PDF《第2 9卷第 5期》

第29卷第 5期2008年 9月电子工艺技术El e c t r o n i c s P r o c e s s T e c h n o l o g y

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1 多 晶硅 铸锭炉生产 工艺控制技术和设备组成 侯炜强(中国电子科技 集团公司第二研 究所 , 山西 太原

0 3

0 0

2 4 ) 摘要:多晶硅 铸锭 炉是 多晶硅 制造的关键 设备 之一,其工艺流 程 的稳 定性、设备控制的稳 定 性和先进性 直接 关系到是否生成 出合格的硅锭 , 而合格 的硅锭直接 决定着硅 片制成的 电池的光电 转换效率.

比较详细地介绍了多晶硅铸锭 炉典型的生产工 艺、 设备组成和控 制 系统.重点介 绍了控制 系统的硬件控制结构、 软件流程 以及在设计 时体现 出的独到的设计理念和创新性 . 关键 词:多晶硅 ;

铸锭炉;

太阳能 电池 中图分类号: T F

8 0

6 .

9 文献标识码 : A 文章编号 :

1 0

0 1 ―3

4 7

4 (

2 0

0 8 )

0 5―

0 2

9 1―

0 3 Co mp o s i t i o n a n d Co n t r o l Te c h n o l o g y o f Po l y s i l i c o n I n g o t Fu r n a c e HoU W e i―qi a n g ( C E T C N o .

2 R e s e a r c h I n s t i t u t e , T a i y u a n

0 3

0 0

2 4 , Ch i n a ) Abs t r a c t: Po l y s i l i c o n i n g o t f u r n a c e i s a k e y e q u i p me n t o f po l y s i l i c o n ma n u f a c t u r e . Th e q u a l i t y・ o f s i l i ― c o n d e p e n d s o n t h e s t a b l e n e s s o f pr o c e s s a n d e q ui p me nt c o n t r o

1 . At t he s a me t i me, p h o t o e l e c t r i c i t y r a t i o o f t h e c e l l ma de b y s i l i c o n c hi p d e p e n d s o n t h e q u a l i t y o f s i l i c o n. I n t r o d u c e t h e t y p i c a l p r o c e s s , c o mp o s i t i o n a nd c o n t r o l s y s t e m o f po l y s i l i c o n i n g o t f u r na c e, a n d i n n o v a t i o n o f e q ui pme n t d e s i g n. k e y wo r d s : P o l y s i l i c o n;

I n g o t f u r n a c e;

S o l a r c e l l D o c u me n t C o d e : A Ar t i c l e I D:

1 0

0 1―3

4 7

4 (

2 0

0 8 )

0 5―

0 2

9 1―

0 3 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得到的高纯度硅 熔融 , 调整成为适合太 阳能电池的化学组成 , 采用定 向长晶凝固技术将溶体制成硅锭.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 , 保证加 热时内部热量不会大量外泄 , 保证 了加热 的有效性 及加热的均温 j 生.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 d T / d X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50h可生产

2 0

0 k g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

1 4 %. 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 .

1 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 基金项 目:国家

8 6 3科研攻 关项 目( 项 目编号 :

2 0

0 6 A A

0 5 Z

4 0

7 ) . 作者简介 : 侯炜 强(

1 9

6 6一),男,毕业 于桂林 电子工业学 院, 高级工程师 , 主要从事 电子工艺专用设备 的研 发工作 . 维普资讯 http://www.cqvip.com 电子工艺技术第29卷第 5期 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 , 并结合我国当前实际需要 , 我们特别制定 了以下的工艺流程 . 多晶硅主要工艺参数如下. 第一步 : 预热 (

1 ) 预热真空度 : 大约

1 .

0 5 m P a ;

(

2 ) 预热温度 : 室温 一1

2 0

0 o C;

(

3 ) 预热时间 : 大约

1 5 h ;

(

4 ) 预热 保温要求 : 完全保温. 第二步 : 熔化 (

1 ) 熔化真空度 : 大约

4 4 .

