中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著全球光伏裝機(jī)量持續(xù)高增長(zhǎng)，中國(guó)新增裝機(jī)量保持首位，“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)之下，石英坩堝及高純石英砂需求或?qū)⒂瓉?lái)快速增長(zhǎng)。
2023年9月15日，中國(guó)粉體網(wǎng)聯(lián)合東海縣人民政府于東�？h嘉臣國(guó)際大酒店舉辦了“2023全國(guó)集成電路及光伏用高純石英材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)”。會(huì)議期間，我們邀請(qǐng)到來(lái)自浙江大學(xué)硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的余學(xué)功教授做客“對(duì)話”欄目，圍繞光伏行業(yè)用高純石英砂進(jìn)行訪談交流。
光伏行業(yè)用高純石英砂的需求特點(diǎn)
余學(xué)功教授表示目前高純石英砂在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)兩個(gè)主要趨勢(shì)：高純度、低成本。據(jù)余學(xué)功教授介紹，單晶硅發(fā)展趨向RCZ復(fù)投料/CCZ連續(xù)投料，高晶棒品質(zhì)(高少子壽命、低氧濃度)，以及整棒率、成晶率提升等，對(duì)于坩堝宏觀性能要求則趨向大尺寸、長(zhǎng)壽命、高純度等。相應(yīng)的對(duì)高純石英砂的純度提出了更高要求。高純石英砂的純度直接影響石英坩堝的壽命。
另一方面，光伏行業(yè)呈現(xiàn)的一大特點(diǎn)是低成本。單晶硅發(fā)展趨向低非硅成本，要求坩堝低造價(jià)，高純石英砂低成本。目前石英坩堝在光伏產(chǎn)業(yè)中成本占比可能在的5%左右，如果價(jià)格進(jìn)一步增加，會(huì)導(dǎo)致光伏電池的成本增加。
光伏行業(yè)用高純石英砂的制備難點(diǎn)
在談及高純石英砂對(duì)于石英坩堝的具體影響時(shí)，余教授重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了兩點(diǎn)：純度與壽命，而且這兩者存在一定關(guān)系。純度越高、壽命越長(zhǎng)，但是壽命不僅僅決定于純度。
石英砂對(duì)坩堝壽命的影響因素主要是雜質(zhì)，包括金屬雜質(zhì)、羥基、氣液包裹體。
雜質(zhì)Li、Na、K、Ca、Mg等在高溫下會(huì)促進(jìn)石英坩堝析晶，降低其使用壽命。
-OH會(huì)降低石英坩堝的軟化點(diǎn)，影響坩堝拉晶壽命。此外，石英在熔融狀態(tài)下粘度高，石英砂中的氣液包裹體會(huì)聚集形成氣泡并難以排出，因而導(dǎo)致石英制品中形成氣泡。
如果坩堝雜質(zhì)含量高的話，特別是金屬雜質(zhì)擴(kuò)散到硅液中，會(huì)降低少子壽命，影響單晶硅的質(zhì)量。
據(jù)余教授介紹，目前國(guó)產(chǎn)石英礦含有較高的金屬雜質(zhì)含量和氣液包裹體，高純石英砂制備技術(shù)存在的難點(diǎn)也比較多。目前石英坩堝用高純石英砂還是以進(jìn)口為主，中外層主要從印度進(jìn)口，內(nèi)層主要從尤尼明進(jìn)口�，F(xiàn)在尤其內(nèi)層砂緊缺，美國(guó)也在禁止出口。雖然國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高純石英砂也可以做坩堝，但是壽命相對(duì)比較短，相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量也差一些。
國(guó)產(chǎn)替代，如何解局？
對(duì)于目前石英坩堝的發(fā)展，余教授表示其需求隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在不斷增長(zhǎng)。如果隨著光伏、單晶硅技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)高純石英砂尤其是內(nèi)層砂解決不掉，產(chǎn)業(yè)鏈后端的疼痛感會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，屆時(shí)還是要回到源頭解決問(wèn)題。
此外，余教授表示對(duì)于單晶硅拉制，目前還沒(méi)有一種材料可以替代石英制作坩堝。雖然很多年前有人做過(guò)一段時(shí)間的氮化硅坩堝，但是效果并不太好。
可以說(shuō)，石英坩堝用高純石英砂尤其是內(nèi)層砂的國(guó)產(chǎn)化替代刻不容緩。余教授表示可以從三個(gè)方面加強(qiáng)：
第一，采用天然礦石提純技術(shù)路線。這需要重點(diǎn)突破提純技術(shù)，降低雜質(zhì)含量及氣液包裹體。據(jù)了解，余教授及其團(tuán)隊(duì)與浙江潤(rùn)優(yōu)新材料科技有限公司合作，實(shí)現(xiàn)＞4N8高純石英砂的穩(wěn)定制備，但Ti雜質(zhì)比較高，需要進(jìn)一步突破。
當(dāng)雜質(zhì)和氣液包裹體的高效去除技術(shù)進(jìn)一步提升，則坩堝對(duì)現(xiàn)有礦源的要求就會(huì)降低。
第二，找優(yōu)質(zhì)礦源。從國(guó)內(nèi)或者周邊國(guó)家找尋高品質(zhì)的礦源，這樣雜質(zhì)、氣液包裹體相對(duì)比較容易剔除。
第三，做合成高純石英砂。合成高純石英砂是采用含硅原料通過(guò)化學(xué)合成方法制備而成，純度可達(dá)6N-7N。目前國(guó)內(nèi)合成超高純石英砂尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
小結(jié)
余教授主要從事半導(dǎo)體工藝材料的研究，承擔(dān)/主持國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目20多項(xiàng)。目前其所在實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究方向包括大尺寸硅片、碳化硅在內(nèi)的先進(jìn)半導(dǎo)體以及集成電路的原輔材料。輔助材料里邊很重要的一點(diǎn)就是高純二氧化硅。
余教授表示國(guó)內(nèi)高純二氧化硅的提純技術(shù)發(fā)展起步相對(duì)較晚。面對(duì)現(xiàn)有需求，余教授表示需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適用于國(guó)產(chǎn)石英砂的Al、Ti以及堿金屬等雜質(zhì)和氣液包裹體的高效去除技術(shù)；需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)合成6N以上純度的超高純石英砂的穩(wěn)定制備技術(shù)，并進(jìn)一步降低制備成本。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
