半导体材料与工艺之 多晶硅锭定向凝固生长方法

1、实现多晶硅定向凝固生长的四实现多晶硅定向凝固生长的四种方法：种方法：p布里曼法布里曼法p热交换法热交换法p电磁铸锭法电磁铸锭法p浇铸法浇铸法p铸锭浇注法于铸锭浇注法于19751975年由年由WackerWacker公司首创，其过程是将公司首创，其过程是将硅料置于熔炼坩埚中加热熔化，而后利用翻转机械将硅料置于熔炼坩埚中加热熔化，而后利用翻转机械将其注入预先准备好的模具内进行结晶凝固，从而得到其注入预先准备好的模具内进行结晶凝固，从而得到等轴多晶硅。等轴多晶硅。p近年来，为了提高多晶硅电池的转换效率，也有人对近年来，为了提高多晶硅电池的转换效率，也有人对此传统工艺加以改进，通过对模具中熔体凝固过程

2、温此传统工艺加以改进，通过对模具中熔体凝固过程温度加以控制，形成一定的温度梯度和定向散热的条件度加以控制，形成一定的温度梯度和定向散热的条件，获得定向柱状晶组织。，获得定向柱状晶组织。铸锭浇注法生产原理示意图铸锭浇注法生产原理示意图1固态固态 2.液态液态 3熔炼坩埚熔炼坩埚 4.涂层涂层 5.凝固界面凝固界面 G.模具模具p由于浇注法用的坩埚由于浇注法用的坩埚 , ,模具材料多为石墨、石英等，模具材料多为石墨、石英等，所以用该法制备的多晶硅中氧、碳等杂质元素含量较所以用该法制备的多晶硅中氧、碳等杂质元素含量较高。高。p同时，硅熔体在高温时与石墨发生反应，加之硅凝固同时，硅熔体在高温时与石墨发

3、生反应，加之硅凝固过程中的体膨胀作用，易造成硅锭与石墨模具的粘连过程中的体膨胀作用，易造成硅锭与石墨模具的粘连，冷却后难以脱模。，冷却后难以脱模。p为了避免以上缺陷，研究者们经过多年的研究实践，为了避免以上缺陷，研究者们经过多年的研究实践，在坩埚、模具的内工作表面上涂上一层膜，以防止坩在坩埚、模具的内工作表面上涂上一层膜，以防止坩埚、模具等对硅的污染及起到一定的润滑脱模作用。埚、模具等对硅的污染及起到一定的润滑脱模作用。p多年来通过对各种涂膜材料性能及所制得硅锭品质的多年来通过对各种涂膜材料性能及所制得硅锭品质的对比研究后，目前主要采用对比研究后，目前主要采用SiSi3 3N N4 4 ,Si

4、C-Si ,SiC-Si3 3N N4 4 , Si0/ , Si0/ SiN ,BNSiN ,BN等。等。p除此之外，大面积化，即增加坩埚或模具的体积表面除此之外，大面积化，即增加坩埚或模具的体积表面比，从而减小熔体与坩埚或模具的接触面积，亦有利比，从而减小熔体与坩埚或模具的接触面积，亦有利于杂质的降低。于杂质的降低。p为提高多晶硅锭品质从而提高电池效率，近年来对该为提高多晶硅锭品质从而提高电池效率，近年来对该法硅料熔炼过程也进行了研究，采用了一些新的熔炼法硅料熔炼过程也进行了研究，采用了一些新的熔炼技术，如利用真空除杂作用及感应熔炼过程中电磁力技术，如利用真空除杂作用及感应熔炼过程中电磁力

5、对熔体的搅拌及促使熔体与坩埚的软或无接触作用，对熔体的搅拌及促使熔体与坩埚的软或无接触作用，采用真空条件下的采用真空条件下的电磁感应熔炼电磁感应熔炼或或冷坩埚感应熔炼冷坩埚感应熔炼来来对原料硅进行加热熔化等。对原料硅进行加热熔化等。 p浇注法工艺成熟、设备简单、易于操作控制，目能实浇注法工艺成熟、设备简单、易于操作控制，目能实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却都分别位于不现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却都分别位于不同的地方，有利于生产效率的提高和能耗的降低同的地方，有利于生产效率的提高和能耗的降低; ;p然而，其熔炼与结晶成形在不同的坩埚中进行，容易然而，其熔炼与结晶成形在不同的坩埚中进行，

6、容易造成熔体一次污染，同时受熔炼坩埚及翻转机械的限造成熔体一次污染，同时受熔炼坩埚及翻转机械的限制，炉产量较小，目前所生产多晶硅通常为等轴状，制，炉产量较小，目前所生产多晶硅通常为等轴状，由于晶界、亚晶界的不利影响，电池转换效率较低。由于晶界、亚晶界的不利影响，电池转换效率较低。p定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼，而后通定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼，而后通过控制熔体热流方向，以使坩埚中熔体达到一定的温过控制熔体热流方向，以使坩埚中熔体达到一定的温度梯度，从而进行定向凝固得到柱状晶的过程。度梯度，从而进行定向凝固得到柱状晶的过程。对于熔体热流方向的控制，主要有对于熔体热流方向的控

7、制，主要有: :p以一定的速度向上移动坩埚侧壁、向下移动坩埚底板以一定的速度向上移动坩埚侧壁、向下移动坩埚底板、在坩埚底板上通水强制冷却或是感应熔炼时将坩埚、在坩埚底板上通水强制冷却或是感应熔炼时将坩埚连同熔体一起以一定的速度向下移出感应区域、从下连同熔体一起以一定的速度向下移出感应区域、从下向上陆续降低感应线圈功率等。向上陆续降低感应线圈功率等。p实际应用的定向凝固基本方法卞要有实际应用的定向凝固基本方法卞要有: :热交换法热交换法(HEM)(HEM)、BridgmanBridgman等等定向凝固柱状晶生长示意图热流方向热流方向侧向无温度梯度侧向无温度梯度，不散热，不散热晶体生晶体生长方向长

