半導體材料與工藝之-多晶硅錠定向凝固生長方法..

1、實現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四實現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四種方法：種方法：p布里曼法布里曼法p熱交換法熱交換法p電磁鑄錠法電磁鑄錠法p澆鑄法澆鑄法8.5.1 8.5.1 鑄錠澆注法鑄錠澆注法p鑄錠澆注法于鑄錠澆注法于19751975年由年由WackerWacker公司首創(chuàng)，其過程是將公司首創(chuàng)，其過程是將硅料置于熔煉坩堝中加熱熔化，而后利用翻轉(zhuǎn)機械將硅料置于熔煉坩堝中加熱熔化，而后利用翻轉(zhuǎn)機械將其注入預先準備好的模具內(nèi)進行結(jié)晶凝固，從而得到其注入預先準備好的模具內(nèi)進行結(jié)晶凝固，從而得到等軸多晶硅。等軸多晶硅。p近年來，為了提高多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，也有人對近年來，為了提高多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，也有人對

2、此傳統(tǒng)工藝加以改進，通過對模具中熔體凝固過程溫此傳統(tǒng)工藝加以改進，通過對模具中熔體凝固過程溫度加以控制，形成一定的溫度梯度和定向散熱的條件度加以控制，形成一定的溫度梯度和定向散熱的條件，獲得定向柱狀晶組織。，獲得定向柱狀晶組織。8.5.1 8.5.1 鑄錠澆注法鑄錠澆注法鑄錠澆注法生產(chǎn)原理示意圖鑄錠澆注法生產(chǎn)原理示意圖1固態(tài)固態(tài) 2.液態(tài)液態(tài) 3熔煉坩堝熔煉坩堝 4.涂層涂層 5.凝固界面凝固界面 G.模具模具8.5.1 8.5.1 鑄錠澆注法鑄錠澆注法p由于澆注法用的坩堝由于澆注法用的坩堝 , ,模具材料多為石墨、石英等，模具材料多為石墨、石英等，所以用該法制備的多晶硅中氧、碳等雜質(zhì)元素含量

3、較所以用該法制備的多晶硅中氧、碳等雜質(zhì)元素含量較高。高。p同時，硅熔體在高溫時與石墨發(fā)生反應，加之硅凝固同時，硅熔體在高溫時與石墨發(fā)生反應，加之硅凝固過程中的體膨脹作用，易造成硅錠與石墨模具的粘連過程中的體膨脹作用，易造成硅錠與石墨模具的粘連，冷卻后難以脫模。，冷卻后難以脫模。p為了避免以上缺陷，研究者們經(jīng)過多年的研究實踐，為了避免以上缺陷，研究者們經(jīng)過多年的研究實踐，在坩堝、模具的內(nèi)工作表面上涂上一層膜，以防止坩在坩堝、模具的內(nèi)工作表面上涂上一層膜，以防止坩堝、模具等對硅的污染及起到一定的潤滑脫模作用。堝、模具等對硅的污染及起到一定的潤滑脫模作用。8.5.1 8.5.1 鑄錠澆注法鑄錠澆注法

4、p多年來通過對各種涂膜材料性能及所制得硅錠品質(zhì)的多年來通過對各種涂膜材料性能及所制得硅錠品質(zhì)的對比研究后，目前主要采用對比研究后，目前主要采用SiSi3 3N N4 4 ,SiC-Si ,SiC-Si3 3N N4 4 , Si0/ , Si0/ SiNSiN ,BN ,BN等。等。p除此之外，大面積化，即增加坩堝或模具的體積表面除此之外，大面積化，即增加坩堝或模具的體積表面比，從而減小熔體與坩堝或模具的接觸面積，亦有利比，從而減小熔體與坩堝或模具的接觸面積，亦有利于雜質(zhì)的降低。于雜質(zhì)的降低。8.5.1 8.5.1 鑄錠澆注法鑄錠澆注法p為提高多晶硅錠品質(zhì)從而提高電池效率，近年來對該為提高多晶

5、硅錠品質(zhì)從而提高電池效率，近年來對該法硅料熔煉過程也進行了研究，采用了一些新的熔煉法硅料熔煉過程也進行了研究，采用了一些新的熔煉技術(shù)，如利用真空除雜作用及感應熔煉過程中電磁力技術(shù)，如利用真空除雜作用及感應熔煉過程中電磁力對熔體的攪拌及促使熔體與坩堝的軟或無接觸作用，對熔體的攪拌及促使熔體與坩堝的軟或無接觸作用，采用真空條件下的采用真空條件下的電磁感應熔煉電磁感應熔煉或或冷坩堝感應熔煉冷坩堝感應熔煉來來對原料硅進行加熱熔化等。對原料硅進行加熱熔化等。 8.5.1 8.5.1 鑄錠澆注法鑄錠澆注法p澆注法工藝成熟、設(shè)備簡單、易于操作控制，目能實澆注法工藝成熟、設(shè)備簡單、易于操作控制，目能實現(xiàn)半連續(xù)

