目前使用的石英坩堝通常具有內外結構,內側為氣泡較少的透明層,外側為氣泡較多的非透明層。 外層氣泡層的主要作用是使傳熱更均勻。
氣泡隨著高溫過程而生長和融合,這可能會導致石英的內層剝落。 此外,非晶態石英坩堝在高溫下結晶,形成穩定的方石英結晶狀態。
在熔融矽的流動沖刷中,晶體方石英剝離到熔體中,然後流向晶體生長前沿,容易造成矽單晶失去其單晶結構,俗稱長晶體斷裂。
已經發現,在石英坩堝內壁塗有一層鋇離子的化合物可以促進石英坩堝內層的結晶。 在《電子專用材料用單晶矽生長用石英坩堝生產技術規範》(河北省地方標準)中,標明了主要塗料原料:氫氧化鋇、碳酸鋇; 試劑純度 9999%。
有分析人士認為,BAC3的摻雜可以促進坩堝內壁上微小緻密的方石英晶體的形成,緻密的內壁晶層不易被矽熔體沖刷剝離,微小顆粒即使剝離也更容易在高溫熔體中熔化。 由於矽中鋇的係數極小,約225*10-8,所以微量的鋇摻雜不會影響幾噸單晶矽的壽命。
此外,通過對坩堝塗層反應機理的研究,使坩堝表面的氫氧化鋇塗層更加牢固,以減少坩堝表面二氧化矽液體的侵蝕,提高石英坩堝的使用壽命。
鋇塗層工藝。 鋇塗層的生產是塗層坩堝生產的核心工藝,可以保證坩堝使用過程中形成均勻的結晶層,提高坩堝的晶體生長效能。 將氫氧化鋇粉溶於水,將坩堝放入鋇塗器中,將氫氧化鋇均勻噴灑在坩堝內表面。 氫氧化鋇在空氣中非常容易與CO2反應生成BaCO3,坩堝表面的塗層是BaCO3。 鋇包衣過程中沒有產生BA離子,但BA(OH)2溶液和BACO3沉澱是對人體有害的劇毒物質,操作過程需要保護。
石英坩堝塗層的研究現狀.
為了闡明石英坩堝中BA摻雜對Zzoral 矽晶體生長的影響,黃新明等通過原位觀察和差示掃瞄量熱法研究了Si熔體與Ba摻雜石英玻璃的反應,發現當石英玻璃中BA濃度高於30 ppm時, Ba摻雜完全抑制了棕色環的產生。
莫宇等人研究了兩種不同內塗層的石英坩堝,一種是內層為高純合成石英砂的坩堝(SQC),另一種是塗有鹼土金屬鋇離子溶液的天然石英砂坩堝(NQC)。 使用兩個石英坩堝長期生長大直徑(350 mm)單晶後,用金相顯微鏡觀察兩個石英坩堝的表面形貌,用粗糙度測試儀測試粗糙度,用ICP-MS測量生長晶體的金屬濃度。 結果表明,由於矽熔體中存在較多的雜質顆粒,NQC的使用對單晶的無位錯生長和質量有影響,而使用SQC可以減少這種現象。
Hansen等人提出了一種在坩堝中塗覆鹼土金屬(如Ba)的離子溶液,可以提高坩堝質量,促進單晶的生長。
Tomzig 等人討論了生長 300 mm 高質量單晶的困難,並提到使用內合成石英坩堝可能會提供更高的壽命。 目前,內鋇石英的坩堝廣泛用於小直徑單晶的生長,而合成坩堝則被國外廠家廣泛用於大單晶的生長。 由於我國大尺寸單晶生長技術發展緩慢,製備大尺寸合成石英坩堝難度大,對合成石英坩堝的深入研究較少。
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2024第二屆安徽國際石英產業大會暨展覽會。