1 P a ;

(

2 ) 熔化温度:1200℃ ~

1 5

5 0℃ ;

(

3 ) 熔化时间: 大约

5 h ;

(

4 ) 熔 化保温要求 : 完全保温;

(

5 ) 开始充保护气. 第三步 : 长晶 (

1 ) 长晶真空度 : 大约

4 4 .

1 P a ;

(

2 ) 长 晶温 度:1440℃ ~1

4 0

0 o E;

(

3 ) 长 晶时间 : 大约

1 0 h ;

(

4 ) 长晶保温要求 : 缓慢取消保温 ;

(

5 ) 连续充保护气. 第 四步: 退火 (

1 ) 退火真空度 : 大约

4 4 .

1 P a ;

(

2 ) 退 火温 度:i400℃ ~1

0 0

0 o C;

(

3 ) 退火时间: 大约

8 .

5 h ;

(

4 ) 退火保温要求 : 完全保温 ;

(

5 ) 连续充保护气. 第五步 : 冷却 (

1 ) 冷却真空度 : 大约

5 2 .

5 P a ;

(

2 ) 冷却温度 :

1 0

0 0℃ ~

4 0

0 ~ C;

(

3 ) 冷却时问 : 大约

6 h ;

(

4 ) 冷却 保温要求 : 完全保温 ;

(

5 ) 连续充保护.

2 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 控制系统及其它辅助系统.

2 .

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 .

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 ;

同时控制温度在一精度范 围内.完成硅锭在长晶过程 中对温度的精确要求.

2 .

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.

2 .

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 , 保证光电转化的高效性.

2 .

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, 在一特定时问段 内, 压力根据工艺要求保持在一 压力下 .它 由长 晶状况实时分析判断系统来控制 .

2 .

6 其它辅助系统 (

1 ) 熔化及长 晶结束 自动判断系统 : 通过i 贝0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 的运行提供 了安全保障.

3 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 .该系统不仅通讯可以冗余 , 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 网联接起来.由控制台 发布指令 ,中央控制器接受指令 , 通过网络系统下 达到现场控制器 , 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 1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 自动化管理提供科学管 理、科学决策提供了信息共享 的平 台.

4 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 的控制程序作为保障, 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.

4 .

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 维普资讯 http://www.cqvip.com

2 0

0 8年 9月 侯炜 强:多晶硅 铸锭炉生产工 艺控制技术和设备 组成

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3 理 的地 方.图1硬件控制组成4.2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 时对它们作出调整 , 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,对它的合理规划和合理设计 , 充分体现设备 的创 新性 , 具有完全的 自主的知识产权 .在预热阶段 , 对 坩埚中硅料进行缓慢的加热 , 并排除炉内的气体 , 使 空气 中的有害气体成分对硅料不会产生影响. 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作 出分析判断 , 通过人机对 话平台 , 随时作 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 , 坩埚中的熔融硅料 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 此长晶速度就可控制 , 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作 出分析判断 , 通过人 机对话平台 , 随时作 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 2所示 . 图2软件 控制流程 图5结论 多晶硅铸锭炉是我所

2 0

0 6年 国家

8 6 3科研 攻 关项 目.于2006年立项经过两年艰苦攻关 , 在借鉴 国外先进技术 的基础上 , 结合本 国 国情 ,

2 0

0 8年完 成工艺实验 , 取得 了 良好 的控制效 果.并已基 本定 型.D D L一240多晶硅铸锭炉的工艺流程及控 制系 统属我所 自主研发 , 并取得 了非常好的控制效果 , 完 全达到国外 同类技术的水平 .在某些控制技术方面 甚至超过国外同类设备 . 参考文献 : [

1 ] 樊东黎 , 罗 晨光. 热处理手 册[M] . 北京:机械 工业 出 版社 ,

2 0........