多晶硅铸锭炉加热室的结构设计技术分析

参考文献
工业与信息化
TECHNOLOGY AND INFORMATION
多晶硅铸锭炉中加热器结构对硅锭中杂质分布的影响 分析
孟庆超 王子谦 潘明翠 夏新中 刘磊 英利能源（中国）有限公司 河北 保定 071000
摘 要 对多晶硅铸锭炉中的硅料熔化过程和晶体生长过程进行计算机模拟和实验分析，并结合实验硅锭的晶体品 质，研究加热器结构和位置对硅锭中杂质分布规律的影响。研究结果表明，加热器结构和位置会直接影响整个铸锭 过程中的固液界面形状和熔体流动模式，从而影响多晶硅锭中的杂质分布。针对不同铸锭炉型优化加热器结构和位 置有利于降低多晶硅锭的杂质损失，提高整锭晶体品质。 关键词 铸锭炉；加热器；固液界面；熔体流动；杂质
2.2 加热器结构和位置对固液界面形状和熔体流动模式的 影响
模拟结果和运行记录显示，JJL01和JJL02中的固液界面形 状和熔体流动模式具有很大差异。
在硅料熔化后期，JJL01和JJL02的固液界面虽然都是凸 形，但JJL02的界面凸度明显大于JJL01，整体化料速率也明显 加快。即，增加侧部加热器后，坩埚侧壁接受的热量辐射明显 增加，坩埚边部位置和中心位置的硅料熔化速率有了明显差 异。与JJL01相比，JJL02中的硅料熔化时间明显缩短，从坩埚 侧壁和坩埚底部扩散进入硅熔体的杂质含量也有所降低。
2.3 熔体流动方向和长晶界面形状对硅锭中杂质分布的影响 跟踪大量实验锭发现，JJL01和JJL02所铸硅锭在杂质分布 方面有着截然不同的规律。JJL01易在中心硅块的中下部产生大 量杂质损失；JJL02则更倾向于在边部硅块的顶部位置出现点状 杂质，与JJL01相比，整锭杂质损失明显降低。 结合前文的模拟结果分析认为，对于JJL01，由于晶体生 长阶段的固液界面形状较为平坦，界面前沿的熔体流动方向是 自坩埚侧壁流向硅锭中心位置，不但不能及时带走结晶时分凝 到熔体中的杂质，还会对坩埚侧壁形成冲刷作用，将从坩埚侧 壁扩散进入熔体的杂质带到中心界面前沿，导致中心位置的杂 质浓度升高，从而令杂质在硅锭中心位置聚积。 JJL02中，长晶界面前沿的熔体流动方向与JJL01相反，是 从硅锭中心位置流向坩埚侧壁，能够快速带走中心界面前沿分 凝的杂质。此外，JJL02中的长晶界面形状相对较凸，也有利于 杂质向硅锭边部分凝。但相对的，晶体生长末期，熔体最后凝 固的位置，即边部硅块的顶部较易出现杂质损失。针对这种情 况，使用高纯硅料、高纯坩埚和提高坩埚涂层质量可以有效提 高硅锭利用率。

加热器设计符合要求。
2.3石墨加热器的应力校核
石墨在低温导热性良好，在高温时导热性下降，造成其表面与心部温度差使断面伸长不一致。产生热应力，从而导致石墨加热器损坏，故应计算其产生的热应力。
对于宽度比厚度大得多的板状电热元件：
式中：t中心为电热元件心部温度:t表面为电热元件表面温度，此处取t表面=1540℃
1.石墨加热板；2.石墨加热板；3.角接器；4.石墨电极；5.支承环；6、7、8.碳、碳螺栓、螺母图2石墨加热器基本结构
2．1石墨加热器的设计计算该炉基本参数：额定功率：165 KVA：最大线电流：3800A：最大输出电压：25V。加热器的接线方式(见图3)。
图33800/ √3=2194A
确定隔热层固化碳毡的厚度:
间歇生产的真空电炉，通常隔热层外壁面温度为200~300℃，水冷炉壳内温度为100-150℃,隔热层外表面的辐射换热系数可由下式计算:
（1）
（2）
（3）
tw1为隔热层内壁画温度，此处取tw1=1600℃; tw2为隔热层外壁面温度，此处取tw2=250℃; Q为隔热层散失的总热量，此处已求得Q=3486.OW/m2。将各值代入(5)式，得：故该铸锭炉隔热层固化碳毡厚度取90mm。隔热层组件利用一个方形的小锈钢笼来支撑和固定。
