熱屏下降式單晶爐設計與研究

張西亞,高德東,王 珊, 彭 鑫,林光偉,高俊偉

(1.青海大學機械工程學院，西寧 810016；2.陽光能源(青海)有限公司，西寧 810000)

0 引 言

在光伏領域中，硅基類電池板在光伏電池板中的占有量超過了90%[1]，并且單晶硅以衰減率低、轉化率高、晶體品質好等優點在硅基電池板市場中的占有量漸漸超過了多晶硅，但產能和成本問題一直是約束單晶硅太陽能市場拓展的最大阻力[2]。目前，單晶硅的降本增效主要從提高單晶爐拉晶速度、減少單晶爐能耗和增加單晶爐投料量三方面來實現。

在降低單晶爐能耗和提高拉晶速度方面，蘇文佳等[3]對單晶爐導流筒、熱屏及底部側壁碳氈進行了優化，降低了拉晶能耗，提高了晶體結晶速度；鄧樹軍等[4]分析了在熱場結構中影響能耗的主要因素，通過改變熱場的保溫材料、改進熱場結構和避免爐體與熱場部件直接相連等措施來減少單晶爐能耗；楊軼涵等[5]研究了不同保溫材料、不同材料組合方式和不同熱場結構對單晶爐功率、單晶爐內熱傳遞的影響，并提出了合理的熱場結構，降低了單晶爐功率；呂菲等[6]在直拉爐中使用異型加熱器來代替普通加熱器，增大了固液界面溫度梯度，從而提高了拉晶過程中等徑階段的穩定性和拉晶速度；耿博耘等[7]提出一種減薄型加熱器，優化了單晶爐內晶體和熔體的溫度梯度，降低了能耗，提升了拉晶速度；Lee等[8]提出對熱屏材料和保溫層進行優化，在熱屏外部鍍上金屬鉬和石墨，并對保溫層進行加厚，減少了單晶爐能耗和惰性氣體消耗；于寧[9]提出在保溫筒內表面鍍上高反射紅外輻射涂料，在主爐室上部及副爐室內表面鍍上高吸收紅外輻射涂料，減小單晶爐內輻射散熱，增加硅晶體散熱，有效降低了單晶爐能耗，提高了拉晶速度。

在增大投料量方面，吳世海[10]設計了熱屏提升機構，增大單晶爐投料量，縮短了停爐后工人的取晶時間，進而降低了單晶爐能耗，提高了單晶爐效率；梁永生等[11]設計了一種用來增加單晶爐裝料量的裝置，并提出了其使用方法，增加了實際的裝料量，提高了生產效率。

許多學者將保溫蓋、保溫筒、保溫碳氈、保溫材料、熱屏和加熱器形狀等作為單晶爐改造的重點[12-18]，而這些部分的改造潛力已幾乎殆盡[19]。因此，本文對直拉法單晶爐的機械結構進行了詳細分析，尋求對單晶爐能耗降低和生產效率提高的限制因素，并且提出了一種單晶爐優化結構，以期能夠實現單晶爐的節能增效。

1 坩堝上升所造成的問題

圖1為單晶爐結構示意圖，主要有熱屏、坩堝、三瓣堝幫、堝底、加熱器和坩堝連桿等部件。

圖1 單晶爐結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of single crystal furnace structure

在硅單晶拉制的過程中，主要采用坩堝和籽晶同步上升以及坩堝和籽晶反向旋轉的方法，來保持單晶爐內部熱場的穩定；硅溶液由液態轉化為固態再被籽晶提起會導致液面下降，為了使硅液面與熱屏的距離始終保持在理想范圍內，坩堝隨晶體同步上移。目前，所有單晶爐都是采用坩堝上升來消減單晶爐內熱場隨時間變化所帶來的影響，而忽略了坩堝上升對單晶爐能耗和熱場穩定性所造成的弊端。

1.1 坩堝上升所帶來的額外能耗問題

單晶爐的節能增效一直是單晶硅生產廠家提高效益的重要措施，但多年來除了熱屏的提出大大降低了單晶爐能耗,改善了爐內熱場和流場,其他所提出的如隔熱材料、熱屏形狀、異型加熱器等熱場改進方法,都未取得理想的節能降耗效果。

