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1、單晶硅生產(chǎn)用石英坩堝原料金小寧洪璐東?？h金孚石英制品廠一、單晶硅對石英坩堝的要求石英坩堝是拉制單晶硅的消耗性器皿，每生產(chǎn)一爐單晶硅就用掉一只石英坩堝。因?yàn)閱尉Ч枋巧a(chǎn)大規(guī)模集成電路的原材料，所以對石英坩堝的要求十分苛刻。目前單晶硅的發(fā)展主要向大直徑、高純度以及雜質(zhì)分布高均勻性的方向發(fā)展。而石英坩堝是直拉單晶硅生長過程中的重要材料，它的純度和加工質(zhì)量會直接影響單晶硅的產(chǎn)量和質(zhì)量，隨著直拉單晶硅投料量和晶體生長直徑的不斷增大，對石英坩堝的純度和質(zhì)量要求越來越高，主要有以下幾方面要求：1)材質(zhì)必須是高純度半導(dǎo)體級，且純度要高，有害化學(xué)元素小于20X10{；2)耐高溫
2、性強(qiáng)，在高溫過程中保持高電阻率及防止軟化；3)坩堝的尺寸大，國外已普遍使用22英寸及36英寸的石英坩堝；4)氣泡要少，氣泡在生產(chǎn)中不長大；5)規(guī)格精度高，耐溫性能好，節(jié)約能源。因此，隨著對大直徑單晶硅質(zhì)量要求的不斷提高，對半導(dǎo)體材料用石英制品及相關(guān)材料提出了更高的要求。二、石英坩堝對原料的要求石英坩堝的幾何尺寸和外觀是生產(chǎn)工藝確定的，而純度是由原料確定的。石英坩堝用原料要求純度高、一致性好，粒度分布均勻。有害成分高時會影響坩堝的熔制，影響其耐溫性，還會出現(xiàn)氣泡、色斑、脫皮等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響石英坩堝質(zhì)量。例如：當(dāng)Al含量過高時會對拉制單晶硅的純度產(chǎn)生影響，當(dāng)Na、
3、K、Li等元素含量高時會使石英坩堝軟化溫度降低，當(dāng)Cu、^ln、Fe等元素含量高時會產(chǎn)生色斑。有害元素總含量高還會產(chǎn)生一些氣泡、白斑等缺陷，造成石英坩堝透明度下降，嚴(yán)重時還影響坩堝成形。我國對石英原料純度一般是以Al等十三個有害元素來衡量的，要求它們的總和要小于20×10咱。生產(chǎn)高質(zhì)量石英坩堝，不但工藝技術(shù)要先進(jìn)，而且原料純度要高，為了生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品我國生產(chǎn)高純石英坩堝的原料全部進(jìn)口美國UNIMIN公司的高純石英砂，雖然其原料質(zhì)量較好，6l但價(jià)格卻一再上漲。因此提高石英坩堝產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，促進(jìn)硅材料工業(yè)發(fā)展，達(dá)到石英坩堝原料國產(chǎn)化，是我國石英原料生產(chǎn)企業(yè)刻不
4、容緩的事情。三、我國石英原料現(xiàn)狀我國是石英儲量最為豐富的國家之一，已開采利用石英礦較好的有江蘇東海、安徽風(fēng)陽、湖北紅安、江西修水、廣西全州、四川綿陽、河北張家口、黑龍江通河、內(nèi)蒙烏海等地。這些石英礦儲量大、品位高、易開采，但目前開采的大多數(shù)石英礦均用作生產(chǎn)低檔的石英制品如：硅微粉、玻璃、耐火材料、碳化硅、硅鐵、熔融石英、石英玻璃管等。能用于半導(dǎo)體的礦源很多，但由于加工處理手段落后，產(chǎn)品不能達(dá)到半導(dǎo)體材料的要求，從而使高品位礦石用作低品位產(chǎn)品，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)?，F(xiàn)有處理工藝如下：原礦分選一酸泡一清洗一烘干一破碎一篩分一磁選一酸洗一浮選一一清洗一烘干一挑選一檢
5、驗(yàn)一包裝一入庫此工藝能去除石英玻璃中的部分非石英顆粒，不能提高產(chǎn)品級別，是目前國內(nèi)大多數(shù)石英原料生產(chǎn)廠使用的工藝，產(chǎn)品只能作為生產(chǎn)低檔石英玻璃的原料。和國外比，國外石英原料生產(chǎn)廠比較注重石英原礦的綜合加工，對石英原礦按品位要求進(jìn)行生產(chǎn)。他們均注重工藝、設(shè)備和技術(shù)的提高，注重環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)工人的健康保護(hù)。高純石英原料的生產(chǎn)方法很多，美國、德國、日本、前蘇聯(lián)都有很先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，可去除原礦中的氣液包裹體和非石英顆粒，使原礦中有害化學(xué)元素降至最低，產(chǎn)品一致性好，應(yīng)用范圍廣。我國是石英玻璃生產(chǎn)和應(yīng)用大國，每年生產(chǎn)石英玻璃約3萬噸，其中低檔石英玻璃25000多噸，
6、原料國內(nèi)生產(chǎn)。中高檔石英原料全部依靠從美國進(jìn)口，生命線撐握在別人手里。四、石英坩堝原料的生產(chǎn)研究石英中雜質(zhì)大多數(shù)是在石英形成時伴生的，石英中雜質(zhì)礦物是雜質(zhì)的富集點(diǎn)，主要有二種來源，一是石英生長時包裹在石英晶體中的雜質(zhì)礦物，主要是硅酸鹽類礦物及金屬氧化物類礦物。這類包裹體分固態(tài)和氣液兩種。固態(tài)包裹體主要有云母、綠簾石、鉀長石、赤電礦等；氣液包裹體主要有結(jié)晶水和氣組成，主62要成分為C02、H20、H202、N2、CI-14、CO等。水晶中氣液包裹體較少，石英中較多，最高可達(dá)800mg／kg以上。東海石英脈以偉晶巖或高溫?zé)嵋好}型的石英為主，含固、液包裹體較少，有害
7、雜質(zhì)少，是生產(chǎn)石英坩堝的理想原料。另一種是生產(chǎn)過程中二次污染的雜質(zhì)，生產(chǎn)過程中的空氣、水、設(shè)備和操作人員都能對產(chǎn)品產(chǎn)生污染，這是很難控制和處理的雜質(zhì)。較難去除的是石英內(nèi)部的固液包裹體，這些雜質(zhì)以微小的顆粒狀存在于石英內(nèi)部，有些體積小的元素甚至進(jìn)入二氧化硅的骨架中。目前去除這些包裹體的有效方法有：化學(xué)處理、磁選、浮選、電選、重力選、氣選、超聲波選、超導(dǎo)選、摻雜選等等，運(yùn)用這些方法可有效地去除石英表面和內(nèi)部雜質(zhì)，提高石英原料的純度。上述方法不能單獨(dú)使用，應(yīng)根據(jù)原礦品位綜合使用。如：先將礦物破碎至0．2川．4mm的顆粒，用1200----2500高斯磁選，除去強(qiáng)磁性
8、雜質(zhì)，用浮選的方法除去云母、長石等雜質(zhì)