热场是多晶硅铸钻炉的心心脏，其内装石墨加热器、隔热层、坩埚和硅料等。多晶硅工艺生产过程必须通过加热室的调整来实现，因此，多晶硅铸锭炉加热室的结构设计显得至关重要。
1加热方式分析
为使硅料熔融，必须采用合适的加热方式。从加热的效果而言，感应加热和辐射加热均可以达到所需的温度。如果采用感应加热的方式，由于磁场是贯穿硅料进行加热，在硅料内部内部很难形成稳定的温度梯度，破坏晶体生产的一致性,而采用辐射加热可以对结晶过程的热量传递进行精确控制,易于在坩埚内部形成垂直的温度梯度，因此我们优先采用辐射加热的方式。

科技创新与应用 Ｉ ２ ０ １ ３ 年 第３ ６ 期
科 技 创 新
多晶硅铸 锭炉加热室的结构设计 技术分析
侯 春 娟 杨 莉 娜
、 罗盖特 （ 中国） 精 细化 工有 限公 司， 江苏 连云港 ２ ２ ２ ０ ０ ０ ） （ １ 、 晶海洋半 导体材料 （ 东海 ） 有 限公 司， 江苏 连云港 ２ ２ ２ ０ ０ ０ ２
构 热 器 的 加 热 能 力 ， 一 般 都 要 求 必 须 超 过 １ ６ ５ ０ ￣ Ｃ ， 保证 加 热器 的材 料 不会 与硅 体材 料 发 生反 应 ， 不 会 造成 硅 体 材料的污染 ， 可以在真空和惰性气体环境中长期使用。 符合多晶硅铸 锭炉加热器要求 的有金属钨 、 钼和非金属石墨等。 但是因为钨和钼的 价格较贵 ， 而且加工比较 困难 ， 所 以通常对多晶硅铸锭炉内加热器的 选择是具有广泛来源 ， 便于加工的石墨。石墨还具有较小的热惯性 ， 可以快速加热 ， 而且抵抗高温和热冲击 的性能较好 ， 辐射范围较大 ， 加热 的工作效率较好 ， 基本性能相对稳定 ， 是多 晶硅铸锭加热室 内加 热器 的最 好选 择 。 ２ ＿ ４ 多晶 硅铸锭 炉加 热 室隔热 材 料 的设计 作效率高的优点。应用定向凝固技术和优秀的加热设备 ， 提供 良好的 熔铸 条 件 ； 提升 技 术 ， 保 证 竖直 温 度梯 度 ， 实 现硅 体 的熔 铸效 果 ， 降 低 在 多 晶硅 铸锭 的熔 铸 过程 中 ，为 了提 高 多 晶硅铸 锭 的 生产 工作 了生产 成本 ， 减少 了热 量损 耗 ， 节约 了能 源 。 效率 ， 要求尽可能 的加快设备 的升温速度 ， 对真空进行抽取 ， 最大限 度的减少加热炉内的材料放气量 ， 缩短硅体材料的真空排气时间。因 １ ． ３ 多 晶硅铸 锭炉 的技 术 多晶硅铸锭炉是大型多晶硅铸造的设备 ，是通过高温对硅料进 为形 成 硅体 材 料 的温 度梯 度 ， 需要 隔热 层 的精 确 度来 提 升 ， 所 以隔 热 行 熔融 后 利用 定 向凝 固技 术 ， 冷凝 结 晶 后形 成 的 晶向一 致 的硅 锭 ， 实 层 的质 量 很重 要 ， 要 尽 可 能 的减 轻 ， 避 免 因为 升 降 时 的惯 性 ， 造 成 对 现 了太 阳能电池对硅片生产的品质要求 。多晶硅铸锭炉技术是可 以 控制精度 的不良影响 。 直 接制 备 并 适合 大 规模 生产 大 尺寸 硅锭 的新 型 晶体熔 铸 技术 ，投 炉 对隔 热材 料 进行 选择 ， 一 定 要具 备耐 高 温 、 导热 小 、 隔热 效 果好 、 料可以是纯度较低的硅 ， 对材质没有非常高 的限制 ， 但是却可以通过 蓄热量 少 、 重量 轻 和密 度 低等 特 点 ， 通 过对 不 同 隔热 材料 的分析 和研 些 方法 降 低 晶界 和杂 质 的影 响 ， 所 以生产 成 本较 低 ， 成 为制 造太 阳 究 ， 进行不断的试验 ， 最终采用最合适 的高纯碳毡作为多晶硅铸锭炉 能 电池 硅 锭 的主要 方法 。 加 热 室 的隔热 材料 。