Come contenitore comunemente usato nell'industria dei semiconduttori, la qualità e la stabilità del i crogioli di quarzo sono fondamentali per la crescita del silicio monocristallino. Tuttavia, durante l'uso ad alta temperatura, i crogioli di quarzo mostrano spesso fenomeni di cristallizzazione, che non solo influenzano la resistenza e la durata del crogiolo, ma possono anche portare a una serie di problemi durante il processo di crescita del silicio monocristallino.

1. Caratteristiche di transizione di fase del crogiolo di quarzo

Il crogiolo di quarzo stesso è amorfo, ma in condizioni appropriate subisce un cambiamento di fase da uno stato amorfo a uno stato stabile di cristallo di quarzo. Questa transizione di fase comprende due fasi: nucleazione e crescita. La nucleazione di solito avviene in corrispondenza di difetti strutturali o impurità sulle pareti dei crogioli di quarzo, soprattutto in luoghi contenenti alcuni metalli alcalini o pesanti. I cristalli di quarzo iniziali sono di forma sferica e l'ulteriore crescita si sviluppa secondo uno schema dendritico lungo la parete del crogiolo, a causa della soppressione della crescita verticale. La cristallizzazione avviene solitamente sulla superficie dei crogioli di quarzo. Secondo lo standard industriale cinese del vetro al quarzo, il vetro al quarzo utilizzato nell'industria dei semiconduttori dovrebbe essere mantenuto a 1400 ℃± 5 ℃ per 6 ore e lo spessore medio del suo strato di cristallizzazione dovrebbe essere <100 µm.

2. Inquinamento causato da ioni metallici

La colorazione dei crogioli di quarzo è uno dei principali fattori che portano alla cristallizzazione, in particolare degli ioni di metalli alcalini come potassio (K), sodio (Na), litio (Li) e ioni di metalli alcalino terrosi come calcio (Ca) e magnesio (Mg). Questi ioni possono provenire da impurità presenti nelle materie prime o essere introdotti durante il processo produttivo. La presenza di questi ioni metallici può accelerare il processo di cristallizzazione dei crogioli di quarzo, provocando un ispessimento dello strato di cristallizzazione e, in casi gravi, persino la penetrazione nell'intero corpo del crogiolo, con gravi conseguenze come la fuoriuscita di silicio.

3. Inquinamento durante il processo di caricamento

Durante il processo di riempimento dei materiali siliconici, anche sostanze inquinanti come sudore, saliva, macchie di olio e polvere possono causare la cristallizzazione del crogiolo di quarzo. Tali inquinanti reagiscono con i crogioli di quarzo ad alte temperature, favorendo il verificarsi della cristallizzazione. Pertanto, il processo di caricamento deve essere rigorosamente controllato per garantire un ambiente operativo pulito e igienico.

4. Inquinamento volatile dei materiali di grafite

L'uso di nuovi materiali di grafite senza calcinazione o contaminazione completa è uno dei motivi principali della cristallizzazione dello strato esterno dei crogioli di quarzo. I materiali in grafite fanno evaporare alcune impurità ad alte temperature, che reagiscono con i crogioli di quarzo e causano la cristallizzazione dello strato esterno. Pertanto, i nuovi dispositivi in ​​grafite devono essere sottoposti a un'accurata calcinazione ad alta temperatura prima dell'uso per rimuovere impurità e sostanze volatili.

5. Bassa purezza del materiale siliconico

Le materie prime utilizzate per l'estrazione dei cristalli hanno una bassa purezza, contengono troppe impurità o presentano problemi con il processo di pulizia, che possono anche causare la cristallizzazione del crogiolo di quarzo. I materiali in silicio a bassa purezza contengono una grande quantità di impurità, che reagiscono con i crogioli di quarzo ad alte temperature, promuovendo la cristallizzazione. Pertanto, la purezza delle materie prime utilizzate per l'estrazione dei cristalli deve soddisfare i requisiti di produzione e anche la qualità della pulizia delle materie prime deve soddisfare i requisiti di processo per evitare residui di acidi e alcali sulla superficie del materiale siliconico.

6. La temperatura del materiale fuso è troppo alta

Anche una temperatura eccessiva durante la fusione può aumentare il grado di cristallizzazione. L'isolamento prolungato dei crogioli di quarzo ad alte temperature può accelerare il verificarsi della cristallizzazione. Pertanto, è necessario scegliere una temperatura di fusione adeguata durante il processo di fusione per ridurre o diminuire il grado di cristallizzazione.

7. Problemi di qualità del crogiolo di quarzo stesso

Le dimensioni geometriche e l'aspetto dei crogioli in quarzo sono determinati dal processo produttivo, mentre la purezza è determinata dalle materie prime. Quando i componenti dannosi all'interno del crogiolo di quarzo sono elevati, ciò influenzerà la fusione e la resistenza alla temperatura del crogiolo e causerà anche fenomeni come bolle, macchie di colore e desquamazione, compromettendo seriamente la qualità del crogiolo di quarzo. Pertanto, i produttori di crogioli al quarzo devono garantire che i loro crogioli soddisfino i requisiti di qualità in ogni fase della produzione, dalle materie prime alla produzione.

8. Effetti della deformazione del crogiolo

Dopo la deformazione del crogiolo di quarzo, quando la posizione del crogiolo aumenta durante il processo di estrazione del cristallo, la parte sporgente della deformazione entrerà in collisione con il tubo guida, influenzando o impedendo la normale estrazione del cristallo. La cristallizzazione assottiglierà lo spessore originale del crogiolo di quarzo, ne ridurrà la resistenza e causerà facilmente la deformazione del crogiolo di quarzo. Il crogiolo deformato non solo influenza il processo di estrazione del cristallo, ma può anche causarne la rottura, con conseguenti gravi incidenti di produzione.

Le ragioni della cristallizzazione nei crogioli di quarzo sono molteplici, comprese le caratteristiche di transizione di fase dei crogioli di quarzo, la contaminazione da parte di ioni metallici, la contaminazione durante il processo di caricamento, la contaminazione da volatilizzazione dei materiali di grafite, la bassa purezza dei materiali di silicio, l'elevata temperatura di fusione, i problemi di qualità degli stessi crogioli di quarzo e l'influenza della deformazione del crogiolo. Per ridurre il verificarsi della cristallizzazione, è necessario un controllo rigoroso sotto tutti gli aspetti per garantire la qualità e la stabilità del crogiolo di quarzo.

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