解析多晶硅鑄錠的加熱和熔硅過(guò)程

多晶硅鑄錠通常分為加熱、熔料、高溫穩(wěn)定、結(jié)晶、退火、冷卻等六個(gè)階段。本文介紹加熱和熔料兩個(gè)過(guò)程。 　?。ㄒ唬┘訜釡?zhǔn)備 　　裝好料后，再對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行一遍檢查，即可開爐。一般來(lái)說(shuō)，要先對(duì)爐子進(jìn)行抽真空。真空泵逐級(jí)打開后，開始通電加溫。抽真空的過(guò)程雖然很簡(jiǎn)單，通常是先打開初級(jí)泵（機(jī)械、旋片或滑閥泵），從大氣抽到2000 Pa以下后，然后再打開羅茨泵，抽真空到10 Pa左右；對(duì)于經(jīng)過(guò)清洗的潔凈塊料，抽真空的順序只要按照上述步驟進(jìn)行即可。大約在真空度小于1000 Pa時(shí)，就可以打開加熱電源。 　　在硅料加熱時(shí)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用恒定功率加熱，考慮到硅料的熱傳導(dǎo)性不佳，而RDS3.0 爐型采用的是四周加熱方式，熔化時(shí)，是從四周開始熔化，這時(shí)，由于測(cè)溫點(diǎn)在坩堝中部，因此，四周可能已經(jīng)熔化并到了很高的溫度，但中間的溫度并不高，因此，如果采用溫度設(shè)定的控制方式，可能功率會(huì)加得很大。 　　功率大，容易導(dǎo)致坩堝四壁的溫度上升，而坩堝由于是采用石英材質(zhì)的，一旦溫度超過(guò)1600 ℃以上，將很容易與硅發(fā)生反應(yīng)，造成坩堝侵蝕；如果溫度再上升到1700 ℃，則坩堝會(huì)與硅發(fā)生劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致硅液飛濺，坩堝熔穿。嚴(yán)重時(shí)，硅液甚至?xí)R到爐頂，導(dǎo)致石墨件和保溫層損壞。因此，通常熔化階段應(yīng)當(dāng)采用功率控制的方式，根據(jù)理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)值，使加熱功率按照一定的設(shè)定值進(jìn)行，這樣可以保證坩堝溫度不會(huì)過(guò)高。 　　對(duì)于RDS4.0型的爐體，由于采用底部和頂部加熱方式，情形會(huì)好一些，但如果功率過(guò)大，也同樣會(huì)在坩堝底部發(fā)生溫度過(guò)高的情形，只不過(guò)，由于頂部和底部都有紅外測(cè)溫，因此，溫度不會(huì)過(guò)高。但如果紅外堵塞或者失控，那么，溫度過(guò)高的危險(xiǎn)性也是同樣存在的。 　　無(wú)論是哪種爐型，加熱體都在外面，因此，硅料內(nèi)部和外部的溫差是始終存在的，這就是為什么在升溫一段時(shí)間，要進(jìn)行一下保溫，目的是讓外部的熱傳到里面去，避免內(nèi)外溫差過(guò)大，導(dǎo)致熔化時(shí)容易出現(xiàn)意外。這就是為什么在熔硅的過(guò)程中，加熱曲線上會(huì)有保溫的過(guò)程。 　　（二）硅料熔化 　　硅料在熔化時(shí)，由于需要吸收大量的熱量，因此，在熔點(diǎn)附近，溫度上升會(huì)很慢。要注意，通常，硅的熔點(diǎn)是1414℃，但在熔化時(shí)，硅的溫度通常要高出1420 ℃，才有可能使硅順利熔化。否則，硅料可能發(fā)生熔化后，由于周圍的硅還是固體，又開始凝固的現(xiàn)象，這就是為什么有時(shí)溫度會(huì)出現(xiàn)上下反復(fù)的情況；因?yàn)?，硅料在熔化時(shí)，有時(shí)局部在熔化后，溫度會(huì)超出熔點(diǎn)很多，但周圍可能還有沒有熔化的硅塊；當(dāng)熔化的硅液流到硅塊下面后，硅塊又露出來(lái)，導(dǎo)致紅外測(cè)溫儀顯示的溫度又低于熔點(diǎn)。 　　這樣的現(xiàn)象往往持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，持續(xù)的時(shí)間與加熱器功率有關(guān)。