一般 的 多 晶硅铸 锭 炉加 热 室 中高 纯碳 毡 隔热 材 料 的厚度 值 为 ９ ０ ａｍ， ｒ 利 用方 形 的不 锈 钢 笼作 为 隔 热层 组 件 ， 进 行 固 ２多 晶硅 铸锭 炉加 热 室结 构设 计 多 晶硅 的铸 造 是在 加 热室 内 ， 利用 浇铸 或 者 定 向凝 固 的技术 ， 在 定 和支 撑 。 铸锭炉中制备晶体硅材料。晶体硅材料生长简便 ， 进行同时铸造的时 ３提 高加热 室结 构设 计 技术 的措 施 ３ ． １降低硅锭的杂质 ， 提高质量 候， 相对能耗较小 ， 可以降低材料的生产成本 ， 方便控制， 可 以直接切 成硅 片 。多 晶 硅 的铸造 技 术 比硅 材料 的 原容 忍度 高 ，受 到广 泛 的应 多 晶硅 锭 中 的杂质 主 要是 原材 料 、真 空 中 的油脂 或 者密 封 材料 中发 挥 的碳化 物 和加热 器 、 隔热材 料 等 的设 备 反应 产物 造成 的 。除 了 用， 挤 占了单 晶硅 的市 场 ， 成 为太 阳电池 中最 具竞 争力 的材 料 。 ２ ． １多晶硅 铸锭 炉 的工 作原 理 原硅体材料中的杂质，多晶硅的污染是受到真空和设备的影响从硅 在硅液中的分凝系数为 ０ ． ０ ８ ， 增加了原材料杂质 的凝 多晶硅 铸 锭炉 的工作 原 理 ，先在 有 涂层 的坩 埚 内放 人 多 晶硅 材 锭顶部进入的 ， 料， 放 在定 向的凝 固块 上 ， 然 后 关 闭炉 膛 进 行 真 空抽 取 ， 开 始 对 多 晶 聚 ， 在硅 锭表 面 呈 现 。提 高 硅锭 炉 内加 热 室 的结构 设 计 ， 可 以对 真 空 降低 了硅锭 的杂质 ， 提 高 了硅锭 的生 产质 量 。 硅 材料 进 行 加热 ， 在 材 料 完全 熔 化 后 ， 逐 渐 提 升 隔热 笼 ， 应 用 定 向 凝 和设 备杂 质进 行控 制 ， 固技术 ，把 硅 体材 料 结 晶过程 中释 放 的热量 转 移到 对下 炉 腔 内壁 的 ３ ． ２ 提高减 压 技术 ， 促进 生产 减 压 技术 主要 是 对真 空 的压 力进 行 控制 ，排除 加热 炉 内硅 体 的 辐射， 形 成硅 料 的竖 直温度 梯度 。 温 度梯 度 可 以从 底部 开 始坩 埚 内的 在熔铸和结晶过程中， 调节炉 内真空压力 、 流量和流向， 硅液凝 固，实现从熔体底部向顶部生长的过程。多晶硅材料凝 固之 空气和水分 ， 对 硅体 杂 质进 行蒸 发 ， 控制 杂 质 的沉积 、 凝 集 和飘 落 ， 提 高硅 体 质 量 ， 后， 进行硅锭退火和冷却 ， 最后 出炉 ， 完成整个多晶硅铸锭的过程。 促 进多 晶硅 的铸 锭生 产 。 ２ ． ２多 晶硅铸 锭 炉 的加热 方式 多 晶硅铸 锭 炉 的加 热 目的是调 整 温度 ， 进 行硅 体 材料 的熔 铸 ， 所 ３ ． ３对加 热炉 优化 ， 控 制温度 提高 多 晶硅铸 锭 炉加 热 室 的结 构设 计 技术 ，可 以对 加 热 炉进 行 以在进行多晶硅铸锭 的过程 中， 一定要采用合适 的方法 。 根据加热后 的效果 可 以应用 感 应加 热 和辐 射加 热 完成 所 需温 度 的调 整 ，实 现加 优化 ， 发挥加热设备的优势功能 ， 控制多晶硅 的铸锭温度 ， 保证硅锭 的生产质量 ， 提高熔铸过程的工作效率 ， 促进生产 ， 增长经济效益。 热 的 目的。 ２ ． ２ ． １感应 加 热 对加 热 炉进 行优 化 ， 可 以在 多 晶硅 铸锭 炉 的定 向凝 固过程 中 ， 对 感应加热是在多晶硅铸锭的加热过程 中，通过硅体感应进行加 热传输和减压工艺进行分析研究 ， 完善加热室的结构设计 ， 对加热器 热， 调 整 温度 ， 完 成熔 铸 过程 的方法 。