多晶硅铸锭炉技术改进及优化方法分析

胡 涛（巨力新能源股份有限公司硅片厂设备管理部,河北 保定 072550）

多晶硅铸锭炉技术改进及优化方法分析

胡 涛
（巨力新能源股份有限公司硅片厂设备管理部,河北 保定 072550）

本文详细分析了当前多晶硅铸锭炉生产过程中普遍采用的工艺流程、设备及控制系统，总结归纳了当前技术改进及优化的重点和方法。

多晶硅；铸锭炉；技术改进；优化方法

1 多晶硅铸锭炉设备

1.1 设备

铸锭炉从机械结构上主要分为炉体、热区、功率柜、控制柜、真空泵、人机界面等部分。从功能上主要分为加热、测温、保温、真空、压力控制及辅助操作等若干子系统[1]。

1.2 作用

铸锭炉是多晶硅体铸锭成型的关键设备，通过对硅料高温加热、熔融、定向冷凝、结晶等工艺流程实现硅锭连续、稳定生产。为多晶硅太阳能的规模化生产提供高品质硅片原料。

1.3 特点

多晶硅铸锭炉的加热设备加热快，效率高，相关控制技术较为成熟，可以使用较低纯度的硅料，即原料材质限制标准较低，通过一定的控制方法降低晶界及杂质的影响，同时采用定向冷凝结晶技术使得产品质量容易控制，因此铸锭炉的综合工作效率高，产品成本低，适合大规模生产。

2 多晶硅铸锭炉的工艺及常见故障

太阳能的规模化生产对硅片性能和产品一致性要求很高，因此对多晶硅的成产工艺流程要严格、明确，同时对生产设备的故障监控要到位，能够及时发现，及时解决，保证产品质量。

2.1 工艺流程及参数

总的工艺流程为填料-预热-熔化-长晶-退火-冷却[2]，根据生产实际需要，每个流程的参数设置大同小异。一个典型的工艺流程参数设置如下。

预热：温度控制室温~1200°，时间约15小时，真空度约1.05MPa，完全保温；熔化：温度控制1200°~1550°，时间约5小时，真空度约44.1Pa，开始充入保护气并完全保温；长晶：温度控制1440°~1400°，时间约10小时，真空度保持44.1Pa，持续充入保护气并完全保温；退火：温度控制1400°~1000°，时间约8.5小时，真空度保持44.1Pa，持续充入保护气并缓慢降温；冷却：温度控制1000°~400°，时间约6小时，真空度约52.5Pa，持续充入保护气并继续缓慢降温。

2.2 常见故障

铸锭炉自动运行过程中，机械和电气元件等必须平稳有效的工作，不能发生任何故障。但任何元件都有其特定的工作寿命，尤其是高温等条件下设备工况恶劣，故障在所难免。所以对设备进行定期保养和维护是必要手段；运行中的故障应急处理要快速有效。这就要求对设备的常见故障要严加掌控。多晶硅铸锭炉常见的故障主要有：（1）电阻不够，造成这一故障的主要原因有陶瓷瓦片损坏、氮化硼垫片损坏、热区内石墨件发生短路、变压器发生短路、加热器电极与炉体短接等；（2）水流量不足报警，主要原因有水流量计故障、处理模块损坏或水路积垢堵塞等；（3）真空度不够，主要原因有真空泵故障、炉体或管路泄露、压力表故障；（4）TC管泄漏报警；（5）隔热笼故障，表现在隔热笼不动或发生倾斜；（6）下炉体升降故障，表现为下炉体不动或下炉体倾斜。（7）电流失衡；（8）压力故障报警，主要原因是气压不足或阀门关闭、过滤器阻塞、压力开关报警设置异常等。

基于铸锭炉设备的重要性及工艺流程的复杂，铸锭炉故障的处理一定要迅速、准确，从而保证铸锭炉的高效和安全运行。

3 多晶硅铸锭炉的技术改进与优化

多晶硅铸锭炉属于自动化、智能化大型生产设备，价格昂贵、维护成本高。由于其工作性质局限，一旦开始投料运行，持续运行时间很长，而故障维修时间很短，因此，对设备的操作控制要异常谨慎，否则极易造成重大损失。通过对铸锭炉工艺流程及常见故障的分析，结合行业内主流应用的生产线设备的实际生产情况，归纳总结了若干多晶硅铸锭炉的技术改进项目和优化方法，最大限度保证设备平稳有效运行。

3.1 装料工艺技术改进

（1）降低生产成本，提高单炉装料量是合理化生产的基础，因此硅料需合理搭配，搭配原则：1）量化边尾头料的使用；2）适量加入小颗粒硅料；3）适当加入碎硅片；4）注意大小搭配，适量调整。

（2）形状和大小不同的硅料定量搭配，既可以有效提升热区内的空间利用率，又可以在硅料间形成一定的缝隙，不对熔融态的硅液流动产生影响，同时由于缝隙的存在为硅料膨胀留足空间，避免溢流事故的产生。

（3）装料注意事项。1）大小硅料搭配，以大硅料为骨架，小硅料填充缝隙；2）边尾头料合理放置，有效利用装料空间，提高装料率；3）置于热区内壁处的边尾料之间留足缝隙，并使之保持空白，一方面为熔融硅液流动提供空间，另一方面为硅液冷却膨胀提供空间。

3.2 铸锭工艺技术改进

多晶硅铸锭炉的工艺流程大体可以分为预热、熔化、长晶、退火和冷却五个主要流程。各个阶段的技术改进和优化目标与方向各不相同。

预热是硅料加热和杂质挥发阶段，制定适合本生产线的加热功率和工艺时间，使设备的控制模式转换尽量平稳，缩短控制系统的调整时间，减轻温度波动对加热器的影响是本阶段技术改进和优化的重点。熔化是硅料熔融阶段，采用温度闭环控制，制定合理的升温速率、优化热场分布是该阶段技术改进的有效手段。长晶是多晶硅的生长阶段，该阶段以调整控温偶目标温度和隔热屏开度来控制长晶速度和固液界面形状，因此控温偶温度和隔热屏开度是优化重点。退火时注意防止过快降温，避免对已完成长晶的硅锭产生不良影响，因此降温速率是优化目标。冷却阶段硅锭要自然降温，因此外界温度使冷却速度的影响因素，一定条件下可以考虑优化外界温度。

4 总结

本文阐述了多晶硅铸锭炉组成、作用和特点，分析了多晶硅铸锭炉在生产过程中的工艺及常见故障，以此为出发点，从装料工艺和铸锭工艺两方面详细阐述了相关的技术改进原则、注意事项以及待改进参数等。本文的研究内容为提高设备利用率，提高生产效率提供了理论和应用参考。具体的技术改进方法和参数优化随设备、原材料、产品要求乃至环境的不同而各异，因此本文只做了方向性的理论分析和指导，未对具体设备提出详细的量化的改进与优化。

[1]侯炜强.多晶硅铸锭炉生产工艺控制技术和设备组成[J].电子工艺技术,2008,29(05):291-293.

[2]张军彦等.大尺寸多晶硅铸锭的工艺研究[J].电子工艺技术,2013,34(04):246-249.