有時(shí)，當(dāng)絕大部分硅料熔化時(shí)，還有一些較大的硅塊未熔化，一旦這些硅塊漂到測(cè)溫儀的視場(chǎng)中，則會(huì)發(fā)生紅外測(cè)溫儀顯示的溫度突然下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)辜t外顯示溫度低于硅液溫度50 ℃以上。此時(shí)，不要誤解為硅液又凝固了，可能只是暫時(shí)的現(xiàn)象而已。 　　解決熔化不完全的方法就是一直加大功率到硅液完全熔化為止。通常，將硅液升溫到1490 ℃，然后保持一段時(shí)間，待從紅外測(cè)溫儀看到硅液表面變得清澈以后，再開始降溫。待硅液全部熔化后，即進(jìn)入真空熔煉的過(guò)程了。 　?。ㄈ?粉料的熔化 　　在鑄錠的過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到粉料。這些粉料通常是FDR循環(huán)流化床工藝中產(chǎn)生的。由于粉料的價(jià)格比較便宜，因此，不少鑄錠廠家希望能夠?qū)Ψ哿线M(jìn)行鑄錠。對(duì)于粉料的處理，需要十分注意。因?yàn)?，粉料在大氣狀態(tài)下很容易被真空泵所產(chǎn)生的氣流帶起來(lái)在爐內(nèi)飛揚(yáng)，硅粉飛揚(yáng)不僅會(huì)造成硅料的浪費(fèi)，在飛揚(yáng)過(guò)程中硅粉還會(huì)沾在加熱件、保溫體上，這樣，一旦這些硅粉熔化，很容易滲入石墨材料和保溫材料，導(dǎo)致加熱件和保溫體損壞；此外，硅粉的飛揚(yáng)會(huì)隨著氣體到真空泵力，導(dǎo)致真空泵的損壞。因此，在對(duì)粉料的熔煉過(guò)程中，要嚴(yán)防粉料的飛揚(yáng)。 　　為了解決這個(gè)問題，首先要了解粉料在什么情況下容易飛揚(yáng)。粉料的飛揚(yáng)一般在三個(gè)階段下容易產(chǎn)生。 　　第一個(gè)階段，是開始抽真空的瞬間。粉料放在坩堝里，粉料顆粒的間隙均是大氣。在開始抽真空的時(shí)候，爐內(nèi)的氣壓受機(jī)械泵的作用突然減小，顆粒間的氣體會(huì)因壓力差的作用向上運(yùn)動(dòng)形成氣流，這些氣流的力量有時(shí)很大，會(huì)帶動(dòng)硅粉飛揚(yáng)。 　　為了避免這個(gè)問題，對(duì)于粉料，在開始抽真空時(shí)，不能像普通的塊料那樣直接用機(jī)械泵大力抽，而應(yīng)當(dāng)將閥門先關(guān)閉，然后慢慢打開，最好是關(guān)閉主管道，采用一個(gè)旁路的細(xì)管道，用細(xì)管道上的調(diào)節(jié)閥，從關(guān)閉到打開，逐漸增大，這樣，抽真空時(shí)，爐內(nèi)的壓力會(huì)比較緩慢地下降，不會(huì)產(chǎn)生突然的壓降，從而解決硅粉飛揚(yáng)的問題。 　　到真空壓力降到100 Pa以下時(shí)，由于壓力低，氣體對(duì)硅粉的浮力很小，就可以逐步打開主管道的閥門，采用正常的閥門抽氣，這時(shí)，因?yàn)闅饬鞯牧α恳呀?jīng)很小，不足以再將氣體帶出，因此，可以全力抽真空。 　　第二個(gè)階段，是硅料升溫到大約1000 ℃左右的階段。首先，900 ℃以上，硅粉就會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象，而由于硅粉的導(dǎo)熱性很差，可以說(shuō)幾乎是絕熱材料，因此，當(dāng)紅外測(cè)溫儀測(cè)量到硅粉溫度到1000 ℃左右的時(shí)候，坩堝側(cè)面的溫度可能已經(jīng)達(dá)到接近熔化的問題，甚至已經(jīng)開始融化，溶化的硅遇到周圍的硅粉又會(huì)凝固而結(jié)殼；而這時(shí)，坩堝最中央部分的硅粉由于絕熱作用，溫度可能才100 ℃不到，這樣，硅粉中吸附的水分以及氣體，還沒有完全釋放。當(dāng)外部硅粉結(jié)殼形成封閉體的時(shí)候，隨著內(nèi)部硅粉溫度的逐漸上升，氣體膨脹，壓力增加，在硅粉內(nèi)部逐漸形成封閉的高壓球團(tuán)，當(dāng)壓力到達(dá)一定程度，就會(huì)發(fā)生爆裂；或者雖然內(nèi)部本身的壓力沒有達(dá)到爆裂壓力，但結(jié)殼后，由于加熱體的作用使得殼體再次熔化變薄后，內(nèi)部的氣體會(huì)爆沖出來(lái)，產(chǎn)生氣流，將硅粉四濺。 　　