摘要：由于在cc生产中成熟的应用是石英玻璃坩埚，所以许多人自然地把石英玻璃坩埚移植在多晶硅的生产上，导致应用失败。技术上成熟的方法是采用陶瓷坩埚提纯多晶硅。在物理法提纯太阳能级多晶硅材料和定向结晶炉（DSS）系统中采用陶瓷坩埚越来越多。本文对陶瓷坩埚作了详细的介绍，并和石英坩埚作了比较。

关键词：陶瓷坩埚  石英坩埚  太阳能级多晶硅材料  

陶瓷坩埚的材料基体为陶瓷，其晶相为晶体和玻璃体，其基本性能和分析手段为工程陶瓷的研究内容。而石英玻璃坩埚简称石英坩埚，其材料基体是玻璃，完全是玻璃相。

陶瓷坩埚的主要化学成分：

二氧化硅（Silica） SiO2  99.0%

三氧化二铝（Alumina） Al2O3   0.5%

氧化钙（Calcia） CaO   0.5%

石英玻璃坩埚的主要成分是单一高纯度的二氧化硅（Silica） SiO2 

涂层材料：

在制备铸造多晶硅时，在原料熔化，晶体生长过程中，硅熔体和坩埚长时间接触，会产生黏滞作用。由于两种材料的热膨胀系数不同，如果硅材料和坩埚壁结合紧密，在晶体冷却时很可能造成晶体硅或坩埚破裂；同时，由于硅熔体和坩埚长时间接触，与制备直拉单晶硅时一样，会造成陶瓷坩埚的腐蚀，使得多晶硅中的氧浓度升高。为了解决这个问题，工艺上一般利用Si3N4等材料作为涂层，附加在坩埚的内壁，从而隔离了硅熔体和坩埚的直接接触，不仅能够解决黏滞问题，而且可以降低多晶硅中的氧，碳杂质浓度；进一步地，利用Si3N4涂层，还使得陶瓷坩埚可能得到重复使用，达到降低生产成本的目的。利用定向凝固技术生长的铸造多晶硅，在多数情况下，坩埚是消耗件，不能重复循环使用，即每一炉多晶硅需要一支陶瓷坩埚。陶瓷坩埚的内涂层处理得恰当，陶瓷坩埚可以重复使用。

力学性能：

陶瓷是脆硬性材料，其抗拉强度很低而抗压强度很高。性能测试与试样的内在质量和表面状态关系密切，一些显微缺陷和表面粗糙度对测试结果有很大影响。

表 1 石英玻璃与陶瓷的物理性能比较

陶瓷坩埚尺寸的大型化：

理论上陶瓷坩埚的尺寸可以无限制的扩大，仅受限于实际应用中铸锭炉的尺寸限制。硅锭越大，产品的质量越好。影响硅锭质量的缺陷和杂质都会趋向于硅锭的边缘。一个大尺寸的硅锭能制造出更多更有用，质量更好的产品，得材率更高。因此，国际趋势就是倾向于生产更大尺寸的硅锭。石英坩埚的大尺寸为32”（784mm）。 目前，国内铸造多晶硅的重量普遍为400~450kg，尺寸为880mm×880mm×400mm。其坩埚规格如下图所示。

图1  多晶硅材料铸锭用陶瓷坩埚规格

热学性能：

陶瓷坩埚与石英坩埚的在多晶硅的应用主要区别是其热性能的不同。某些热性能二者差别不大，如，线膨胀系数：陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚的线膨胀系数相差很少，线膨胀系数都非常低为0.6x10-6/℃，接近零膨胀；抗热振性：陶瓷坩埚和石英玻璃坩埚具有极低的线膨胀系数，故都有非常好的抗热振性能。试样在加热到1000℃再投入20℃水中不会炸裂。通常用经多次加热淬水直到破碎的次数来衡量其抗热震能力。其主要区别是软化温度和失透。

石英玻璃坩埚的主要不足是其变形温度和软化温度，和热传导能力。α-方石英在1723℃熔化为石英玻璃，而石英玻璃是非晶体材料，没有固定的熔点。一般用不同温度下的黏度值来表征其热度加工性能和应用性能。加热石英玻璃，当黏度到1013～1014dpa•s时，（约相当于温度1200℃），石英玻璃开始发生变形。所以一般要求石英玻璃制品应在1100℃以下工作。当加热到1400-1500℃时，黏度达到109～1010dpa•s，石英玻璃变形加快。再升温到1700℃，黏度为106dpa•s，可以进行吹制、弯曲等热加工。在熔融状态下，石英玻璃的黏度为105～106dpa•s。

在多晶硅的生产工艺中，化料过程一直保持1500℃左右，直至化料结束，该过程约需要9～11小时，晶体生长的温度为1420～1440℃到硅熔点左右，该过程约需要20-22hr。

陶瓷坩埚的软化温度高达1700°C，且在此温度以下不发生翘曲，尺寸的稳定性和一致性非常好。所以在多晶硅提纯和定向结晶中使用陶瓷坩埚的效果是较好的。

图2  多晶硅材料提纯用陶瓷坩埚