6、化生產(chǎn)，其熔化、結(jié)晶、冷卻都分別位于不現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)，其熔化、結(jié)晶、冷卻都分別位于不同的地方，有利于生產(chǎn)效率的提高和能耗的降低同的地方，有利于生產(chǎn)效率的提高和能耗的降低; ;p然而，其熔煉與結(jié)晶成形在不同的坩堝中進行，容易然而，其熔煉與結(jié)晶成形在不同的坩堝中進行，容易造成熔體一次污染，同時受熔煉坩堝及翻轉(zhuǎn)機械的限造成熔體一次污染，同時受熔煉坩堝及翻轉(zhuǎn)機械的限制，爐產(chǎn)量較小，目前所生產(chǎn)多晶硅通常為等軸狀，制，爐產(chǎn)量較小，目前所生產(chǎn)多晶硅通常為等軸狀，由于晶界、亞晶界的不利影響，電池轉(zhuǎn)換效率較低。由于晶界、亞晶界的不利影響，電池轉(zhuǎn)換效率較低。8.5.2 8.5.2 定向凝固法定向凝固法p定向凝固法

7、通常指的是在同一個坩堝中熔煉，而后通定向凝固法通常指的是在同一個坩堝中熔煉，而后通過控制熔體熱流方向，以使坩堝中熔體達到一定的溫過控制熔體熱流方向，以使坩堝中熔體達到一定的溫度梯度，從而進行定向凝固得到柱狀晶的過程。度梯度，從而進行定向凝固得到柱狀晶的過程。對于熔體熱流方向的控制，主要有對于熔體熱流方向的控制，主要有: :p以一定的速度向上移動坩堝側(cè)壁、向下移動坩堝底板以一定的速度向上移動坩堝側(cè)壁、向下移動坩堝底板、在坩堝底板上通水強制冷卻或是感應熔煉時將坩堝、在坩堝底板上通水強制冷卻或是感應熔煉時將坩堝連同熔體一起以一定的速度向下移出感應區(qū)域、從下連同熔體一起以一定的速度向下移出感應區(qū)域、從

8、下向上陸續(xù)降低感應線圈功率等。向上陸續(xù)降低感應線圈功率等。p實際應用的定向凝固基本方法卞要有實際應用的定向凝固基本方法卞要有: :熱交換法熱交換法(HEM)(HEM)、BridgmanBridgman等等定向凝固柱狀晶生長示意圖熱流方向熱流方向側(cè)向無溫度梯度側(cè)向無溫度梯度，不散熱，不散熱晶體生晶體生長方向長方向多晶硅錠的柱狀晶結(jié)構(gòu)p一般來說，純金屬通過定向凝固，可獲得平面前沿，一般來說，純金屬通過定向凝固，可獲得平面前沿，即隨著凝固進行，整個平面向前推進，但隨著溶質(zhì)濃即隨著凝固進行，整個平面向前推進，但隨著溶質(zhì)濃度的提高，由平面前沿轉(zhuǎn)到柱狀。度的提高，由平面前沿轉(zhuǎn)到柱狀。p對于金屬，由于各表面

9、自由能一樣，生長的柱狀晶取對于金屬，由于各表面自由能一樣，生長的柱狀晶取向直，無分叉。向直，無分叉。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會優(yōu)先生長，特別是由于雜質(zhì)的存自由能最低的晶面會優(yōu)先生長，特別是由于雜質(zhì)的存在，晶面吸附雜質(zhì)改變了表面自由能，所以多晶硅柱在，晶面吸附雜質(zhì)改變了表面自由能，所以多晶硅柱狀晶生長方向不如金屬的直，且伴有分叉。狀晶生長方向不如金屬的直，且伴有分叉。8.5.2 8.5.2 定向凝固法定向凝固法p熱交換法熱交換法基本原理是在坩堝底板上通以冷卻水或氣進基本原理是在坩堝底板上通以冷卻水或氣進行強制冷

