提高晶体生长速度的研究

董皓辛玉龙罗晓斌曹愉凯

摘要：随着光伏市场竞争的日趋激烈，追求低成本和高效率成为每一个企业领跑市场的逐胜之道，其中最直接有效的方法就是提高生产时效，提高晶体生长速度。笔者长期从事单晶生产工作，经调研与现场试验，通过使用水冷套增加热场纵向梯度可以达到提高拉速的目的。

关键词：单晶硅热场梯度拉速

1、引言

单晶硅棒生产是通过1500摄氏度高温将多晶硅料熔化，并使用CZ直拉法将熔融状态的硅料拉制为单晶硅棒。整个工艺流程中等径耗时最长，也是产生产品的直接步骤，通过提高拉速可一降低等径工艺时间，进一步降低生产成本。

2、原理及措施

2.1增加纵向梯度提高拉速原理

直拉单晶炉内使用的热系统包括石墨加热器、石墨坩埚、石墨支座、石墨-碳毡保温罩、石墨保温盖和石墨电极，其中加热器是热系统的主体，这一部分实体可称为“热场”（热场组成如下图所示）

由于热系统各部件的高度、厚度、材质不同，造成了各个热系统内温度的分布区别较大。我们就可以用温度梯度来描述温度分布情况。一定距离内，该方向温度相差越大，单位距离内温度变化也越大，温度梯度也越大；反之温度相差越小，温度梯度也越小。热力学上称这种温度分布为“温度场”，业内也将其称为“热场”。

加热器为系统提供热量Qh，控制加热功率使得硅熔体在生长界面处的温度处于熔点附近，进行晶体的生长。同时在液态结晶成固态过程中会释放出潜热QL，上述为系统的热量来源。在系统中晶体会通过热传导、热辐射、热对流形式将热量散失Qi，同理熔体表面也会通过对流和辐射将大量热量Qm。在拉晶过程中上述4种热能在独立系统中处于热平衡的状态下。

在保证固液结晶面温度情况下降低如图所示导流筒上方的温度即增加纵向热场梯度，使进入该范围的硅棒比平时温度低再经过硅棒自身向固液结晶面传导，可以提高结晶速度。

2.2在现场实际应用中，采取水冷却方法降低该处温度。

1）水冷屏图纸如下：

2）水冷屏技术要求

为了应对外界的异常，水冷套的承载设计压力为50Mp。实际验证结果为60Mp时开始变形。水冷套出口位置安装泄压阀（水冷套配件）。以在突然断水后水冷套能及时泄压。安全阀的设定压力可以在0.4Mp左右。为防止水冷套挡住等径摄像头水冷套长度设计为628mm，为保证拉制8.4寸（220mm）硅棒，水冷套内径设计为240mm，壁厚20mm。

3）安装及注意事项

水冷套安装非常方便，只需要在副室、炉盖法兰之间安装，并将水路并在炉体冷却水水路。在出水口安装50摄氏度温度开关，温度高于50摄氏度即报警并关闭炉体加热系统。

3、应用效果分析

3.1拉速变化

水冷屏推广之后，拉速明显提升，未推行之前，一月份拉晶车间平均拉速为0.89mm/min，二月份平均合格率0.93mm/min。推行之后，三月份平均拉速达到1.2mm/min，四月份平均拉速达到1.25mm/min。

3.2成本显著降低

平均等径拉速提高0.3mm/min，单炉节约生产时间7小时，周期缩短后，产量方面，按单炉投料135kg周期72小时计算，单台月度可增加产量116kg产量，60台炉年度可增加83520kg产量。电费和氩气费用方面，单炉可节约电费和氩气费用300元左右，单位成本降低2.8元/kg以上，60台炉年度可节约费用216万元。

4、结论

水冷屏技术的应用打破了常规传统运行方式，提高了拉速，在一定程度上大大降低了硅棒的生产成本，增加了公司的经济效益。

参考文献：

1、黄有志，王丽.直拉单晶硅工艺技术[M].北京：化学工业出版，2009：51

2、董建明，张波，刘进，等.直拉法硅单晶生长中断棱与掉苞问题的探讨[J].材料导报（纳米与新材料专辑21），2013，5（27）：157-159

3、朱亮，曹建伟，王巍，等.用于单晶炉的外部装料机构：中国，201310643320.4[P].2014-03-19

作者简介：

董皓：男，1986，大学本科，助理工程师，主要从事半导体硅材料研究。

辛玉龙：通信作者，男，大学本科，助理工程师，主要从事半导体硅材料研究，邮箱：[e-mail]