直拉单晶硅生长对石英坩埚品质有哪些要求？

目前，单晶硅采用多晶硅为原料和直拉法生产工艺。在单晶硅生产中，石英坩埚是一次性使用的熔硅和晶体生长的关键材料，对单晶硅的生产成本和产品质量都有直接重要的影响。

石英坩埚主要用于单晶硅拉制

来源：欧晶科技招股说明书、德邦研究所

石英坩埚在直拉单晶硅生长中的作用

石英坩埚是直拉单晶炉的关键部件。单晶制备阶段决定了硅材料的直径、晶向、掺杂导电类型、电阻率范围及分布、氧碳浓度、少子寿命、晶格缺陷等技术参数，要求微缺陷、氧浓度、金属杂质、载流子浓度均匀性等都需要控制在一定范围内。在直拉单晶工艺中，石英坩埚需要承受高于硅熔点(1420℃)的高温。石英坩埚多为半透明状，有多层结构复合而成，外层是高气泡密度的区域，称为气泡复合层;内层是一层3-5mm的透明层，称为气泡空乏层。气泡空乏层的存在使坩埚与溶液接触区的密度降低，从而改善单晶生长。

从质量方面看，石英坩埚内层由于与硅液直接接触，在拉晶过程中不断向硅液中溶解，并且坩埚透明层微气泡不断长大至破裂将向硅液中释放石英颗粒和微气泡，这些杂质又以微颗粒和微气泡的形式伴随硅液流遍整个硅熔体，直接影响到硅的成晶和单晶的质量。

从成本方面看，石英坩埚在单晶硅产业链中具备较强的消耗品属性特征，连续直拉法的运用也对石英坩埚的寿命提出了更高的要求。石英坩埚的高纯和高耐温耐久性为单晶拉制以及单晶品质提供了保障。基于单晶硅片纯度的要求，石英坩埚一次或几次加热拉晶完成后即报废，需要定期更换，属于消耗性器皿。另外，在拉晶环节，倘若石英坩埚出现质量问题，会造成单根单晶硅棒报废。

直拉单晶硅对石英坩埚品质的要求

石英坩埚直接与硅液接触，若其生产过程中未能有效控制杂质、气泡，易影响拉晶质量，甚至导致拉晶失败、投料报废，由于单晶硅片对纯度要求高、且单次拉晶成本较高，因此对石英坩埚在纯度、气泡表现、品质稳定性方面具有较高的要求：

杂质：杂质会对单晶性能和成品率造成直接影响，因此与硅熔体直接接触的石英坩埚的杂质含量至关重要。坩埚杂质过高往往会带来石英坩埚析晶(杂质离子局部集聚后导致粘度降低)，如果析晶靠近内表面，局部的析晶壳层过厚则极易脱落，导致单晶拉制无法继续;如果外壁形成较厚的析晶，极易发生底部或者弧度的鼓包现象;如果析晶贯穿坩埚本体，容易引起漏硅等一系列严重后果。

石英坩埚中的杂质引发析晶

来源：欧晶科技官网，东方财富证券研究所

气泡：高纯石英砂本身含有气液包裹体，拉晶过程中与硅液接触的坩埚内表面不断向硅液中熔解，伴随着透明层中的微气泡不断长大，靠近最内表面的气泡破裂，硅液释放石英微颗粒以及微气泡，其中的杂质会以微颗粒以及微气泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体，直接影响到硅的成晶(整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等)以及单晶硅的质量(穿孔片、黑芯片等)。

石英坩埚内表面气泡含量影响硅成晶

来源：欧晶科技、东方财富证券研究所

石英砂对石英坩埚品质的影响

石英坩埚主要使用电弧法生产，核心原材料为高纯石英砂，石英砂的纯度是影响石英坩埚品质的重要因素。石英坩埚分为内外两层结构，外层是高密度区域，称为气泡复合层;内层是3-5mm的透明层，称为气泡空乏层，内层，即气泡空乏层的存在使坩埚与溶液接触区的气泡密度降低。石英砂纯度越低，在高温熔制过程中越容易产生黑点气泡。用作内层砂时，长时间处于高温环境下会使石英坩埚内壁所含气泡受热释放，从而影响到单晶硅片生产的稳定性和成功率。因此内层砂对石英砂的纯度要求更高，价格也更高。此外，坩埚用石英砂对不同杂质含量都存在要求，如碱金属杂质含量过高会促使坩埚析晶，使坩埚失透和变形，羟基含量过高会导致坩埚鼓包等。

石英坩埚对高纯石英砂纯度要求

来源：王向东.光伏直拉单晶对于石英坩埚及石英砂的产业化需求、东亚前海证券研究所

矿源直接影响高纯石英砂的产品质量，海外石英砂企业扩产规划较少。美国西比科、挪威TQC基本依赖美国的斯普鲁斯派恩矿床，该矿床属于花岗伟晶岩(白岗岩)，具有储量大、杂质少、气泡表现好、矿石品质稳定等优点，但石英含量较低，开采时会伴随产生大量其他副产品，考虑开采经济性，海外企业扩产意愿较低。石英股份等国内企业使用印度等地的脉石英矿源，品质稳定性略差，在杂质含量、稳定性等方面尚与进口产品有一定差异，目前大部分国产砂仅可用于坩埚外层，仅石英股份的部分产品可用于坩埚中内层。由于高品质原矿资源稀缺、海外高纯石英砂行业扩产积极性不足，高品质内层砂的供应或将面临更加严重的供给缺口。

小结

石英坩埚产品质量直接影响直拉单晶硅的品质和成本，而拉晶工艺升级则对石英坩埚纯度、寿命和尺寸提出了更高地要求，进一步激发高端石英坩埚需求。石英砂作为制作石英坩埚的核心原料，其品质水平及成本等级很大程度上决定了石英坩埚的性能及成本，因此，需要从石英矿源筛选、加工等多个方面对高纯石英砂品质进行提升，从而提高石英坩埚的品质，以满足其在光伏直拉单晶制造中的需求。

参考来源：

张大虎等.单晶硅生长用石英坩埚的组成与结构特征

石星宇等.连续拉晶下石英坩埚内气泡变化规律及晶棒的性能研究

王向东.光伏产业概况及直拉单晶石英制品的需求

王向东.光伏直拉单晶对石英坩埚与石英砂的产业化需求

国金证券.欧晶科技.石英坩埚龙头，技术领先+供应保障助力成长

东方财富证券.欧晶科技.高端石英坩埚龙头，十年一剑成长可期

东亚前海证券.石英股份.领跑高端石英领域，量价齐升迈入新阶

责任编辑：周末