10、卻，從而使熔體自上向下定向散熱行強制冷卻，從而使熔體自上向下定向散熱; ;pBridgmanBridgman法法則是將坩堝以一定的速度移出熱源區(qū)域，則是將坩堝以一定的速度移出熱源區(qū)域，從而建立起定向凝固的條件。從而建立起定向凝固的條件。p實際生產(chǎn)應用中，通常都是將兩者綜合起來，從而得實際生產(chǎn)應用中，通常都是將兩者綜合起來，從而得到更好的定向效果。到更好的定向效果。定向凝固法基本原理定向凝固法基本原理1冷卻水或氣冷卻水或氣2.坩堝坩堝3.液態(tài)液態(tài)4.固固/液界面液界面5.固態(tài)固態(tài)6.熱源熱源布里曼法（布里曼法（BridgemanBridgeman Method Method）這是一種經(jīng)典的較早的

11、定向凝固方法。這是一種經(jīng)典的較早的定向凝固方法。特點：特點：p坩堝和熱源在凝固開始時作相對位移，分液相區(qū)和凝固區(qū)，坩堝和熱源在凝固開始時作相對位移，分液相區(qū)和凝固區(qū)，液相區(qū)和凝固區(qū)用隔熱板隔開。液相區(qū)和凝固區(qū)用隔熱板隔開。p液固界面交界處的溫度梯度必須液固界面交界處的溫度梯度必須00，即，即dT/dxdT/dx00，溫度梯，溫度梯度接近于常數(shù)。度接近于常數(shù)。p長晶速度受工作臺下移速度及冷卻水流量控制，長晶長晶速度受工作臺下移速度及冷卻水流量控制，長晶速度接近于常數(shù)，長晶速度可以調(diào)節(jié)。速度接近于常數(shù)，長晶速度可以調(diào)節(jié)。p硅錠高度主要受設(shè)備及坩堝高度限制。硅錠高度主要受設(shè)備及坩堝高度限制。p生長速

12、度約生長速度約0.8-1.0mm/0.8-1.0mm/分。分。p缺點：爐子結(jié)構(gòu)比熱交換法復雜，坩堝需升降且下降缺點：爐子結(jié)構(gòu)比熱交換法復雜，坩堝需升降且下降速度必須平穩(wěn)，其次坩堝底部需水冷速度必須平穩(wěn)，其次坩堝底部需水冷。 坩堝 熱源 硅液 隔熱板 熱開關(guān) 工作臺 冷卻水 固相 固液界面 液相 布里曼法示意圖熱交換法熱交換法是目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要使用的一種爐型。是目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要使用的一種爐型。特點：特點：p坩堝和熱源在熔化及凝固整個過程中均無相對位移。一坩堝和熱源在熔化及凝固整個過程中均無相對位移。一般在坩堝底部置一熱開關(guān)，熔化時熱開關(guān)關(guān)閉，起隔熱般在坩堝底部置一熱開關(guān)，熔化時熱開關(guān)關(guān)閉

13、，起隔熱作用；凝固開始時熱開關(guān)打開，以增強坩堝底部散熱強作用；凝固開始時熱開關(guān)打開，以增強坩堝底部散熱強度。長晶速度受坩堝底部散熱強度控制，如用水冷，則度。長晶速度受坩堝底部散熱強度控制，如用水冷，則受冷卻水流量（及進出水溫差）所控制。受冷卻水流量（及進出水溫差）所控制。p由于定向凝固只能是單方向熱流（散熱），徑向（即坩堝由于定向凝固只能是單方向熱流（散熱），徑向（即坩堝側(cè)向）不能散熱，也即徑向溫度梯度趨于側(cè)向）不能散熱，也即徑向溫度梯度趨于0 0，而坩堝和熱源，而坩堝和熱源又靜止不動，因此隨著凝固的進行，熱源也即熱場溫度又靜止不動，因此隨著凝固的進行，熱源也即熱場溫度（大于熔點溫度）會逐步向

14、上推移，同時又必須保證無徑（大于熔點溫度）會逐步向上推移，同時又必須保證無徑向熱流，所以溫場的控制與調(diào)節(jié)難度要大。向熱流，所以溫場的控制與調(diào)節(jié)難度要大。p液固界面逐步向上推移，液固界面處溫度梯度必須是正值，液固界面逐步向上推移，液固界面處溫度梯度必須是正值，即大于即大于0 0。但隨著界面逐步向上推移，溫度梯度逐步降低直。但隨著界面逐步向上推移，溫度梯度逐步降低直至趨于至趨于0 0。p熱交換法的長晶速度及溫度梯度為變數(shù)。而且錠子高度受熱交換法的長晶速度及溫度梯度為變數(shù)。而且錠子高度受限制，要擴大容量只能是增加硅錠截面積。限制，要擴大容量只能是增加硅錠截面積。p最大優(yōu)點是爐子結(jié)構(gòu)簡單。最大優(yōu)點是爐