8、方向多晶硅锭的柱状晶结构p一般来说，纯金属通过定向凝固，可获得平面前沿，一般来说，纯金属通过定向凝固，可获得平面前沿，即随着凝固进行，整个平面向前推进，但随着溶质浓即随着凝固进行，整个平面向前推进，但随着溶质浓度的提高，由平面前沿转到柱状。度的提高，由平面前沿转到柱状。p对于金属，由于各表面自由能一样，生长的柱状晶取对于金属，由于各表面自由能一样，生长的柱状晶取向直，无分叉。向直，无分叉。p而硅由于是小平面相，不同晶面自由能不相同，表面而硅由于是小平面相，不同晶面自由能不相同，表面自由能最低的晶面会优先生长，特别是由于杂质的存自由能最低的晶面会优先生长，特别是由于杂质的存在，晶面吸附杂质改变了

9、表面自由能，所以多晶硅柱在，晶面吸附杂质改变了表面自由能，所以多晶硅柱状晶生长方向不如金属的直，且伴有分叉。状晶生长方向不如金属的直，且伴有分叉。p热交换法热交换法基本原理是在坩埚底板上通以冷却水或气进基本原理是在坩埚底板上通以冷却水或气进行强制冷却，从而使熔体自上向下定向散热行强制冷却，从而使熔体自上向下定向散热; ;pBridgmanBridgman法法则是将坩埚以一定的速度移出热源区域，则是将坩埚以一定的速度移出热源区域，从而建立起定向凝固的条件。从而建立起定向凝固的条件。p实际生产应用中，通常都是将两者综合起来，从而得实际生产应用中，通常都是将两者综合起来，从而得到更好的定向效果。到更

10、好的定向效果。定向凝固法基本原理定向凝固法基本原理1冷却水或气冷却水或气2.坩埚坩埚3.液态液态4.固固/液界面液界面5.固态固态6.热源热源布里曼法（布里曼法（Bridgeman MethodBridgeman Method）这是一种经典的较早的定向凝固方法。这是一种经典的较早的定向凝固方法。特点：特点：p坩埚和热源在凝固开始时作相对位移，分液相区和凝固区，坩埚和热源在凝固开始时作相对位移，分液相区和凝固区，液相区和凝固区用隔热板隔开。液相区和凝固区用隔热板隔开。p液固界面交界处的温度梯度必须液固界面交界处的温度梯度必须00，即，即dT/dx0dT/dx0，温度梯，温度梯度接近于常数。度接近

11、于常数。p长晶速度受工作台下移速度及冷却水流量控制，长晶长晶速度受工作台下移速度及冷却水流量控制，长晶速度接近于常数，长晶速度可以调节。速度接近于常数，长晶速度可以调节。p硅锭高度主要受设备及坩埚高度限制。硅锭高度主要受设备及坩埚高度限制。p生长速度约生长速度约0.8-1.0mm/0.8-1.0mm/分。分。p缺点：炉子结构比热交换法复杂，坩埚需升降且下降缺点：炉子结构比热交换法复杂，坩埚需升降且下降速度必须平稳，其次坩埚底部需水冷速度必须平稳，其次坩埚底部需水冷。 坩埚 热源 硅液 隔热板 热开关 工作台 冷却水 固相 固液界面 液相 布里曼法示意图热交换法热交换法是目前国内生产厂家主要使用

12、的一种炉型。是目前国内生产厂家主要使用的一种炉型。特点：特点：p坩埚和热源在熔化及凝固整个过程中均无相对位移。一坩埚和热源在熔化及凝固整个过程中均无相对位移。一般在坩埚底部置一热开关，熔化时热开关关闭，起隔热般在坩埚底部置一热开关，熔化时热开关关闭，起隔热作用；凝固开始时热开关打开，以增强坩埚底部散热强作用；凝固开始时热开关打开，以增强坩埚底部散热强度。长晶速度受坩埚底部散热强度控制，如用水冷，则度。长晶速度受坩埚底部散热强度控制，如用水冷，则受冷却水流量（及进出水温差）所控制。受冷却水流量（及进出水温差）所控制。p由于定向凝固只能是单方向热流（散热），径向（即坩埚由于定向凝固只能是单方向热流

13、（散热），径向（即坩埚侧向）不能散热，也即径向温度梯度趋于侧向）不能散热，也即径向温度梯度趋于0 0，而坩埚和热源，而坩埚和热源又静止不动，因此随着凝固的进行，热源也即热场温度又静止不动，因此随着凝固的进行，热源也即热场温度（大于熔点温度）会逐步向上推移，同时又必须保证无径（大于熔点温度）会逐步向上推移，同时又必须保证无径向热流，所以温场的控制与调节难度要大。向热流，所以温场的控制与调节难度要大。p液固界面逐步向上推移，液固界面处温度梯度必须是正值，液固界面逐步向上推移，液固界面处温度梯度必须是正值，即大于即大于0 0。但随着界面逐步向上推移，温度梯度逐步降低直。但随着界面逐步向上推移，温度梯

14、度逐步降低直至趋于至趋于0 0。p热交换法的长晶速度及温度梯度为变数。而且锭子高度受热交换法的长晶速度及温度梯度为变数。而且锭子高度受限制，要扩大容量只能是增加硅锭截面积。限制，要扩大容量只能是增加硅锭截面积。p最大优点是炉子结构简单。最大优点是炉子结构简单。 热源 坩埚 液固界面 散热装置 HEM法示意图 固相固相液相液相 保温框 热源 坩埚 液固界面 石墨块 隔热板 （防止不锈钢炉底过热） 炉型1示意图与铸锭浇注法相比，定向凝固法具有以下一些优点与铸锭浇注法相比，定向凝固法具有以下一些优点: :p在同一个坩埚中进行熔炼与凝固成形，避免了熔体的在同一个坩埚中进行熔炼与凝固成形，避免了熔体的一

15、次污染一次污染; ;p通过定向凝固得到的是柱状晶，减轻了晶界的不利影通过定向凝固得到的是柱状晶，减轻了晶界的不利影响。响。p由于定向凝固过程中的杂质分凝效应，对硅中平衡分由于定向凝固过程中的杂质分凝效应，对硅中平衡分凝系数远小于或大于凝系数远小于或大于1 1的杂质有一定的提纯作用。的杂质有一定的提纯作用。p多晶硅电磁感应加热连续铸造技术于多晶硅电磁感应加热连续铸造技术于1985年由年由Ciszek首先提出，而后在日本得到深入的研究，并将其成功首先提出，而后在日本得到深入的研究，并将其成功应用到工业生产中应用到工业生产中;p法国的法国的Francis Durand等人在等人在Photo-watt

