多晶爐大尺寸高效率熱場的設計與研究

劉磊+夏新中+張任遠+張莉沫

摘要：多晶硅鑄錠爐的熱場結構決定了鑄錠爐內的溫度分布，從而對晶體生長過程中的形核質量、固液界面形狀、流體流動模式以及雜質輸運過程等都有直接影響。對熱場結構的合理設計及不斷優化是提高多晶硅晶體品質的重要手段之一。本項目通過對熱場的優化，改善了熔體流動模式，有利于雜質向硅錠邊部及外部輸運，減少了雜質對多晶硅晶體品質的負面影響。

【關鍵詞】固液界面 雜質輸運 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，整個鑄錠工藝必須圍繞熱場的結構和原理進行調整。因此有一套好的熱場，工藝人員調整工藝也會事半功倍，鑄錠質量才會得到保證。

分析當前鑄錠熱場，存在以下問題（如圖1）：

1.1 角部過熱

導致雜質在邊角位置聚集，且嚴重影響化料界而和生長界而。而且局部過熱嚴重時候，會引發漏硅。造成重大安全事故和隱患。

1.2 加熱區域不均勻

由于加熱器對應的坩堝側壁區域有限，因此整個坩堝的溫度分布極為不均勻，必須通過移動隔熱層提升其底部過冷度，來實現均勻長晶，如果加熱器釋放熱量與隔熱籠造成的過冷度不匹配時，則造成凹凸不平的界而問題。因此，增加加熱器輻射區域，對結晶穩定性起到決定作用。

1.3 空間問題

熱場環境下，盡量保證大空問，保證揮發物及時被排出。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，當硅液高度增加時，硅液內部垂直方向溫度分布更加均勻，更有利于雜質的定向分凝，保證分凝的穩定性。

1.4 界面的平穩性與散熱的方向性

隔熱籠打開后，DS散熱塊受到水冷夾層結構的爐壁的輻射，DS散熱塊開始散熱，DS散熱塊降溫的同時，帶動底部的坩堝溫度降溫，當溫度達到硅液的凝固值時，硅液開始逐步結晶。但是由于坩堝側板為石墨材質，其也起到散熱的作用，因此底部結晶的同時，側部也在降溫。導致界而成凹界而，緊鄰坩堝的20塊（整個硅錠36塊）硅塊無法垂直生長，占據了大半個硅錠。這20塊直接影響了鑄錠的質量。因此，側部加熱器位置的設計，成為保證界而平穩，散熱方向性的關鍵。即加熱器如果能夠把隔熱籠開啟后，石墨側板的熱量彌補上，就可以實現散熱垂直性，界而平穩性。

2 解決方案

目前，采用當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，實現誘發成核，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，此項目重點為：

2.1 散熱垂直度，穩定生長界面

保證晶粒方向和晶粒均勻度的連續性。由于橫向距離增大，熱場保溫性對橫向溫差的影響進一步增大，因此在設計中，在側部保溫層內部增加一層CC保溫板，以反射熱量，降低熱量散失，同時可以保護側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 角部設計，降低雜質的堆積性，化料的局部過熱性

（如圖3）由于化料界而為凸型，一般都會導致腳部籽晶被熔化，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，相當于將腳部熱量向上抬升了。這樣整個腳部的底部溫度會降低，增加保晶而積，提升晶體質量。

2.3 合理的空間的設計

目前鑄錠主要有全熔和半熔兩種工藝，針對不同的保晶方式，可以移動側部加熱器的位置，以此可以在熔化過程中降低能耗。將吊臂設計成多孔連接，就可以實現側部加熱器的上下移動。

3 結論

鑄錠運行周期降低4h，用電單耗降低1.25度/kg。綜合計算組件成本降低0.026元/瓦，目前311臺鑄錠爐全部推廣應用，年產能3.2GW，每年可節約成本8320萬元。

參考文獻

[1]韓棟梁，龐江瑞，黃家海，權龍.多晶硅鑄錠爐雙區加熱系統的數值計算[J].鑄造技術，2014（12）： 3027-3029.endprint