15、子結(jié)構(gòu)簡單。 熱源 坩堝 液固界面 散熱裝置 HEM法示意圖 固相固相液相液相 保溫框 熱源 坩堝 液固界面 石墨塊 隔熱板 （防止不銹鋼爐底過熱） 爐型1示意圖定向凝固法定向凝固法與鑄錠澆注法相比，定向凝固法具有以下一些優(yōu)點與鑄錠澆注法相比，定向凝固法具有以下一些優(yōu)點: :p在同一個坩堝中進行熔煉與凝固成形，避免了熔體的在同一個坩堝中進行熔煉與凝固成形，避免了熔體的一次污染一次污染; ;p通過定向凝固得到的是柱狀晶，減輕了晶界的不利影通過定向凝固得到的是柱狀晶，減輕了晶界的不利影響。響。p由于定向凝固過程中的雜質(zhì)分凝效應，對硅中平衡分由于定向凝固過程中的雜質(zhì)分凝效應，對硅中平衡分凝系數(shù)遠小于

16、或大于凝系數(shù)遠小于或大于1 1的雜質(zhì)有一定的提純作用。的雜質(zhì)有一定的提純作用。8.5.3 8.5.3 電磁感應加熱連續(xù)鑄造電磁感應加熱連續(xù)鑄造(EMCP)(EMCP) p多晶硅電磁感應加熱連續(xù)鑄造技術(shù)于多晶硅電磁感應加熱連續(xù)鑄造技術(shù)于1985年由年由Ciszek首先提出，而后在日本得到深入的研究，并將其成功首先提出，而后在日本得到深入的研究，并將其成功應用到工業(yè)生產(chǎn)中應用到工業(yè)生產(chǎn)中;p法國的法國的Francis Durand等人在等人在Photo-watt公司的合作下公司的合作下，也于，也于1989年將此方法應用到太陽能電池用多晶硅的年將此方法應用到太陽能電池用多晶硅的生產(chǎn)制備中。生產(chǎn)制備中

17、。pEMCP法的最大特點法的最大特點:綜合了冷坩堝感應熔煉與連續(xù)鑄綜合了冷坩堝感應熔煉與連續(xù)鑄造原理，集兩者優(yōu)點與一體；造原理，集兩者優(yōu)點與一體； 8.5.3 8.5.3 電磁感應加熱連續(xù)鑄造電磁感應加熱連續(xù)鑄造(EMCP)(EMCP) p電磁感應加熱連續(xù)鑄造過程中，顆粒硅料經(jīng)加料器以電磁感應加熱連續(xù)鑄造過程中，顆粒硅料經(jīng)加料器以一定的速度連續(xù)進入坩堝熔體中，通過熔體預熱及線一定的速度連續(xù)進入坩堝熔體中，通過熔體預熱及線圈感應加熱熔化，隨下部硅錠一起向下抽拉凝固，從圈感應加熱熔化，隨下部硅錠一起向下抽拉凝固，從而實現(xiàn)過程的連續(xù)操作。而實現(xiàn)過程的連續(xù)操作。p由于硅在低溫下電阻不滿足感應加熱的條件

18、，所以起由于硅在低溫下電阻不滿足感應加熱的條件，所以起初坩堝底部加以石墨底托進行預熱啟熔。初坩堝底部加以石墨底托進行預熱啟熔。電磁感應加熱連續(xù)鑄電磁感應加熱連續(xù)鑄造造( EM CP)原理圖原理圖1.線圈線圈 2.坩堝坩堝3.石墨感應器石墨感應器 4.顆粒硅顆粒硅 5.氬氣氬氣6.水水7.真空泵真空泵 8.絕熱套絕熱套9.石墨底托石墨底托8.5.38.5.3電磁感應加熱連續(xù)鑄造電磁感應加熱連續(xù)鑄造(EMCP)(EMCP) EMCPEMCP具有以下一些優(yōu)點具有以下一些優(yōu)點: :p感應熔煉過程中，熔體與坩堝無接觸或軟接觸，有效感應熔煉過程中，熔體與坩堝無接觸或軟接觸，有效避免了坩堝對熔體的污染，所得