16、公司的合作下公司的合作下，也于，也于1989年将此方法应用到太阳能电池用多晶硅的年将此方法应用到太阳能电池用多晶硅的生产制备中。生产制备中。pEMCP法的最大特点法的最大特点:综合了冷坩埚感应熔炼与连续铸综合了冷坩埚感应熔炼与连续铸造原理，集两者优点与一体；造原理，集两者优点与一体； p电磁感应加热连续铸造过程中，颗粒硅料经加料器以电磁感应加热连续铸造过程中，颗粒硅料经加料器以一定的速度连续进入坩埚熔体中，通过熔体预热及线一定的速度连续进入坩埚熔体中，通过熔体预热及线圈感应加热熔化，随下部硅锭一起向下抽拉凝固，从圈感应加热熔化，随下部硅锭一起向下抽拉凝固，从而实现过程的连续操作。而实现过程的连

17、续操作。p由于硅在低温下电阻不满足感应加热的条件，所以起由于硅在低温下电阻不满足感应加热的条件，所以起初坩埚底部加以石墨底托进行预热启熔。初坩埚底部加以石墨底托进行预热启熔。电磁感应加热连续铸电磁感应加热连续铸造造( EM CP)原理图原理图1.线圈线圈 2.坩埚坩埚3.石墨感应器石墨感应器 4.颗粒硅颗粒硅 5.氩气氩气6.水水7.真空泵真空泵 8.绝热套绝热套9.石墨底托石墨底托EMCPEMCP具有以下一些优点具有以下一些优点: :p感应熔炼过程中，熔体与坩埚无接触或软接触，有效感应熔炼过程中，熔体与坩埚无接触或软接触，有效避免了坩埚对熔体的污染，所得锭中各杂质含量基本避免了坩埚对熔体的污

18、染，所得锭中各杂质含量基本与原料相同，氧含量有所降低，铜略高与原料相同，氧含量有所降低，铜略高; ;p冷坩埚寿命长，可重复利用，有利于成本的降低冷坩埚寿命长，可重复利用，有利于成本的降低; ;p由于电磁力的搅拌作用及连续铸造，铸锭性能稳定、由于电磁力的搅拌作用及连续铸造，铸锭性能稳定、均匀，避免了常规浇注法过程中因杂质分凝导致的铸均匀，避免了常规浇注法过程中因杂质分凝导致的铸锭头尾质量较差、需切除的现象，材料利用率高锭头尾质量较差、需切除的现象，材料利用率高; ;p连续铸造有利于生产效率的提高，己达连续铸造有利于生产效率的提高，己达30 kg/ h30 kg/ h左右左右与此同时，与此同时，E

19、MCPEMCP法法也具有特有的一些缺陷也具有特有的一些缺陷: :p所得多晶硅锭晶粒较小，外围贴壁晶粒尺寸小于所得多晶硅锭晶粒较小，外围贴壁晶粒尺寸小于1mm1mm，中间部分稍大，但也仅中间部分稍大，但也仅1 12 mm ;2 mm ;p所得多晶硅晶内缺陷较多。所得多晶硅晶内缺陷较多。p由于其所制备的多晶硅所含杂质较少，而晶内缺陷却由于其所制备的多晶硅所含杂质较少，而晶内缺陷却较多，因而在此对电池转换效率影响最大的不是高的较多，因而在此对电池转换效率影响最大的不是高的杂质含量，而是晶内缺陷。杂质含量，而是晶内缺陷。p而晶内缺陷有一定的内除杂作用而晶内缺陷有一定的内除杂作用( (即杂质大多集中于缺

20、即杂质大多集中于缺陷附近陷附近) )，所以，常规的外除杂己无多大意义，为此，所以，常规的外除杂己无多大意义，为此，研究开发了钝化技术，以用来提高电池性能。研究开发了钝化技术，以用来提高电池性能。Raw siliconEleven-nines(purity 99.999999999%) silicon is used as a raw materialSUMCO- Electromagnetic casting method -2. Electromagnetic casting methodpRaw silicon is molten from high frequency induction

21、 heating using induction coils. The high frequency induction heating system allows an object to induce electric current using the same principle as an IH heater. pSince the electromagnetic force generated by the induction coil provides molten silicon with the force directed toward the center, the li

22、quid silicon can maintain high purity without making contact with the crucible.p By lowering the ingot slowly, the liquid silicon cools gradually and crystallizes3. Square multi-crystalline silicon ingotsThe ingot manufactured by the electromagnetic casting method is the largest silicon crystal for

23、solar cells in the world with a length of 7,000 mm冷坩埚连续定向熔铸多晶硅照片冷坩埚连续定向熔铸多晶硅照片多晶硅片加工流程及装备多晶硅片加工流程及装备 多晶硅片加工的具体流程如下多晶硅片加工的具体流程如下: :装料装料- -熔化熔化- -定向生长定向生长- -冷却凝固冷却凝固-Si-Si锭出炉锭出炉- -破锭破锭- -多线切多线切割割-Si-Si片清洗片清洗- -包装。包装。多晶硅片加工的具体流程多晶硅片加工的具体流程所对应的装备有所对应的装备有: :p用于石英坩埚内喷涂氮化硅粉的喷涂设备用于石英坩埚内喷涂氮化硅粉的喷涂设备p喷涂后烘干固化的坩

24、埚烧结设备喷涂后烘干固化的坩埚烧结设备p多晶硅定向生长的多晶硅铸锭炉多晶硅定向生长的多晶硅铸锭炉p将将SiSi锭剖解成所需尺寸方形多晶硅柱的剖锭机锭剖解成所需尺寸方形多晶硅柱的剖锭机p将将SiSi柱切割成柱切割成SiSi片的多线切割机片的多线切割机pSiSi片清洗机等。片清洗机等。单晶和多晶制备方法的优劣比较单晶和多晶制备方法的优劣比较坩埚喷涂坩埚喷涂p目的：在石英坩埚内壁表面进行氮化硅喷涂，防止在目的：在石英坩埚内壁表面进行氮化硅喷涂，防止在铸锭时硅液与坩埚壁直接接触发生粘连。铸锭时硅液与坩埚壁直接接触发生粘连。p喷枪调试范围：氮化硅通过喷枪喷射宽度为喷枪调试范围：氮化硅通过喷枪喷射宽度为4

