圖片來源:晶盛機電
01
認識石英坩堝
石英坩堝實際上就是一種容器,是由高純石英砂通過模具定型,使用電弧法高溫制作而成。具有耐高溫、使用時間長、高純度等特點,主要使用于半導體與太陽能拉制單晶硅棒的輔助性耗材。
石英坩堝可在1450℃以下使用,分為透明和不透明兩種。最早期的石英坩堝是全部透明的,這種透明的構造容易導致不均勻的熱傳輸條件,增加晶棒生長的困難度,所以這種坩堝被淘汰使用。
不透明石英坩堝(圖片來源:Est官網)
目前,半透明石英坩堝是拉制大直徑單晶硅、發(fā)展大規(guī)模集成電路必不可少的基礎材料。當今,世界半導體工業(yè)發(fā)達國家已用此坩堝取代了小的透明石英坩堝。半透明石英坩堝具有高純度、耐溫性強、尺寸大精度高、保溫性好、節(jié)約能源、質量穩(wěn)定等優(yōu)點。
02
石英坩堝的生產工藝
根據配方工藝的不同,石英坩堝生產成型一般采用注漿或注凝兩種方法。這兩種生產工藝大體相同。但由于生產方法存在一定的差異性,兩種工藝流程對配套設備選型還是有所不同。
(1)注漿法生產工藝
注漿法成型在陶瓷的生產工藝中歷史悠久,較為傳統(tǒng),掌握起來相對容易,是目前較普遍采用的生產成型方法。注漿法在石英坩堝生產中得到普遍應用。
注漿法一般生產工藝流程:注漿成型——脫模——翻轉——固化——初檢——修坯——干燥——煅燒——修邊——終檢——包裝
注漿法生產主要配套生產設備: 不銹鋼模具——懸臂吸盤吊裝機——脫模翻坯機——脫模平臺——固化爐——初檢線——懸臂吸盤吊裝機——少空氣干燥器——懸臂吸盤吊裝機——煅燒爐——懸臂吸盤吊裝機——修邊機——懸臂吸盤吊裝機——終檢進坯臺——終檢翻坯機——燈光檢測旋轉臺——燈光終檢臺——終檢出坯線——懸臂吸盤吊裝機——包裝
由于注漿成型脫模時間一般為8小時,成型效率相對較低,產量不宜過大。
(2)注凝法生產工藝
注凝法成型在石英坩堝生產中剛剛興起,工藝難度相對較大,不太容易掌握,在石英坩堝的生產工藝中使用相對較少。但這種方法相對于注漿法能大大縮短脫模時間,提高脫模效率,在大規(guī)模生產中具有一定優(yōu)勢。
注凝法在石英坩堝生產中不易掌握,目前在國內有少數幾家公司在使用該方法。由于在大規(guī)模生產中具有一定優(yōu)勢,它是未來生產工藝的發(fā)展方向。
注凝法一般生產工藝流程:注漿成型——脫模——翻轉——初檢——修坯——干燥——煅燒——修邊——終檢——包裝
注凝法生產主要配套生產設備:不銹鋼模具——懸臂吸盤吊裝機——脫模翻坯機——脫模平臺——初檢線——懸臂吸盤吊裝機——少空氣干燥器——懸臂吸盤吊裝機——煅燒爐——懸臂吸盤吊裝機——修邊機——懸臂吸盤吊裝機——終檢進坯臺——終檢翻坯機——燈光檢測旋轉臺——燈光終檢臺——終檢出坯線——懸臂吸盤吊裝機——包裝
(3)工藝對比
由于注漿法成型是靠石膏模吸水來干燥,脫模時間較長,生產效率較低。注凝法成型是采用鋼模,但在產品配料中配有添加濟,坯體在生產過程中能快速凝固成型,提高強度,易于快速脫模,且脫模后坯體強度較高,不需要通過固化爐進行固化。但這樣產品在煅燒過程中,這些有機物添加劑會分解揮發(fā),從而降低產品的密度與強度。目前國內提高成品密度與強度的方法基本得到了解決。由以上對比分析知,兩種生產工藝使用配套設備基本相同,僅僅是注凝法不需要固化爐對坯體進行固化,工藝流程及其他配套設備基本相同。
03
石英坩堝的使用及維護
石英坩堝主要化學成分是二氧化硅,除氫氟酸外不與其它酸作用,易與苛性堿及堿金屬碳酸鹽作用;
石英坩堝對熱的穩(wěn)定性很好,可直接放在火焰上加熱;
石英坩堝容易破碎,使用時要特別小心;
石英坩堝可以用硫酸氫鉀(鈉),硫代硫酸鈉(在212℃烘干)等作為熔劑,熔融溫度不許超過800℃。
04
石英坩堝需求量分析
從使用壽命上看,石英坩堝壽命理想狀態(tài)400小時+,較差情況為300小時左右。(備注:N型硅片對應石英坩堝的使用壽命比P型低50-100小時,即P型硅片的石英坩堝壽命約400小時,N型硅片的石英坩堝壽命為300-350小時)。
一臺單晶爐的石英坩堝用量:目前P型硅片一臺單晶爐平均一個月使用2個石英坩堝(720小時),一年使用24個石英坩堝。
1GW硅片的石英坩堝用量:1GW182硅片產能對應100臺單晶爐,則1GW硅片出貨對應使用約2400個石英坩堝。
小結
石英坩堝主要應用于半導體、光伏等領域。光伏行業(yè)由于產品精密度程度高、技術發(fā)展快,對石英坩堝的純度、精度要求日益嚴格。我國的石英制品行業(yè)起步較晚,只有少數規(guī)模化企業(yè)的石英坩堝技術方面達到先進水平。在技術更迭方面,隨著下游行業(yè)技術不斷迭代,石英坩堝制造企業(yè)需與時俱進,及時開發(fā)生產出滿足下游領域需求的產品,滿足下游客戶降本增效的要求,才能保持競爭優(yōu)勢。
原標題:石英坩堝:光伏行業(yè)不可或缺的容器!