Dss多晶炉 - 图文

DSS多晶炉

主要内容：

1. 掌握DSS炉的长晶原理 2. DSS炉的基本结构

3. DSS炉的基本操作及其安全处理措施 4. 铸锭的生产流程及其基本检测 1、DSS多晶炉的长晶原理

DSS（多晶硅定向生成铸锭炉）能生产较大尺寸的，优质的多晶硅锭（用于光伏工业领域）。DSS的生产量很大，能在50个小时左右的时间内生产出400--500kg的硅锭。在长晶期间，只有隔热笼一个部件在运动，通过其的运动控制炉子热场的分布，从而达到定向长晶的目的。

内涂SiN的坩埚装入多晶硅料后放在导热性很强的石墨块DS-Block。整个坩埚由石墨板固定，主要防止坩埚高温软化导致其胀破。有石墨固定的坩埚被隔热笼从上到下罩住。隔热笼内壁四周粘有加热电阻，能起到加热硅料，同时又能起到隔热作用。关闭炉子后排气，接通加热器电源融化硅料数小时以上。硅料从上部和四周开始先熔，此时隔热笼与DS-Block完全接触，形成一个封闭的加热场。待完全熔完，隔热笼慢慢升起以便露出DS-Block的边缘，使热量辐射到下腔室的水冷四壁上。水冷却DS-Block后再返回来冷却坩埚底部，从而使坩埚内的熔融硅周围形成了一个竖直温度梯度。这个梯度使坩埚内的硅料从底部开始凝固，从熔体底部向顶部开始长晶，形成一个金字塔型的长晶结构。当中心长晶结束后，晶体开始向四周生长。当所有的硅料都凝固后，在程序的控制下，硅锭需要经过退火，冷却处理以免破裂且能将（晶格）位移降到最小限度 。

2、DSS多晶炉的结构

结构：系统硬件包括不锈钢板，一对侧板，水冷铸锭炉，供应电源，一个真空泵系统和一个控制柜，操作控制盘。炉腔包括石墨加热区和隔热层组件。炉腔周围有架空层（以便操作和维修，同时支撑着变压器），公用设施和布设在架空层地板下面的电线。

2.1炉腔

上腔室像一个倒扣的钟固定在三个支架上。利用三个结实的丝杠连接下腔室和上腔室。挠性的驱动电缆使3个丝杠作同步运动。一个大的DC电机驱动着丝杠上下运动，以打开和关闭下腔室，这样可以将坩埚/硅料装入加热区和取出长晶后的硅锭。上腔室顶部的6个绝缘铜质馈通器将AC电流通至石墨加热器。上腔室顶部有与挠性驱动电缆相连的3个滑动组件，能够上下移动隔热层以便控制硅锭的长晶过程。利用一个不锈钢焊接的波纹管密封3个隔热层支撑杆以免漏气。由两个电容压力传感器测量压力（读数为：大气压力-低于1x10-3 mbar），利用一个质量流量控制器和相连的阀门控制长晶循环相应阶段里传送的氦气和氩气。后支架上的两个水冷多岐管能将水分配给腔室，馈通器和真空泵。在长晶阶段，大量的水直接流向下腔室，以便吸收辐射的热量。 2.2加热区

加热区有4个石墨板，板的下角与6个馈通器相连。这样坩埚四周围有一个“正方形”的加热器，可以使用加热元件周围隔热层较平坦的元件隔热。在不锈钢笼里有两层隔热介质，由3个隔热层提升杆支撑不锈钢笼。隔热层由石墨制成

的，故能降低成本且便于更换。隔热元件相互交叠以免不期望的热量损失。3个石墨杆从下腔室支撑巨大的DS-Block石墨块。DS-Block为长晶循环提供了调制控制器和热能辐射表面。DS-Block下面有一个双倍厚的扁平隔热板，能隔绝熔化阶段的热区。3个提升杆能上下提升隔热笼，露出DS-Block底部，从而冷却下腔室的四壁。这样热区内就形成了一个竖直的温度梯度使硅锭从熔体底部向顶部开始长晶。 2.3真空泵系统