25、-6cm4-6cm。p重新喷涂坩埚时，将有问题的坩埚放在加热器上，将重新喷涂坩埚时，将有问题的坩埚放在加热器上，将坩埚的温度加热到坩埚的温度加热到40-5040-50。p称取氮化硅粉末，通过称取氮化硅粉末，通过100-200100-200目尼龙纱网过滤氮化硅目尼龙纱网过滤氮化硅粉。粉。p检查坩埚检查坩埚坩埚预热坩埚预热配制氮化硅粉配制氮化硅粉加热纯水加热纯水搅搅拌氮化硅液体拌氮化硅液体喷涂作业喷涂作业p注意：穿好连体防护服，穿好鞋套，戴好纱布手套、注意：穿好连体防护服，穿好鞋套，戴好纱布手套、乳胶手套、防护眼镜。乳胶手套、防护眼镜。p坩埚烧结前，需检查坩埚涂层的质量，是否有脱粉、坩埚烧结前，需

26、检查坩埚涂层的质量，是否有脱粉、裂纹等。裂纹等。p检查坩埚涂层检查坩埚涂层摆放坩埚摆放坩埚检查程序检查程序启动烧结启动烧结p烧结好的坩埚要尽快装料、投炉，烧结好的坩埚在炉烧结好的坩埚要尽快装料、投炉，烧结好的坩埚在炉子外的保存时间为子外的保存时间为6 6小时。小时。 p烧结程序结束后，待炉内温度降至烧结程序结束后，待炉内温度降至100100以下时，即可以下时，即可取出。取出。坩埚喷涂台坩埚喷涂台坩埚喷枪设备坩埚喷枪设备坩埚烧结炉坩埚烧结炉多晶硅铸锭过程中出现的粘埚现象多晶硅铸锭过程中出现的粘埚现象p在坩埚内壁涂在坩埚内壁涂Si3N4膜层。采用这种坩埚可以十分有效膜层。采用这种坩埚可以十分有效地

27、降低来自坩埚杂质的玷污。地降低来自坩埚杂质的玷污。 Kishore等研究了使用等研究了使用Si3N4涂层后氧、碳浓度的变化，发现多晶硅中的氧、涂层后氧、碳浓度的变化，发现多晶硅中的氧、碳浓度都降低了。同时，使用碳浓度都降低了。同时，使用Si3N4涂层后熔液和坩埚涂层后熔液和坩埚内壁不粘结，这样既可以降低应力又能够多次使用坩内壁不粘结，这样既可以降低应力又能够多次使用坩埚，从而降低了成本。埚，从而降低了成本。p1.1.装料装料: :将清洗后的或免洗的将清洗后的或免洗的SiSi料装入喷有氮化硅的涂料装入喷有氮化硅的涂层的石英坩埚内，整体放置在定向凝固块上，下炉罩层的石英坩埚内，整体放置在定向凝固块

28、上，下炉罩上升与上炉罩合拢，抽真空，并通入氩气作为保护气上升与上炉罩合拢，抽真空，并通入氩气作为保护气体，炉内压力大致保持在体，炉内压力大致保持在4 46 610104 4PaPa左右左右; ;p2.2.加热加热: :利用均布于四周的石墨加热器按设定的速率缓利用均布于四周的石墨加热器按设定的速率缓慢加热，去除炉内设施及慢加热，去除炉内设施及SiSi料表面吸附的湿气等料表面吸附的湿气等; ;p3.3.熔化熔化: :增大加热功率，使炉内温度达到增大加热功率，使炉内温度达到15401540左右的左右的SiSi料熔化温度并保持至料熔化温度并保持至SiSi料完全熔化料完全熔化; ;多晶硅片的典型生产工艺

29、如下多晶硅片的典型生产工艺如下:p4.4.长晶长晶:Si:Si料熔化结束后，适当减小加热功率，工作区料熔化结束后，适当减小加热功率，工作区温度降至温度降至14301430左右的左右的SiSi熔点温度，缓慢提升隔热笼熔点温度，缓慢提升隔热笼，使石英坩埚底部的定向凝固块慢慢露出加热区，形，使石英坩埚底部的定向凝固块慢慢露出加热区，形成垂直方向的大于成垂直方向的大于00的温度梯度，坩埚中的温度梯度，坩埚中SiSi的温度自的温度自底部开始降低并形成固液界而，多晶开始在底部形成底部开始降低并形成固液界而，多晶开始在底部形成，随着隔热笼的提升，水平的固液界而也逐渐上升，随着隔热笼的提升，水平的固液界而也逐

30、渐上升，多晶硅呈柱状向上生长，生长过程中需要尽量保持水多晶硅呈柱状向上生长，生长过程中需要尽量保持水平方向的零温度梯度，直至晶体生长完成，该过程视平方向的零温度梯度，直至晶体生长完成，该过程视装料的多少而定，约需要装料的多少而定，约需要202030h ;30h ;p5.退火退火:长晶完成后，由于坩埚中长晶完成后，由于坩埚中Si料的上部和下部存料的上部和下部存在较大的温差，这时的多晶硅锭会存在定的热应力，在较大的温差，这时的多晶硅锭会存在定的热应力，容易在后道剖锭、切片和电池制造过程中碎裂，因此容易在后道剖锭、切片和电池制造过程中碎裂，因此，长晶后应保温在，长晶后应保温在Si熔点附近段时间以使整

31、个晶锭的熔点附近段时间以使整个晶锭的温度逐渐均匀，减少或消除热应力温度逐渐均匀，减少或消除热应力;p6.冷却冷却:退火后，加热器停止加热并通入大流量氩气，退火后，加热器停止加热并通入大流量氩气，使炉内温度逐渐降低，气压逐渐回升直至达到大气压使炉内温度逐渐降低，气压逐渐回升直至达到大气压及容许的出锭温度及容许的出锭温度;p7.出锭出锭:降低下炉罩，露出固定其上的坩埚，用专用的降低下炉罩，露出固定其上的坩埚，用专用的装卸料叉车将坩埚叉出装卸料叉车将坩埚叉出;p8.破锭破锭:利用剖锭机将多晶硅锭上易吸收杂质的上下表利用剖锭机将多晶硅锭上易吸收杂质的上下表而及周边切除，按所需而及周边切除，按所需Si片

