2.3.2.1 上挂式热屏所采用的加热器的热区一般较短，溶料时应先将埚位放在高位，让底部先溶待下部料溶化一部分，上部的料下沉后立即将埚位下降，这种溶料的方法可最大限度地避免下部硅料已溶完，上部硅料发生挂边的现象。

2.3.2.2 下放式热屏所采用的加热器较高，由于热屏在装完料时已放置好，此时的埚位已下降到底部，熔料时上部先溶，一般不易发生挂边，坩埚上部一般也不会发生变形。这可最大限度地避免坩埚底部鼓包的发生。

2.3.3溶料温度方面

除了上面几项是防止变形的措施外，其他还应注意的一些因素有以下几点：

（1）避免和减少析晶的发生

（2）选用合适单晶生长的原材料

（3）选用厚度符合要求的石英坩埚

（4）采用正确的原料处置工艺并严格按照工艺规程认真操作

（5）在放置石英坩埚和装填硅料时应严格按照操作规程认真操作

3 石英坩埚的破裂

3.1 在熔料和拉晶的过程中有时会发生石英坩埚破裂，发生破裂的原因有以下几个因素。

3.1.1 熔料的方法不当

3.1.1.1 二次结晶

上部硅料熔化后沿着石英坩埚的内壁向下流到底部时往往会因底部温度过低而发生“二次”结晶，硅料在“二次”结晶时发生膨胀而将石英坩埚胀裂。3.1.1.2 底部翻料后漏硅

当上部熔硅液体沿埚壁流到坩埚底部时将底部块料和石英坩埚粘连在一起，当上部硅料完全熔化成液体后，对底部的块料形成浮力，当浮力大到足以将未熔完的块料脱离与之粘连的石英坩埚底部时，往往能将坩埚拉破。

3.1.2 熔料的温度不当

溶料的温度太高会加剧坩埚析晶的程度，增加了破裂的可能性。

3.1.3 原料问题

原料的杂质太多或在原料的清洗和装填过程中受到沾污，都会对石英坩埚产生侵蚀作用，严重时熔硅会渗透到坩埚内层。

3.1.4 石墨坩埚问题

3.1.

4.1 新的石墨坩埚煅烧不够彻底即投入使用会造成石英坩埚外层严重析晶。

3.1.

4.2 石墨坩埚因使用时间过长，其原有的厚度氧化降解而大为减薄。

3.1.5 石英坩埚问题

3.1.5.1 石英坩埚在放入时用力过量，底部受到损伤而产生隐裂。

3.1.5.2 在装底部料时大块的硅料撞击到石英坩埚底部产生隐裂。

3.1.5.3 坩埚上部装入太多的大料，熔料过程中发生塌料时易将坩埚底部撞破导致漏硅。

3.1.5.4 石英坩埚因受到外力损伤已产生隐裂，熔料过程中发生破裂。

3.1.5.5 在石英坩埚的生产、包装、运输中受到损伤而产生隐裂。

3.2 石英坩埚破裂对拉晶的影响

3.2.1 石英坩埚的破裂对生产造成的损失往往是非常巨大的。

3.3 如何防止漏硅的发生

3.3.1 选用合适的熔料方法

采用下放式热屏的熔料方法时应在上部硅料熔化后及时将埚位上升，就能有效防止因“二次”结晶而发生的漏硅。

3.3.2 大块的块料宜放置在石英坩埚的中部位置。

3.3.3 在熔料过程中，随着原料的逐步熔化和下沉，应随时提升埚位，这在很大程度上可减少因熔硅与底部石英坩埚发生粘连而出现的鼓包现象。

3.3.4 在熔料时应根据不同的热场，不同的投料量选择合适的熔料温度与时间。

3.3.5 当遇到反复几天都无法拉出单晶就应及时吊料结束拉晶，以避免发生因石英坩埚破裂而造成的漏硅事故。

3.3.6新投入的石墨坩埚应彻底煅烧后才能投入使用以减少石英坩埚外层析晶的程度。

3.3.7 当石墨坩埚使用时间过长，其厚度已减薄很多时，应及时更换。

3.3.8 在石英坩埚的生产、包装、运输等过程中应避免使石英坩埚受到撞击，以免受到损伤而产生隐裂

3.3.9 在放置石英坩埚时应避免用力过重和撞击。

3.3.10 在装填硅料的过程中，应避免块料对坩埚的撞击。

3.3.11 在清洗原料的过程中应将酸碱残液彻底冲洗干净以避免坩埚内壁发生

严重析晶。

3.3.12 在装填硅料时应严格按照操作工艺规程认真操作，以避免石英坩埚和原料受到沾污而发生严重析晶。