多晶矽鑄錠通常分為加熱、熔料、高溫穩定、結晶、退火、冷卻等六個階段。本文介紹加熱和熔料兩個過程。
(一)加熱準備
裝好料後,再對爐內進行一遍檢查,即可開爐。一般來說,要先對爐子進行抽真空。真空泵逐級打開後,開始通電加溫。抽真空的過程雖然很簡單,通常是先打開初級泵(機械、旋片或滑閥泵),從大氣抽到2000 Pa以下後,然後再打開羅茨泵,抽真空到10 Pa左右;對於經過清洗的潔淨塊料,抽真空的順序只要按照上述步驟進行即可。大約在真空度小於1000 Pa時,就可以打開加熱電源。
在矽料加熱時,可以根據經驗採用恆定功率加熱,考慮到矽料的熱傳導性不佳,而RDS3.0 爐型採用的是四周加熱方式,熔化時,是從四周開始熔化,這時,由於測溫點在坩堝中部,因此,四周可能已經熔化併到了很高的溫度,但中間的溫度並不高,因此,如果採用溫度設定的控制方式,可能功率會加得很大。功率大,容易導致坩堝四壁的溫度上升,而坩堝由於是採用石英材質的,一旦溫度超過1600 ℃以上,將很容易與矽發生反應,造成坩堝侵蝕;如果溫度再上升到1700 ℃,則坩堝會與矽發生劇烈反應,導致矽液飛濺,坩堝熔穿。嚴重時,矽液甚至會濺到爐頂,導致石墨件和保溫層損壞。因此,通常熔化階段應當採用功率控制的方式,根據理論計算和經驗值,使加熱功率按照一定的設定值進行,這樣可以保證坩堝溫度不會過高。
對於RDS4.0型的爐體,由於採用底部和頂部加熱方式,情形會好一些,但如果功率過大,也同樣會在坩堝底部發生溫度過高的情形,只不過,由於頂部和底部都有紅外測溫,因此,溫度不會過高。但如果紅外堵塞或者失控,那麼,溫度過高的危險性也是同樣存在的。
無論是哪種爐型,加熱體都在外面,因此,矽料內部和外部的溫差是始終存在的,這就是為什麼在升溫一段時間,要進行一下保溫,目的是讓外部的熱傳到裡面去,避免內外溫差過大,導致熔化時容易出現意外。這就是為什麼在熔矽的過程中,加熱曲線上會有保溫的過程。
(二)矽料熔化
矽料在熔化時,由於需要吸收大量的熱量,因此,在熔點附近,溫度上升會很慢。要注意,通常,矽的熔點是1414℃,但在熔化時,矽的溫度通常要高出1420 ℃,才有可能使矽順利熔化。否則,矽料可能發生熔化後,由於周圍的矽還是固體,又開始凝固的現象,這就是為什麼有時溫度會出現上下反覆的情況;因為,矽料在熔化時,有時局部在熔化後,溫度會超出熔點很多,但周圍可能還有沒有熔化的矽塊;當熔化的矽液流到矽塊下面後,矽塊又露出來,導致紅外測溫儀顯示的溫度又低於熔點。
這樣的現象往往持續幾個小時,持續的時間與加熱器功率有關。有時,當絕大部分矽料熔化時,還有一些較大的矽塊未熔化,一旦這些矽塊漂到測溫儀的視場中,則會發生紅外測溫儀顯示的溫度突然下降的現象,嚴重時甚至會使紅外顯示溫度低於矽液溫度50 ℃以上。此時,不要誤解為矽液又凝固了,可能只是暫時的現象而已。
解決熔化不完全的方法就是一直加大功率到矽液完全熔化為止。通常,將矽液升溫到1490 ℃,然後保持一段時間,待從紅外測溫儀看到矽液表面變得清澈以後,再開始降溫。待矽液全部熔化後,即進入真空熔煉的過程了。