真空泵系统包括一个罗茨泵和机械前级泵。能使腔室压力迅速下降到0。05mbar 以下。大部分情况下，打开机械泵使腔室保持部分真空状态

（400-600mbar）。在某个阶段需要氩气，用一个质量流量控制器控制氩气进气量，用一个与真空系统相连的比例控制阀调节氩气排气量。用空气阀断开氩气系统的氩气，真空泵和腔室。在冷却阶段，用一个单独的阀门隔离和控制氦气流量。 2.4电源

利用水冷电缆给加热元件提供165KVA电源。主降压变压器（位于架空层顶部，靠近水冷的馈通器）将电源分成两部分。变压器输出端提供最大电压25VAC和最大电流38。制器。例如：设定功率比为30%，在30%的时间内完全接通SCR控制器，在剩下70%的时间内断开SCR控制器。一般情况下，整个控制循环的设定时间为4秒，所以SCR控制器在1。2秒内接通，在2。8秒内断开，然后重复这个循环。这种控制能显著地提高功率的转换系数和整个系统的有效功率。 2.5控制台

控制柜内有输入/输出（I/O）模块和光学控制器（LCM4)，供应电源，隔热层驱动电机和UPS，过载保护用的电路制动器和保险。电缆从这个柜里接到电源控制柜里，各种设备里和炉子的传感器上。

2.6操作工控制盘

利用一个腔室支架支撑操作工控制盘。控制盘包括触摸屏和计算机。架空层下装有3个报警灯和声音报警器，可以提示操作工是否有潜在的问题。这个控制盘装有一个急停开关，用于断开炉子输出装置的所有电源（这样炉子就会处于安全的状态），关闭所有的阀门和断开泵和电源。 3、DSS炉的基本操作及其安全处理措施 3.1 DSS炉的基本操作

一般情况下，DSS炉能在全自动模式下运行，几乎不需要操作工的干预。操作工只负责装硅料，出锭，确认长晶阶段的设置是否正确，输入的操作参数是否正确，定期检查操作工控制盘上显示的输出值和信号是否正确以便推测炉子的运行状况。操作工也必须定期记录这些操作参数，为接班的操作工提供参考及预测工艺流程。该控制系统也需要操作工确认某个工艺阶段已经正常结束，例如：正确处理好三大正常报警。同时有时也要注意非正常报警的处理。 3.1.1来料组装护板、螺杆、螺帽

坩埚区送来的待装料，铸锭区要组装护板、螺杆、螺帽后才可以装入DSS炉运行；首先戴好手套，将螺杆旋进短护板的螺孔内，双手抱起短护板轻轻地靠近坩埚，慢放在底板上；另一位同事将长护板抱起轻轻靠近坩埚，与短护板相组

合；依次组装另外一块短护板和长护板，并套上螺帽，螺帽旋紧后再回旋一圈半。 3.1.2 DSS炉开启

首先打卡四个固定夹；

固定夹

点击手动按钮；点击“炉体升降”按钮，弹出松开警告夹子的窗口，点击“是”； 在“下腔室方向控制箭头 ”窗口中将黑色箭头改成指向下方；按住触摸电脑左上角的黑色按钮，直到下限右边方框变成红色，或电脑上方的旋转轴停止转动。

3.1.3 DSS炉装料

DSS炉装料需要3人配合，1人开装有料的电动叉车，2人负责测量报数；上料时，要注意叉车机械手的高度，上不能撞到上炉体，下不要撞到下炉体和DS-BLOCK块；底板在DS-BLOCK上前后左右大约多出4.2cm为最佳。 3.1.4 DSS炉合炉

点击手动按钮；点击“ 炉体升降”按钮；在“下腔室方向控制箭头 ”窗口中将黑色箭头改成指向上方；按住触摸电脑左上角的黑色按钮,直到下限右边方框变成红色,或电脑上方的旋转轴停止转动。锁好四个固定夹。 3.1.5 DSS炉抽真空、检漏、运行程序

