胡 濤（巨力新能源股份有限公司硅片廠設(shè)備管理部,河北 保定 072550）

多晶硅鑄錠爐技術(shù)改進(jìn)及優(yōu)化方法分析

胡 濤
（巨力新能源股份有限公司硅片廠設(shè)備管理部,河北 保定 072550）

本文詳細(xì)分析了當(dāng)前多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)過程中普遍采用的工藝流程、設(shè)備及控制系統(tǒng)，總結(jié)歸納了當(dāng)前技術(shù)改進(jìn)及優(yōu)化的重點(diǎn)和方法。

多晶硅；鑄錠爐；技術(shù)改進(jìn)；優(yōu)化方法

1 多晶硅鑄錠爐設(shè)備

1.1 設(shè)備

鑄錠爐從機(jī)械結(jié)構(gòu)上主要分為爐體、熱區(qū)、功率柜、控制柜、真空泵、人機(jī)界面等部分。從功能上主要分為加熱、測溫、保溫、真空、壓力控制及輔助操作等若干子系統(tǒng)[1]。

1.2 作用

鑄錠爐是多晶硅體鑄錠成型的關(guān)鍵設(shè)備，通過對硅料高溫加熱、熔融、定向冷凝、結(jié)晶等工藝流程實(shí)現(xiàn)硅錠連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)。為多晶硅太陽能的規(guī)?；a(chǎn)提供高品質(zhì)硅片原料。

1.3 特點(diǎn)

多晶硅鑄錠爐的加熱設(shè)備加熱快，效率高，相關(guān)控制技術(shù)較為成熟，可以使用較低純度的硅料，即原料材質(zhì)限制標(biāo)準(zhǔn)較低，通過一定的控制方法降低晶界及雜質(zhì)的影響，同時(shí)采用定向冷凝結(jié)晶技術(shù)使得產(chǎn)品質(zhì)量容易控制，因此鑄錠爐的綜合工作效率高，產(chǎn)品成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

2 多晶硅鑄錠爐的工藝及常見故障

太陽能的規(guī)?；a(chǎn)對硅片性能和產(chǎn)品一致性要求很高，因此對多晶硅的成產(chǎn)工藝流程要嚴(yán)格、明確，同時(shí)對生產(chǎn)設(shè)備的故障監(jiān)控要到位，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)解決，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 工藝流程及參數(shù)

總的工藝流程為填料-預(yù)熱-熔化-長晶-退火-冷卻[2]，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，每個(gè)流程的參數(shù)設(shè)置大同小異。一個(gè)典型的工藝流程參數(shù)設(shè)置如下。

預(yù)熱：溫度控制室溫~1200°，時(shí)間約15小時(shí)，真空度約1.05MPa，完全保溫；熔化：溫度控制1200°~1550°，時(shí)間約5小時(shí)，真空度約44.1Pa，開始充入保護(hù)氣并完全保溫；長晶：溫度控制1440°~1400°，時(shí)間約10小時(shí)，真空度保持44.1Pa，持續(xù)充入保護(hù)氣并完全保溫；退火：溫度控制1400°~1000°，時(shí)間約8.5小時(shí)，真空度保持44.1Pa，持續(xù)充入保護(hù)氣并緩慢降溫；冷卻：溫度控制1000°~400°，時(shí)間約6小時(shí)，真空度約52.5Pa，持續(xù)充入保護(hù)氣并繼續(xù)緩慢降溫。

2.2 常見故障

鑄錠爐自動運(yùn)行過程中，機(jī)械和電氣元件等必須平穩(wěn)有效的工作，不能發(fā)生任何故障。但任何元件都有其特定的工作壽命，尤其是高溫等條件下設(shè)備工況惡劣，故障在所難免。所以對設(shè)備進(jìn)行定期保養(yǎng)和維護(hù)是必要手段；運(yùn)行中的故障應(yīng)急處理要快速有效。這就要求對設(shè)備的常見故障要嚴(yán)加掌控。多晶硅鑄錠爐常見的故障主要有：（1）電阻不夠，造成這一故障的主要原因有陶瓷瓦片損壞、氮化硼墊片損壞、熱區(qū)內(nèi)石墨件發(fā)生短路、變壓器發(fā)生短路、加熱器電極與爐體短接等；（2）水流量不足報(bào)警，主要原因有水流量計(jì)故障、處理模塊損壞或水路積垢堵塞等；（3）真空度不夠，主要原因有真空泵故障、爐體或管路泄露、壓力表故障；（4）TC管泄漏報(bào)警；（5）隔熱籠故障，表現(xiàn)在隔熱籠不動或發(fā)生傾斜；（6）下爐體升降故障，表現(xiàn)為下爐體不動或下爐體傾斜。（7）電流失衡；（8）壓力故障報(bào)警，主要原因是氣壓不足或閥門關(guān)閉、過濾器阻塞、壓力開關(guān)報(bào)警設(shè)置異常等。

