【干货】铸造多晶硅锭常见异常问题浅析

本文介绍了多晶硅锭生产过程中遇到的各种异常情况，分析这些异常产生的原因，提出了一些相关的预防及改善措施。

1、硅液溢流

多晶硅铸锭包括加热、熔化、长晶、退火、冷却五个工艺步骤，其中硅料在熔化过程中或熔化完以后可能会因其盛放的石英陶瓷坩埚破裂，从坩埚内流出，常简称硅液溢流。高温硅液体流到溢流丝上面，使溢流丝熔断，触发溢流报警，系统进入紧急冷却。一般溢流发生在熔化阶段及长晶阶段，特别是在熔化后期及长晶初期发生的溢流最为常见。溢流以后不但意味着该炉次没有硅锭产出，而且轻则损失几公斤硅料，重则造成热场部件的重大损失甚至安全事故，因此溢流是多晶硅铸造最严重也是较为常见的生产异常。造成硅液溢流的可能原因大概有以下几点。

图1、硅液溢流造成的热场、硅料损失惨状

1)坩埚隐裂。用来盛放硅锭的坩埚为石英陶瓷材料，其制作方式有注浆成型和注凝成型两种方式，但不论哪种方式制作的坩埚，都会存在隐裂，气孔等缺陷，这些坩埚在出厂以前一般都会经历两道以上的采用显影液透光检查过程，但仍可能会有漏检的坩埚，另外坩埚在运输过程中或搬运过程中会遇到震动或磕碰，都会导致坩埚产生隐裂，如果这些缺陷在装料前没有检测到，很有可能在熔化过程中出现硅液溢流现象。因此，坩埚拆箱以后，在喷涂前应该严格检测，使用强光灯源对坩埚五个面透光检测是一种较为方便有效的方法。

2)装料挤压。装料过程中，靠近坩埚边角的位置特别是四个竖棱角位置，如果有大块儿的硅料靠近坩埚，硅料之间特别注意需要留有一定空隙，一般以2cm以上最佳，一旦装料过挤，可能引发溢流产生。这是因为，硅料熔化从中上部开始，而硅的固体密度为2.33g/cm3，液体密度为2.53 g/cm3。一旦装料过于拥挤，液体硅流到坩埚底部以后可能会因温度过冷而凝固，如果没有空间供其膨胀，会对坩埚壁产生挤压作用，导致坩埚破裂溢流。越是靠近边角的位置，应力越集中，越容易因装料不合理而溢流，溢流的部位实际上也往往出现在坩埚四个立棱处附近，硅锭脱模后仔细观察溢流位置对应坩埚内壁，经常会发现硅料挤压氮化硅涂层和坩埚内壁的痕迹。

3)工艺参数不合理。铸锭工艺过程中，在加热及熔化初期，热场内部温度纵向梯度相对较大，坩埚中下部温度很长一段时间较低。而石英坩埚陶瓷材料在1300℃以上晶相转化速率较快，过高的加热功率或升温速度会导致坩埚在纵向上晶相转化速度相差较大，坩埚壁产生较大应力，长时间拉伸作用容易产生裂纹，从而引发溢流。因此，很多铸锭工艺会在1200℃左右保温一段时间，等待坩埚上下温度相对均匀后再继续升温，过大的温度梯度设置会极易引发溢流的产生。

2、硅锭氧化

正常硅锭表面呈现钢灰色，但一些硅锭在出炉以后表面会变彩色，这是由于铸造过程中有氧气进入导致的硅锭氧化。轻微的氧化硅锭上表面会淡黄色或彩色，重一些的氧化不但硅锭表面呈彩色，而且会在硅锭表面及石墨材料上附有一些白色颗粒物。造成氧化最主要的原因是漏气，漏气常见的位置是进出气阀门及长晶棒处。一些硅锭因测量长晶速率使用石英棒，石英棒在铸锭过程中经常移动，如果密封不好，很容易漏气导致氧化。另外，铸锭使用的保护气体为氩气，如果氩气的氧含量过高，也会引起硅锭氧化变色现象发生，所以一些公司在灌装使用前要检测氩气中的氧含量。

3、硅锭粘埚

坩埚在装料使用前需要喷涂一层氮化硅涂层，作为硅锭的脱模剂。但生产过程中仍会出现不同程度的粘锅现象，轻则使硅锭粘掉一小部分，重的可能会使硅锭掉角，甚至整个硅锭开裂，严重影响产出。影响粘埚的原因大概可以概括为以下几种情况。

1)氮化硅涂层过薄。一般氮化硅涂层厚度为150μm左右，如果涂层过薄，在数十个小时与硅液接触的过程中，硅液很有可能从涂层的针孔或缝隙穿刺进去，与坩埚接触反应，一旦大面积出现硅液穿刺反应现象，很容易造成粘锅发生。

2)氮化硅涂层开裂。在喷涂过程中，如果氮化硅在坩埚壁上沉积过快，水分不能及时挥发，氮化硅涂层在后续干燥过程中很容易产生细小开裂，一旦装料铸锭后，硅液很容易渗入引起粘锅。为避免粘埚，常规的做法是将肉眼可见的开裂涂层部分刷掉，重新喷涂。

3)氩气流量过大。熔化过程中，氩气流量过大会引起硅液波动较大，特别是熔化末期，较大的氩气流量，加上硅液沸腾，会对氮化硅涂层特别是三相交界面出的氮化硅产生剧烈冲刷作用，导致涂层脱落，如果硅锭上表面固液分界面处出现粘锅，很有可能是气流量较大，硅液冲刷引起的。所以，在很多铸锭工艺配方中，熔化末尾阶段会适当降低氩气的供给比例。

4)装料剐蹭。装料过程中，如果操作不当，较锋利的硅料对坩埚壁的剐蹭会对氮化硅涂层造成破坏，进而引起粘锅。近些年来，发展起来一种氮化硅中会添加适量的硅溶胶的新方法，不但坩埚涂层不用烧结，而且其涂层在坩埚壁上的附着力也得到加强，粘埚情况得到较大改善。

5)氮化硅质量。目前氮化硅生产品牌市面上主要有日本UBE、烟台同立等。其氮化硅粒度基本是几个微米范围内，90%以上是α晶相。如果氮化硅粉体颗粒过大或过细，均可能出现较大概率的粘锅问题。β相氮化硅因热膨胀系数较大，如其含量较大，也可能引起粘锅问题的发生。

图2、硅锭粘锅