32、尺寸片尺寸(如如125125mm规格规格或或156156mm规格规格)切割成均匀的方形切割成均匀的方形Si柱柱;p9.切片切片:用多线切割机将方形用多线切割机将方形Si柱切割成厚度为柱切割成厚度为220mm左右的多晶硅片左右的多晶硅片;p10.清洗、包装清洗、包装:清洗切好的清洗切好的Si片以去除切削液及表而的片以去除切削液及表而的其他残余物，烘干后包装待用，工艺其他残余物，烘干后包装待用，工艺结束结束。 p装料时，先把粒子状、粉末状或片状的硅料轻轻铺好底装料时，先把粒子状、粉末状或片状的硅料轻轻铺好底部，原因是避免刮破氮化硅涂层部，原因是避免刮破氮化硅涂层p多晶装料所需物料：各种硅料、母合金

33、、烧结好的石英多晶装料所需物料：各种硅料、母合金、烧结好的石英坩埚。坩埚。p装料过程注意防尘，不接触金属，轻拿轻放，不碰坏喷装料过程注意防尘，不接触金属，轻拿轻放，不碰坏喷涂层。涂层。环境要求：空气湿度环境要求：空气湿度50% ；环境温度；环境温度2028 。装料工艺流程：装料工艺流程：p硅料核计硅料核计检查坩埚涂层检查坩埚涂层装料装料装石墨护板装石墨护板紧固护紧固护板板p多晶硅片的生产的核心设备为大容量多晶硅铸锭炉，多晶硅片的生产的核心设备为大容量多晶硅铸锭炉，由罐状炉体、加热器、装载及隔热笼升降机构、送气由罐状炉体、加热器、装载及隔热笼升降机构、送气及水冷系统、控制系统和安全保护系统组成。

34、及水冷系统、控制系统和安全保护系统组成。p多晶硅铸锭炉的关键设计技术有多晶硅铸锭炉的关键设计技术有: :方便形成竖直温度梯方便形成竖直温度梯度的热场设计技术、隔热笼同步提升技术、石墨与铜度的热场设计技术、隔热笼同步提升技术、石墨与铜电极异质材料连接提高加热器寿命技术、防电极异质材料连接提高加热器寿命技术、防SiSi液泄漏液泄漏等安全性设计技术、高温耐材连接节能技术等。等安全性设计技术、高温耐材连接节能技术等。其技术发展将朝着以下几方而进行，其技术发展将朝着以下几方而进行，p一是提高单炉产量，进步降低多晶硅片生产成本一是提高单炉产量，进步降低多晶硅片生产成本; ;p二是优化改进工艺，提高产能、生

35、产合格率和二是优化改进工艺，提高产能、生产合格率和SiSi锭质锭质量量; ;p三是创新温区设计，提高原料回收及再利用率三是创新温区设计，提高原料回收及再利用率; ;p四是节能，进步降低单位生产能耗。四是节能，进步降低单位生产能耗。GT-DSS450 的特点与优点的特点与优点底部装料令操作更加简单安全底部装料令操作更加简单安全 标准化夹层模块可确保安装方便快捷标准化夹层模块可确保安装方便快捷生产高效电池片的材料生产高效电池片的材料产能：产能： 6.2 兆瓦，兆瓦，156 mm 电池片，电池片，15.5% 效率效率硅锭尺寸：硅锭尺寸： 84 厘米厘米 x 84 厘米厘米硅锭重量：硅锭重量： 大于大

36、于 400 千克千克 全自动工艺步骤全自动工艺步骤 保证硅锭质量保证硅锭质量高效电源可节省电力资源高效电源可节省电力资源CE 认证（欧洲电气标准）认证（欧洲电气标准）JZDL-450 硅锭重量：硅锭重量：450kg450kg坩埚尺寸（宽坩埚尺寸（宽长长高）：高）：877877877877420 mm420 mm硅锭尺寸（宽硅锭尺寸（宽长长高）：高）：840840840840270 mm270 mm石墨电阻加热，加热功率：石墨电阻加热，加热功率：165165（240240）KVAKVA最高加热温度：最高加热温度：16001600全过程自动化控制，循环时间：全过程自动化控制，循环时间：50hr50

37、hr定向凝固运动行程：定向凝固运动行程：380 mm380 mm下炉室运动行程：下炉室运动行程：900 mm900 mm设备占地参考（宽设备占地参考（宽长长高）：高）：47604760495049505100 mm5100 mmJZDL-450 北京京运通科技股份有限公司 VGF 632/732 Si多晶硅铸锭炉多晶硅铸锭炉特点特点通过热区六面加热实现高效率，缩短熔化周期通过热区六面加热实现高效率，缩短熔化周期；底部装料系统方便快捷，易于操作和维修；底部装料系统方便快捷，易于操作和维修；垂直梯度定向结晶工艺时对加热器的温度进行垂直梯度定向结晶工艺时对加热器的温度进行精确控制从而保证出色的产品质

38、量；精确控制从而保证出色的产品质量；全自动工艺控制，根据不同的原料质量预先选全自动工艺控制，根据不同的原料质量预先选择加热菜单；提供为优化工艺而进行的可选配置择加热菜单；提供为优化工艺而进行的可选配置的升级；的升级；技术参数技术参数坩锅尺寸（宽坩锅尺寸（宽 x 长长 x 高）高）720mm x 720mm x420mm，选项：，选项：840 x840 x420（JUMBO）；）；硅锭质量硅锭质量 250 Kg (390Kg)；工作温度：最高工作温度：最高1550 C功率：功率：220 KVA （330 KVA），），400V / 3 Ph / 50 Hz；设备占地设备占地 (宽宽 x 长长 x

