下一代硅片技术和发展趋势

下一代硅片技术和发展趋势张辉－清华大学工程物理系郑丽丽–清华大学航天航空学院第七届中国太阳级硅及光伏发电研讨会（CSPV7）2011年7月4-6日第一代铸锭技术硅液在坩埚或无坩埚状态下凝固。热流从侧面和底部同时流出。晶向中间部分垂直向上，边部水平或偏垂直方向。界面不可控。Solarex曾是最大太阳能硅公司，后被bp收购变为bpsolar美国，去年关闭。EMC硅片可以制成高效电池，如京瓷可以把EMC电池效率做到18.5%（背电池工艺）美国GTDSS450HP/DSS650（G5）德国ALDSCU450/SCU800绍兴精功JJL500/JJL660/JJL800（G6）北京京运通JZ460/JZ660（G6）第二代铸锭技术法国Cyberstar650/800硅铸锭：工艺实现（JJL500为例）原理:移动下绝热板，通过开口与冷壁热交换通过增大开口或降低加热器功率产生定向凝固要求：界面平或微凸，液相温梯较大，液硅流动强（多晶铸锭），杂质少，应力低。关键技术：温度梯度及凝固速度控制(TC1及开口工艺)、界面形状(炉子设计)、成核或单晶控制(晶粒、晶相)、流动控制(碳污染)各种硅铸锭提隔热绒通过辐射降温凝固DSS450/650，JZ460/660通过内设冷源进行冷却凝固没有运动部件SCU450/800降下挡板通过辐射降温凝固JJL500/660/800另外：欧美日厂家如REC（ALD改进型），SchottSolar（VGF），京瓷（VGF类型）都有专门设计的炉子，效果很好。设计优点：炉子高度低，热冷区分开，顶部预留气路控制空间，底部可以做成核控制或进行单晶铸锭设计优点：炉子小，热冷区分开，底部可以做成核控制或进行单晶铸锭加热器绝热材料热交换台护板坩锅硅液固体硅绝热材料热交换台护板坩锅硅液固体硅化料加热，凝固降温冷却加热器绝热材料热交换台护板坩锅硅液固体硅设计优点：顶盖气路控制，可开炉进行单晶铸锭第二代多晶铸锭技术特点第二代炉子的特点包括：底部大热交换台（被动式的）。热流从底部排出。其中包括HEM方法，DSS方法，ALD方法。虽然设计不同，但理念大体一致。都是让侧面热流减小，底部热流增大。传统HEM通过底部通氩气冷却，DSS通过底部辐射换热，ALD通过底部水冷。都是被动冷却。炉子分为上下两个区，上部加热（侧面或顶部或同时），底部冷却（通过开口进行水冷，可有下加热器）上部气路控制，包括顶盖设计控制系统基本上的工艺设定+加热器的温度或功率控制SiO2+3C=SiC+2CO(坩埚护板及石墨件上沉积的SiO2）SiC+SiO2=SiO+CO

CO被带回液面，分解并流动到界面碳杂质或碳化硅被界面吞噬向上的力向下的力碳杂质主要在化料阶段生长区产生正压外部气流需通畅碳杂质原理解决方法硅铸锭热场优化(降碳)Ma,X.,Zheng,L.L.,Zhang,H.,Zhao,B.,Wang,C.,Xu,F.H.,2010,“ThermalSystemDesignandOptimizationofanIndustrialSiliconDirectionalSolidificationProcesses.”JournalofCrystalGrowth,Vol.318,pp.288-292.导致该区域流动制止化料时（加热器器温度高）长晶时（加热器温度低）硅铸锭热场优化(降碳)进口速度约为1cm/s,远小于加热器产生的自然对流，这样需要很好的流场匹配，保证在化料和生长过程中，都能获得好的气流结构，把杂质带出腔体准单晶铸锭起源（2008年结果）BPSolar单晶铸锭技术

-转化效率接近单晶提拉锭：采用开炉化料保护籽晶（应该有能耗和时间问题）CastingSingleCrystalSilicon:NovelDefectProfilesfromBPSolar'sMono2™STODDARD

Nathan;BEIWU;WITTING

Ian;WAGENER

Magnus;PARK

Yongkook;ROZGONYI

George;CLARK

Roger,Solidstatephenomena

B1012-0394

GrowthRate:upto20kg/hLightelementsconcentrations:[C]=4*1016–4*1017atoms/cm3[O]=1–6*1017atoms/cm3[N]=1*1015atoms/cm3Mono2TM

ScreenPrintCellProcess:AverageEfficiency:16.7%HighestEfficiency:18.3%PicturesareprovidedbyNathan