19、錠中各雜質(zhì)含量基本避免了坩堝對熔體的污染，所得錠中各雜質(zhì)含量基本與原料相同，氧含量有所降低，銅略高與原料相同，氧含量有所降低，銅略高; ;p冷坩堝壽命長，可重復利用，有利于成本的降低冷坩堝壽命長，可重復利用，有利于成本的降低; ;p由于電磁力的攪拌作用及連續(xù)鑄造，鑄錠性能穩(wěn)定、由于電磁力的攪拌作用及連續(xù)鑄造，鑄錠性能穩(wěn)定、均勻，避免了常規(guī)澆注法過程中因雜質(zhì)分凝導致的鑄均勻，避免了常規(guī)澆注法過程中因雜質(zhì)分凝導致的鑄錠頭尾質(zhì)量較差、需切除的現(xiàn)象，材料利用率高錠頭尾質(zhì)量較差、需切除的現(xiàn)象，材料利用率高; ;p連續(xù)鑄造有利于生產(chǎn)效率的提高，己達連續(xù)鑄造有利于生產(chǎn)效率的提高，己達30 kg/ h30 k

20、g/ h左右左右8.5.3 8.5.3 電磁感應加熱連續(xù)鑄造電磁感應加熱連續(xù)鑄造(EMCP)(EMCP) 與此同時，與此同時，EMCPEMCP法法也具有特有的一些缺陷也具有特有的一些缺陷: :p所得多晶硅錠晶粒較小，外圍貼壁晶粒尺寸小于所得多晶硅錠晶粒較小，外圍貼壁晶粒尺寸小于1mm1mm，中間部分稍大，但也僅中間部分稍大，但也僅1 12 mm ;2 mm ;p所得多晶硅晶內(nèi)缺陷較多。所得多晶硅晶內(nèi)缺陷較多。8.5.3 8.5.3 電磁感應加熱連續(xù)鑄造電磁感應加熱連續(xù)鑄造(EMCP)(EMCP)p由于其所制備的多晶硅所含雜質(zhì)較少，而晶內(nèi)缺陷卻由于其所制備的多晶硅所含雜質(zhì)較少，而晶內(nèi)缺陷卻較多，

21、因而在此對電池轉(zhuǎn)換效率影響最大的不是高的較多，因而在此對電池轉(zhuǎn)換效率影響最大的不是高的雜質(zhì)含量，而是晶內(nèi)缺陷。雜質(zhì)含量，而是晶內(nèi)缺陷。p而晶內(nèi)缺陷有一定的內(nèi)除雜作用而晶內(nèi)缺陷有一定的內(nèi)除雜作用( (即雜質(zhì)大多集中于缺即雜質(zhì)大多集中于缺陷附近陷附近) )，所以，常規(guī)的外除雜己無多大意義，為此，所以，常規(guī)的外除雜己無多大意義，為此，研究開發(fā)了鈍化技術(shù)，以用來提高電池性能。研究開發(fā)了鈍化技術(shù)，以用來提高電池性能。1. Raw siliconEleven-nines(purity 99.999999999%) silicon is used as a raw materialSUMCO- Electr

22、omagnetic casting method -Electromagnetic casting method2. Electromagnetic casting methodpRaw silicon is molten from high frequency induction heating using induction coils. The high frequency induction heating system allows an object to induce electric current using the same principle as an IH heate

23、r. pSince the electromagnetic force generated by the induction coil provides molten silicon with the force directed toward the center, the liquid silicon can maintain high purity without making contact with the crucible.p By lowering the ingot slowly, the liquid silicon cools gradually and crystalli

24、zes3. Square multi-crystalline silicon ingotsThe ingot manufactured by the electromagnetic casting method is the largest silicon crystal for solar cells in the world with a length of 7,000 mm冷坩堝連續(xù)定向熔鑄多晶硅照片冷坩堝連續(xù)定向熔鑄多晶硅照片8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠 多晶硅片加工流程及裝備多晶硅片加工流程及裝備 多晶硅片加工的具體流程如下多晶硅片加工的具體流程如下: :裝料裝料-

25、-熔化熔化- -定向生長定向生長- -冷卻凝固冷卻凝固- -SiSi錠出爐錠出爐- -破錠破錠- -多線切多線切割割- -SiSi片清洗片清洗- -包裝。包裝。多晶硅片加工的具體流程多晶硅片加工的具體流程8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠 所對應的裝備有所對應的裝備有: :p用于石英坩堝內(nèi)噴涂氮化硅粉的噴涂設(shè)備用于石英坩堝內(nèi)噴涂氮化硅粉的噴涂設(shè)備p噴涂后烘干固化的坩堝燒結(jié)設(shè)備噴涂后烘干固化的坩堝燒結(jié)設(shè)備p多晶硅定向生長的多晶硅鑄錠爐多晶硅定向生長的多晶硅鑄錠爐p將將SiSi錠剖解成所需尺寸方形多晶硅柱的剖錠機錠剖解成所需尺寸方形多晶硅柱的剖錠機p將將SiSi柱切割成柱切割成SiSi片

