硅料全部熔化后,如果只是為了鑄錠,可以直接開始降溫進(jìn)入鑄錠過程。但如果是采用的回收料、邊皮料、頂皮料、鍋底料、冶金法多晶硅料或者粉料,則需要進(jìn)行熔煉,以在此階段對多晶硅進(jìn)行提純,消除雜質(zhì)。這里姑且稱之為熔煉過程,也可稱為高溫穩(wěn)定過程。
一、真空揮發(fā)
其實,在熔化的過程中間,熔煉過程已經(jīng)就開始了。在固體階段,真空脫氣一樣是有效的,尤其是對于粉料。在熔化的過程中,硅料是逐漸熔化的。因此,在硅料從外到里不斷熔化的過程中,新露出的表面不斷地會發(fā)生揮發(fā)作用。
硅料熔化之前,由于溫度不夠高,真空熔煉的效果不一 定會很好。但固體粉料的真空脫氣,因為粉料粒度較小,可能比液體還好。
熔化后,如果爐內(nèi)抽氣實行真空,主要發(fā)生三個作用。一個是真空脫氣。由于硅液在高溫下?lián)]發(fā)較大,因此,這時的真空度要比冷態(tài)時要高一些。硅液中的雜質(zhì)在真空下,有從硅液中逸出的特性,逸出的速度和數(shù)量取決于該雜質(zhì)在某溫度下的飽和蒸汽壓。原則上,只要雜質(zhì)的飽和蒸汽壓高于爐內(nèi)的真空壓力,這種雜質(zhì)就會從硅中逸出。但是,實際的情形還不是這么簡單。
雜質(zhì)從硅液中像真空中揮發(fā),飽和蒸汽壓大的雜質(zhì)較容易揮發(fā)。揮發(fā)速度除了受飽和蒸汽壓影響外,還受到雜質(zhì)在硅液中的擴(kuò)散系數(shù)影響。這是雜質(zhì)在硅中的粘滯系數(shù)所決定的。如果雜質(zhì)無法運動到硅的表面,飽和蒸汽壓再高,雜質(zhì)也無法逸出。因此,當(dāng)雜質(zhì)濃度較高時,因為有較多的雜質(zhì)原則運動到液體表面,因而很容易從硅中揮發(fā);但當(dāng)雜質(zhì)濃度較低時,雜質(zhì)到表面的幾率就大大減小,尤其是對于那些粘滯系數(shù)大的雜質(zhì)。這時,為了增加雜質(zhì)的揮發(fā)性,需要在液體中增加攪拌作用。對于硅液來說,比較好的攪拌方式,還是電磁攪拌。但電磁攪拌難以實現(xiàn),因此,在RDS4.0的爐型中,通過底部加熱提高坩堝底部的硅液溫度,使硅液在坩堝中會自然形成對流,也有利于雜質(zhì)的逸出。此外,當(dāng)雜質(zhì)的濃度低到一 定程度時,飽和蒸汽壓的概念已經(jīng)失去了意義。因此,對于1個ppm以下的雜質(zhì),靠真空揮發(fā)的作用已經(jīng)達(dá)到極限了。
二、真空造渣
這個階段,雜質(zhì)不斷從硅液中揮發(fā),主要是依靠渣系。這里的渣系與爐外精煉的渣系原理類似,但有諸多不同。相同之處是,這里的渣的目的也是為了用物理和化學(xué)的方式將硅中的雜質(zhì)吸附到渣中來,可能與渣相中的部分物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),化合成一種新的東西。
但不同之處是,由于真空階段所加的渣系不能從硅中靠人工取出,因此,反應(yīng)生成物不能殘留在硅液中,要么揮發(fā)出去,要么與渣一起留在硅液表面,要么就沉在鍋底。當(dāng)然最好的辦法還是一旦從硅中吸收出來,就立即揮發(fā)出去。普羅法的渣系選擇就是按照這個方法進(jìn)行的。
同時,也有一些物質(zhì),能夠與硅中的硼化合,形成很牢固的物質(zhì),然后沉在底部,這樣,也是可以達(dá)到除雜的目的的。硅液表面有渣的時候,此外,如果硅中含有較多雜質(zhì),或者硅料在入爐前在空氣中放置了較長的時間時,表面會形成氧化層,這樣的硅料在熔化后,硅液表面往往會漂浮一層渣,由于渣呈固體,且本身導(dǎo)熱性較差,這樣,渣面的溫度會比硅液的溫度低一些,一般可能低20~70度,如果渣面較厚,可能溫差會更大。由于紅外測溫儀所測量的僅是表面溫度,所以,在溫度控制時要注意這一點。這種現(xiàn)象從爐頂?shù)募t外觀察窗后用肉眼可以看出來。解決這個問題的方法是,在坩堝側(cè)面加裝熱電偶,參考平時無渣時的硅液溫度,根據(jù)熱電偶溫度來推測硅液溫度。這樣也依然會有誤差,但通常會比依靠紅外溫度讀數(shù)再減去若干度要準(zhǔn)確一些。
三、真空氣體反應(yīng)
在真空下,適當(dāng)?shù)卮等胍恍怏w,使之與硅液反應(yīng)有利于硅液的雜質(zhì)揮發(fā)。這個過程也在普羅法多晶硅提純技術(shù)中得到應(yīng)用。真空爐吹氣有幾個特點,一個是不能對硅液內(nèi)部吹氣,只能在表面,第二,吹氣量不能太 大,因為真空的關(guān)系,需要保持。
質(zhì)的飽和蒸汽壓高于爐內(nèi)的真空壓力,這種雜質(zhì)就會從硅中逸出。但是,實際的情形還不是這么簡單。
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