装料完毕后,我们接下为抽真空;首先点击“手动”,打开机械泵;再点击“慢抽气泵开关”为“开”进行抽气;当压力抽至0.008mbar时，在“模式”中点击“自动”进行检漏;检漏通过后,自动运行铸锭程序。 3.1.6 三大正常报警处理

1) 熔化结束报警

首先操作工应该先消除报警声音。其次可以通过两种方法进行判断是否完全熔

温状态。在第二个阶段里开始形成晶核和长晶，长晶率每小时增加约2cm。隔热层打开，从熔体底部到顶部形成一个温度梯度。

在倒数第2个阶段里（G7），完成中间长晶过程，操作中间长晶结束子程序将使长晶过程到达最后一个阶段。在最后一个阶段里，激活边角长晶结束专用功能以探测所有硅料的凝固时间。这个子程序利用设定功率曲线图预测生长结束的时间。当中间长晶结束后，因为不会释放熔化的热量来增加加热器的热能，所以需要增加功率使硅锭保持同样的温度。在边角长晶期间，功率值一直在增加，当所有硅料已经凝固时，功率保持不变。 4.1.4退火（Anneal）

当最后一个硅块凝固时，从凝固硅锭的底部到顶部存在一个明显的温度梯度。这个温度梯度在硅锭内部产生应力或者极小的应力裂纹。在这种状态下，如果将硅锭冷却到室温，在带锯或者线锯上切割时，会看到这些裂纹。

可以增加整个硅锭的温度来消除应力，很容易地将应力传递到坩埚上，在一个临界（边缘）温度下消除应力-这个温度约为1300℃。

在退火循环的第1个阶段，关闭隔热层，使硅锭里的温度梯度最均匀，用DS-Block中间的热电偶TC2测量硅锭的实际温度。

保持这个温度1.5-3个小时以消除“长晶”应力，然后将炉子转换到功率控制模式。

炉子转换到功率控制模式后，功率按一定曲线减小到第3阶段里的最后功率值 ，这样在冷却期间，硅锭顶部和底部温度就会更均匀。 4.1.5冷却（Cool）

硅锭和内部元件在氦气中的冷却速度最快，其次是氩气，在真空中的冷却速度最慢。使用氦气避免硅锭内部出现应力裂纹（因为冷却速度极快）时，必须注意硅锭外部比中间更冷，所以可能产生另一个有害的温度梯度。

冷却的第1个阶段里，在氩气中，设定功率降到0。继续平缓地冷却1000℃以上的硅锭并且防止硅锭顶部比底部冷却地更快。第2个阶段里，在真空中排出氩气-大约10-15分钟。在第3-6个阶段里，通入氦气，压力逐渐增加到600mbar。 在第7个阶段里，隔热层运动1-1.5个小时后，运动到10-15cm处。在第8个阶段里，隔热层继续运动1.5个小时，运动到25-38cm处。

4.2 铸锭的检测

硅锭的质量检验包括外观检测和电阻率，其中外观检测涉及崩边裂纹等，电阻率测定需要测定顶面电阻和侧面电阻。详细可参阅下面表格。

类别 检验项目 检测工具 抽样方法 判定/处置 检验标准 硅块头尾部25mm以内的崩边、崩块、裂纹、裂痕、锯缝、线痕 硅块头尾部25mm以外硅块中部的崩边、崩块的长度≦150mm，深度≦1.5mm 崩边、崩外块、裂观 纹、裂痕、锯缝、线痕 硅块头尾部25mm以外硅块中部的崩边、崩块的长度〉150mm，深度＞1.5mm 硅块头尾部25mm以外硅块中部的裂纹、裂痕长度≦150mm 硅块头尾部25mm以外硅块中部的裂纹、裂痕长度＞150mm 硅块头尾部25mm以外硅块中部的线痕 尺寸 垂直度（菱形/S形）125/156硅块的棱角度数：90±0.25° 硅块的棱角度数：＞90.25° 89°〈硅块的棱角度数＜89.75° 硅块的棱角度数＜89° 万能角度尺 抽检 回炉 目视/游标卡尺/直检 尺 全去除缺陷部分，流入下工序 不合格，回炉 不合格，回炉 打磨 合格 打磨 合格 打磨 打磨