高效超薄电池130微米后来达到了19%晶澳Maple昱辉VirtueWafers晶相控制(电池平均效率约17.5%)晶相控制铸锭准单晶铸锭单晶铸锭目前国内外能生产准单晶的至少有十几家。使用包括JJL，ALD，GT，JYT改装的炉子，也有专门设计的炉子。影响效率的主要因素晶相控制和控制率位错密度碳氧浓度和杂质分布红区问题影响生产陈本因素籽晶回收铸锭时间侧边问题侧边问题侧边问题GT结果BP结果JJL结果晶相控制电池效率相关问题韩国锭（展会）多晶区与固定侧加热有关，导致侧面温度梯度，若能在侧面形成向上温度梯度，可抑制侧面成核，形成全单晶。如用Bridgman法生长单晶硅，不会在壁面产生多晶。全单晶铸锭是完全可行的！化料与生长的对立与统一：化料过程需要高温和强对流，生长初期需要稳定边界层和大过冷度（利于100方向生长）。解决不了这个问题就不能解决长晶时间（大梯度或下加热）、能耗（闭炉化料）和晶体质量（100晶相控制）的对立。晶相控制铸锭(2011)多晶区精功早期锭侧加热器问题？全单晶多晶铸锭改造为单晶铸锭HEM炉子的原型是蓝宝石大单晶铸锭炉。1972年，FrederickSchmid专利，可制备单晶。DSS炉子制备准单晶技术由BPSolar开发，并拥有专利（目前成为AMGIdealcastSolar）。ALD原型是叶片单晶铸锭，具备单晶铸锭能力。多晶铸锭炉都可通过开口化料控制籽晶融化（控制TC2），电池效率高，但化料时间长；也可闭炉化料，需要插棒或用界面检测设备，优点是时间短，缺点是电池效率低。第三代单晶硅锭制备研发第三代硅锭是控制型准单晶或全单晶铸锭方法。大体采用修正型Bridgman方法或修正型VGF（VerticalGradientFreeze）方法。这些技术已成功用于光学晶体生长和半导体晶体生长。第一代是传统铸锭技术，第二代是定向铸锭技术，第三代是晶体生长技术。晶体生长需要控制籽晶熔化，温度梯度、界面形状。最终实现单晶生长，降低位错，控制浓度。上加热器石墨坩埚硅液硅锭热流控制器可变温度梯度区绝热材料控制热流法（CHFM）

精功CHFM原理图热流控制器有各种设计，如热管技术优点：控制热流和内部流动，营造小环境SINTEF，Norway.JCG318(2011)269京瓷专利BP专利控制热流法（CHFM）

太阳能硅制备技术比较提拉法铸锭、类单晶直接硅片技术生长速度(cm/h)4.5-9.01个锭1.2-1.816,

25,36锭约1秒1个硅片尺寸(cm)6-英寸69x69,84x84,100x100100,125,和150mm2硅片结构单晶多晶、准单晶、单晶多晶硅料需求高低中电池效率17-2216-20.215-16.5注到极限热点再突破10多年前美国晶体生长会议上，本人（代表硅管技术）、蓝崇文（代表提拉单晶技术）、MohanChandra（代表铸锭技术）进行同场展示，铸锭技术暂时领先，将来发展还不能断定。Astropower用激光枪把硅管从中切开，硅管可以像纸一样展开。再用印刷技术制备大面积的太阳能电池(EFG)快速生长；减小切割损失NOT“RGS，LASS（LowAngleSiliconSheet),MW(MoldedWafer),DW(DirectWafer),RAFT”需解决的关键问题：快速生长液桥稳定性，晶粒，杂质第四代：薄硅片生长和一体化Sun,D.,Wang,C.L.,Zhang,H.,Mackintosh,B.,Yates,D.,andKalejs,J.,2004,“AMulti-blockMethodandMulti-gridTechniqueforLargeDiameterEFGSiliconTubeGrowth,”JournalofCrystalGrowth266,167-174.硅片生长技术很多非常好的水平生长技术在发展过程中被淘汰了，大多不是因为技术原因。是重新审视这些技术，并进行再创新的时候了。美贷款1.5亿美元助1366Technologies发展太阳能硅片技术“U.S.EnergySecretaryStevenChuannouncedtheofferofaconditionalcommitmentfora$150millionloanguaranteeto1366Technologies,Inc.forthedevelopmentofamulticrystallinewafermanufacturingproject.

Theprojectwillbecapableofproducingapproximately700to1,000megawatts(MW)ofsilicon-basedwafersannuallyusingarevolutionarymanufacturingprocesscalledDirectWafer.

Theinnovativeprocesscouldreducemanufacturingcostsofthewafersbyapproximately

50%.

”1366是动静大的公司，技术并非最好。还有大公司在研发。1366动向国外动向单晶提拉，多晶铸锭，准单晶铸锭已经输给中国。目前已基本停止研发活动，少量研究集中在全单晶铸锭和连续提拉。大量研究薄片技术（小于100微米）和直接硅片技术如SiliconFilm，Plate，Ribbon等，本人知道的技术包括：1）从三氯氢硅直接还原为硅片（约60微米）2）在液态金属