單晶硅作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和光伏領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，其質(zhì)量直接決定了下游產(chǎn)品的性能和效率。鎢坩堝作為單晶硅生長(zhǎng)爐中重要的高溫容器，承擔(dān)著熔融硅料的承載和熱傳遞作用，其性能優(yōu)劣對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的穩(wěn)定性和晶體質(zhì)量有著決定性影響。然而，其應(yīng)用面臨多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，需要從材料性能、工藝控制、設(shè)備設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行深入研究與攻關(guān)。
首先，W坩堝的高溫穩(wěn)定性與抗腐蝕性能是核心挑戰(zhàn)之一。單晶硅生長(zhǎng)過程中的溫度通常在1410℃以上，鎢雖具備極高的熔點(diǎn)，但長(zhǎng)時(shí)間在如此高溫下工作，鎢制坩堝表面易與熔融硅發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生鎢硅化物或氧化物層。這些反應(yīng)不僅削弱了坩堝的結(jié)構(gòu)完整性，還可能導(dǎo)致坩堝材料剝落，造成硅料污染，影響晶體純凈度和性能。如何提高W坩堝的抗腐蝕能力，延緩材料的化學(xué)侵蝕，是技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。
其次，W坩堝的熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力控制也面臨巨大挑戰(zhàn)。鎢具有較高的熱導(dǎo)率，有助于保持熔體溫度的均勻分布，但由于單晶硅生長(zhǎng)對(duì)溫度梯度極為敏感，任何熱傳導(dǎo)不均都會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部應(yīng)力集中，形成缺陷如晶界或位錯(cuò)。坩堝壁厚、形狀及其與加熱系統(tǒng)的配合設(shè)計(jì)需精準(zhǔn)優(yōu)化，以保證熱場(chǎng)的穩(wěn)定與均勻，減少熱應(yīng)力引起的材料疲勞和裂紋。此外，鎢坩堝在熱循環(huán)過程中需要承受巨大熱應(yīng)力，如何提高其熱震穩(wěn)定性，防止熱疲勞裂紋的產(chǎn)生，是延長(zhǎng)坩堝壽命的關(guān)鍵。
第三，W坩堝的材料純度與制造工藝也是技術(shù)難點(diǎn)。高純度鎢材料能夠減少雜質(zhì)對(duì)晶體的影響，同時(shí)提升坩堝的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。但鎢的高熔點(diǎn)和硬脆特性使其加工難度大，制備過程中容易產(chǎn)生微裂紋、孔隙等缺陷，這些缺陷在高溫使用中會(huì)成為裂紋源，導(dǎo)致坩堝早期失效。如何實(shí)現(xiàn)高致密、高均勻、高精度的鎢坩堝制造，是提升單晶硅生產(chǎn)穩(wěn)定性的必要條件。
此外，鎢制坩堝的表面處理與保護(hù)技術(shù)也亟待突破。為了減緩鎢與熔融硅之間的化學(xué)反應(yīng)，業(yè)內(nèi)常采用涂層技術(shù)如鉬涂層或陶瓷涂層，但如何確保涂層的附著力、耐熱性及均勻性，避免因涂層剝落引起的局部腐蝕，仍需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。
