氮化硅坩埚替代石英坩埚+石墨坩埚助力单晶硅行业提质增效

石英坩埚和石墨坩埚升级换代 威海圆环可重复利用的高热导氮化硅陶瓷坩埚5项技术优势助力我国单晶硅行业高质量发展

石英坩埚在单晶硅行业的应用

目前，国内拉制半导体单晶硅和拉制光伏单晶硅常用的是石英坩埚配合石墨坩埚同时进行的，制造单晶硅所用的石英坩埚规格通常是18英寸-36英寸的，也有个别厂家使用40英寸及以上的太阳能级石英坩埚或半导体级石英坩埚。

▲拉制单晶硅的石英坩埚

当前国内石英坩埚生产大厂的坩埚生产技术都比较成熟，大多采用电弧熔制法配合旋转塑模法制作拉制单晶硅棒的石英坩埚，该方法是利用旋转带来的离心力使高纯石英砂在洁净环境中堆积于具有坩埚形状模具的内表面，再通过电弧放电加热使堆积于内表面的石英粉熔融、玻璃化，并最终成形为呈现半透明状拉制单晶硅石英坩埚。生产拉制单晶硅石英坩埚具有内外两层结构，由于石英坩埚内层影响最终的单晶硅片质量，所以一般采用进口美国高纯石英砂或挪威高纯石英砂，石英坩埚外层主要用来散热，所以使用国产石英砂通常就能满足需求。

拉制单晶硅的石英坩埚的不足之处

由于经涂层技术处理后石英坩埚仅能一次性使用，每拉制一炉单晶硅就需要更换一个石英坩埚。可以这么说，石英坩埚就是用来装高温状态下硅原料的容器件，是光伏硅片和半导体硅片加工环节中的关键耗材，也是硅片品质的重要保障，所以说石英坩埚是拉制单晶硅棒不可或缺的耗材和刚需。

当前半导体行业占据超过60%的单晶硅片需求量，但是近两年由于新能源太阳能光伏电池行业需求大爆发，进口高纯石英砂和国产纯石英砂在新能源太阳能光伏电池行业需求推动下，石英砂价格一路上行，进口高纯石英砂因为原料垄断格局，价格更是蹭蹭往上涨。据业内资深人士透露，由于石英砂原料价格上涨，目前一个石英坩埚的价格在1.2万元左右，大约是去年同期的3倍还多。

▲石英坩埚配合石墨坩埚同时应用于拉制单晶硅棒

受进口高纯石英砂原料垄断格局的影响，石英坩埚不仅价格高而且质脆易破，在使用温度下易软化，需配合石墨坩埚同时使用，这种石英坩埚+石墨坩埚方式广泛应用于太阳能和半导体领域拉制大直径单晶硅棒的生产工艺中，石英坩埚+石墨坩埚方式支持高温条件下连续拉制大直径单晶硅棒的生产工艺不仅造成资源浪费，增加回收成本，同时增加了单晶硅的生产成本，不利于单晶硅氧含量的降低和太阳能光伏电池的转化效率的提升。

寻找新的材料，开发节能降耗的坩埚，以降低单晶硅生产成本、提高单晶硅片的品质与电池的转换效率是当前太阳能光伏行业和半导体单晶硅片行业内研究和产业化关注的重点。

氮化硅坩埚是拉制单晶硅棒或熔炼多晶硅锭中使用的石英坩埚升级迭代产品

在单晶硅或多晶硅铸造过程中，影响多晶硅锭或单晶硅棒质量主要是杂质，杂质的一个主要来源是熔炼多晶硅锭或拉制单晶硅棒中使用的石英坩埚，液态硅在高温下严重侵蚀石英坩埚，其反应方程式如下：

Si+SIO2→2SiO

部分SiO从硅熔体表面挥发，部分SiO在硅熔体中分解，其反应方程式如下：

SiO→Si+O

石英分解的氧便进入熔体中，最终引入硅晶体，石英分解的氧成为影响多晶硅锭或单晶硅棒质量的有害物质。

在单晶硅或多晶硅铸造过程中，熔炼多晶硅锭或拉制单晶硅棒中如果直接使用的氮化硅坩埚，则不存在石英坩埚此类情况。氮在硅晶体中不是一种重要杂质，在物理法多晶硅的生产过程中还有不少厂家是使用氮气保护，由于氮氧复合体是浅能级，且氮的固溶度很低，所以对单晶硅或多晶硅材料影响不大。

氮化硅是强共价化合物，化学性能稳定，耐高温性能及致密性好；氮化硅自扩散系数低，抗杂质扩散和防水汽渗入透过能力强；氮化硅具有良好的抗腐蚀、抗氧化、耐摩擦、自润滑等性能；氮化硅不与熔融硅Si发生反应，与Si硅熔液不粘连，具有优异的抗侵蚀性和可脱离性。

目前单晶硅和多晶硅烧结工艺，是向石英坩埚内表面喷涂一层高纯氮化硅粉制成的浆料，其作用一是便于成/品脱膜；二是提高制成品的透明度和色泽的一致性。

在导热性能方面，拉制单晶硅的石英坩埚与无氧氮化硅坩埚显然不在一个层级上。无氧氮化硅坩埚导热系数最高几十倍于石英坩埚，使用高纯度高导热无氧氮化硅坩埚替代石英坩埚，在拉制单晶硅时可以大幅压缩熔硅时间和随炉冷却时间，不仅生产效率得以提高，而且用电量也得以减少，节省能源和生产运行成本。

与石英坩埚相比，可重复使用的高纯度高导热无氧氮化硅坩埚还具有优异高温性能和抗热震性，而优异高温性能和抗热震性为实现连续拉晶投料提供了有效的性能保障，连续拉晶投料不仅可以实现缩短单晶硅制备时间周期，提高产量和生产效率，而且还避免了反复进行熔硅、降温开炉等工序，也将使拉制单晶硅的用电量进一步降低。

使用的氮化硅坩埚熔炼多晶硅锭或拉制单晶硅棒有如此多优势，国内已有厂家在熔炼多晶硅锭或拉制单晶硅棒的石英坩埚上使用氮化硅涂层，由此可以说，一步到位无需氮化硅涂层，可重复利用的高热导氮化硅陶瓷坩埚是熔炼多晶硅锭或拉制单晶硅棒中使用的石英坩埚升级迭代产品。

氮化硅坩埚与石英坩埚的物理性能指标对比

可重复利用的高热导氮化硅陶瓷坩埚助力我国单晶硅行业发展

威海圆环先进陶瓷股份有限公司是一家专业从事Si₃N₄可重复利用的高热导氮化硅陶瓷坩埚、高热导率氮化硅陶瓷基板、氮化硅微珠、氮化硅陶瓷球、氮化硅陶瓷结构件、氮化硅陶瓷磨介等系列氮化硅精密陶瓷材料的生产企业。