在晶體生長的開始與結束階段，石英坩堝相對于加熱器的位置如圖2所示，由圖可知,加熱器高度大于石英坩堝高度，其原因是硅溶液不斷地由液態轉化為固態而被籽晶提起，硅液面在坩堝中的位置不斷下降，而為了使固液界面相對于熱屏的位置保持不變，單晶爐用坩堝上升與籽晶上升來實現動平衡,坩堝在拉晶過程中上升而加熱器固定不動，為了使坩堝內硅溶液始終處于加熱器內部，以及加熱器更充分地對坩堝進行加熱，所以目前使用的加熱器高度都大于坩堝高度。從圖2中還可以看出，在拉晶開始階段，坩堝位于加熱器下部，加熱器上部的區域一對坩堝的加熱效果不明顯，且會對拉晶液面上部的晶棒進行烘烤，即對結晶潛熱的散發造成阻礙作用，降低拉晶速度；而隨著拉晶過程的進行，坩堝緩慢上移，區域一不斷減小，加熱器下部的區域二不斷增大，對坩堝的加熱效果越來越差，所產生的熱量大部分被惰性氣體及冷卻水帶走，造成能量浪費；因此,通過上述分析可知，在拉晶過程中坩堝上升所帶來的拉晶溫度場動平衡，將會成為單晶爐降低能耗和提高拉晶速度的巨大阻礙。

圖2 加熱器與坩堝相對位置Fig.2 Relative position of heater and crucible

1.2 坩堝上升所帶來的穩定性問題

在單晶爐拉晶過程中，經常會遇到硅液面顫動和硅晶體搖晃的問題。硅晶體搖晃將造成拉晶速度過度振蕩，進一步造成晶體直徑波動，還將導致固液界面不穩定和晶體缺陷的形成；硅液面顫動將破壞固液界面穩定，進一步破壞爐內熱場穩定。硅液面顫動和硅晶體搖晃不僅對晶體的無位錯生長造成一定的困難，而且對晶體的質量有十分不利的影響，惰性氣體流動的不穩定和機械傳動所帶來的震動是造成硅液面顫動和硅晶體搖晃主要的原因。

圖3為晶體生長的開始與結束階段，石英坩堝相對于熱屏的位置示意圖，因為熱屏通常為倒圓臺形，坩堝上升會使坩堝上部內圓柱面與熱屏外圓臺面之間的惰性氣體通道逐漸變窄，由圖3中的氬氣通道一慢慢變成氬氣通道二，使爐內氣壓不穩定造成液面上下波動，并且漸漸變窄的氬氣通道使其更難帶走一氧化硅顆粒，大量一氧化硅顆粒二次落進硅溶液，進而導致晶體缺陷產生降低晶體質量，以及一氧化硅顆粒回爐所造成的額外能耗；而隨著拉晶過程的進行，坩堝緩慢上移，就會出現加熱器下部熱量對坩堝連桿直接進行熱輻射，降低坩堝連桿使用壽命，且坩堝連桿受熱后的熱脹冷縮現象也會對傳動精度造成影響，進而影響拉晶過程的穩定性；此外，坩堝升降絲杠和導軌的長時間使用也會卡滯，進而造成升降不平穩，導致硅液面顫動和硅晶體搖晃。

圖3 坩堝與熱屏相對位置Fig.3 Relative position of crucible and heat shield

針對上述因坩堝上升所導致的額外能耗以及拉晶系統不穩定的問題，提出了“屏代堝動”的解決方法，即在設計單晶爐時，設計熱屏升降裝置，利用升降裝置實現熱屏上下移動保持熱屏與液面保持相對靜止。本文提出一種新型下降式熱屏，不僅能滿足移動需求，還可以提高拉晶穩定性。

2 單晶爐優化設計

2.1 熱屏升降裝置

基于“屏代堝動”設計思路的熱屏升降裝置機械結構如圖4所示，該裝置的具體結構包括滾珠絲杠傳動副、軸承、聯軸器、減速器和保護部件；所述滾珠絲杠傳動副的螺母上有滑座，滑座直接與熱屏固定；所述保護部件包括包裹在滾珠絲杠傳動副三面外的保溫罩和上軸承外的密封波紋管，其中保溫罩安裝與俯視圖如圖5所示，這些保護部件是為了保證滾珠絲杠傳動副的正常工作以及單晶爐的密封環境。

圖4 熱屏升降裝置Fig.4 Heat shield lifting device

圖5 保溫罩示意圖Fig.5 Schematic diagram of insulation cover

2.2 熱屏改造

優化后的熱屏如圖6所示，此熱屏與原熱屏相比，內部傾斜角度不變，熱屏外壁的形狀由原來的倒圓臺改為圓筒，圓筒直徑等于圓臺上、下面直徑之和的一半，外壁豎直可以保證熱屏上下移動時對單晶爐內熱場的影響更小，也可以使熱屏上下移動時氬氣通過熱屏、液面和坩堝所形成的通道更加穩定。

