多晶硅铸锭设备及工艺

多晶硅铸锭炉是太阳能光伏产业中最为重要的设备之一。它通过使用化学方法或物理方法得到的高纯度熔融硅，调整成为适合太阳能电池的化学组分，采用定向长晶凝固技术将熔体制成硅锭。这样，就可切片供太阳能电池使用。

多晶硅铸锭炉采用的生长方法主要为热交换法与布里曼法结合的方式。这种类型的结晶炉，在加热过程中保温层和底部的隔热层闭合严密，使加热时内部热量不会大量外泄，保证了加热的有效性及均温性。开始结晶时，充入保护气，装有熔融硅料的坩埚不动，将保温层缓慢向上移动，坩埚底部的热量通过保温层与隔热层之间的空隙发散出去，通过气体与炉壁的热量置换，逐渐降低坩埚底托的温度。在此过程中，结晶好的晶体逐步离开加热区，而熔融的硅液仍然处在加热区内。这样在结晶过程中液固界面形成比较稳定的温度梯度，有利于晶体的生长。其特点是液相温度梯度dT/dX接近常数，生长速度可调。通过多晶硅铸锭法所获得的多晶硅可直接获得方形材料，并能制出大型硅锭；电能消耗低，并能用较低纯度的硅作投炉料；全自动铸锭炉生产周期大约60h可生产400kg以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；采用该工艺在多晶硅片上做出电池转换效率超过16%。

多晶硅铸锭炉融合了当今先进的工艺技术、控制技术、设备设计及制造技术，使它不仅具有完善的性能，而且具有稳定性好、可靠性高，适合长时间、大批量太阳能级多晶硅的生产。

（一）多晶硅铸锭炉的操作原理

目前市场上的多晶硅铸锭炉大多采用的是DSS（定向固化系统）系统。DSS的生产量很大，能在不到50个小时的时间内生产出270kg的硅锭。在长晶期间，只有一个部件在运动，这样的设计极大地简化了操作，减小了操作的复杂性。尤其注意降低一些消耗件（如加热器、隔热层元件）的成本，从而降低了炉子长期运行的成本。

内涂SiN的坩埚装入多晶硅料后放在导热性很强的石墨块上（即所谓的定向固化块或者DS块）。关闭炉子后排气，接通加热器电源融化硅料数小时以上。坩埚的四个竖直边都围有石墨加热器、DS－Block，坩埚周围有隔热层，隔热层的竖直边能上下移动以便露出DS－Block的边缘，使热量辐射到下腔室的水冷四壁上。水冷却DS－Block后再返回来冷却坩埚底部，从而使坩埚内的熔融硅周围形成一个竖直温度梯度。这个梯度使坩埚内的硅料从底部开始凝固，从熔体底部向顶部开始长晶。当所有的硅料都凝固后，在程序的控制下，硅锭需要经过退火、冷却处理以免破裂，且能将（晶格）位移降到最小限度。

1．平衡分凝系数K0

晶体的生长过程中，杂质在结晶的固体和未结晶的熔体中浓度是不同的，这种现象即为分凝。在温度为TL、固液两相平衡时，固相A中杂质B（溶质）的浓度Cs和液相中的杂质浓度CL的比值K0＝Cs/CL，即定义为平衡分凝系数，以此来描述该体系中杂质的分配关系。表4－5列出了硅中各主要杂质的分凝系数K。

表4－5　硅中各主要杂质的分凝系数K

续表

为了方便讨论正常凝固过程中杂质运动及分布情况，通常做以下假设：

（1）杂质在固体中的扩散速度比其正常凝固速度慢得多，可以忽略杂质在固体中的扩散；

（2）杂质在熔体中的扩散速度比其凝固速度快得多，可以认为杂质在熔体中的分布是均匀的；

（3）杂质分凝系数是常数。

实际上，杂质在固体中扩散速度多数在10－13～10－11 cm/s范围，而凝固速度在10－4～10－3cm/s，两者相差7～9个数量级，所以第一点假设是可以成立的。如熔体中有一定的搅拌条件，杂质在熔体中分布均匀也容易实现。又因为材料中杂质量本来很少，K0也可以近似地当常数使用，所以上述三点假设是完全可以成立的。根据以上假设，可以推导出正常凝固公式：

