史珺博士：多晶硅铸锭的高温熔炼过程

本节内容只针对上海普罗所生产的RDS4.0系列铸锭炉，其它铸锭炉不可参照，否则可能导致炉内热场及其它设备严重损毁！

硅料全部熔化后，如果只是为了铸锭，可以直接开始降温进入铸锭过程。但如果是采用的回收料、边皮料、顶皮料、锅底料、冶金法多晶硅料或者粉料，则需要进行熔炼，以在此阶段对多晶硅进行提纯，消除杂质，这里姑且称之为熔炼过程，也可称为高温稳定过程。 

（一）真空挥发

其实，在熔化的过程中间，熔炼过程已经就开始了。在固体阶段，真空脱气一样是有效的，尤其是对于粉料。在熔化的过程中，因为硅料是逐渐熔化的，因此，在硅料从外到里不断熔化的过程中，新露出的表面不断地会发生挥发作用。

当然，在硅料熔化之前，由于温度不够高，因此，真空熔炼的效果不一定会很好。但固体粉料的真空脱气，因为粉料粒度较小，可能比液体还好。

在熔化后，如果炉内抽气实行真空，主要发生三个作用。一个是真空脱气。由于硅液在高温下挥发较大，因此，这时的真空度要比冷态时要高一些。硅液中的杂质在真空下，有从硅液中逸出的特性，逸出的速度和数量取决于该杂质在某温度下的饱和蒸汽压。原则上，只要杂质的饱和蒸汽压高于炉内的真空压力，这种杂质就会从硅中逸出。但是，实际的情形还不是这么简单。

杂质从硅液中像真空中挥发，饱和蒸汽压大的杂质较容易挥发，这是正确的。但是，挥发速度除了受饱和蒸汽压影响外，还受到杂质在硅液中的扩散系数影响。这是杂质在硅中的粘滞系数所决定的。如果杂质无法运动到硅的表面，那么，饱和蒸汽压再高，杂质也无法逸出。因此，当杂质浓度较高时，因为有比较多的杂质原则运动到液体表面，因而很容易从硅中挥发，但当杂质浓度较低时，杂质到表面的几率就大大减小，尤其是对于那些粘滞系数大的杂质。这时，为了增加杂质的挥发性，需要在液体中增加搅拌作用。对于硅液来说，比较好的搅拌方式，还是电磁搅拌。但电磁搅拌难以实现，因此，在RDS4.0的炉型中，通过底部加热提高坩埚底部的硅液温度，使硅液在坩埚中会自然形成对流，也有利于杂质的逸出。此外，当杂质的浓度低到一定程度时，饱和蒸汽压的概念已经失去了意义。因此，对于1个ppm以下的杂质，靠真空挥发的作用已经达到极限了。

（二）真空造渣

这个阶段，杂质不断从硅液中挥发，主要是依靠渣系。这里的渣系与炉外精炼的渣系原理类似，但有诸多不同。相同之处是，这里的渣的目的也是为了用物理和化学的方式将硅中的杂质吸附到渣中来，可能与渣相中的部分物质发生化学反应，化合成一种新的东西。

但不同之处是，由于真空阶段所加的渣系不能从硅中靠人工取出，因此，反应生成物不能残留在硅液中，要么挥发出去，要么与渣一起留在硅液表面，要么就沉在锅底。当然最好的办法还是一旦从硅中吸收出来，就立即挥发出去。普罗法的渣系选择就是按照这个方法进行的。

同时，也有一些物质，能够与硅中的硼化合，形成很牢固的物质，然后沉在底部，这样，也是可以达到除杂的目的的。硅液表面有渣的时候，此外，如果硅中含有较多杂质，或者硅料在入炉前在空气中放置了较长的时间时，表面会形成氧化层，这样的硅料在熔化后，硅液表面往往会漂浮一层渣，由于渣呈固体，且本身导热性较差，这样，渣面的温度会比硅液的温度低一些，一般可能低20~70度，如果渣面较厚，可能温差会更大。由于红外测温仪所测量的仅仅是表面温度，所以，在温度控制时要注意这一点。这种现象从炉顶的红外观察窗后用肉眼可以看出来。解决这个问题的方法是，在坩埚侧面加装热电偶，参考平时无渣时的硅液温度，根据热电偶温度来推测硅液温度。这样也依然会有误差，但通常会比依靠红外温度读数再减去若干度要准确一些。

（三）真空气体反应

在真空下，适当地吹入一些气体，使之与硅液反应有利于硅液的杂质挥发。这个过程也在普罗法多晶硅提纯技术中得到应用。真空炉吹气有几个特点，一个是不能对硅液内部吹气，只能在表面，第二，吹气量不能太大，因为真空的关系，需要保持。

气体在硅液表面对于硅液内部的除杂还是比较有帮助的。上海普罗的RDS4.0系列提纯铸锭炉在炉内对每个坩埚设置了专用的工艺气体吹气装置，可在工艺过程中吹入不同的工艺气体。至于吹入气体的种类、配方和数量与结果有关。在真空吹气阶段完成后，应当再次抽真空，进行一段真空脱气，然后再进入定向凝固阶段。