本文介紹了多晶硅錠生產(chǎn)過(guò)程中遇到的各種異常情況，分析這些異常產(chǎn)生的原因，提出了一些相關(guān)的預(yù)防及改善措施。

1、硅液溢流

多晶硅鑄錠包括加熱、熔化、長(zhǎng)晶、退火、冷卻五個(gè)工藝步驟，其中硅料在熔化過(guò)程中或熔化完以后可能會(huì)因其盛放的石英陶瓷坩堝破裂，從坩堝內(nèi)流出，常簡(jiǎn)稱硅液溢流。高溫硅液體流到溢流絲上面，使溢流絲熔斷，觸發(fā)溢流報(bào)警，系統(tǒng)進(jìn)入緊急冷卻。一般溢流發(fā)生在熔化階段及長(zhǎng)晶階段，特別是在熔化后期及長(zhǎng)晶初期發(fā)生的溢流最為常見(jiàn)。溢流以后不但意味著該爐次沒(méi)有硅錠產(chǎn)出，而且輕則損失幾公斤硅料，重則造成熱場(chǎng)部件的重大損失甚至安全事故，因此溢流是多晶硅鑄造最嚴(yán)重也是較為常見(jiàn)的生產(chǎn)異常。造成硅液溢流的可能原因大概有以下幾點(diǎn)。

圖1、硅液溢流造成的熱場(chǎng)、硅料損失慘狀

1)坩堝隱裂。用來(lái)盛放硅錠的坩堝為石英陶瓷材料，其制作方式有注漿成型和注凝成型兩種方式，但不論哪種方式制作的坩堝，都會(huì)存在隱裂，氣孔等缺陷，這些坩堝在出廠以前一般都會(huì)經(jīng)歷兩道以上的采用顯影液透光檢查過(guò)程，但仍可能會(huì)有漏檢的坩堝，另外坩堝在運(yùn)輸過(guò)程中或搬運(yùn)過(guò)程中會(huì)遇到震動(dòng)或磕碰，都會(huì)導(dǎo)致坩堝產(chǎn)生隱裂，如果這些缺陷在裝料前沒(méi)有檢測(cè)到，很有可能在熔化過(guò)程中出現(xiàn)硅液溢流現(xiàn)象。因此，坩堝拆箱以后，在噴涂前應(yīng)該嚴(yán)格檢測(cè)，使用強(qiáng)光燈源對(duì)坩堝五個(gè)面透光檢測(cè)是一種較為方便有效的方法。

2)裝料擠壓。裝料過(guò)程中，靠近坩堝邊角的位置特別是四個(gè)豎棱角位置，如果有大塊兒的硅料靠近坩堝，硅料之間特別注意需要留有一定空隙，一般以2cm以上最佳，一旦裝料過(guò)擠，可能引發(fā)溢流產(chǎn)生。這是因?yàn)?，硅料熔化從中上部開(kāi)始，而硅的固體密度為2.33g/cm3，液體密度為2.53 g/cm3。一旦裝料過(guò)于擁擠，液體硅流到坩堝底部以后可能會(huì)因溫度過(guò)冷而凝固，如果沒(méi)有空間供其膨脹，會(huì)對(duì)坩堝壁產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致坩堝破裂溢流。越是靠近邊角的位置，應(yīng)力越集中，越容易因裝料不合理而溢流，溢流的部位實(shí)際上也往往出現(xiàn)在坩堝四個(gè)立棱處附近，硅錠脫模后仔細(xì)觀察溢流位置對(duì)應(yīng)坩堝內(nèi)壁，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)硅料擠壓氮化硅涂層和坩堝內(nèi)壁的痕跡。

3)工藝參數(shù)不合理。鑄錠工藝過(guò)程中，在加熱及熔化初期，熱場(chǎng)內(nèi)部溫度縱向梯度相對(duì)較大，坩堝中下部溫度很長(zhǎng)一段時(shí)間較低。而石英坩堝陶瓷材料在1300℃以上晶相轉(zhuǎn)化速率較快，過(guò)高的加熱功率或升溫速度會(huì)導(dǎo)致坩堝在縱向上晶相轉(zhuǎn)化速度相差較大，坩堝壁產(chǎn)生較大應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間拉伸作用容易產(chǎn)生裂紋，從而引發(fā)溢流。因此，很多鑄錠工藝會(huì)在1200℃左右保溫一段時(shí)間，等待坩堝上下溫度相對(duì)均勻后再繼續(xù)升溫，過(guò)大的溫度梯度設(shè)置會(huì)極易引發(fā)溢流的產(chǎn)生。