Cs＝KC0（1－g）K－1

式中，K、g、Cs、C0分别表示分凝系数、凝固分数、杂质在固体中的浓度以及初始熔体中的杂质浓度。该公式常常用来描述正常凝固过程中各种杂质在硅锭中的分布情况。由于各种杂质在硅中的分凝系数不同，所以各种杂质在硅锭中的分布情况也存在很大差异，将出现以下三种情况：

（1）对于K＜1的杂质，其浓度越接近尾部越大，向尾部集中；

（2）对于K＞1的杂质，其浓度越接近头部越大，向头部集中；

（3）对于K≈1的杂质，基本保持原有的均匀分布方式。

2．有效分凝系数Keff

上面的平衡分凝系数K0是描述体系处于固液平衡时得到的杂质分配关系。但在实际工作中，结晶不可能在十分缓慢近于平衡状态下进行，而是以一定的速度来进行，这时固液界面处的平衡将被破坏。对于K0＜1的杂质，因为Cs＜CL，结晶时将有部分杂质被结晶界面排斥出来而积累在熔体中。如果结晶速度大于杂质由界面扩散到熔体内的速度，杂质就在界面附近的熔体薄层中堆积起来，形成浓度梯度而加快杂质向熔体内部的扩散，最后可达到一个动态平衡，即在单位时间内，从界面排除的杂质量与因扩散对流而离开界面向熔体内部流动的杂质量相等时，在界面薄层中的浓度梯度就不再改变，形成稳定的分布。这个杂质浓度较高的薄层称为杂质富集层（也称为扩散层）。反之，对于K0＞1的杂质，结晶时，固相界面会多吸收一些界面附近的熔体中的杂质，使界面处的熔体薄层中杂质呈缺少状态，这一薄层称为贫乏层。图4－16为固液界面处杂质分布曲线。

为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度Cs与熔体内部的杂质浓度CL0。的比值定义为有效分凝系数Keff：当界面不移动或移动速度f趋于零时，。当结晶过程

图4－16 固液界面处杂质分布曲线

1953年，Burton、Prim、Slichter等人推导出有效分凝系数与平衡分凝系数的关系式，即BPS公式由此可以看出，有效分凝系数K是eff、固液界面移动速度f、扩散层厚度δ和扩散系数D的函数。当时，；当时，以硅中的氧为例，由于其分凝系数通常被认为大于1．0，所以当增大晶体生长速度f时，Keff将减少，反之降低晶体生长速度时变大，如图4－17所示。

图4－17 有效分凝系数Keff随生长速度f而变化

（二）多晶硅铸锭炉的主要工艺特点

为了保证产品的性能及一致性，并适应大批量太阳能级多晶硅的生产，根据以上的多晶硅铸锭炉定向生长凝固技术原理，一般多晶硅铸锭工艺流程分为预热、熔化、长晶、退火和冷却五个步骤。主要工艺参数如下。

（1）预热

①预热真空度：大约1．05MPa；②预热温度：室温1 200℃；③预热时间：大约15h；④预热保温要求：完全保温。

（2）熔化

①熔化真空度：大约44．1Pa；②熔化温度：1 200～1 550℃；③熔化时间：大约5h；④熔化保温要求：完全保温；⑤开始充氩气作为保护气。

（3）长晶

①长晶真空度：大约44．1Pa；②长晶温度：1 440～1 400℃；③长晶时间：大约10h；④长晶保温要求：缓慢取消保温；（5）连续充保护气。

（4）退火

①退火真空度：大约44．1Pa；②退火温度：1 400～1 000℃；③退火时间：大约8．5h；④退火保温要求：完全保温；⑤连续充保护气。

（5）冷却

①冷却真空度：大约52．5Pa；②冷却温度：1 000～400℃；③冷却时间：大约6h；④冷却保温要求：取消保温；⑤连续充保护气。

（三）多晶硅铸锭炉设备组成

为了完成上述连续的工艺过程，全自动多晶硅铸锭炉设计由下面几大部分组成，它们分别为抽真空系统、加热系统、测温系统、保温层升降系统、压力控制系统及其他辅助系统，其效果如图4－18所示。

图4－18　多晶硅铸锭炉效果图

1．抽真空系统

抽真空系统是保持硅锭在真空下进行一系列处理，要求在不同的状态下，保持炉内真空压力控制在一定范围内。这就要求真空系统既有抽真空设备，同时还有很灵敏的压力检测控制装置。保证硅锭在生长过程中处于良好的气氛中。抽真空系统由机械泵和罗茨泵、比例阀旁路抽气系统组成。