规格 125规格：125±0.5mm 边宽125规格 硅块边宽尺寸＜124.50mm 游156规格：156±0.5mm 边宽156规格 硅块边宽尺寸＜155.50mm 硅块边宽尺寸＞156.50mm 标卡尺 抽检 硅块边宽尺寸＞125.50mm 合格 打磨 去除缺损部分，流入下工序 合格 打磨 去除缺损部分，流入下工序 红 电阻率 硅块电阻率＞3Ω.CM 无裂纹、杂质、黑点、阴影、微晶 红外探伤全检 硅块电阻率＜0.5Ω.CM 电阻率测试仪 抽检 N型部分长度＞100mm 硅块电阻率：0.5-3Ω.CM 导电类型 N型部分长度≦100mm P/n型测试仪 抽检 P型 合格 去除N型和p/n结部分，流下工序 回炉 合格 去除缺损部分，流入下工序 标示隔离 合格 外探伤

电性能 硅块头尾部的裂纹、杂质、测试仪 阴影长度≦25mm 硅块头尾部25mm以内区域有黑点 25mm＜硅块头尾部的裂纹、杂质、阴影长度＜125mm 硅头尾部25mm以外硅块中部区域有黑点 硅块头尾部的裂纹、杂质、阴影长度＞125mm 去除缺损部分，流入下工序 回炉 标示硅块微晶长度≦150mm 清楚后，流入下工序 硅块微晶长度＞150mm 硅块头尾25mm以外的硅块中部区域的少子寿命最小值≧2us 少子寿命 硅块头尾25mm以外的硅块中部区域的少子寿命〈2us的长度≦100mm 硅块头尾25mm以外的硅 少子寿命检测仪 抽检 去除缺损部分，流入下工序 合格 回炉 块中部区域的少子寿命＜2us的长度＞100mm 回炉 不去注 所有项目 去除缺陷部分后硅块的剩余可切长度＜100mm 直尺 全除缺陷，检 硅块直接回炉

实习体会

经过几天在铸锭车间的学习，我对DSS多晶炉的长晶原理、DSS多晶炉的结构及基本操作、DSS炉操作流程、DSS长晶炉常见异常处理方法以及铸锭检测有了比较深的了解。特别是铸锭的工艺流程，其考虑的因素让我深深的感慨。对于一个工厂来说，它的产品不仅需要考虑的是质量，而且还要考虑其的成本。因此确定一个生产工艺流程也要考虑到这两方面。

就铸锭来说，在成本上面主要是考虑到加热的温度和运行时间，硅的熔点大概在1420℃左右。在生产上为确保其全完熔化同时考虑到成本和设备的耐温程度，工艺上把DSS炉最高温度调为1560℃。对于时间上，考虑到长晶的因素，一般会缩短熔化和加热时间。

对于质量上的考虑，主要是结合下游用户的反馈来定。铸锭工艺生产出的硅锭，需要经过开方、切片等。硅锭的切片率是衡量硅锭质量的一个因素。在长晶阶段，长晶速越缓慢多晶硅内的晶格越密，可产生微晶强化导致硅锭硬度高，不易切割且碎片率较高。因此对于切片来说，其需要晶格较大的多晶，从而长晶阶段要尽量慢。但对于太阳能电池片来说，其光电转换效率最重要。微晶或者说细晶会降低其转换效率。所以从这方面考虑，又需要铸锭工艺生产的硅锭长晶过程要快。

两个矛盾的因素就需要在工艺制定上，找到一个有利的成本控制点。这就需要全面的去考虑工艺的制定。不仅仅是在铸锭上的节约成本，更重要的是满足下游客户的需求。

一个工艺的制定让我充分的理解到：在课本上的每个理论都不能单独的割裂开来，在生产上我们需要多个理论的结合，找到合理的生产流程结合点，才能实现成本的最低化和质量的最优化。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b7ih.html