一文详解石英坩埚

石英坩埚作为一次性使用的熔硅和晶体生长的关键材料，对单晶硅的生产成本和产品产量质量都有直接的重要影响。石英坩埚具有双层结构：真空透明层+不透明层（气泡层）。石英坩埚内部与硅溶液直接接触，其品质影响最终的硅片产量和质量，对原材料纯度要求较高，一般采用进口石英砂；外层主要用于保温，一般采用国产石英砂。

作为唯一与硅溶液直接接触的材料，石英坩埚的质量对单晶硅的品质影响重大。譬如石英坩埚内壁气泡的含量、石英坩埚的纯度、石英坩埚的耐高温变形性能等。石英坩埚的内壁因为与硅熔体接触，在高温状态下，若内壁存在气泡，气泡会由于硅熔体侵蚀而破裂，破裂的碎片如果溶于硅熔体中，将直接影响到硅的成晶（整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等）以及单晶硅的质量（穿孔片、黑芯片等）。拉晶的过程中，石英坩埚内部的羟基、杂质元素和气泡的含量将会影响硅棒的质量和石英坩埚的使用寿命，其中工艺路线能够改善羟基的含量，但杂质与气泡的含量更多依赖于石英砂本身的纯度。采用高纯石英砂对于石英坩埚的性能至关重要，天然石英砂则杂质含量过多，会影响晶体的生长。

石英坩埚一般采用电弧法生产。高纯石英砂装入到可任意倾动角度的旋转成型模内（在金属水冷套内插入石墨模具），利用离心力作用和成型棒手动成型，将已成坩埚形的旋转装置回转到电极棒处，然后将电极起弧并插入已成型的粉料腔内，使其快速熔化成坩埚形状的熔融石英，经冷却后取出，即完成一个石英坩埚毛坯生产。

石英坩埚的产业上游为高纯石英砂，下游应用领域广泛，以半导体和光伏为主，其中光伏市场需求增长较为迅猛。截至2022年11月底，我国水电装机（含抽水蓄能）约为4.1亿千瓦，而光伏电站装机达到3.72亿千瓦，已经超越风电，成功全国仅次于火电、水电的第三大电源形式。我们认为随着下游光伏需求的持续增长，高纯石英砂环节的供不应求将可能导致高纯砂及石英坩埚替代硅料成为 2023 年光伏产业链最卡脖子环节，未来掌握坩埚高端技术和高纯石英砂资源将是石英坩埚企业的重要竞争力。