基于鑄錠爐設(shè)備的重要性及工藝流程的復(fù)雜，鑄錠爐故障的處理一定要迅速、準(zhǔn)確，從而保證鑄錠爐的高效和安全運(yùn)行。

3 多晶硅鑄錠爐的技術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化

多晶硅鑄錠爐屬于自動化、智能化大型生產(chǎn)設(shè)備，價(jià)格昂貴、維護(hù)成本高。由于其工作性質(zhì)局限，一旦開始投料運(yùn)行，持續(xù)運(yùn)行時(shí)間很長，而故障維修時(shí)間很短，因此，對設(shè)備的操作控制要異常謹(jǐn)慎，否則極易造成重大損失。通過對鑄錠爐工藝流程及常見故障的分析，結(jié)合行業(yè)內(nèi)主流應(yīng)用的生產(chǎn)線設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)情況，歸納總結(jié)了若干多晶硅鑄錠爐的技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目和優(yōu)化方法，最大限度保證設(shè)備平穩(wěn)有效運(yùn)行。

3.1 裝料工藝技術(shù)改進(jìn)

（1）降低生產(chǎn)成本，提高單爐裝料量是合理化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，因此硅料需合理搭配，搭配原則：1）量化邊尾頭料的使用；2）適量加入小顆粒硅料；3）適當(dāng)加入碎硅片；4）注意大小搭配，適量調(diào)整。

（2）形狀和大小不同的硅料定量搭配，既可以有效提升熱區(qū)內(nèi)的空間利用率，又可以在硅料間形成一定的縫隙，不對熔融態(tài)的硅液流動產(chǎn)生影響，同時(shí)由于縫隙的存在為硅料膨脹留足空間，避免溢流事故的產(chǎn)生。

（3）裝料注意事項(xiàng)。1）大小硅料搭配，以大硅料為骨架，小硅料填充縫隙；2）邊尾頭料合理放置，有效利用裝料空間，提高裝料率；3）置于熱區(qū)內(nèi)壁處的邊尾料之間留足縫隙，并使之保持空白，一方面為熔融硅液流動提供空間，另一方面為硅液冷卻膨脹提供空間。

3.2 鑄錠工藝技術(shù)改進(jìn)

多晶硅鑄錠爐的工藝流程大體可以分為預(yù)熱、熔化、長晶、退火和冷卻五個(gè)主要流程。各個(gè)階段的技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化目標(biāo)與方向各不相同。

預(yù)熱是硅料加熱和雜質(zhì)揮發(fā)階段，制定適合本生產(chǎn)線的加熱功率和工藝時(shí)間，使設(shè)備的控制模式轉(zhuǎn)換盡量平穩(wěn)，縮短控制系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間，減輕溫度波動對加熱器的影響是本階段技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化的重點(diǎn)。熔化是硅料熔融階段，采用溫度閉環(huán)控制，制定合理的升溫速率、優(yōu)化熱場分布是該階段技術(shù)改進(jìn)的有效手段。長晶是多晶硅的生長階段，該階段以調(diào)整控溫偶目標(biāo)溫度和隔熱屏開度來控制長晶速度和固液界面形狀，因此控溫偶溫度和隔熱屏開度是優(yōu)化重點(diǎn)。退火時(shí)注意防止過快降溫，避免對已完成長晶的硅錠產(chǎn)生不良影響，因此降溫速率是優(yōu)化目標(biāo)。冷卻階段硅錠要自然降溫，因此外界溫度使冷卻速度的影響因素，一定條件下可以考慮優(yōu)化外界溫度。

4 總結(jié)

本文闡述了多晶硅鑄錠爐組成、作用和特點(diǎn)，分析了多晶硅鑄錠爐在生產(chǎn)過程中的工藝及常見故障，以此為出發(fā)點(diǎn)，從裝料工藝和鑄錠工藝兩方面詳細(xì)闡述了相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)原則、注意事項(xiàng)以及待改進(jìn)參數(shù)等。本文的研究內(nèi)容為提高設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)效率提供了理論和應(yīng)用參考。具體的技術(shù)改進(jìn)方法和參數(shù)優(yōu)化隨設(shè)備、原材料、產(chǎn)品要求乃至環(huán)境的不同而各異，因此本文只做了方向性的理論分析和指導(dǎo)，未對具體設(shè)備提出詳細(xì)的量化的改進(jìn)與優(yōu)化。

[1]侯煒強(qiáng).多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)工藝控制技術(shù)和設(shè)備組成[J].電子工藝技術(shù),2008,29(05):291-293.

[2]張軍彥等.大尺寸多晶硅鑄錠的工藝研究[J].電子工藝技術(shù),2013,34(04):246-249.