39、 高高)：4500mm x 4000mm x 4500mm；多晶硅铸锭炉结构多晶硅铸锭炉结构国外多晶硅铸锭设备现状国外多晶硅铸锭设备现状p国际上从事多晶硅铸锭炉生产的企业主要有最早进入国际上从事多晶硅铸锭炉生产的企业主要有最早进入中国市场的中国市场的美国美国GT-SolarGT-Solar公司公司，其设备在中国的保有，其设备在中国的保有量也最大，目前主要生产量也最大，目前主要生产450kg/450kg/炉规格的设备炉规格的设备; ;p德国德国ALDALD真空技术公司真空技术公司（ALD Vacuum Technologies ALD Vacuum Technologies GmbHGmbH）生

40、厂）生厂400kg/400kg/炉规格的设备，开始小批量进入中炉规格的设备，开始小批量进入中国国; ;p英国的英国的Crystalox LimitedCrystalox Limited公司公司，生产，生产275kg/275kg/炉规格的炉规格的设备设备; ;国外多晶硅铸锭设备现状国外多晶硅铸锭设备现状p挪威的挪威的ScanwaferScanwafer公司公司，生产的铸锭炉设备可同时生产，生产的铸锭炉设备可同时生产4 4锭（锭（8008001000kg/1000kg/炉炉) )，相关的产品专利非常多，但，相关的产品专利非常多，但是一般不对外销售是一般不对外销售; ;p法国的法国的ECMECM公司

41、公司，其设备的加热器为三温区设计，可较，其设备的加热器为三温区设计，可较好地提高好地提高SiSi料再利用率。料再利用率。多晶硅铸锭炉设备组成多晶硅铸锭炉设备组成抽真空系统抽真空系统p抽真空系统是保持硅锭在真空下，进行一系列处理，抽真空系统是保持硅锭在真空下，进行一系列处理，要求在不同的状态下，保持炉内真空压力控制在一定要求在不同的状态下，保持炉内真空压力控制在一定范围内。这就要求真空系统既有抽真空设备，同时还范围内。这就要求真空系统既有抽真空设备，同时还有很灵敏的压力检测控制装置。保证硅锭在生长过程有很灵敏的压力检测控制装置。保证硅锭在生长过程中，处于良好的气氛中。中，处于良好的气氛中。p抽真

42、空系统由机械泵和罗茨泵、比例阀旁路抽气系统抽真空系统由机械泵和罗茨泵、比例阀旁路抽气系统组成。组成。多晶硅铸锭炉设备组成多晶硅铸锭炉设备组成加热系统加热系统p加热系统是保持工艺要求的关键，采用发热体加热，加热系统是保持工艺要求的关键，采用发热体加热，由中央控制器控制发热体，并可保证恒定温场内温度由中央控制器控制发热体，并可保证恒定温场内温度可按设定值变化可按设定值变化; ;同时控制温度在一精度范围内。完成同时控制温度在一精度范围内。完成硅锭在长晶过程中对温度的精确要求。硅锭在长晶过程中对温度的精确要求。测温系统测温系统p测温系统是检测炉内硅锭在长晶过程中温度的变化，测温系统是检测炉内硅锭在长晶

43、过程中温度的变化，给硅锭长晶状况实时分析判断系统提供数据，以便使给硅锭长晶状况实时分析判断系统提供数据，以便使长晶状况实时分析判断系统随时调整长晶参数，使这长晶状况实时分析判断系统随时调整长晶参数，使这一过程处于良好状态。一过程处于良好状态。多晶硅铸锭炉设备组成多晶硅铸锭炉设备组成保温层升降系统保温层升降系统p保温层升降机构是保证硅锭在长晶过程中，保持良好保温层升降机构是保证硅锭在长晶过程中，保持良好的长晶速度，它是通过精密机械升降系统，并配备精的长晶速度，它是通过精密机械升降系统，并配备精确的位置、速度控制系统来实现。确的位置、速度控制系统来实现。压力控制系统压力控制系统p压力控制系统主要保

44、证炉内硅锭在生长过程中，在一压力控制系统主要保证炉内硅锭在生长过程中，在一特定时间段内，压力根据工艺要求保持在一压力下。特定时间段内，压力根据工艺要求保持在一压力下。它由长晶状况实时分析判断系统来控制。它由长晶状况实时分析判断系统来控制。多晶硅铸锭炉设备组成多晶硅铸锭炉设备组成其它辅助系统其它辅助系统p(1)(1)熔化及长晶结束自动判断系统熔化及长晶结束自动判断系统: :通过测量装置检测通过测量装置检测硅料状态，自动判断硅料的状态，为控制系统提供数硅料状态，自动判断硅料的状态，为控制系统提供数据，实时判断控制长晶。据，实时判断控制长晶。p(2)(2)系统故障诊断及报警系统系统故障诊断及报警系统

45、: :为了保证系统长时间可为了保证系统长时间可靠运行，系统提供了系统故障自诊断功能，采用人机靠运行，系统提供了系统故障自诊断功能，采用人机对话方式，帮助使用者发现故障，及时排除故障，为对话方式，帮助使用者发现故障，及时排除故障，为设备安全可靠的运行提供了安全保障。设备安全可靠的运行提供了安全保障。温度梯度温度梯度(GL)p太阳能电池硅锭定向凝固的前提条件就是在固太阳能电池硅锭定向凝固的前提条件就是在固-液界液界面前沿建立必要的温度梯度，也就是要求面前沿建立必要的温度梯度，也就是要求GL 0，温，温度梯度的大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。度梯度的大小直接影响晶体生长速率和晶体质量。p将凝固速

46、率当成热量在一维空间的传热，这里有热传将凝固速率当成热量在一维空间的传热，这里有热传导方程导方程:设坩埚在横向是等截面，那么在公式设坩埚在横向是等截面，那么在公式(3)(3)中中: :R R为凝固速率为凝固速率; ;L L为生长单位质量晶体所放出的结晶潜热为生长单位质量晶体所放出的结晶潜热; ;m m为熔点附近熔体密度为熔点附近熔体密度; ;s s和和L L分别为晶体和熔体的导热系数分别为晶体和熔体的导热系数; ;G Gs s和和G GL L分别为固相和液相的温度梯度。分别为固相和液相的温度梯度。p设设s s和和L L为为常数，则在凝固速率为为常数，则在凝固速率R一定时，一定时， G Gs s

