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石英坩埚对拉晶的影响和常见石英坩埚问题解析
作者：钱虎林
发表日期：.5.17
一：石英坩埚的历史和现状
1.早期石英坩埚
早期的石英坩埚是全部透明的，最早期的石英坩埚是全部的透明的结构，这种透明的结构却容易引起导致不均匀的热传输条件，增加晶棒生长的困难度。所以这种坩埚基本被淘汰使用。
2.现代的石英坩埚
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现代拉单晶的石英坩埚一般是采用电弧法生产，半透明状，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
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现代的石英坩埚则存在二种结构，外侧是一层具有高气泡密度的区域，称为气泡复合层，内侧则是一层3~5mm的透明层，称之为气泡空乏层。气泡复合层的目的是在与均匀的辐射有加热器所提供的辐射热源。气泡空乏层的目的在于降低与溶液接触区域的气泡密度，而改善单晶生长的成功率及晶棒品质。
二：国内石英坩埚的情况分析
国内石英坩埚厂家有：锦州圣戈班、荆州菲利华、扬州华尔、宁波宝斯达、余姚通达、杭州大和等。
锦州圣戈班、荆州菲利华、扬州华尔,他们的工艺采用真空熔融法，外几家采用的是涂层法，即在坩埚内壁用精细石英砂喷涂到坩埚表面大约1~2mm左右。涂的不均匀，这就会造成在单晶生长过程中内壁脱落导致单晶生长失败。
宁波宝斯达有一种涂钡锅，可应用到太阳能单晶用坩埚上。涂钡工艺也可用人工进行，但是人工涂钡的缺点在于在涂钡的同时引进多余的杂质且人工喷涂不均匀，使得在开始拉晶的时候由于杂质过多或者单晶生长过程中内壁脱落，造成放肩时断线，需提杂后才能进行继续拉晶。
注：涂钡工艺的原理：
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这是因为钡在硅中的平衡偏析系数非常小，使得他在硅晶棒中的浓度小于2.5x10（-9）/cm3，因而不会影响到晶棒的品质。通常的做法是将石英坩埚壁涂上一层含有结晶水的氢氧化钡（Ba(OH)2.8H2O）（饱和的氢氧化钡水溶液）。这层氢氧化钡会与空气中的二氧化碳反应形成碳酸钡。而当这种石英坩埚在单晶炉上被加热时，碳酸钡会分解形成氧化钡，随着氧化钡与石英坩埚反应形成硅酸钡（BaSiO3）。由于硅酸钡的存在，使得石英坩埚壁上形成一层致密微小的方石英结晶。这种微小的方石英结晶很难被溶液渗入而剥落，即使剥落也很快被溶液溶解掉，，因此可以大幅度的改善石英坩埚的使用寿命及长晶良率。另外在石英坩埚外壁形成一层方石英结晶的好处，是它可以增加石英坩埚的强度，减少高温软化现象。
三：石英坩埚在拉单晶中出现的现象及其分析
1．石英坩埚使用后壁上出现棕色小圈
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现象：在锅壁上出现棕色小圈。
解释：石英坩埚本身是非晶质，石英坩埚本身是非晶质的介态能，在适当的条件下他会发生相变化而形成稳定的方石英结晶态。方石英结晶态的形成包括成核与成长二个阶段，成核通常发生在石英坩埚壁上的结构缺陷或杂质（特别是一些碱性金属或重金属）。初期的方石英结晶为球状，进一步的成长则是沿着坩埚壁成树枝状往侧向发展，这是因为石英坩埚与溶液的反应时的垂直方向的成长受到抑制之故。在方石英结晶与非晶质石英坩埚壁之间通常夹杂着一层硅溶液，而在方石英结晶的边缘，通常覆盖着棕色的sio气泡。Sio气体为棕色，棕色的小圈是sio的结晶。根本原因在于坩埚壁上的杂质或者硅料清洗不干净所带来的酸碱或重金属残留，使坩埚在高温下不稳定，造成上诉现象。
注：一氧化硅（sio）的物理化学性质
Sio：黑棕色至黄土色无定形粉末。熔点℃。沸点℃，由纯度99.5％的二氧化硅粉末与煤沥青粉末(或硅粉)以C/SiO2=1.3或Si/SiO2=1.2配比混合，放入电加热的真空炉，注入非氧化性气体(如氩、氢等气体)，高温反应，制得超细(0.1/μm以下)无定形氧化硅。一般它可由[url=
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