Como um recipiente comumente usado na indústria de semicondutores, a qualidade e a estabilidade do cadinhos de quartzo são cruciais para o crescimento do silício monocristalino. No entanto, durante o uso em alta temperatura, os cadinhos de quartzo geralmente apresentam fenômenos de cristalização, que não apenas afetam a resistência e a vida útil do cadinho, mas também podem levar a uma série de problemas durante o processo de crescimento do silício monocristalino.

1. Características de transição de fase do cadinho de quartzo

O cadinho de quartzo em si é amorfo, mas sob condições apropriadas, sofre uma mudança de fase de um estado amorfo para um estado estável de cristal de quartzo. Esta transição de fase inclui dois estágios: nucleação e crescimento. A nucleação geralmente ocorre em defeitos estruturais ou impurezas nas paredes dos cadinhos de quartzo, especialmente em locais que contenham alguns metais alcalinos ou pesados. Os cristais de quartzo iniciais têm formato esférico e o crescimento posterior se desenvolve em um padrão dendrítico ao longo da parede do cadinho, devido à supressão do crescimento vertical. A cristalização geralmente ocorre na superfície dos cadinhos de quartzo. De acordo com o padrão chinês da indústria de vidro de quartzo, o vidro de quartzo usado na indústria de semicondutores deve ser mantido a 1400 ℃± 5 ℃ por 6 horas, e a espessura média de sua camada de cristalização deve ser <100 µm.

2. Poluição causada por íons metálicos

A coloração de cadinhos de quartzo é um dos principais fatores que levam à cristalização, especialmente íons de metais alcalinos, como potássio (K), sódio (Na), lítio (Li), e íons de metais alcalino-terrosos, como cálcio (Ca) e magnésio (Mg). Esses íons podem ter origem em impurezas das matérias-primas ou ser introduzidos durante o processo de produção. A presença desses íons metálicos pode acelerar o processo de cristalização dos cadinhos de quartzo, fazendo com que a camada de cristalização fique mais espessa e, em casos graves, penetrando até mesmo em todo o corpo do cadinho, resultando em consequências graves, como vazamento de silício.

3. Poluição durante o processo de carregamento

Durante o processo de enchimento de materiais de silício, poluentes como suor, saliva, manchas de óleo e poeira também podem causar a cristalização do cadinho de quartzo. Esses poluentes reagem com os cadinhos de quartzo em altas temperaturas, promovendo a ocorrência de cristalização. Portanto, o processo de carregamento precisa ser rigorosamente controlado para garantir um ambiente operacional limpo e higiênico.

4. Poluição volátil de materiais de grafite

O uso de novos materiais de grafite sem calcinação ou contaminação completa é uma das principais razões para a cristalização da camada externa dos cadinhos de quartzo. Os materiais de grafite evaporarão algumas impurezas em altas temperaturas, que reagem com os cadinhos de quartzo e causam a cristalização da camada externa. Portanto, novos dispositivos de grafite precisam passar por calcinação completa em alta temperatura antes do uso para remover impurezas e voláteis.

5. Baixa pureza do material de silício

As matérias-primas utilizadas para extração de cristais possuem baixa pureza, contêm muitas impurezas ou apresentam problemas no processo de limpeza, o que também pode causar cristalização do cadinho de quartzo. Os materiais de silício de baixa pureza contêm grande quantidade de impurezas, que reagem com os cadinhos de quartzo em altas temperaturas, promovendo a cristalização. Portanto, a pureza das matérias-primas utilizadas para extração de cristais deve atender aos requisitos de produção, e a qualidade da limpeza das matérias-primas também deve atender aos requisitos do processo para evitar ácidos e álcalis residuais na superfície do material de silício.

6. A temperatura do fundido está muito alta

A temperatura excessiva durante a fusão também pode aumentar o grau de cristalização. O isolamento prolongado de cadinhos de quartzo em altas temperaturas pode acelerar a ocorrência de cristalização. Portanto, é necessário escolher uma temperatura de fusão adequada durante o processo de fusão para reduzir ou diminuir o grau de cristalização.

7. Problemas de qualidade com o próprio cadinho de quartzo

As dimensões geométricas e a aparência dos cadinhos de quartzo são determinadas pelo processo de produção, enquanto a pureza é determinada pelas matérias-primas. Quando os componentes nocivos dentro do cadinho de quartzo são altos, isso afetará o derretimento e a resistência à temperatura do cadinho, e até mesmo causará fenômenos como bolhas, manchas coloridas e descascamento, afetando seriamente a qualidade do cadinho de quartzo. Portanto, os fabricantes de cadinhos de quartzo devem garantir que seus cadinhos atendam aos requisitos de qualidade em todas as fases da produção, desde as matérias-primas até a produção.

8. Efeitos da deformação do cadinho

Após a deformação do cadinho de quartzo, à medida que a posição do cadinho aumenta durante o processo de extração do cristal, a parte saliente da deformação colidirá com o tubo guia, afetando ou impedindo a extração normal do cristal. A cristalização diminuirá a espessura original do cadinho de quartzo, reduzirá sua resistência e causará facilmente a deformação do cadinho de quartzo. O cadinho deformado não afeta apenas o processo de extração do cristal, mas também pode causar a quebra do cadinho, resultando em graves acidentes de produção.

As razões para a cristalização em cadinhos de quartzo são multifacetadas, incluindo as características de transição de fase dos cadinhos de quartzo, contaminação por íons metálicos, contaminação durante o processo de carregamento, contaminação por volatilização de materiais de grafite, baixa pureza de materiais de silício, alta temperatura de fusão, problemas de qualidade dos próprios cadinhos de quartzo e a influência da deformação do cadinho. Para reduzir a ocorrência de cristalização, é necessário um controle rigoroso de todos os aspectos para garantir a qualidade e estabilidade do cadinho de quartzo.

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