26、的多線切割機片的多線切割機pSiSi片清洗機等。片清洗機等。單晶和多晶制備方法的優(yōu)劣比較單晶和多晶制備方法的優(yōu)劣比較坩堝噴涂坩堝噴涂坩堝噴涂坩堝噴涂p目的：在石英坩堝內(nèi)壁表面進行氮化硅噴涂，防止在目的：在石英坩堝內(nèi)壁表面進行氮化硅噴涂，防止在鑄錠時硅液與坩堝壁直接接觸發(fā)生粘連。鑄錠時硅液與坩堝壁直接接觸發(fā)生粘連。p噴槍調(diào)試范圍：氮化硅通過噴槍噴射寬度為噴槍調(diào)試范圍：氮化硅通過噴槍噴射寬度為4-6cm4-6cm。p重新噴涂坩堝時，將有問題的坩堝放在加熱器上，將重新噴涂坩堝時，將有問題的坩堝放在加熱器上，將坩堝的溫度加熱到坩堝的溫度加熱到40-5040-50。p稱取氮化硅粉末，通過稱取氮化硅粉末，

27、通過100-200100-200目尼龍紗網(wǎng)過濾氮化硅目尼龍紗網(wǎng)過濾氮化硅粉。粉。坩堝噴涂坩堝噴涂p檢查坩堝檢查坩堝坩堝預熱坩堝預熱配制氮化硅粉配制氮化硅粉加熱純水加熱純水攪攪拌氮化硅液體拌氮化硅液體噴涂作業(yè)噴涂作業(yè)p注意：穿好連體防護服，穿好鞋套，戴好紗布手套、注意：穿好連體防護服，穿好鞋套，戴好紗布手套、乳膠手套、防護眼鏡。乳膠手套、防護眼鏡。p坩堝燒結(jié)前，需檢查坩堝涂層的質(zhì)量，是否有脫粉、坩堝燒結(jié)前，需檢查坩堝涂層的質(zhì)量，是否有脫粉、裂紋等。裂紋等。p檢查坩堝涂層檢查坩堝涂層擺放坩堝擺放坩堝檢查程序檢查程序啟動燒結(jié)啟動燒結(jié)p燒結(jié)好的坩堝要盡快裝料、投爐，燒結(jié)好的坩堝在爐燒結(jié)好的坩堝要盡快裝

28、料、投爐，燒結(jié)好的坩堝在爐子外的保存時間為子外的保存時間為6 6小時。小時。 p燒結(jié)程序結(jié)束后，待爐內(nèi)溫度降至燒結(jié)程序結(jié)束后，待爐內(nèi)溫度降至100100以下時，即可以下時，即可取出。取出。坩堝噴涂臺坩堝噴涂臺坩堝噴槍設(shè)備坩堝噴槍設(shè)備坩堝燒結(jié)爐坩堝燒結(jié)爐多晶硅鑄錠過程中出現(xiàn)的粘堝現(xiàn)象多晶硅鑄錠過程中出現(xiàn)的粘堝現(xiàn)象p在坩堝內(nèi)壁涂在坩堝內(nèi)壁涂Si3N4膜層。采用這種坩堝可以十分有效膜層。采用這種坩堝可以十分有效地降低來自坩堝雜質(zhì)的玷污。地降低來自坩堝雜質(zhì)的玷污。 Kishore等研究了使用等研究了使用Si3N4涂層后氧、碳濃度的變化，發(fā)現(xiàn)多晶硅中的氧、涂層后氧、碳濃度的變化，發(fā)現(xiàn)多晶硅中的氧、碳濃度

29、都降低了。同時，使用碳濃度都降低了。同時，使用Si3N4涂層后熔液和坩堝涂層后熔液和坩堝內(nèi)壁不粘結(jié)，這樣既可以降低應力又能夠多次使用坩內(nèi)壁不粘結(jié)，這樣既可以降低應力又能夠多次使用坩堝，從而降低了成本。堝，從而降低了成本。8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠p1.1.裝料裝料: :將清洗后的或免洗的將清洗后的或免洗的SiSi料裝入噴有氮化硅的涂料裝入噴有氮化硅的涂層的石英坩堝內(nèi)，整體放置在定向凝固塊上，下爐罩層的石英坩堝內(nèi)，整體放置在定向凝固塊上，下爐罩上升與上爐罩合攏，抽真空，并通入氬氣作為保護氣上升與上爐罩合攏，抽真空，并通入氬氣作為保護氣體，爐內(nèi)壓力大致保持在體，爐內(nèi)壓力大致保持在

