解析多晶硅铸锭的加热和熔硅过程

多晶硅铸锭通常分为加热、熔料、高温稳定、结晶、退火、冷却等六个阶段。本文介绍加热和熔料两个过程。 　　（一）加热准备 　　装好料后，再对炉内进行一遍检查，即可开炉。一般来说，要先对炉子进行抽真空。真空泵逐级打开后，开始通电加温。抽真空的过程虽然很简单，通常是先打开初级泵（机械、旋片或滑阀泵），从大气抽到2000 Pa以下后，然后再打开罗茨泵，抽真空到10 Pa左右；对于经过清洗的洁净块料，抽真空的顺序只要按照上述步骤进行即可。大约在真空度小于1000 Pa时，就可以打开加热电源。 　　在硅料加热时，可以根据经验采用恒定功率加热，考虑到硅料的热传导性不佳，而RDS3.0 炉型采用的是四周加热方式，熔化时，是从四周开始熔化，这时，由于测温点在坩埚中部，因此，四周可能已经熔化并到了很高的温度，但中间的温度并不高，因此，如果采用温度设定的控制方式，可能功率会加得很大。 　　功率大，容易导致坩埚四壁的温度上升，而坩埚由于是采用石英材质的，一旦温度超过1600 ℃以上，将很容易与硅发生反应，造成坩埚侵蚀；如果温度再上升到1700 ℃，则坩埚会与硅发生剧烈反应，导致硅液飞溅，坩埚熔穿。严重时，硅液甚至会溅到炉顶，导致石墨件和保温层损坏。因此，通常熔化阶段应当采用功率控制的方式，根据理论计算和经验值，使加热功率按照一定的设定值进行，这样可以保证坩埚温度不会过高。 　　对于RDS4.0型的炉体，由于采用底部和顶部加热方式，情形会好一些，但如果功率过大，也同样会在坩埚底部发生温度过高的情形，只不过，由于顶部和底部都有红外测温，因此，温度不会过高。但如果红外堵塞或者失控，那么，温度过高的危险性也是同样存在的。 　　无论是哪种炉型，加热体都在外面，因此，硅料内部和外部的温差是始终存在的，这就是为什么在升温一段时间，要进行一下保温，目的是让外部的热传到里面去，避免内外温差过大，导致熔化时容易出现意外。这就是为什么在熔硅的过程中，加热曲线上会有保温的过程。 　　（二）硅料熔化 　　硅料在熔化时，由于需要吸收大量的热量，因此，在熔点附近，温度上升会很慢。要注意，通常，硅的熔点是1414℃，但在熔化时，硅的温度通常要高出1420 ℃，才有可能使硅顺利熔化。否则，硅料可能发生熔化后，由于周围的硅还是固体，又开始凝固的现象，这就是为什么有时温度会出现上下反复的情况；因为，硅料在熔化时，有时局部在熔化后，温度会超出熔点很多，但周围可能还有没有熔化的硅块；当熔化的硅液流到硅块下面后，硅块又露出来，导致红外测温仪显示的温度又低于熔点。 　　这样的现象往往持续几个小时，持续的时间与加热器功率有关。有时，当绝大部分硅料熔化时，还有一些较大的硅块未熔化，一旦这些硅块漂到测温仪的视场中，则会发生红外测温仪显示的温度突然下降的现象，严重时甚至会使红外显示温度低于硅液温度50 ℃以上。此时，不要误解为硅液又凝固了，可能只是暂时的现象而已。 　　解决熔化不完全的方法就是一直加大功率到硅液完全熔化为止。通常，将硅液升温到1490 ℃，然后保持一段时间，待从红外测温仪看到硅液表面变得清澈以后，再开始降温。待硅液全部熔化后，即进入真空熔炼的过程了。 　　（三） 粉料的熔化 　　在铸锭的过程中，有时会遇到粉料。这些粉料通常是FDR循环流化床工艺中产生的。由于粉料的价格比较便宜，因此，不少铸锭厂家希望能够对粉料进行铸锭。对于粉料的处理，需要十分注意。因为，粉料在大气状态下很容易被真空泵所产生的气流带起来在炉内飞扬，硅粉飞扬不仅会造成硅料的浪费，在飞扬过程中硅粉还会沾在加热件、保温体上，这样，一旦这些硅粉熔化，很容易渗入石墨材料和保温材料，导致加热件和保温体损坏；此外，硅粉的飞扬会随着气体到真空泵力，导致真空泵的损坏。因此，在对粉料的熔炼过程中，要严防粉料的飞扬。 　　为了解决这个问题，首先要了解粉料在什么情况下容易飞扬。粉料的飞扬一般在三个阶段下容易产生。 　　第一个阶段，是开始抽真空的瞬间。粉料放在坩埚里，粉料颗粒的间隙均是大气。