本文介紹了多晶硅錠生產(chǎn)過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、長晶、退火、冷卻五個工藝步驟，其中硅料在熔化過程中或熔化完以后可能會因其盛放的石英陶瓷坩堝破裂，從坩堝內(nèi)流出，常簡稱硅液溢流。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)生在熔化階段及長晶階段，特別是在熔化后期及長晶初期發(fā)生的溢流最為常見。溢流以后不但意味著該爐次沒有硅錠產(chǎn)出，而且輕則損失幾公斤硅料，重則造成熱場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、硅料損失慘狀

1)坩堝隱裂。用來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，都會存在隱裂，氣孔等缺陷，這些坩堝在出廠以前一般都會經(jīng)歷兩道以上的采用顯影液透光檢查過程，但仍可能會有漏檢的坩堝，另外坩堝在運(yùn)輸過程中或搬運(yùn)過程中會遇到震動或磕碰，都會導(dǎo)致坩堝產(chǎn)生隱裂，如果這些缺陷在裝料前沒有檢測到，很有可能在熔化過程中出現(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，使用強(qiáng)光燈源對坩堝五個面透光檢測是一種較為方便有效的方法。

2)裝料擠壓。裝料過程中，靠近坩堝邊角的位置特別是四個豎棱角位置，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，一旦裝料過擠，可能引發(fā)溢流產(chǎn)生。這是因?yàn)椋枇先刍瘡闹猩喜块_始，而硅的固體密度為2.33g/cm3，液體密度為2.53 g/cm3。一旦裝料過于擁擠，液體硅流到坩堝底部以后可能會因溫度過冷而凝固，如果沒有空間供其膨脹，會對坩堝壁產(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)在坩堝四個立棱處附近，硅錠脫模后仔細(xì)觀察溢流位置對應(yīng)坩堝內(nèi)壁，經(jīng)常會發(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。鑄錠工藝過程中，在加熱及熔化初期，熱場內(nèi)部溫度縱向梯度相對較大，坩堝中下部溫度很長一段時間較低。而石英坩堝陶瓷材料在1300℃以上晶相轉(zhuǎn)化速率較快，過高的加熱功率或升溫速度會導(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，長時間拉伸作用容易產(chǎn)生裂紋，從而引發(fā)溢流。因此，很多鑄錠工藝會在1200℃左右保溫一段時間，等待坩堝上下溫度相對均勻后再繼續(xù)升溫，過大的溫度梯度設(shè)置會極易引發(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變彩色，這是由于鑄造過程中有氧氣進(jìn)入導(dǎo)致的硅錠氧化。輕微的氧化硅錠上表面會淡黃色或彩色，重一些的氧化不但硅錠表面呈彩色，而且會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，漏氣常見的位置是進(jìn)出氣閥門及長晶棒處。一些硅錠因測量長晶速率使用石英棒，石英棒在鑄錠過程中經(jīng)常移動，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高，也會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)過程中仍會出現(xiàn)不同程度的粘鍋現(xiàn)象，輕則使硅錠粘掉一小部分，重的可能會使硅錠掉角，甚至整個硅錠開裂，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)氮化硅涂層過薄。一般氮化硅涂層厚度為150μm左右，如果涂層過薄，在數(shù)十個小時與硅液接觸的過程中，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)氮化硅涂層開裂。在噴涂過程中，如果氮化硅在坩堝壁上沉積過快，水分不能及時揮發(fā)，氮化硅涂層在后續(xù)干燥過程中很容易產(chǎn)生細(xì)小開裂，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的開裂涂層部分刷掉，重新噴涂。

3)氬氣流量過大。熔化過程中，氬氣流量過大會引起硅液波動較大，特別是熔化末期，較大的氬氣流量，加上硅液沸騰，會對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，熔化末尾階段會適當(dāng)降低氬氣的供給比例。

4)裝料剮蹭。裝料過程中，如果操作不當(dāng)，較鋒利的硅料對坩堝壁的剮蹭會對氮化硅涂層造成破壞，進(jìn)而引起粘鍋。近些年來，發(fā)展起來一種氮化硅中會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、煙臺同立等。其氮化硅粒度基本是幾個微米范圍內(nèi)，90%以上是α晶相。如果氮化硅粉體顆粒過大或過細(xì)，均可能出現(xiàn)較大概率的粘鍋問題。β相氮化硅因熱膨脹系數(shù)較大，如其含量較大，也可能引起粘鍋問題的發(fā)生。

圖2、硅錠粘鍋