30、4 46 610104 4PaPa左右左右; ;p2.2.加熱加熱: :利用均布于四周的石墨加熱器按設(shè)定的速率緩利用均布于四周的石墨加熱器按設(shè)定的速率緩慢加熱，去除爐內(nèi)設(shè)施及慢加熱，去除爐內(nèi)設(shè)施及SiSi料表面吸附的濕氣等料表面吸附的濕氣等; ;p3.3.熔化熔化: :增大加熱功率，使爐內(nèi)溫度達到增大加熱功率，使爐內(nèi)溫度達到15401540左右的左右的SiSi料熔化溫度并保持至料熔化溫度并保持至SiSi料完全熔化料完全熔化; ;多晶硅片的典型生產(chǎn)工藝如下多晶硅片的典型生產(chǎn)工藝如下:8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠p4.4.長晶長晶: :SiSi料熔化結(jié)束后，適當減小加熱功率，工作區(qū)

31、料熔化結(jié)束后，適當減小加熱功率，工作區(qū)溫度降至溫度降至14301430左右的左右的SiSi熔點溫度，緩慢提升隔熱籠熔點溫度，緩慢提升隔熱籠，使石英坩堝底部的定向凝固塊慢慢露出加熱區(qū)，形，使石英坩堝底部的定向凝固塊慢慢露出加熱區(qū)，形成垂直方向的大于成垂直方向的大于00的溫度梯度，坩堝中的溫度梯度，坩堝中SiSi的溫度自的溫度自底部開始降低并形成固液界而，多晶開始在底部形成底部開始降低并形成固液界而，多晶開始在底部形成，隨著隔熱籠的提升，水平的固液界而也逐漸上升，隨著隔熱籠的提升，水平的固液界而也逐漸上升，多晶硅呈柱狀向上生長，生長過程中需要盡量保持水多晶硅呈柱狀向上生長，生長過程中需要盡量保持水

32、平方向的零溫度梯度，直至晶體生長完成，該過程視平方向的零溫度梯度，直至晶體生長完成，該過程視裝料的多少而定，約需要裝料的多少而定，約需要202030h ;30h ;8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠p5.退火退火:長晶完成后，由于坩堝中長晶完成后，由于坩堝中Si料的上部和下部存料的上部和下部存在較大的溫差，這時的多晶硅錠會存在定的熱應力，在較大的溫差，這時的多晶硅錠會存在定的熱應力，容易在后道剖錠、切片和電池制造過程中碎裂，因此容易在后道剖錠、切片和電池制造過程中碎裂，因此，長晶后應保溫在，長晶后應保溫在Si熔點附近段時間以使整個晶錠的熔點附近段時間以使整個晶錠的溫度逐漸均勻，減少或

33、消除熱應力溫度逐漸均勻，減少或消除熱應力;p6.冷卻冷卻:退火后，加熱器停止加熱并通入大流量氬氣，退火后，加熱器停止加熱并通入大流量氬氣，使爐內(nèi)溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升直至達到大氣壓使爐內(nèi)溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升直至達到大氣壓及容許的出錠溫度及容許的出錠溫度;8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠p7.出錠出錠:降低下爐罩，露出固定其上的坩堝，用專用的降低下爐罩，露出固定其上的坩堝，用專用的裝卸料叉車將坩堝叉出裝卸料叉車將坩堝叉出;p8.破錠破錠:利用剖錠機將多晶硅錠上易吸收雜質(zhì)的上下表利用剖錠機將多晶硅錠上易吸收雜質(zhì)的上下表而及周邊切除，按所需而及周邊切除，按所需Si片尺寸片尺寸(

34、如如125125mm規(guī)格規(guī)格或或156156mm規(guī)格規(guī)格)切割成均勻的方形切割成均勻的方形Si柱柱;p9.切片切片:用多線切割機將方形用多線切割機將方形Si柱切割成厚度為柱切割成厚度為220mm左右的多晶硅片左右的多晶硅片;p10.清洗、包裝清洗、包裝: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殘余物，烘干后包裝待用，工藝其他殘余物，烘干后包裝待用，工藝結(jié)束結(jié)束。 p裝料時，先把粒子狀、粉末狀或片狀的硅料輕輕鋪好底裝料時，先把粒子狀、粉末狀或片狀的硅料輕輕鋪好底部，原因是避免刮破氮化硅涂層部，原因是避免刮破氮化硅涂層p多晶裝料所需物料：各種硅料、母合金、燒結(jié)好的石

