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专业: 半导体材料

[交流] 关于高温真空制备氧化亚硅（SiOx、SiO）的技术交流。

将非晶硅粉和方石英粉（等摩尔比一共数百kg）倾斜布料（这样能放下更多的料）在横/卧式石墨炉管（炉管出口连接一个冷凝收集室，冷凝室外壁大概500℃，冷凝室末端有一个小开口连接外真空室）中高温真空制备氧化亚硅，全程10Pa（使用外真空室一直抽真空维持系统背景10Pa真空度，主要目的是为了防止外界空气污染炉内环境和形成石墨炉管到冷凝区的压力差，真空度只会在升温初期增大一点，稍后便恢复10Pa，SiO气体一离开热区进入冷凝室，便瞬间转变为固态，不会对真空泵系统造成显著的气载负荷，气相产物得到了及时的捕捉与冷凝）；
升温阶段：
400℃-1400℃，大致4h，
1400℃-1460℃，大致1h，
保温阶段：
1460℃，大致30h；
300-1100：物理吸附水、化学吸附水蒸发，石墨炉管吸附的气体、水蒸气脱附，真空压强上升5pa左右，
1100-1400：SiO气体刚开始产生，其他副反应产气较少，对背景真空压强影响较小，真空压强下降8Pa左右，
1400-1460：SiO大量产生、且接触石墨产生CO气体，形成背景真空压强，真空压强略微上升2Pa左右，
1460以后随着反应进行真空压强缓慢下降、原料逐渐消耗；

非晶硅粉、方石英粉中存在金属元素杂质（锌、镍、铁、钴、锰、镁、铬、铜、铝、钙、钠、钾元素等），非晶硅粉中主要是FeSi2、Al-Si共晶、Al2O3、CaSi2、CaO、MnSi2、MgSi2、MgO、其他硅化金属杂质、金属氧化物杂质，方石英粉中主要是Fe2O3、Al3+置换固溶、CaSiO3、CaO、MgSiO3、MgO、其他硅酸金属盐杂质、金属氧化物杂质；

下表是原料中金属杂质的参考含量：
| 金属杂质 | 非晶硅粉杂质含量/ppm | 方石英粉杂质含量/ppm |
| :--- | :--- | :--- |
| Fe | 5000 | 200 |
| Al | 1200 | 700 |
| Ca | 700 | 200 |
| Mn | 90 | 5 |
| Mg | 40 | 40 |
| Na | 20 | 100 |
| K | 20 | 200 |
| Ni | 50 | 1 |
| Co | 1 | 1 |
| Cr | 60 | 2 |
| Cu | 14 | 1 |
| Zn | 6 | 5 |

反应机理上Fe极少量挥发，Mg全部挥发，Al、Ca在反应后期随着液硅减少摩尔系数增大活性升高，会发生少量挥发（0.35Pa、0.87Pa），
成品中的金属杂质还有可能是液硅喷溅带入、SiO气流携带。
铝全部转为Al2O3并逐渐转莫来石：
4Al(l)+3SiO2(s) = 2Al2O3(s)+3Si(l)
3Al2O3(s)+2SiO2(s) = Al6Si2O13(s)
铁杂质全部转为铁单质溶解在硅液中：
Fe2O3(s)+3Si(l) = 2Fe(l)+3SiO(g)
钙杂质全部转为硅酸钙盐，并和SiO2共熔：
2Ca(l)+SiO2 = 2CaO(s)+Si(l)
CaO(s)+SiO2(s)-> CaO·SiO2(l)

现在石墨炉管里面有挡板，炉管和冷凝收料筒之间有一个圆环状屏障（称为碳钢挡环，其内径较小，所以起到阻挡作用），都是为了减少原料的喷射。
此外还有一个问题：挡环内径区域和石墨炉管口堵料。
现在成品EDS检测出来硅和铁地方高度重合（且硅呈现球状弥散在SiO中），且铁是磁性铁：推测是1.每个炉次残留下来的铁杂质越来越多，最后喷溅的液硅中会析出磁性铁（铁含量较高，表现出磁性）2.液硅将挡环的铁溶解携带出来。
现在有两个方向1.引入添加剂改变液硅的物理性质，减少原料喷射
2.混料时加入SiC或上完料在料表面撒上1cm的SiC或SiO2，控制表面SiO气泡破裂，起到的“固相盔甲”作用，破坏连续的表面张力并提供极高的局部表观粘度，
3.改善温度真空度气流
4.改变挡环材质（现在是碳钢，换成热辐射发射率较高的材质比如SiC大概会提高挡环处温度，间接抑制挡环内径区域和石墨炉管口的堵料现象）
文中所有数据在附件中均有详细的理论计算，请各位下载学习，欢迎来交流。

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2026-07-08 15:56:45, 753.5 K

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1楼 2026-07-08 15:58:12

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