47、和和G GL L成正比。成正比。p通过增大通过增大Gs s来增强固相的散热强度，是获得大来增强固相的散热强度，是获得大GL L的重的重要途径，同时，这样也会使凝固速率增大要途径，同时，这样也会使凝固速率增大。p在实际定向凝固中常用提高固在实际定向凝固中常用提高固-液界面前沿的液相温度液界面前沿的液相温度来达到提高来达到提高GL L的目的。的目的。SSmLLLGL RGp但并非但并非GL越大越好，熔体温度过高，会导致熔体挥发越大越好，熔体温度过高，会导致熔体挥发、分解以及受到污染，从而影响晶体的质量。而固相、分解以及受到污染，从而影响晶体的质量。而固相的温度梯度的温度梯度Gs过大，会使生长着的晶

48、体产生很大的热过大，会使生长着的晶体产生很大的热应力，甚至是晶体开裂。应力，甚至是晶体开裂。p铸造多晶硅在生长时，生长系统必须很好地隔热，以铸造多晶硅在生长时，生长系统必须很好地隔热，以便保持熔区温度的均匀性，没有较大的温度梯度出现便保持熔区温度的均匀性，没有较大的温度梯度出现;同时，保证在晶体部分凝固、熔体体积减小后，温度同时，保证在晶体部分凝固、熔体体积减小后，温度没有变化。没有变化。凝固速率凝固速率(R)(R)p影响温度梯度的因素，除了热场本身的设计外，冷却影响温度梯度的因素，除了热场本身的设计外，冷却速率起决定性的作用。速率起决定性的作用。p通常晶体的生长速率越快，生产效率越高，但其温

49、度通常晶体的生长速率越快，生产效率越高，但其温度梯度也越大，最终导致热应力越大，而高的热应力会梯度也越大，最终导致热应力越大，而高的热应力会导致高密度的位错，严重影响材料的质量。导致高密度的位错，严重影响材料的质量。p因此既要保持一定的晶体生长速率因此既要保持一定的晶体生长速率; ;又要保持尽量小的又要保持尽量小的温度梯度，降低热应力并减少晶体中的缺陷。温度梯度，降低热应力并减少晶体中的缺陷。凝固速率凝固速率(R)(R)p通常，在晶体生长初期，晶体生长速率尽量的小，以通常，在晶体生长初期，晶体生长速率尽量的小，以使温度梯度尽量的小，来保证晶体以最小的缺陷密度使温度梯度尽量的小，来保证晶体以最小

50、的缺陷密度生长生长; ;p然后，在可以保持晶体固然后，在可以保持晶体固- -液界面平直和温度梯度尽液界面平直和温度梯度尽量小的情况下，尽量的高速生长以提高生产效率。量小的情况下，尽量的高速生长以提高生产效率。p由于制造铸造多由于制造铸造多晶晶硅的原料主要为微电子工业剩下的硅的原料主要为微电子工业剩下的头尾料，所以其体内的杂质含量很高。头尾料，所以其体内的杂质含量很高。p其次，铸造过程中产生大量的应力，可能导致大量位其次，铸造过程中产生大量的应力，可能导致大量位错产生还有，采用这种工艺，坩埚只能用一次，生产错产生还有，采用这种工艺，坩埚只能用一次，生产成本增加。成本增加。铸造多晶硅中杂质的大致含

51、量铸造多晶硅中杂质的大致含量铸造多晶硅中的杂质和缺陷及改善工艺铸造多晶硅中的杂质和缺陷及改善工艺铸造多晶硅的原料来自半导体工业剩下的头尾料，再加铸造多晶硅的原料来自半导体工业剩下的头尾料，再加上来自坩埚的玷污。所以杂质的含量明显高于单晶硅上来自坩埚的玷污。所以杂质的含量明显高于单晶硅材料。显著地降低多晶硅材料的电学性能。材料。显著地降低多晶硅材料的电学性能。 多晶硅中的杂质多晶硅中的杂质p(1)(1)多晶硅中的氧多晶硅中的氧p(2)(2)多晶硅中的碳多晶硅中的碳p(3)(3)多晶硅中的过渡族金属元素多晶硅中的过渡族金属元素p氧是多晶硅中的一种非常重要的杂质，它主要来自于氧是多晶硅中的一种非常重

52、要的杂质，它主要来自于石英坩埚的玷污石英坩埚的玷污。在硅的熔点温度下，硅和二氧化硅。在硅的熔点温度下，硅和二氧化硅发生如下反应发生如下反应:Si+SiO22SiOp一部分一部分SiO从熔液表面挥发掉，其余的从熔液表面挥发掉，其余的SiO在熔液里分在熔液里分解，反应如下解，反应如下:SiOSi+Op石英坩埚由石墨材料支承，石英与石墨发生反应，形成石英坩埚由石墨材料支承，石英与石墨发生反应，形成COCO而进入炉内气氛而进入炉内气氛,CO,CO亦会与亦会与SiSi熔体作用而使氧和碳进入熔体作用而使氧和碳进入SiSi。p氧在硅熔体中的传输受到许多因素的影响，如水平对流、氧在硅熔体中的传输受到许多因素的

53、影响，如水平对流、扩散、熔体表面蒸发、坩埚污染和硅锭生长速度等，但主扩散、熔体表面蒸发、坩埚污染和硅锭生长速度等，但主要还是依赖于热流，氧在硅熔体中的分凝系数通常被认为要还是依赖于热流，氧在硅熔体中的分凝系数通常被认为是大于是大于1 1，在凝固过程中分凝机制对于氧在硅中的传递和分，在凝固过程中分凝机制对于氧在硅中的传递和分布起着重要作用，布起着重要作用，凝固后从硅锭底部向头部氧浓度逐渐降凝固后从硅锭底部向头部氧浓度逐渐降低，侧部由于与坩埚接触，氧含量也相对较高。低，侧部由于与坩埚接触，氧含量也相对较高。p虽然低于溶解度的间隙氧并不显电学活性，但是当间虽然低于溶解度的间隙氧并不显电学活性，但是当