圖6 優化后熱屏Fig.6 Heat shield after optimization

2.3 坩堝和加熱器改造

采用熱屏下降代替坩堝上升，使坩堝與加熱器之間無相對移動，可以達到加熱器和坩堝高度一致的效果，如此設計就有圖7兩種設計方法。方案1：如圖7(a)減小加熱器高度，使加熱器有效加熱高度等于原坩堝高度，減少加熱器多余的加熱區域，進而降低加熱器的功率，減少單晶爐能耗。方案2:如圖7(b)增加坩堝高度，使坩堝與原加熱器有效高度一致，增大投料量，從而實現提高拉晶效率，降低單晶爐能耗的目的。

圖7 加熱器和坩堝改造Fig.7 Heater and crucible modification

2.4 整體改造圖

由于原單晶爐在拉晶過程中坩堝上升需要主爐室留出給坩堝上升所需的額外空間，這個空間在高度上要比坩堝內液面高，而使用熱屏下降代替坩堝上升的單晶爐會使主爐室的這部分空間釋放，從而在設計單晶爐整體結構時就能使上保溫蓋的位置下移，為熱屏的移動以及升降裝置的安裝提供條件，即可以使單晶爐的整體尺寸不變，通過減小主爐室熱場范圍來提供熱屏升降裝置所需空間。由于上述加熱器與坩堝的改造有兩種改造方案，因此單晶爐整體設計也有如圖8所示的兩種優化方案，圖(a)為原單晶爐結構簡圖，圖(b)為單晶爐優化方案1，通過減小加熱器高度，使加熱器有效加熱高度等于原坩堝高度，減少加熱器多余的加熱區域，進而降低加熱器的功率，減少單晶爐能耗。圖(c)為單晶爐優化方案2，通過增加坩堝高度，使坩堝與原加熱器有效高度一致，增大投料量，從而提高拉晶效率，降低單晶爐能耗。

圖8 單晶爐整體改造圖Fig.8 Overall transformation of single crystal furnace

3 數值模擬

本文單晶爐改造主要是改變了成晶界面動平衡的方式，由原來的坩堝上升改為熱屏下降，從而實現減小加熱器高度或者增大坩堝高度來降低拉晶的能耗。優化方案2雖然能夠增加投料量，但難以與原單晶爐進行性能對比，本文只作為一種優化建議不做驗證。本次數值模擬使用單晶爐優化方案1與原單晶爐進行仿真實驗對比。

3.1 數值模擬初始條件及參數

為使數值仿真具有更高的可信度，對單晶硅生產車間內的CL120-97型號單晶爐進行尺寸測量，采用1∶1實測尺寸，并使用對稱式結構，即對爐壁上的進出水孔、觀測孔、檢測孔等非對稱結構進行簡化。使用CATIA作圖軟件按照實測的CL120-97單晶爐尺寸畫出單晶爐三維結構簡圖，并根據“屏代堝動”設計思路畫出優化后單晶爐三維結構簡圖，然后將優化前后的單晶爐結構簡圖導入到ANSYA中進行全局熱仿真和氬氣通道的流體仿真。優化前后單晶爐均使用同樣的仿真初始條件，數值仿真所采用的直拉工藝參數和主要物性參數，分別如表1和2所示。

表1 模擬中使用的直拉工藝參數Table 1 Czochralski process parameters used in the simulation

表2 模擬中使用的主要物理性能參數Table 2 Main physical parameters used in the simulation

3.2 數值模擬分析

在硅單晶生長的等徑階段，對單晶爐優化前后晶體和熔體的熱場以及氬氣流場進行局部提取。

硅晶體的徑向、軸向溫度梯度嚴重影響著硅單晶生長速度,在等徑階段晶體長度為60 cm時，硅晶體徑向和軸向的溫度提取位置如圖9所示。圖10是與其對應的兩種不同熱場結構的晶體徑向和軸向的溫度對比圖，從圖10中的(a)和(b)可知，優化后單晶爐晶體徑向和軸向溫度梯度均大于優化前溫度梯度，這說明優化后的單晶爐有利于結晶潛熱散發，晶體冷卻更快，能夠在一定程度上提高拉晶速度。

圖9 等徑階段硅晶體徑向和軸向溫度提取位置圖Fig.9 Radial and axial temperature extraction position map of silicon crystal at equal diameter stage

圖10 優化前后晶體徑向和軸向的溫度對比圖Fig.10 Comparison of radial and axial temperature of crystal before and after the optimization