2．加热系统

加热系统是保持工艺要求的关键，采用发热体加热，由中央控制器控制发热体，并可保证恒定温场内温度可按设定值变化；同时控制温度在一定精度范围内。完成硅锭在长晶过程中对温度的精确要求。

3．测温系统

测温系统是检测炉内硅锭在长晶过程中温度的变化，给硅锭长晶状况实时分析判断系统提供数据以便使长晶状况实时分析判断系统随时调整长晶参数，使这一过程处于良好状态。

4．保温层升降系统

保温层升降机构是保证硅锭在长晶过程中，保持良好的长晶速度，它是通过精密机械升降系统，并配备精确的位置、速度控制系统来实现。保证硅锭晶核形成的优良性及光电转化的高效性。

5．压力控制系统

压力控制系统主要保证炉内硅锭在生长过程中，在一特定时间段内，压力根据工艺要求保持在一定压力下。它由长晶状况实时分析判断系统来控制。

6．其他辅助系统

（1）熔化及长晶结束自动判断系统：通过测量装置检测硅料状态，自动判断硅料的状态，为控制系统提供数据，实时判断控制长晶。

（2）系统故障诊断及报警系统：为了保证系统长时间可靠运行，系统提供了系统故障自诊断功能，采用人机对话方式，帮助使用者发现故障，及时排除故障，为设备安全可靠运行提供安全保障。

（四）多晶硅铸锭炉控制系统硬件结构组成

为了实现设备的几大系统功能，必须有强大的计算机控制系统来完成，以往简单的控制系统已难当此任。本控制系统采用分布式现场总线技术，它由中央控制器、现场控制器、现场控制器的控制单元、执行机构组成。该系统不仅通信可以冗余，控制器也可以冗余，故障率几乎为零。中央控制器与现场控制器之间通过工业以太网连接起来。由控制台发布指令，中央控制器接受指令，通过网络系统下达现场控制器，现场控制器根据实际情况分析判断，给执行机构下达动作命令。它的硬件控制组成如图4－19所示。

在此系统中，为了将来实现工厂自动化管理，控制台可作为服务器，为工厂科学管理、科学决策提供了信息共享平台。

图4－19　硬件控制组成

（五）多晶硅铸锭炉控制系统软件控制流程

强大的硬件系统，必须有相应的控制软件提供强有力的控制算法，合理地控制程序作为保障，才能使控制的参数得到优化，达到控制的精度，并提供设备故障的自诊断，为设备的可靠、安全运行提供保障。

1．工艺配方编辑系统

提供设备工艺配方编辑的环境，使用户方便地对工艺配方进行编辑输入、修改。提供智能化的工艺配方合理性检查，排除工艺配方中错误以及不合理的地方。

2．长晶状况实时分析判断系统

在铸锭炉的工艺运行过程中，可分为预热流程、熔化流程、长晶流程、退火流程和冷却流程等几个主要流程。在这几个流程运行过程中，长晶状况实时分析判断系统要实时分析判断各个长晶参数，以便随时对它们做出调整，以最合适的运行参数进行控制。长晶状况实时分析判断系统是设备控制的核心部分，对它进行合理规划和合理设计，能充分体现设备的创新性。在预热阶段，对坩埚中硅料进行缓慢加热，并排除炉内的气体，使空气中的有害气体成分不会对硅料产生影响。在熔化阶段，加热温度超过硅料融化温度，使硅料充分融化为液态，为下一步凝固长晶做好准备。这期间长晶状况实时分析判断系统，通过传感器随时对炉内硅料融化情况做出分析判断，通过人机对话平台，随时做出提示。在长晶阶段，长晶状况实时分析判断系统，使处于恒温场中的熔融硅料通过保温层的提升系统自下向上缓慢地进入冷场中，完成凝固长晶。由于保温层的提升速度可自由控制，因此长晶速度也可控制，这样就可生长出高品质的硅锭。这期间长晶状况实时分析判断系统通过传感器随时对炉内硅料生长情况做出分析判断，通过人机对话平台，随时做出提示。在退火阶段，长晶状况实时分析判断系统对恒温场中的温度作调整，防止由于降温过快对已长晶完成的硅锭造成不良影响。在冷却阶段，硅锭自然降温，为出炉做好准备。软件控制流程图如图4－20所示。