54、间隙氧的浓度高于其溶解度时，就会有热施主、新施主隙氧的浓度高于其溶解度时，就会有热施主、新施主和氧沉淀生成，进一步产生位错、层错，从而成为少和氧沉淀生成，进一步产生位错、层错，从而成为少数载流子的复合中心。数载流子的复合中心。p在多晶硅吸杂时发现，当间隙氧的浓度低于在多晶硅吸杂时发现，当间隙氧的浓度低于71017时时，磷吸杂效果十分显著，磷吸杂效果十分显著;相反高于此浓度时，吸杂效果相反高于此浓度时，吸杂效果不明显甚至更差。不明显甚至更差。p碳主要来源于石墨坩埚或石墨托的玷污。在硅锭的生碳主要来源于石墨坩埚或石墨托的玷污。在硅锭的生长过程中反应产生长过程中反应产生CO,CO与硅熔体表面接触并溶

55、解。与硅熔体表面接触并溶解。p处于替代位置的碳对材料的电学性能并无影响，但是处于替代位置的碳对材料的电学性能并无影响，但是当碳的浓度超过其溶解度很多时，就会有当碳的浓度超过其溶解度很多时，就会有SiC沉淀生成沉淀生成，诱生缺陷，导致材料的电学性能变差。近年来的一，诱生缺陷，导致材料的电学性能变差。近年来的一些研究还表明，在多晶硅中还易产生尺寸较大的些研究还表明，在多晶硅中还易产生尺寸较大的SiC团团块，往往与棒状的块，往往与棒状的Si3N4,结合在一起形成硬质夹杂，结合在一起形成硬质夹杂，从而影响硅锭的切割。从而影响硅锭的切割。p在快速热处理时，在快速热处理时，Al-P共同吸杂效果明显依赖于碳

56、的共同吸杂效果明显依赖于碳的浓度。同氧一样，碳在多晶硅中的行为十分复杂，有浓度。同氧一样，碳在多晶硅中的行为十分复杂，有关它们对材料电学性能的影响，需要进一步的研究。关它们对材料电学性能的影响，需要进一步的研究。p硅中的碳元素来源也有两个，一个是金属硅中所带来硅中的碳元素来源也有两个，一个是金属硅中所带来的。如果金属硅吹氧不充分，可能会将一些碳元素带的。如果金属硅吹氧不充分，可能会将一些碳元素带入硅中，另外，在多晶硅和单晶硅炉中，由于通常采入硅中，另外，在多晶硅和单晶硅炉中，由于通常采用石墨加热件和碳毡保温体，因此在高温下会有碳蒸用石墨加热件和碳毡保温体，因此在高温下会有碳蒸汽的挥发进入到硅中

57、，也会增加硅中的碳含量。汽的挥发进入到硅中，也会增加硅中的碳含量。p但由于碳的分凝系数只有但由于碳的分凝系数只有0.070.07，因此，在定向凝固时，因此，在定向凝固时，碳将聚集在硅锭的顶部，或单晶硅坩埚的锅底碳将聚集在硅锭的顶部，或单晶硅坩埚的锅底。p碳也是碳也是IVIV族元素，与硅同族，因此，族元素，与硅同族，因此，C C在硅中不会产生在硅中不会产生施主或受主效应。不过，碳的存在也会对硅的性质造施主或受主效应。不过，碳的存在也会对硅的性质造成影响。成影响。 p通常，在直拉单晶和多晶硅铸锭的时候，碳自身时很难通常，在直拉单晶和多晶硅铸锭的时候，碳自身时很难形成沉淀的，也很难与氧生成氧沉淀或碳

58、氧复合体。形成沉淀的，也很难与氧生成氧沉淀或碳氧复合体。p但是，如果在从高温到低温又向高温进行退火处理的时但是，如果在从高温到低温又向高温进行退火处理的时候，则硅中的碳浓度和氧浓度同时发生变化，因此，推候，则硅中的碳浓度和氧浓度同时发生变化，因此，推测在退火过程中，碳氧将发生复合，或促进氧沉淀的生测在退火过程中，碳氧将发生复合，或促进氧沉淀的生成，因为碳原子往往能够成为氧沉淀的核心，形成原生成，因为碳原子往往能够成为氧沉淀的核心，形成原生氧沉淀。但这种沉淀是不稳定的，在高温下，又会溶解氧沉淀。但这种沉淀是不稳定的，在高温下，又会溶解，导碳氧浓度又上升。，导碳氧浓度又上升。 p虽然有理论认为碳原

59、子因原子半径小，容易造成晶格虽然有理论认为碳原子因原子半径小，容易造成晶格畸变，造成氧原子在附近偏聚而形成氧沉淀的异质核畸变，造成氧原子在附近偏聚而形成氧沉淀的异质核心，从而对材料产生正面的影响。心，从而对材料产生正面的影响。p但如果碳过多的话，将会与硅反应，产生一定数量的但如果碳过多的话，将会与硅反应，产生一定数量的碳化硅，碳化硅沉淀导致晶格位错，形成深能级载流碳化硅，碳化硅沉淀导致晶格位错，形成深能级载流子复合中心，从而影响少子寿命。这个负面影响可能子复合中心，从而影响少子寿命。这个负面影响可能要比碳原子单质的正面影响要大得多。要比碳原子单质的正面影响要大得多。p硅中的氮元素的存在，好像是

60、好处多于坏处。氮能够硅中的氮元素的存在，好像是好处多于坏处。氮能够增加硅材料的机械强度，抑制微缺陷，促进氧沉淀。增加硅材料的机械强度，抑制微缺陷，促进氧沉淀。浙江大学国家硅材料重点实验室的阙端麟先生首创氮浙江大学国家硅材料重点实验室的阙端麟先生首创氮气氛下拉单晶，就是利用氮的这些优点的。气氛下拉单晶，就是利用氮的这些优点的。p但是，在物理法多晶硅的生产过程中，由于不少是采但是，在物理法多晶硅的生产过程中，由于不少是采用氮气保护，而且坩埚涂层里面的氮化硅在高温下也用氮气保护，而且坩埚涂层里面的氮化硅在高温下也会部分与硅反应，或者氮化硅颗粒直接进入硅液中，会部分与硅反应，或者氮化硅颗粒直接进入硅液