樹枝晶和胞狀晶是硅單晶生長過程中兩種異常長晶現象，硅熔體固液生長界面溫度梯度過大所導致的熔體過冷，是造成硅晶體生長異常的主要原因。因此，硅熔體固液界面的溫度分布對硅單晶品質有較大影響。在等徑階段硅晶體長度為60 cm時，單晶爐優化前后熔體固液界面的溫度分布如圖11所示，由圖11可知，優化前后熔體的固液界面溫度變化趨勢一致，即優化后單晶爐不改變熔體的固液界面溫度變化規律，且優化后單晶爐的固液界面溫度梯度小于優化前溫度梯度，能夠在一定程度上防止熔體過冷，提高硅晶體生長過程的穩定性。

圖11 優化前后硅熔體固液界面的溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution of the solid-liquid interface of the silicon melt before and after optimization

圖12為優化前后氬氣流經硅晶體、硅溶液、熱屏和坩堝流向示意圖。圖13為等徑階段晶體長度為60 cm、100 cm時，單晶爐優化前后氬氣流經硅晶體、硅溶液、熱屏和坩堝所形成通道的速度圖，其出口處平均流速從(a)到(d)分別為1.574 m/s、5.279 m/s、2.641 m/s、2.435 m/s，因此，優化前單晶爐氬氣通過熱屏外壁與坩堝內壁時流速會發生顯著變化，而優化后單晶爐氬氣通過熱屏外壁與坩堝內壁時流速變化很小；又由優化前后熱屏外壁形狀可知，優化前氬氣通道會隨著拉晶的進行而減小，而優化后氬氣通道不會隨著拉晶的進行而改變，這就證明改進后單晶爐克服了拉晶過程中由于坩堝上升引起氬氣流速變化的弊端，提高了拉晶穩定性。

圖12 優化前后氬氣流經硅晶體、硅溶液、熱屏和坩堝流向示意圖Fig.12 Schematic diagram of argon flow through silicon crystal, silicon solution, heat shield and crucible before and after optimization

圖13 優化前后氬氣流經硅晶體、硅溶液、熱屏和坩堝所形成通道的速度圖Fig.13 Velocity diagram of the passage formed by the argon gas flowing through the silicon crystal, silicon solution, heat shield and crucible before and after optimization

在直拉法硅單晶生長過程中，等徑階段生長的硅單晶歷時最長、耗能最多，且是后期加工利用的有效部分，因此可以用等徑階段的能耗近似代替整個拉晶過程的能耗。本文是通過在單晶爐的加熱器上直接施加熱生成率來作為熱場的熱源，為了更直觀地反映優化前后單晶爐的耗能情況，將整個等徑階段加熱器的熱生成率換算成加熱功率，其計算方法是：熱生成率/加熱器體積。圖14是單晶爐優化前后等徑階段加熱器的功率隨晶體長度變化圖，由圖可知，優化前加熱器功率隨晶體長度的變化趨勢是先減小后增大，而優化后加熱器功率隨晶體長度的增大而減小，且優化后加熱器功率始終小于優化前加熱器功率，因此，優化后單晶爐在等徑階段的能耗小于優化前單晶爐，由定積分知識可以近似得出優化后單晶爐能耗降低了12.72%，雖然優化前后單晶爐數值仿真采用相同參數，但畢竟仿真存在諸多簡化，若采用實驗，優化后單晶爐所能降低的能耗可能達不到12.72%。

圖14 優化前后單晶爐功率隨晶體長度變化圖Fig.14 Graph of single crystal furnace power changes with crystal length before and after optimization

4 結 論

本文針對坩堝上升所導致的單晶爐額外能耗和拉晶系統不穩定問題，提出了“屏代堝動”的解決方法，即在硅單晶生長過程中使熱屏下降代替坩堝上升的機械結構改進方法，通過設計升降裝置來實現熱屏升降，改變熱屏形狀以優化熱場和流場，再使用ANSYS對優化前后單晶爐的晶體生長過程進行熱場、流場仿真。仿真結果表明，優化后與優化前單晶爐相比：

(1)優化后單晶爐晶體的軸向、徑向溫度梯度增大，晶體生體散熱更快，提高了拉晶速度。

(2)優化后單晶爐熔體的自由表面溫度梯度減小，能夠有效避免熔體過冷，提高了拉晶穩定性，改善了晶體質量。

(3)優化后單晶爐氬氣流經硅晶體、硅溶液、熱屏和坩堝所形成氣體通道時，氣流更加平穩，提高了拉晶穩定性，改善了晶體質量。

(4)優化后單晶爐在等徑階段的加熱功率較優化前降低了12.72%。