在开始抽真空的时候，炉内的气压受机械泵的作用突然减小，颗粒间的气体会因压力差的作用向上运动形成气流，这些气流的力量有时很大，会带动硅粉飞扬。 　　为了避免这个问题，对于粉料，在开始抽真空时，不能像普通的块料那样直接用机械泵大力抽，而应当将阀门先关闭，然后慢慢打开，最好是关闭主管道，采用一个旁路的细管道，用细管道上的调节阀，从关闭到打开，逐渐增大，这样，抽真空时，炉内的压力会比较缓慢地下降，不会产生突然的压降，从而解决硅粉飞扬的问题。 　　到真空压力降到100 Pa以下时，由于压力低，气体对硅粉的浮力很小，就可以逐步打开主管道的阀门，采用正常的阀门抽气，这时，因为气流的力量已经很小，不足以再将气体带出，因此，可以全力抽真空。 　　第二个阶段，是硅料升温到大约1000 ℃左右的阶段。首先，900 ℃以上，硅粉就会产生烧结现象，而由于硅粉的导热性很差，可以说几乎是绝热材料，因此，当红外测温仪测量到硅粉温度到1000 ℃左右的时候，坩埚侧面的温度可能已经达到接近熔化的问题，甚至已经开始融化，溶化的硅遇到周围的硅粉又会凝固而结壳；而这时，坩埚最中央部分的硅粉由于绝热作用，温度可能才100 ℃不到，这样，硅粉中吸附的水分以及气体，还没有完全释放。当外部硅粉结壳形成封闭体的时候，随着内部硅粉温度的逐渐上升，气体膨胀，压力增加，在硅粉内部逐渐形成封闭的高压球团，当压力到达一定程度，就会发生爆裂；或者虽然内部本身的压力没有达到爆裂压力，但结壳后，由于加热体的作用使得壳体再次熔化变薄后，内部的气体会爆冲出来，产生气流，将硅粉四溅。 　　这个过程的硅粉飞扬，比较难以避免，比较好的办法是在硅粉的上部，以比较碎的块料（尺寸在10-30mm）之间，铺上一层，厚度大约在50-100mm；这样，即便粉料有飞溅，块料可以挡住，使其不会溅得太远，而到达加热体或保温体。 　　此外，还有一个方法，使在硅粉装好后，采用细钢丝，在硅粉内部等间距扎一些小孔，从顶部到底部，这样，这些孔的周围由于间隙较大，使硅粉不容易形成密闭的球团，这经过试验也是比较有效的方式。 　　第三个容易飞扬硅粉的阶段，是硅粉的熔化期。硅粉熔化时，一方面和上述烧结阶段的现象相同，另一方面，在硅粉熔化阶段，粉料表面的物质尤其是粉料的氧化层，会与硅液发生反应，生成一氧化硅气体，以及其它的气体，这些气体也会以喷溅的形式产生，带动硅粉或者表面的硅液飞溅出来。由于这个时候，整个坩埚内的硅料会比较集中地发类似的效应，因此，虽然局部的效果不一定有前两个阶段严重，但总体效果可能这个时候喷溅是最厉害的。 　　这个阶段的避免与第二个阶段一样，也是很难避免。同样，硅粉上面铺设硅料，和扎小洞的方式也有一定的效果。有一个工艺处理方式，可以供大家参考。就是，在加热时控制功率不要过高，使温度上升时间也比较缓慢（防止硅粉内部语四周的温差过大），在熔点之下的某个温度，例如1380 ℃（也可以1400 ℃，但因为测温点与四周有温差，因此，过于接近熔点时，可能周围的硅粉已经熔化），保温一段时间，使得整个坩埚内的硅粉都达到1380 ℃，然后再升温熔化。这样，由于同步高温，熔化的时间较短，因此，产生烧结和形成料壳的几率都大大减小。这个工艺，经过试验，也是有效的。 　　当坩埚中的硅粉大部分熔化后，硅粉会形成粉团漂浮在硅液表面，就像面粉在水里的情形类似。这些粉团内部因为粉料绝热的关系，因此比较难以熔化，而且粉团的表面温度往往比硅液要低得多，当粉团的数量较多时，可能会导致测温不准，或者测温点温度波动幅度较大。 　　为此，只能通过升高温度的方法，将这些粉团逐渐全部熔化， 直到表面变清澈再继续进行工艺。这也是为什么粉料的熔炼温度要比块料要高一些的原因。 　　有的人说，粉料熔化的硅所长的晶粒比较细小，这有些超自然的意味。但很有可能是熔化时，硅粉熔化不完全，导致硅液中仍有不少细小颗粒，因此，成核较多的原因。解决的方法，依然应当是高温保持，确认硅料熔化。而且在熔化后，最好还是在高温区再等待一段时间，因为，我们的观察窗口仅仅能观察到坩埚表面的很小一片，在周围可能还有不少未熔化的硅粉。当粉料的粉粒全部溶化时，粉料的冶炼就应当与块料完全一样了。