多晶爐大尺寸高效率熱場的設(shè)計(jì)與研究

劉磊+夏新中+張任遠(yuǎn)+張莉沫

摘要：多晶硅鑄錠爐的熱場結(jié)構(gòu)決定了鑄錠爐內(nèi)的溫度分布，從而對(duì)晶體生長過程中的形核質(zhì)量、固液界面形狀、流體流動(dòng)模式以及雜質(zhì)輸運(yùn)過程等都有直接影響。對(duì)熱場結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)及不斷優(yōu)化是提高多晶硅晶體品質(zhì)的重要手段之一。本項(xiàng)目通過對(duì)熱場的優(yōu)化，改善了熔體流動(dòng)模式，有利于雜質(zhì)向硅錠邊部及外部輸運(yùn)，減少了雜質(zhì)對(duì)多晶硅晶體品質(zhì)的負(fù)面影響。

【關(guān)鍵詞】固液界面 雜質(zhì)輸運(yùn) 晶體生長

1 目前熱場缺陷

熱場作為鑄錠的硬件部分，起到的作用不言而喻，整個(gè)鑄錠工藝必須圍繞熱場的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行調(diào)整。因此有一套好的熱場，工藝人員調(diào)整工藝也會(huì)事半功倍，鑄錠質(zhì)量才會(huì)得到保證。

分析當(dāng)前鑄錠熱場，存在以下問題（如圖1）：

1.1 角部過熱

導(dǎo)致雜質(zhì)在邊角位置聚集，且嚴(yán)重影響化料界而和生長界而。而且局部過熱嚴(yán)重時(shí)候，會(huì)引發(fā)漏硅。造成重大安全事故和隱患。

1.2 加熱區(qū)域不均勻

由于加熱器對(duì)應(yīng)的坩堝側(cè)壁區(qū)域有限，因此整個(gè)坩堝的溫度分布極為不均勻，必須通過移動(dòng)隔熱層提升其底部過冷度，來實(shí)現(xiàn)均勻長晶，如果加熱器釋放熱量與隔熱籠造成的過冷度不匹配時(shí)，則造成凹凸不平的界而問題。因此，增加加熱器輻射區(qū)域，對(duì)結(jié)晶穩(wěn)定性起到?jīng)Q定作用。

1.3 空間問題

熱場環(huán)境下，盡量保證大空問，保證揮發(fā)物及時(shí)被排出。而且大空問下可以增加硅錠的高度，由于頂部溫度，底部溫度基本一定，當(dāng)硅液高度增加時(shí)，硅液內(nèi)部垂直方向溫度分布更加均勻，更有利于雜質(zhì)的定向分凝，保證分凝的穩(wěn)定性。

1.4 界面的平穩(wěn)性與散熱的方向性

隔熱籠打開后，DS散熱塊受到水冷夾層結(jié)構(gòu)的爐壁的輻射，DS散熱塊開始散熱，DS散熱塊降溫的同時(shí)，帶動(dòng)底部的坩堝溫度降溫，當(dāng)溫度達(dá)到硅液的凝固值時(shí)，硅液開始逐步結(jié)晶。但是由于坩堝側(cè)板為石墨材質(zhì)，其也起到散熱的作用，因此底部結(jié)晶的同時(shí)，側(cè)部也在降溫。導(dǎo)致界而成凹界而，緊鄰坩堝的20塊（整個(gè)硅錠36塊）硅塊無法垂直生長，占據(jù)了大半個(gè)硅錠。這20塊直接影響了鑄錠的質(zhì)量。因此，側(cè)部加熱器位置的設(shè)計(jì)，成為保證界而平穩(wěn)，散熱方向性的關(guān)鍵。即加熱器如果能夠把隔熱籠開啟后，石墨側(cè)板的熱量彌補(bǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)散熱垂直性，界而平穩(wěn)性。

2 解決方案

目前，采用當(dāng)下高效高純的石英坩堝，底部采用高純的硅料作為籽品，通過底部籽晶的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)誘發(fā)成核，保證成核的純度。這樣，一套完整的方案形成。綜合此高壽命方案，此項(xiàng)目重點(diǎn)為：

2.1 散熱垂直度，穩(wěn)定生長界面

保證晶粒方向和晶粒均勻度的連續(xù)性。由于橫向距離增大，熱場保溫性對(duì)橫向溫差的影響進(jìn)一步增大，因此在設(shè)計(jì)中，在側(cè)部保溫層內(nèi)部增加一層CC保溫板，以反射熱量，降低熱量散失，同時(shí)可以保護(hù)側(cè)部隔熱籠硬氈不受侵蝕，延長使用壽命（如圖2，粉色部分為增加的保溫板）。

2.2 角部設(shè)計(jì)，降低雜質(zhì)的堆積性，化料的局部過熱性

（如圖3）由于化料界而為凸型，一般都會(huì)導(dǎo)致腳部籽晶被熔化，無法起到引晶的作用。考慮到熱源的分布問題，將角部主要熱源.腳連接向上移動(dòng)，相當(dāng)于將腳部熱量向上抬升了。這樣整個(gè)腳部的底部溫度會(huì)降低，增加保晶而積，提升晶體質(zhì)量。

2.3 合理的空間的設(shè)計(jì)

目前鑄錠主要有全熔和半熔兩種工藝，針對(duì)不同的保晶方式，可以移動(dòng)側(cè)部加熱器的位置，以此可以在熔化過程中降低能耗。將吊臂設(shè)計(jì)成多孔連接，就可以實(shí)現(xiàn)側(cè)部加熱器的上下移動(dòng)。

3 結(jié)論

鑄錠運(yùn)行周期降低4h，用電單耗降低1.25度/kg。綜合計(jì)算組件成本降低0.026元/瓦，目前311臺(tái)鑄錠爐全部推廣應(yīng)用，年產(chǎn)能3.2GW，每年可節(jié)約成本8320萬元。

參考文獻(xiàn)

[1]韓棟梁，龐江瑞，黃家海，權(quán)龍.多晶硅鑄錠爐雙區(qū)加熱系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算[J].鑄造技術(shù)，2014（12）： 3027-3029.endprint