晶體硅生長設(shè)備外圍設(shè)施的研究

武建剛

(河北晶龍陽光設(shè)備有限公司，河北 邢臺 055550）

晶體硅生長設(shè)備主要有單晶爐和多晶硅鑄錠爐兩種，其中單晶爐研發(fā)較早，1961 年， 在中國科學(xué)院半導(dǎo)體物理所林蘭英院士的親自指導(dǎo)下，北京機械學(xué)院工廠（西安理工大學(xué)工廠的前身）的技術(shù)人員與半導(dǎo)體物理所的技術(shù)人員共同研制出了我國第一臺人工晶體生長設(shè)備—TDK-36 型單晶爐， 隨后國內(nèi)相繼研發(fā)了可拉直3 英寸—12 英寸的單晶爐，國內(nèi)設(shè)備技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水準(zhǔn)。 多晶硅鑄錠爐技術(shù)一直由美國與歐洲壟斷，我們多與引進(jìn)為主，無法掌握設(shè)備的核心技術(shù)，為了擺脫這種依賴我們設(shè)計、研究了晶體生長設(shè)備外圍試驗基地，為研究多晶鑄錠爐做好基礎(chǔ)。

1 外圍設(shè)施概述

晶體硅生長設(shè)備外圍設(shè)施是為多晶硅鑄錠爐進(jìn)行工藝研發(fā)與試驗提供必備的條件， 鑄錠爐正常工作是在1430℃--1550℃的高溫下向爐內(nèi)通入惰性氣體氬氣進(jìn)行保護保證硅料的正常融化、凝固、退火的過程，此過程為負(fù)壓狀態(tài)，需要我們提供充足的冷卻水與氬氣供應(yīng)才能保證實驗正常進(jìn)行。 我們按單臺多晶硅鑄錠爐進(jìn)行設(shè)計，主要包括冷卻水路系統(tǒng)，電力系統(tǒng)，氬氣供應(yīng)系統(tǒng)。

1.1 冷卻水路系統(tǒng)

系統(tǒng)配備純水制備設(shè)備、冷卻塔、板換、管道泵、若干管道組成穩(wěn)定的供水系統(tǒng)， 保證水壓0.3-0.45MPa； 入水溫度要求24±1℃， 溫升平均6℃； 水質(zhì)符合GB/T11446.1-1997EW-Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。

本水冷系統(tǒng)共分為四路循環(huán) （詳見圖1）， 第一路冷卻爐體，爐體水箱通過兩臺循環(huán)水泵（一臺備用），進(jìn)入板換1，流量計進(jìn)入爐體，爐體循環(huán)后重新回到爐體水箱；第二路冷卻爐體循環(huán)水，冷卻水箱通過循環(huán)水泵進(jìn)入水冷機組后進(jìn)入板換1，重新回到冷卻水箱；第三路冷卻水冷機組，冷卻水箱通過循環(huán)水泵進(jìn)入水冷機組，通過板換2 重新回到冷卻水箱；第四路冷卻板換2，直接與冷卻塔相連接。 水冷機組采用額定76KW 機組，其中還配備了應(yīng)急發(fā)電設(shè)備與蓄水池，確保出現(xiàn)斷電等意外情況后，保證爐體的正常冷卻，確保了試驗的安全性。

圖1 冷卻水原理圖

1.2 電力系統(tǒng)

多晶硅鑄錠爐設(shè)備指標(biāo)： 最大加熱功率200KVA， 電壓25V，電流4600A。

供電方案：電能為工藝用電，需要持續(xù)供電，不得中斷。 設(shè)置單獨供電電源控制，便于單控（因研發(fā)活動不可預(yù)測），并要求電源持續(xù)供電性強，單獨安裝電表一塊，用于實際計量單爐耗電量。

1.3 氬氣供應(yīng)系統(tǒng)

