产学研与科技创新
Industry-university-research and technological innovation
浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室 余学功
发布时间：
2024-06-24 11:32
随着全球光伏装机量持续高增长，中国新增装机量保持首位，“双碳”目标驱动之下，石英坩埚及高纯石英砂需求或将迎来快速增长。
2023年9月15日，中国粉体网联合东海县人民政府于东海县嘉臣国际大酒店举办了“2023全国集成电路及光伏用高纯石英材料产业发展大会”。会议期间，我们邀请到来自浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室的余学功教授做客“对话”栏目，围绕光伏行业用高纯石英砂进行访谈交流。
01
光伏行业用高纯石英砂的需求特点
余学功教授表示目前高纯石英砂在光伏领域的应用呈现两个主要趋势：高纯度、低成本。据余学功教授介绍，单晶硅发展趋向RCZ复投料/CCZ连续投料，高晶棒品质(高少子寿命、低氧浓度)，以及整棒率、成晶率提升等，对于坩埚宏观性能要求则趋向大尺寸、长寿命、高纯度等。相应的对高纯石英砂的纯度提出了更高要求。高纯石英砂的纯度直接影响石英坩埚的寿命。
另一方面，光伏行业呈现的一大特点是低成本。单晶硅发展趋向低非硅成本，要求坩埚低造价，高纯石英砂低成本。目前石英坩埚在光伏产业中成本占比可能在5%左右，如果价格进一步增加，会导致光伏电池的成本增加。
02
光伏行业用高纯石英砂的制备难点
在谈及高纯石英砂对于石英坩埚的具体影响时，余教授重点强调了两点：纯度与寿命，而且这两者存在一定关系。纯度越高、寿命越长，但是寿命不仅仅决定于纯度。
石英砂对坩埚寿命的影响因素主要是杂质，包括金属杂质、羟基、气液包裹体。
杂质Li、Na、K、Ca、Mg等在高温下会促进石英坩埚析晶，降低其使用寿命。
-OH会降低石英坩埚的软化点，影响坩埚拉晶寿命。此外，石英在熔融状态下粘度高，石英砂中的气液包裹体会聚集形成气泡并难以排出，因而导致石英制品中形成气泡。
如果坩埚杂质含量高的话，特别是金属杂质扩散到硅液中，会降低少子寿命，影响单晶硅的质量。
据余教授介绍，目前国产石英矿含有较高的金属杂质含量和气液包裹体，高纯石英砂制备技术存在的难点也比较多。目前石英坩埚用高纯石英砂还是以进口为主，中外层主要从印度进口，内层主要从尤尼明进口。现在尤其内层砂紧缺，美国也在禁止出口。虽然国内现有高纯石英砂也可以做坩埚，但是寿命相对比较短，相应产品质量也差一些。
03
国产替代，如何解局？
对于目前石英坩埚的发展，余教授表示其需求随着光伏产业的发展在不断增长。如果随着光伏、单晶硅技术的发展，国产高纯石英砂尤其是内层砂解决不掉，产业链后端的疼痛感会越来越强，届时还是要回到源头解决问题。
此外，余教授表示对于单晶硅拉制，目前还没有一种材料可以替代石英制作坩埚。虽然很多年前有人做过一段时间的氮化硅坩埚，但是效果并不太好。
可以说，石英坩埚用高纯石英砂尤其是内层砂的国产化替代刻不容缓。余教授表示可以从三个方面加强：
第一，采用天然矿石提纯技术路线。这需要重点突破提纯技术，降低杂质含量及气液包裹体。据了解，余教授及其团队与浙江润优新材料科技有限公司合作，实现＞4N8高纯石英砂的稳定制备，但Ti杂质比较高，需要进一步突破。
当杂质和气液包裹体的高效去除技术进一步提升，则坩埚对现有矿源的要求就会降低。
第二，找优质矿源。从国内或者周边国家找寻高品质的矿源，这样杂质、气液包裹体相对比较容易剔除。
第三，做合成高纯石英砂。合成高纯石英砂是采用含硅原料通过化学合成方法制备而成，纯度可达6N-7N。目前国内合成超高纯石英砂尚未实现产业化。
04
小结
余教授主要从事半导体工艺材料的研究，承担/主持国家科技支撑计划重点项目课题、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等项目20多项。目前其所在实验室重点研究方向包括大尺寸硅片、碳化硅在内的先进半导体以及集成电路的原辅材料。辅助材料里边很重要的一点就是高纯二氧化硅。
余教授表示国内高纯二氧化硅的提纯技术发展起步相对较晚。面对现有需求，余教授表示需进一步开发适用于国产石英砂的Al、Ti以及碱金属等杂质和气液包裹体的高效去除技术；需进一步开发合成6N以上纯度的超高纯石英砂的稳定制备技术，并进一步降低制备成本。
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