在众多的工业生产和科学研究领域中，石英坩埚作为一种重要的容器材料，被广泛应用于高温熔炼、化学合成等过程。

然而，与许多其他容器不同的是，石英坩埚通常被视为一次性使用的物品，不能重复利用。这一现象背后隐藏着一系

列复杂的物理、化学和材料科学原理。

石英坩埚是由高纯度的石英砂经过高温熔融和成型工艺制成的。石英（SiO₂）具有优异的耐高温性能、化学稳定性和

良好的热传导性，使其能够在高温和腐蚀性环境下保持稳定。然而，这些特性并不意味着石英坩埚可以无限制地重复

使用。

石英坩埚是生产单晶硅棒的必要器件，硅片品质的重要决定因素。光伏单晶硅片的生产方法为先通过RCZ法将熔融的

硅料拉制出单晶硅棒，然后切割加工成片，而整个拉晶过程都是在由石英（SiO2）制成的坩埚中进行，拉晶所用的石

英坩埚有着很高的品质要求，主要系光伏单晶硅片的纯度要求达到99.9999%以上（业内简称6N），同时拉晶时温度

一般会达到1430°C--1500°C。因此石英坩埚本身必须具有很低的杂质含量，且对高温要有较强的承受能力，防止软化、

开裂、鼓包、塌边等现象，否则将容易造成位错、断线、漏液等问题，导致成晶率低拉晶失败，石英坩本身也是主要

的氧杂质来源。

石英坩埚具有双层结构：

内层与硅溶液直接接触，其品质影响最终的硅片产量和质量，对原材料纯度要求较高，一般采用进口石英砂；

外层主要用于散热，一般采用国产石英砂。

石英坩埚产业上游为高纯石英砂，下游应用领域广泛，以半导体和光伏为主，其中光伏市场需求增长较为迅猛。

石英坩埚是装放高温状态下的硅原料（工作中处于熔化状态的硅液）的石英器件，是光伏硅片生产过程中的重要耗材，

广泛用于光伏及半导体硅片生产行业。

一只36寸坩埚有多重，需要消耗石英砂100公斤，使用寿命约400小时，一个炉子每个月用2个坩埚。

石英坩埚可主要分为方形和圆形两类，其中方形石英坩埚用于多晶硅锭铸造环节，圆形石英坩埚则用在单晶硅棒拉制

环节。

在直拉法中，将多晶硅原料放置于石英坩埚内加热熔融状硅熔体，拉杆带动籽晶下降使其接触硅熔体，然后缓慢地向上提拉

籽晶从而形成硅单晶棒。

石英坩埚在硅片生产中消耗量大，石英坩埚在晶体拉制过程处于高温作业，硅料融化后会侵蚀坩埚本身，因而坩埚具备较强

的消耗品属性特征，每拉制一炉单晶硅即需要更换一个石英坩埚。

石英坩埚为半透明状，分为外层，也叫气泡复合层（不透明层，气泡含量较多），以及中内层，也叫气泡空乏层（真空透明层，

不含气泡，3~5mm）两层结构。

外层需要把来自加热器的热量均匀散射，所以需要规定数量和大小的气泡，从而对硅熔体均匀加热；中内层是一层3-5mm的透

明层，成为气泡空乏层，对高纯石英砂高纯、低铝、低碱、抗析晶的要求更高。

石英坩埚的内壁因为与硅熔体接触，在高温状态下，若内壁存在气泡，气泡会由于硅熔体侵蚀而破裂，破裂的碎片如果溶于硅

熔体中，将直接影响到硅的成晶（整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等）以及单晶硅的质量（穿孔片、黑芯片等）。

温使用过程中的结构变化

1、热膨胀与收缩

在高温条件下，石英坩埚会经历热膨胀。当温度变化频繁或幅度较大时，反复的热胀冷缩会导致石英晶体结构内部产生应力。这
些应力可能会引起微观裂纹的萌生和扩展，逐渐削弱坩埚的整体结构强度。

2、相变

石英在不同的温度下会发生相变。例如，从低温的α石英相转变为高温的β石英相，再回到低温时，相变过程并不完全可逆，会导
致晶体结构的缺陷和畸变。这些相变引起的结构变化累积起来，使得坩埚的性能逐渐下降。

化学侵蚀与污染

1、与熔融物质的反应

在熔炼金属、半导体材料或进行化学合成时，坩埚内的物质往往处于高温熔融状态，具有较高的化学活性。这些熔融物质可能与
石英发生化学反应，导致坩埚壁的腐蚀和变薄。

2、杂质污染

即使坩埚没有明显的腐蚀，熔炼或反应过程中残留的微量杂质也会附着在坩埚内壁。这些杂质在后续的使用中可能会与新的物料
发生反应，影响产品的纯度和质量。

微观结构损伤与缺陷积累

1、晶体缺陷的形成

高温和化学作用会导致石英晶体中的晶格缺陷，如空位、位错等的形成和增加。这些缺陷会降低晶体的完整性，影响其物理性能。

2、微裂纹的扩展

如前所述，热应力和机械应力可能导致微裂纹的产生。在后续的使用中，这些微裂纹会在应力的作用下继续扩展，最终导致坩埚
的破裂。

重复使用对产品质量的影响

1、纯度降低

残留的杂质和化学反应产物会污染新的物料，导致产品的纯度无法达到要求，尤其在半导体制造等对纯度要求极高的领域，这一问
题更为突出。

2、性能不稳定

由于坩埚结构的损伤和变化，其热传导性能、化学稳定性等都会变得不稳定，从而影响生产过程的控制和产品的一致性。