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多晶硅铸锭炉生产工艺控制技术和设备组成摘要：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：TF8069 文献标识码：A 文章编号：10013474(2008)05029103Composition and Control Technology of Polysilicon Ingot FurnaceHOU Wei-qiang(CETC No2 Research Institute，Taiyuan 030024，China)Abstract：Polysilicon ingot furnace is a key equipment of polysilicon manufacture。11Ie quality of silicon depends on the stableness of process and equipment contr01At the sanle time，photoelectrieity ratio ofthe cell made by silicon chip depends on the quality of siliconIntroduce the typical process，compositionand control system of polysilicon ingot furnace，and innovation of equipment designkey words：Polysilicon；Ingot furnace；Solar cellDocument Code：A Article ID：100l一3474(2008)05029103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性。开始结晶时，充人保护气，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dTdX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50 h可生产200 kg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14。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863科研攻关项目(项目编号：2006AA052407)。作者简介：侯炜强(1966一)，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。万方数据电子工艺技术第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105 m_Pa(2)预热温度：室温1 200；(3)预热时间：大约15 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441 Pa；(2)熔化温度：1 200一l 550；(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441 Pa；(2)长晶温度：l 440一l 400；(3)长晶时间：大约10 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441 Pa；(2)退火温度：l 400一1 000；(3)退火时间：大约85 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525 Pa；(2)冷却温度：1 000一400；(3)冷却时间：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。21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。22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。23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。24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。25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，在一特定时间段内，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。26其它辅助系统(1)熔化及长晶结束自动判断系统：通过测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。41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42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2006年国家863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，2008年完成工艺实验，取得了良好的控制效果。并已基本定型。DDL一240多晶硅铸锭炉的工艺流程及控制系统属我所自主