氬氣要求：純度：≥99.999%，壓力：0.2MPa±0.03；氬氣用量：55-60m3/爐；氬氣流量：≤50LPM。

氬氣的儲存主要是液體形式，通過增壓器增壓，進(jìn)入汽化器將液氬轉(zhuǎn)換為氣態(tài)氬氣保證爐內(nèi)環(huán)境正常供應(yīng)。 其中氬氣液態(tài)：氣態(tài)=1：600 計算，3m3的氬氣罐配套增壓器、汽化器，可持續(xù)使用30-32 爐/罐。 詳細(xì)見圖2。

圖2 氬氣系統(tǒng)流程

2 冷卻水路系統(tǒng)的計算

多晶鑄錠爐的整個過程與功率時間我們參考圖3GT 多晶爐散熱功率為例進(jìn)行設(shè)計計算，其中水冷卻方式主要有自然對流與強制對流兩種方式。

冷卻水箱換熱能力計算：

設(shè)計冷卻水箱尺寸為（長×寬×高）：2×1.5×1m，故散熱面積A=1.5×1×2+2×1×2+1.5×2=10m3。 根據(jù)我們車間具體情況，冬天與夏天的室溫相差比較大，我們分別取為12℃和32℃。 根據(jù)牛頓冷卻公式：φ=hA·ΔT 來計算換熱量，其中φ 表示換熱量，h 表示傳熱系數(shù)，A 表示換熱面積，ΔT 表示溫差。

圖3 鑄錠爐散熱功率

2.1 冬天（按室溫12℃計算）換熱能力計算

（1）空氣自然對流

φ=h·A·Δt =(5～12)·10·（47-12）

=(5～12)·10·35=1750～4200W

（2）空氣強制對流

φ=h·A·Δt=(12～100)·10·（47-12）

=(12～100)·10·35=4200～35000W

2.2 夏天（按室溫32℃計算）換熱能力計算

（1）空氣自然對流

φ=h·A·Δt=(5～12)·10·（47-32）

=(5～12)·10·15=750～1800W

（2）空氣強制對流

φ=h·A·Δt=(12～100)·10·（47-32）

=(12～100)·10·15=1800～15000W

2.3 外置冷卻塔容量計算

φ=c·m·ΔT/t

m=M·t

其中φ 為換熱量，m 為水的質(zhì)量，M 為冷卻塔水流量，ΔT為冷卻塔換熱溫降，按保守值2℃計算。

所以M=φ/（c·ΔT）=60/（4.2·2）=7.14m3/h

以上計算過程中， 溫度是由冷卻機組有進(jìn)出水溫來設(shè)定的，從水冷機組來看，其水溫有一個運行界限，冷卻水進(jìn)水溫度最高為41℃，則冷卻水最高出水溫度為47℃。 按夏天的環(huán)境溫度為32℃來看， 其無論是空氣自然對流還是空氣強制對流，其最大散熱能力為15000W=15KW， 遠(yuǎn)小于我們一臺鑄錠爐實驗所需要的平均散熱功率40KW（根據(jù)鑄錠數(shù)據(jù)計算，而后估計得到），在結(jié)晶時接近60KW 的要求，即便是冬季在強制對流的情況下，其散熱能力也小于40KW，故需安裝外置冷卻塔，由前面計算知冷卻塔理論流量應(yīng)在7.14m3/h 以上，考慮到散熱效率與實際工況，選擇流量為20m3/h 或以上規(guī)格的，可以滿足多晶硅鑄錠爐正常生產(chǎn)實驗。

3 結(jié)束語

由以上設(shè)計與計算可知，冷卻水路系統(tǒng)、氬氣供應(yīng)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)都需要嚴(yán)格按要求記錄并控制，該晶體硅生長設(shè)備外圍設(shè)施已經(jīng)在我所研發(fā)的多晶鑄錠爐工藝試驗中成功使用。

[1] 劉秋娣. 太陽電池用多晶硅錠材質(zhì)的研究及熱場模擬[D].北京:有色金屬研究總院,2002

[2]許國良.工程傳熱學(xué)[M].北京:中國電力出版社，2005

[3]苗培,張杰,石鶴.冷卻塔供冷系統(tǒng)設(shè)計方法總結(jié)與探討[J].暖通空調(diào),2008,38(5):74-78