多晶硅鑄錠爐技術改進及優化方法分析

胡 濤（巨力新能源股份有限公司硅片廠設備管理部,河北 保定 072550）

多晶硅鑄錠爐技術改進及優化方法分析

胡 濤
（巨力新能源股份有限公司硅片廠設備管理部,河北 保定 072550）

本文詳細分析了當前多晶硅鑄錠爐生產過程中普遍采用的工藝流程、設備及控制系統，總結歸納了當前技術改進及優化的重點和方法。

多晶硅；鑄錠爐；技術改進；優化方法

1 多晶硅鑄錠爐設備

1.1 設備

鑄錠爐從機械結構上主要分為爐體、熱區、功率柜、控制柜、真空泵、人機界面等部分。從功能上主要分為加熱、測溫、保溫、真空、壓力控制及輔助操作等若干子系統[1]。

1.2 作用

鑄錠爐是多晶硅體鑄錠成型的關鍵設備，通過對硅料高溫加熱、熔融、定向冷凝、結晶等工藝流程實現硅錠連續、穩定生產。為多晶硅太陽能的規模化生產提供高品質硅片原料。

1.3 特點

多晶硅鑄錠爐的加熱設備加熱快，效率高，相關控制技術較為成熟，可以使用較低純度的硅料，即原料材質限制標準較低，通過一定的控制方法降低晶界及雜質的影響，同時采用定向冷凝結晶技術使得產品質量容易控制，因此鑄錠爐的綜合工作效率高，產品成本低，適合大規模生產。

2 多晶硅鑄錠爐的工藝及常見故障

太陽能的規模化生產對硅片性能和產品一致性要求很高，因此對多晶硅的成產工藝流程要嚴格、明確，同時對生產設備的故障監控要到位，能夠及時發現，及時解決，保證產品質量。

2.1 工藝流程及參數

總的工藝流程為填料-預熱-熔化-長晶-退火-冷卻[2]，根據生產實際需要，每個流程的參數設置大同小異。一個典型的工藝流程參數設置如下。

預熱：溫度控制室溫~1200°，時間約15小時，真空度約1.05MPa，完全保溫；熔化：溫度控制1200°~1550°，時間約5小時，真空度約44.1Pa，開始充入保護氣并完全保溫；長晶：溫度控制1440°~1400°，時間約10小時，真空度保持44.1Pa，持續充入保護氣并完全保溫；退火：溫度控制1400°~1000°，時間約8.5小時，真空度保持44.1Pa，持續充入保護氣并緩慢降溫；冷卻：溫度控制1000°~400°，時間約6小時，真空度約52.5Pa，持續充入保護氣并繼續緩慢降溫。

2.2 常見故障

鑄錠爐自動運行過程中，機械和電氣元件等必須平穩有效的工作，不能發生任何故障。但任何元件都有其特定的工作壽命，尤其是高溫等條件下設備工況惡劣，故障在所難免。所以對設備進行定期保養和維護是必要手段；運行中的故障應急處理要快速有效。這就要求對設備的常見故障要嚴加掌控。多晶硅鑄錠爐常見的故障主要有：（1）電阻不夠，造成這一故障的主要原因有陶瓷瓦片損壞、氮化硼墊片損壞、熱區內石墨件發生短路、變壓器發生短路、加熱器電極與爐體短接等；（2）水流量不足報警，主要原因有水流量計故障、處理模塊損壞或水路積垢堵塞等；（3）真空度不夠，主要原因有真空泵故障、爐體或管路泄露、壓力表故障；（4）TC管泄漏報警；（5）隔熱籠故障，表現在隔熱籠不動或發生傾斜；（6）下爐體升降故障，表現為下爐體不動或下爐體傾斜。（7）電流失衡；（8）壓力故障報警，主要原因是氣壓不足或閥門關閉、過濾器阻塞、壓力開關報警設置異常等。

基于鑄錠爐設備的重要性及工藝流程的復雜，鑄錠爐故障的處理一定要迅速、準確，從而保證鑄錠爐的高效和安全運行。

3 多晶硅鑄錠爐的技術改進與優化

多晶硅鑄錠爐屬于自動化、智能化大型生產設備，價格昂貴、維護成本高。由于其工作性質局限，一旦開始投料運行，持續運行時間很長，而故障維修時間很短，因此，對設備的操作控制要異常謹慎，否則極易造成重大損失。通過對鑄錠爐工藝流程及常見故障的分析，結合行業內主流應用的生產線設備的實際生產情況，歸納總結了若干多晶硅鑄錠爐的技術改進項目和優化方法，最大限度保證設備平穩有效運行。

3.1 裝料工藝技術改進

（1）降低生產成本，提高單爐裝料量是合理化生產的基礎，因此硅料需合理搭配，搭配原則：1）量化邊尾頭料的使用；2）適量加入小顆粒硅料；3）適當加入碎硅片；4）注意大小搭配，適量調整。

（2）形狀和大小不同的硅料定量搭配，既可以有效提升熱區內的空間利用率，又可以在硅料間形成一定的縫隙，不對熔融態的硅液流動產生影響，同時由于縫隙的存在為硅料膨脹留足空間，避免溢流事故的產生。

（3）裝料注意事項。1）大小硅料搭配，以大硅料為骨架，小硅料填充縫隙；2）邊尾頭料合理放置，有效利用裝料空間，提高裝料率；3）置于熱區內壁處的邊尾料之間留足縫隙，并使之保持空白，一方面為熔融硅液流動提供空間，另一方面為硅液冷卻膨脹提供空間。

3.2 鑄錠工藝技術改進

多晶硅鑄錠爐的工藝流程大體可以分為預熱、熔化、長晶、退火和冷卻五個主要流程。各個階段的技術改進和優化目標與方向各不相同。

預熱是硅料加熱和雜質揮發階段，制定適合本生產線的加熱功率和工藝時間，使設備的控制模式轉換盡量平穩，縮短控制系統的調整時間，減輕溫度波動對加熱器的影響是本階段技術改進和優化的重點。熔化是硅料熔融階段，采用溫度閉環控制，制定合理的升溫速率、優化熱場分布是該階段技術改進的有效手段。長晶是多晶硅的生長階段，該階段以調整控溫偶目標溫度和隔熱屏開度來控制長晶速度和固液界面形狀，因此控溫偶溫度和隔熱屏開度是優化重點。退火時注意防止過快降溫，避免對已完成長晶的硅錠產生不良影響，因此降溫速率是優化目標。冷卻階段硅錠要自然降溫，因此外界溫度使冷卻速度的影響因素，一定條件下可以考慮優化外界溫度。

4 總結

本文闡述了多晶硅鑄錠爐組成、作用和特點，分析了多晶硅鑄錠爐在生產過程中的工藝及常見故障，以此為出發點，從裝料工藝和鑄錠工藝兩方面詳細闡述了相關的技術改進原則、注意事項以及待改進參數等。本文的研究內容為提高設備利用率，提高生產效率提供了理論和應用參考。具體的技術改進方法和參數優化隨設備、原材料、產品要求乃至環境的不同而各異，因此本文只做了方向性的理論分析和指導，未對具體設備提出詳細的量化的改進與優化。

[1]侯煒強.多晶硅鑄錠爐生產工藝控制技術和設備組成[J].電子工藝技術,2008,29(05):291-293.

[2]張軍彥等.大尺寸多晶硅鑄錠的工藝研究[J].電子工藝技術,2013,34(04):246-249.