Crogiolo di quarzo fuso di elevata purezza per l'estrazione di cristalli singoli

Attualmente, il silicio monocristallino viene prodotto utilizzando il silicio policristallino come materia prima e il metodo Czochralski. Nella produzione di silicio monocristallino, ilquarzoIl crogiolo è un materiale fondamentale per la fusione del silicio e la crescita dei cristalli e ha un impatto diretto e significativo sui costi di produzione e sulla qualità del prodotto del silicio monocristallino.

ILcrogiolo di quarzoè un componente chiave della fornace monocristallo Czochralski. La fase di preparazione del monocristallo determina parametri tecnici quali diametro, orientamento del cristallo, tipo di conduttività del drogaggio, intervallo e distribuzione di resistività, concentrazione di ossigeno e carbonio, durata dei portatori minoritari e difetti reticolari del materiale silicio. I microdifetti, la concentrazione di ossigeno, le impurità metalliche e l'uniformità della concentrazione dei trasportatori devono essere tutti controllati entro un certo intervallo. Nel processo Czochralski monocristallino, il crogiolo di quarzo deve resistere a temperature elevate superiori al punto di fusione del silicio (1420°C). I crogioli di quarzo sono per lo più semitrasparenti e composti da più strati. Lo strato esterno è una regione con elevata densità di bolle, chiamata strato composito di bolle; lo strato interno è uno strato trasparente di 3-5 mm, chiamato strato senza bolle. La presenza dello strato impoverito di bolle riduce la densità del crogiolo nella zona a contatto con la soluzione, migliorando così la crescita del monocristallo.

Dal punto di vista della qualità, lo strato interno del crogiolo di quarzo, a causa del contatto diretto con il silicio fuso, si dissolve continuamente nel silicio fuso durante il processo di estrazione dei cristalli.  Le microbolle nello strato trasparente del crogiolo crescono e si rompono continuamente, rilasciando particelle di quarzo e microbolle nel silicio fuso. Queste impurità, sotto forma di microparticelle e microbolle, vengono trasportate attraverso l'intero silicio fuso dal flusso del liquido di silicio, influenzando direttamente la cristallizzazione del silicio e la qualità del singolo cristallo.

Dal punto di vista dei costi,crogioli di quarzohanno una forte caratteristica di consumo nella catena industriale del silicio monocristallino e l'uso del metodo Czochralski continuo pone anche requisiti più elevati sulla durata del crogiolo di quarzo. L'elevata purezza e la resistenza alle alte temperature del crogiolo di quarzo forniscono una garanzia per l'estrazione e la qualità del monocristallo. In base ai requisiti di purezza dei wafer di silicio monocristallino, il crogiolo di quarzo viene scartato dopo uno o più cicli di riscaldamento ed estrazione dei cristalli e deve essere sostituito regolarmente, rendendolo un articolo di consumo.

Inoltre, se ilcrogiolo di quarzopresenta problemi di qualità durante il processo di estrazione del cristallo, ciò causerà la rottamazione dell'intera barra di silicio monocristallino. I crogioli al quarzo vengono prodotti principalmente utilizzando il metodo dell'arco elettrico, con sabbia di quarzo ad elevata purezza come materia prima principale. La purezza della sabbia di quarzo è un fattore cruciale che influenza la qualità del crogiolo di quarzo. Il crogiolo di quarzo ha una struttura a due strati: lo strato esterno è una regione ad alta densità, chiamata strato composito a bolle; lo strato interno è uno strato trasparente di 3-5 mm, chiamato strato senza bolle.

La presenza dello strato interno, lo strato privo di bolle, riduce la densità delle bolle nell'area in cui il crogiolo entra in contatto con la soluzione. Minore è la purezza della sabbia di quarzo, maggiore è la probabilità che si formino macchie nere e bolle durante il processo di fusione ad alta temperatura. Quando viene utilizzata come sabbia dello strato interno, l'esposizione prolungata alle alte temperature provoca il rilascio delle bolle contenute nella parete interna del crogiolo di quarzo, influenzando così la stabilità e il tasso di successo della produzione di wafer di silicio monocristallino. Pertanto, la sabbia dello strato interno richiede sabbia di quarzo di purezza più elevata, con conseguente prezzo più elevato. Inoltre, la sabbia di quarzo utilizzata per i crogioli ha requisiti specifici per diversi livelli di impurità. Ad esempio, un'eccessiva impurità di metalli alcalini può causare la cristallizzazione nel crogiolo, portando a opacizzazione e deformazione, mentre un contenuto eccessivo di idrossile può causare formazione di bolle nel crogiolo.

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