這個(gè)過(guò)程的硅粉飛揚(yáng)，比較難以避免，比較好的辦法是在硅粉的上部，以比較碎的塊料（尺寸在10-30mm）之間，鋪上一層，厚度大約在50-100mm；這樣，即便粉料有飛濺，塊料可以擋住，使其不會(huì)濺得太遠(yuǎn)，而到達(dá)加熱體或保溫體。 　　此外，還有一個(gè)方法，使在硅粉裝好后，采用細(xì)鋼絲，在硅粉內(nèi)部等間距扎一些小孔，從頂部到底部，這樣，這些孔的周圍由于間隙較大，使硅粉不容易形成密閉的球團(tuán)，這經(jīng)過(guò)試驗(yàn)也是比較有效的方式。 　　第三個(gè)容易飛揚(yáng)硅粉的階段，是硅粉的熔化期。硅粉熔化時(shí)，一方面和上述燒結(jié)階段的現(xiàn)象相同，另一方面，在硅粉熔化階段，粉料表面的物質(zhì)尤其是粉料的氧化層，會(huì)與硅液發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化硅氣體，以及其它的氣體，這些氣體也會(huì)以噴濺的形式產(chǎn)生，帶動(dòng)硅粉或者表面的硅液飛濺出來(lái)。由于這個(gè)時(shí)候，整個(gè)坩堝內(nèi)的硅料會(huì)比較集中地發(fā)類似的效應(yīng)，因此，雖然局部的效果不一定有前兩個(gè)階段嚴(yán)重，但總體效果可能這個(gè)時(shí)候噴濺是最厲害的。 　　這個(gè)階段的避免與第二個(gè)階段一樣，也是很難避免。同樣，硅粉上面鋪設(shè)硅料，和扎小洞的方式也有一定的效果。有一個(gè)工藝處理方式，可以供大家參考。就是，在加熱時(shí)控制功率不要過(guò)高，使溫度上升時(shí)間也比較緩慢（防止硅粉內(nèi)部語(yǔ)四周的溫差過(guò)大），在熔點(diǎn)之下的某個(gè)溫度，例如1380 ℃（也可以1400 ℃，但因?yàn)闇y(cè)溫點(diǎn)與四周有溫差，因此，過(guò)于接近熔點(diǎn)時(shí)，可能周圍的硅粉已經(jīng)熔化），保溫一段時(shí)間，使得整個(gè)坩堝內(nèi)的硅粉都達(dá)到1380 ℃，然后再升溫熔化。這樣，由于同步高溫，熔化的時(shí)間較短，因此，產(chǎn)生燒結(jié)和形成料殼的幾率都大大減小。這個(gè)工藝，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，也是有效的。 　　當(dāng)坩堝中的硅粉大部分熔化后，硅粉會(huì)形成粉團(tuán)漂浮在硅液表面，就像面粉在水里的情形類似。這些粉團(tuán)內(nèi)部因?yàn)榉哿辖^熱的關(guān)系，因此比較難以熔化，而且粉團(tuán)的表面溫度往往比硅液要低得多，當(dāng)粉團(tuán)的數(shù)量較多時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫不準(zhǔn)，或者測(cè)溫點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度較大。 　　為此，只能通過(guò)升高溫度的方法，將這些粉團(tuán)逐漸全部熔化， 直到表面變清澈再繼續(xù)進(jìn)行工藝。這也是為什么粉料的熔煉溫度要比塊料要高一些的原因。 　　有的人說(shuō)，粉料熔化的硅所長(zhǎng)的晶粒比較細(xì)小，這有些超自然的意味。但很有可能是熔化時(shí)，硅粉熔化不完全，導(dǎo)致硅液中仍有不少細(xì)小顆粒，因此，成核較多的原因。解決的方法，依然應(yīng)當(dāng)是高溫保持，確認(rèn)硅料熔化。而且在熔化后，最好還是在高溫區(qū)再等待一段時(shí)間，因?yàn)?，我們的觀察窗口僅僅能觀察到坩堝表面的很小一片，在周圍可能還有不少未熔化的硅粉。當(dāng)粉料的粉粒全部溶化時(shí)，粉料的冶煉就應(yīng)當(dāng)與塊料完全一樣了。