但 是 ， 因 为进 行加 热 的时候 ， 因 进行优化 ， 确定加热器的材料 ， 良好的控制铸锭炉 内的温度 ， 提高加 为磁场一直贯穿硅体材料 ，所以温度梯度在硅体材料 的稳定形成具 热技术水平， 才能促进企业的发展 。 ４结 束语 有 一定 的难度 ， 会对 晶体生 产 的一致 性造 成破 坏 。 我 国太 阳能 电池 的发 展 ，需要 对 多 晶硅 的铸 锭 过程 和质 量 进行 ２ ． ２ ． ２ 辐射加 热 辐射加热的方法是通过辐射对硅体材料进行加热 ，实现熔铸效 严格把关 。 对多晶硅铸锭炉内的加热器结构设计技术进行分析 ， 提高 果的方法。在多晶硅的熔铸过程 中， 应用辐射加热的方法进行温度调 技术发展水平 ，才能促进多晶硅铸锭工作的发展 ，提高企业经济效 整， 可以精确的控制硅体材料结 晶过程 中的热量传递 ， 有利于坩埚内 益 。 参 考文 献 部竖直温度梯度的形成，所以通常的多晶体铸锭过程中的加热都是 ［ １ 】 陈 国红 ， 王晓 军． 多晶硅铸 锭 炉加 热 室的设 计叨． 电子 工业 专 用设备 ， 应用 辐射 加 热 的方式 ， 对硅 体材 料 的温 度进 行调 节 。 ２ － ３多晶 硅铸 锭炉 的加 热设 计 ２ ０ ０ ７ ， ２ ２ （ １ ５ ��

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电 子 工 业 毫 用 设 备
材
料 制备 工 艺与 设 备
Ｄ Ｄ Ｌ 一 ５ ０ ０型 多晶硅铸锭炉 的 开 发 与设 计
赵 雪 峰
（ 中国 电子科技集 团公 司第二研 究所 ， 山西 太原 ０晶硅 成本 及 提 高生产 效 率 的 前提 下 ， 对 多晶硅 铸 锭 炉进 行 了研 究调 查 ， 通 过 对
率 的要求进一步提高 ， 对硅锭的尺 寸要求也越来越
大， 硅 锭 的质 量 随之 急 剧增 加 。 随着 硅 锭 的增 大 ， 成
品硅 锭 的出 片尺 寸 变 得更 大 ，出 片率 得 到 了提 高 ，
１ 多 晶 硅 铸 锭 炉 的 开 发 分 析
１ ． １ 基 础 分 析
有 效利 用 率 明显 增 加 。 因此 ， 研 制 开 发 更大 尺 寸 的
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ＤＤＬ－ ５ ０ ０ Ｍ Ｔ Ｐｏ ｌ ｙ ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ
Ｉ ｎ ｇ ｏ ｔ Ｆｕｒ ｎ ａ ｃ ｅ
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（ Ｔ ｈ ｅ ２ ｎ ｄ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｃ Ｅ Ｔ Ｃ， Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ２ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
多 晶硅 铸 锭 炉 结构 进行 改进 ， 对 热 场等 关键 部 位进 行 了重新 的 开发 设 计 ， 提 高 了单 炉单 次 的 生产
量， 满足 生产 要 求 。
关键 词 ：多 晶硅 铸锭 炉 ； 加 热器 ； 热场 改进 中图分 类 号 ： Ｔ Ｆ ８ ０ ６ 文 献标 识码 ： Ｂ 文 章 编号 ： １ ０ ０ ４ ． ４ ５ ０ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ ． ０ ０ １ ７ ． ０ ４