石墨熱場系統(tǒng)

目前單晶硅廠家使用的熱場都是比較成功的，一是因為石墨氈保溫，總厚度達到100MM以上，保證了徑向溫度梯度盡可能小的條件，二是因為熱場大，使用的坩堝一般都是在250MM以上，這樣保溫罩、保溫蓋的口徑也大了，有充分的縱向散熱功能，保證了晶體的縱向溫度梯度足夠大的條件，同時加強托碗底部的保溫效果，保證了熔體中的縱向溫度梯度比較大的條件，這種熱場成晶率高，有利單晶從頭到尾進行無位錯生長，不必進行過多的調整，差異在成品率的高低和節(jié)能的效果不一樣，然而這些指標往往又和設備的優(yōu)良成度以及管理水平等綜合因素相關聯(lián)，從熱場的結構上講，有的加強了徑向保溫，采有碳碳復合材料來降低能耗等。?這里只提出一個值得注意的問題，那就是晶體的縱向溫度梯度及徑向溫度梯度，由于保溫系統(tǒng)的口徑增大，晶體的縱向溫度梯度顯然增大了，同時也加大了加熱器上部的徑向溫度梯度，有時會早成“過大”，而且警惕直徑增大了，徑向溫度梯度也增大了，這兩個變化容易造成轉肩后不久出現(xiàn)位錯發(fā)生掉苞斷棱現(xiàn)象。?

這時可對熱場進行如下的調整：1.在保溫蓋上加一個保溫圈，高約100-150MM。厚10MM，內徑和保溫蓋孔徑同，如果影響取光孔取信號，可開一個小口，有的吊一個保溫筒，有的使用了導流筒，（也稱作熱屏）起作用也是如此2.可以適當增加保溫罩的高度，一般的熱場，其內罩比加熱器，高20MM，可增加高20-30MM，以彌補由于口徑增大帶來的變化。其它的調整及作用變化如下：1.適當提高引晶鍋位，可增加縱向溫度梯度，同時徑向溫度梯度稍有增加降低鍋位。作用相反。2.增加保溫層（石墨氈）的總厚度，可減小熔體徑向溫度梯度，對晶體徑向溫度梯度，稍有減小，反之減小總厚度，作用相反，3.增加一層保溫蓋，會減小徑向溫度梯度。而縱向上卻有所增加。?4.增加加熱器的厚度會減小熔體徑向溫度梯度，增加托碗的厚度亦然，但熱慣性也變大了，對升溫或降溫的反應也慢了。此外，氬氣流量的大小，爐內壓力的高低，晶體直徑的不同，都會影響到溫度梯度。石墨坩堝是單晶生產中的主要消耗品，它的使用壽命的長短直接影響了單晶生產的成本和效益。因此。如何提高石墨坩堝的使用壽命就成了各家公司生產主管和工藝主管的重要工作了?？上У氖?，由于近年來太陽能單晶的飛速發(fā)展，一大批新人進入了單晶硅的生產行業(yè)，有不少的人自己還沒有搞明白單晶是怎么回事情，也沒有拉了幾根單晶就跳槽出去當什么廠長主任了，一旦在生產上遇到問題，或許是出于一種自我保護的本能，也或許是一定要尋找推托的理由吧，只要單晶生產中出現(xiàn)問題，第一時間就是把責任推到了供應商那里，因為這樣是最簡單和最實用的方法了，況且這樣還可以掩蓋是因為自己不懂而造成的問題。比如在石墨器件，尤其是石墨坩堝的使用中常常會發(fā)生石墨坩堝使用壽命短的問題，有的石墨坩堝才用了不到10爐就“壽終正寢”了。見右邊照片，這個坩堝才用了不到10爐。這就大大增加了單晶的生產成本，也制約了產能的正常發(fā)揮?？上У氖?，這種狀況在許多單晶生產企業(yè)中比比皆是。

那么，一個石墨坩堝在正常狀況下應該可以使用多少爐呢？答案是－－18寸坩堝平均使用壽命一般在50～60爐。20寸坩堝在50爐左右。?這里說的是一般情況下的平均壽命。如果使用方法得當，那么，其壽命還可以大大增加。個別的還達到了130爐。?那么，為什么同樣是石墨坩堝，有的可以成為百歲老人并且繼續(xù)可以工作勞動，有的卻還剛剛處在少年的花季就命喪黃泉呢？壽命怎么會有如此之大的差別呢？?這里有幾個方面的原因：?1、材料選擇有問題。?2、形狀設計有問題。?3、使用方法有問題。?在所有影響使用壽命的因素中，最主要的就是使用方法不正確是導致石墨坩堝使用壽命減少的直接原因了。?眾所周知，熱場的組成部分如加熱器、三瓣堝、石墨托、熱屏等均由石墨加工而成。在生產過程中，經常能碰到加熱器件損壞的現(xiàn)象，那么石墨器件損壞的原因是什么，應該采取什么樣的措施來延長石墨器件的壽命呢？石墨器件的損壞，主要有人為和劣化兩個方面的原因。人為方面只要加強管理，強化員工防范意識，就可以將損失降到最低點。這里主要討論劣化。首先我們來了解石墨的有關特性，1.耐高溫性，石墨的熔點極高，在真空為3850度，在低壓下升華，升華溫度為2200度，與一般材料不同，當溫度升高時石墨不但不軟化，強度反而增高，在2500度時，石墨的抗拉強度反而增加一倍。2.特殊的抗熱震性，石墨的熱膨脹性具有各向異性，因而宏觀膨脹系數(shù)不大，在溫度驟變的情況下，石墨的體積變化也不大，再加上其良好的導熱性能，因而石墨的抗熱震性良好。諸上兩點所述，石墨件應該能夠長時間的在高溫下穩(wěn)定工作。那么三瓣堝與其他石墨器件如保溫罩、加熱器相比，都是同樣的材料、同一個廠家、同樣的工作環(huán)境，為什么使用壽命遠遠低于保溫罩和加熱器呢？我認為三瓣堝的斷裂主要原因來自于石英坩堝.1.由于熔硅的密度要大于固體硅，這樣在冷卻過程中，鍋底料會撐破石英坩堝，而石英坩堝是貼合于三瓣堝的，當石英坩堝破裂而產生的應力大于三瓣堝承受的應力時，三瓣堝就會斷裂，這就是為什堝底料剩余過多會撐破三瓣堝的原因。2.加熱時間過長、石英坩堝質量不過關、原料酸堿度未達到要求，會導致漏硅和滲硅，熔硅滲入三瓣堝之間的縫隙之間冷卻后一是撐壞三瓣堝，二是使三瓣堝相互粘接，在清爐時，使其分離有可能造成斷裂。3.在加熱過程中唯有三瓣堝的熱源來自兩個方面，一是加熱器的輻射，二是來自于石英坩堝的傳導，這就導致三瓣堝受熱不勻，加熱時沿某些方向膨脹，沿另一些方向收縮，從而導致三瓣堝斷裂。