硅片制备-多晶硅铸锭炉和单晶炉2课件

二、多晶硅铸锭炉

1.多晶硅锭生长方法根据生长方法的不同，多晶硅可分为等轴晶、柱状晶。通常在热过冷及自由凝固的情况下会形成等轴晶，其特点是晶粒细，机械物理性能各向同性。如果在凝固过程中控制液固界面的温度梯度，形成单方向热流，实行可控的定向凝固，则可形成物理机械性能各向异性的多晶柱状晶，太阳电池多晶硅锭就是采用这种定向凝固的方法生产的。在实际生产中，太阳电池多晶硅锭的定向凝固生长方法主要有浇铸法、热交换法（HEM）、布里曼（Bridgeman）法、电磁铸锭法，其中热交换法与布里曼法通常结合在一起。1.1浇铸法浇铸法将熔炼及凝固分开，熔炼在一个石英砂炉衬的感应炉中进行，熔融的硅液浇入一个石墨模型中，石墨模型置于一个升降台上，周围用电阻加热，然后以1mm/min的速度下降。特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行，从图中可以看出，这种生产方法可以实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方，可以有效提高生产效率，降低能源消耗。缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚，会导致二次污染，此外因为有坩埚翻转机构及引锭机构，使得其结构相对较复杂。1.2热交换法及布里曼法热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中（避免了二次污染），其中热交换法是将硅料在坩埚中熔化后，在坩埚底部通冷却水或冷气体，在底部进行热量交换，形成温度梯度，促使晶体定向生长。下图为一个使用热交换法的结晶炉示意图。该炉型采用顶底加热，在熔化过程中，底部用一个可移动的热开关绝热，结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷却台带走，从而形成温度梯度。下图为一个热交换法与布里曼法相结合的结晶炉示意图。图中，工作台通冷却水，上置一个热开关，坩埚则位于热开关上。硅料熔融时，热开关关闭，结晶时打开，将坩埚底部的热量通过工作台内的冷却水带走，形成温度梯度。同时坩埚工作台缓慢下降，使凝固好的硅锭离开加热区，维持固液界面有一个比较稳定的温度梯度，在这个过程中，要求工作台下降非常平稳，以保证获得平面前沿定向凝固。1.3电磁铸锭法法(EMC或者EMCP法）利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅原料。这种熔化和凝固技术可以在不同的部位同时进行，节约时间。而且，熔体和坩埚不直接接触，既没有坩埚的消耗，又减少了杂质的污染，特别是氧浓度和金属杂质大幅降低，另外，该技术还可以连续浇铸。不仅如此，由于电磁力对硅熔体搅拌作用，使得掺杂剂在硅熔体中的分布能更均匀，是种很有前途的铸造多晶硅技术。但这种技术生长的多晶硅的晶粒比较细小(约为3—5mm)、大小不均。且生长时固液界面是严重的凹型，会引入较多的晶体缺陷。因此，制备的多晶硅的少数载流子寿命较低，所制的太阳能电池效率也低。HEM/DSS:dominatingprocess,PourCasting:Bridgeman:ElectromagneticCasting:continuousprocess,limitedingotsize,操作原理DSS（定向固化系统）能生产较大尺寸的，优质的多晶硅锭（用于光伏工业领域）。DSS的生产量很大，能在不到50个小时的时间内生产出270kg的硅锭。在长晶期间，只有一个部件在运动，这样的设计极大地简化了操作，减小了操作的复杂性。尤其注意降低一些消耗件（例如加热器，隔热层元件）的成本，从而降低了炉子长期运行的成本。内涂SiN的坩埚装入多晶硅料后放在导热性很强的石墨块上（即所谓的定向固化块或者DS块）。关闭炉子后排气，接通加热器电源融化硅料数小时以上。坩埚的四个竖直边都围有石墨加热器，DS-Block，坩埚四周围有隔热层。隔热层的竖直边能上下移动以便露出DS-Block的边缘，使热量辐射到下腔室的水冷四壁上。水冷却DS-Block后再返回来冷却坩埚底部，从而使坩埚内的熔融硅周围形成了一个竖直温度梯度。这个梯度使坩埚内的硅料从底部开始凝固，从熔体底部向顶部开始长晶。当所有的硅料都凝固后，在程序的控制下，硅锭需要经过退火，冷却处理以免破裂且能将（晶格）位移降到最小限度。炉子的操作

一般情况下，DSS炉能在全自动模式下运行，几乎不需要操作工的干预。操作工只负责装硅料，出锭，确认长晶阶段的设置是否正确，输入的操作参数是否正确，定期检查操作工控制盘上显示的输出值和