2、硅錠氧化

正常硅錠表面呈現(xiàn)鋼灰色，但一些硅錠在出爐以后表面會(huì)變彩色，這是由于鑄造過(guò)程中有氧氣進(jìn)入導(dǎo)致的硅錠氧化。輕微的氧化硅錠上表面會(huì)淡黃色或彩色，重一些的氧化不但硅錠表面呈彩色，而且會(huì)在硅錠表面及石墨材料上附有一些白色顆粒物。造成氧化最主要的原因是漏氣，漏氣常見(jiàn)的位置是進(jìn)出氣閥門及長(zhǎng)晶棒處。一些硅錠因測(cè)量長(zhǎng)晶速率使用石英棒，石英棒在鑄錠過(guò)程中經(jīng)常移動(dòng)，如果密封不好，很容易漏氣導(dǎo)致氧化。另外，鑄錠使用的保護(hù)氣體為氬氣，如果氬氣的氧含量過(guò)高，也會(huì)引起硅錠氧化變色現(xiàn)象發(fā)生，所以一些公司在灌裝使用前要檢測(cè)氬氣中的氧含量。

3、硅錠粘堝

坩堝在裝料使用前需要噴涂一層氮化硅涂層，作為硅錠的脫模劑。但生產(chǎn)過(guò)程中仍會(huì)出現(xiàn)不同程度的粘鍋現(xiàn)象，輕則使硅錠粘掉一小部分，重的可能會(huì)使硅錠掉角，甚至整個(gè)硅錠開(kāi)裂，嚴(yán)重影響產(chǎn)出。影響粘堝的原因大概可以概括為以下幾種情況。

1)氮化硅涂層過(guò)薄。一般氮化硅涂層厚度為150μm左右，如果涂層過(guò)薄，在數(shù)十個(gè)小時(shí)與硅液接觸的過(guò)程中，硅液很有可能從涂層的針孔或縫隙穿刺進(jìn)去，與坩堝接觸反應(yīng)，一旦大面積出現(xiàn)硅液穿刺反應(yīng)現(xiàn)象，很容易造成粘鍋發(fā)生。

2)氮化硅涂層開(kāi)裂。在噴涂過(guò)程中，如果氮化硅在坩堝壁上沉積過(guò)快，水分不能及時(shí)揮發(fā)，氮化硅涂層在后續(xù)干燥過(guò)程中很容易產(chǎn)生細(xì)小開(kāi)裂，一旦裝料鑄錠后，硅液很容易滲入引起粘鍋。為避免粘堝，常規(guī)的做法是將肉眼可見(jiàn)的開(kāi)裂涂層部分刷掉，重新噴涂。

3)氬氣流量過(guò)大。熔化過(guò)程中，氬氣流量過(guò)大會(huì)引起硅液波動(dòng)較大，特別是熔化末期，較大的氬氣流量，加上硅液沸騰，會(huì)對(duì)氮化硅涂層特別是三相交界面出的氮化硅產(chǎn)生劇烈沖刷作用，導(dǎo)致涂層脫落，如果硅錠上表面固液分界面處出現(xiàn)粘鍋，很有可能是氣流量較大，硅液沖刷引起的。所以，在很多鑄錠工藝配方中，熔化末尾階段會(huì)適當(dāng)降低氬氣的供給比例。

4)裝料剮蹭。裝料過(guò)程中，如果操作不當(dāng)，較鋒利的硅料對(duì)坩堝壁的剮蹭會(huì)對(duì)氮化硅涂層造成破壞，進(jìn)而引起粘鍋。近些年來(lái)，發(fā)展起來(lái)一種氮化硅中會(huì)添加適量的硅溶膠的新方法，不但坩堝涂層不用燒結(jié)，而且其涂層在坩堝壁上的附著力也得到加強(qiáng)，粘堝情況得到較大改善。

5)氮化硅質(zhì)量。目前氮化硅生產(chǎn)品牌市面上主要有日本UBE、煙臺(tái)同立等。其氮化硅粒度基本是幾個(gè)微米范圍內(nèi)，90%以上是α晶相。如果氮化硅粉體顆粒過(guò)大或過(guò)細(xì)，均可能出現(xiàn)較大概率的粘鍋問(wèn)題。β相氮化硅因熱膨脹系數(shù)較大，如其含量較大，也可能引起粘鍋問(wèn)題的發(fā)生。

圖2、硅錠粘鍋