晶體硅生長設備外圍設施的研究

武建剛

(河北晶龍陽光設備有限公司，河北 邢臺 055550）

晶體硅生長設備主要有單晶爐和多晶硅鑄錠爐兩種，其中單晶爐研發較早，1961 年， 在中國科學院半導體物理所林蘭英院士的親自指導下，北京機械學院工廠（西安理工大學工廠的前身）的技術人員與半導體物理所的技術人員共同研制出了我國第一臺人工晶體生長設備—TDK-36 型單晶爐， 隨后國內相繼研發了可拉直3 英寸—12 英寸的單晶爐，國內設備技術已經達到相當高的水準。 多晶硅鑄錠爐技術一直由美國與歐洲壟斷，我們多與引進為主，無法掌握設備的核心技術，為了擺脫這種依賴我們設計、研究了晶體生長設備外圍試驗基地，為研究多晶鑄錠爐做好基礎。

1 外圍設施概述

晶體硅生長設備外圍設施是為多晶硅鑄錠爐進行工藝研發與試驗提供必備的條件， 鑄錠爐正常工作是在1430℃--1550℃的高溫下向爐內通入惰性氣體氬氣進行保護保證硅料的正常融化、凝固、退火的過程，此過程為負壓狀態，需要我們提供充足的冷卻水與氬氣供應才能保證實驗正常進行。 我們按單臺多晶硅鑄錠爐進行設計，主要包括冷卻水路系統，電力系統，氬氣供應系統。

1.1 冷卻水路系統

系統配備純水制備設備、冷卻塔、板換、管道泵、若干管道組成穩定的供水系統， 保證水壓0.3-0.45MPa； 入水溫度要求24±1℃， 溫升平均6℃； 水質符合GB/T11446.1-1997EW-Ⅳ標準。

本水冷系統共分為四路循環 （詳見圖1）， 第一路冷卻爐體，爐體水箱通過兩臺循環水泵（一臺備用），進入板換1，流量計進入爐體，爐體循環后重新回到爐體水箱；第二路冷卻爐體循環水，冷卻水箱通過循環水泵進入水冷機組后進入板換1，重新回到冷卻水箱；第三路冷卻水冷機組，冷卻水箱通過循環水泵進入水冷機組，通過板換2 重新回到冷卻水箱；第四路冷卻板換2，直接與冷卻塔相連接。 水冷機組采用額定76KW 機組，其中還配備了應急發電設備與蓄水池，確保出現斷電等意外情況后，保證爐體的正常冷卻，確保了試驗的安全性。

圖1 冷卻水原理圖

1.2 電力系統

多晶硅鑄錠爐設備指標： 最大加熱功率200KVA， 電壓25V，電流4600A。

供電方案：電能為工藝用電，需要持續供電，不得中斷。 設置單獨供電電源控制，便于單控（因研發活動不可預測），并要求電源持續供電性強，單獨安裝電表一塊，用于實際計量單爐耗電量。

1.3 氬氣供應系統

氬氣要求：純度：≥99.999%，壓力：0.2MPa±0.03；氬氣用量：55-60m3/爐；氬氣流量：≤50LPM。

氬氣的儲存主要是液體形式，通過增壓器增壓，進入汽化器將液氬轉換為氣態氬氣保證爐內環境正常供應。 其中氬氣液態：氣態=1：600 計算，3m3的氬氣罐配套增壓器、汽化器，可持續使用30-32 爐/罐。 詳細見圖2。

圖2 氬氣系統流程

2 冷卻水路系統的計算

多晶鑄錠爐的整個過程與功率時間我們參考圖3GT 多晶爐散熱功率為例進行設計計算，其中水冷卻方式主要有自然對流與強制對流兩種方式。

冷卻水箱換熱能力計算：

設計冷卻水箱尺寸為（長×寬×高）：2×1.5×1m，故散熱面積A=1.5×1×2+2×1×2+1.5×2=10m3。 根據我們車間具體情況，冬天與夏天的室溫相差比較大，我們分別取為12℃和32℃。 根據牛頓冷卻公式：φ=hA·ΔT 來計算換熱量，其中φ 表示換熱量，h 表示傳熱系數，A 表示換熱面積，ΔT 表示溫差。

圖3 鑄錠爐散熱功率

2.1 冬天（按室溫12℃計算）換熱能力計算

（1）空氣自然對流

φ=h·A·Δt =(5～12)·10·（47-12）

=(5～12)·10·35=1750～4200W

（2）空氣強制對流

φ=h·A·Δt=(12～100)·10·（47-12）

=(12～100)·10·35=4200～35000W

2.2 夏天（按室溫32℃計算）換熱能力計算

（1）空氣自然對流

φ=h·A·Δt=(5～12)·10·（47-32）

=(5～12)·10·15=750～1800W

（2）空氣強制對流

φ=h·A·Δt=(12～100)·10·（47-32）

=(12～100)·10·15=1800～15000W

2.3 外置冷卻塔容量計算

φ=c·m·ΔT/t

m=M·t

其中φ 為換熱量，m 為水的質量，M 為冷卻塔水流量，ΔT為冷卻塔換熱溫降，按保守值2℃計算。

所以M=φ/（c·ΔT）=60/（4.2·2）=7.14m3/h

以上計算過程中， 溫度是由冷卻機組有進出水溫來設定的，從水冷機組來看，其水溫有一個運行界限，冷卻水進水溫度最高為41℃，則冷卻水最高出水溫度為47℃。 按夏天的環境溫度為32℃來看， 其無論是空氣自然對流還是空氣強制對流，其最大散熱能力為15000W=15KW， 遠小于我們一臺鑄錠爐實驗所需要的平均散熱功率40KW（根據鑄錠數據計算，而后估計得到），在結晶時接近60KW 的要求，即便是冬季在強制對流的情況下，其散熱能力也小于40KW，故需安裝外置冷卻塔，由前面計算知冷卻塔理論流量應在7.14m3/h 以上，考慮到散熱效率與實際工況，選擇流量為20m3/h 或以上規格的，可以滿足多晶硅鑄錠爐正常生產實驗。

3 結束語

由以上設計與計算可知，冷卻水路系統、氬氣供應系統、電力系統都需要嚴格按要求記錄并控制，該晶體硅生長設備外圍設施已經在我所研發的多晶鑄錠爐工藝試驗中成功使用。

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[3]苗培,張杰,石鶴.冷卻塔供冷系統設計方法總結與探討[J].暖通空調,2008,38(5):74-78