35、英多晶裝料所需物料：各種硅料、母合金、燒結(jié)好的石英坩堝。坩堝。p裝料過程注意防塵，不接觸金屬，輕拿輕放，不碰壞噴裝料過程注意防塵，不接觸金屬，輕拿輕放，不碰壞噴涂層。涂層。環(huán)境要求：空氣濕度環(huán)境要求：空氣濕度50% ；環(huán)境溫度；環(huán)境溫度2028 。裝料工藝流程：裝料工藝流程：p硅料核計硅料核計檢查坩堝涂層檢查坩堝涂層裝料裝料裝石墨護板裝石墨護板緊固護緊固護板板8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠p多晶硅片的生產(chǎn)的核心設(shè)備為大容量多晶硅鑄錠爐，多晶硅片的生產(chǎn)的核心設(shè)備為大容量多晶硅鑄錠爐，由罐狀爐體、加熱器、裝載及隔熱籠升降機構(gòu)、送氣由罐狀爐體、加熱器、裝載及隔熱籠升降機構(gòu)、送氣及水冷系

36、統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)組成。及水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)組成。p多晶硅鑄錠爐的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)有多晶硅鑄錠爐的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)有: :方便形成豎直溫度梯方便形成豎直溫度梯度的熱場設(shè)計技術(shù)、隔熱籠同步提升技術(shù)、石墨與銅度的熱場設(shè)計技術(shù)、隔熱籠同步提升技術(shù)、石墨與銅電極異質(zhì)材料連接提高加熱器壽命技術(shù)、防電極異質(zhì)材料連接提高加熱器壽命技術(shù)、防SiSi液泄漏液泄漏等安全性設(shè)計技術(shù)、高溫耐材連接節(jié)能技術(shù)等。等安全性設(shè)計技術(shù)、高溫耐材連接節(jié)能技術(shù)等。8.5.4 8.5.4 多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠其技術(shù)發(fā)展將朝著以下幾方而進行，其技術(shù)發(fā)展將朝著以下幾方而進行，p一是提高單爐產(chǎn)量，進步降低多晶硅片生產(chǎn)成本一是

37、提高單爐產(chǎn)量，進步降低多晶硅片生產(chǎn)成本; ;p二是優(yōu)化改進工藝，提高產(chǎn)能、生產(chǎn)合格率和二是優(yōu)化改進工藝，提高產(chǎn)能、生產(chǎn)合格率和SiSi錠質(zhì)錠質(zhì)量量; ;p三是創(chuàng)新溫區(qū)設(shè)計，提高原料回收及再利用率三是創(chuàng)新溫區(qū)設(shè)計，提高原料回收及再利用率; ;p四是節(jié)能，進步降低單位生產(chǎn)能耗。四是節(jié)能，進步降低單位生產(chǎn)能耗。GT-DSS450 的特點與優(yōu)點的特點與優(yōu)點底部裝料令操作更加簡單安全底部裝料令操作更加簡單安全 標準化夾層模塊可確保安裝方便快捷標準化夾層模塊可確保安裝方便快捷生產(chǎn)高效電池片的材料生產(chǎn)高效電池片的材料產(chǎn)能：產(chǎn)能： 6.2 兆瓦，兆瓦，156 mm 電池片，電池片，15.5% 效率效率硅錠尺寸

38、：硅錠尺寸： 84 厘米厘米 x 84 厘米厘米硅錠重量：硅錠重量： 大于大于 400 千克千克 全自動工藝步驟全自動工藝步驟 保證硅錠質(zhì)量保證硅錠質(zhì)量高效電源可節(jié)省電力資源高效電源可節(jié)省電力資源CE 認證（歐洲電氣標準）認證（歐洲電氣標準）JZDL-450 1.1. 硅錠重量：硅錠重量：450kg450kg2.2. 坩堝尺寸（寬坩堝尺寸（寬長長高）：高）：877877877877420 mm420 mm3.3. 硅錠尺寸（寬硅錠尺寸（寬長長高）：高）：840840840840270 mm270 mm4.4. 石墨電阻加熱，加熱功率：石墨電阻加熱，加熱功率：165165（240240）KVAK

39、VA5.5. 最高加熱溫度：最高加熱溫度：160016006.6. 全過程自動化控制，循環(huán)時間：全過程自動化控制，循環(huán)時間：50hr50hr7.7. 定向凝固運動行程：定向凝固運動行程：380 mm380 mm8.8. 下爐室運動行程：下爐室運動行程：900 mm900 mm9.9. 設(shè)備占地參考（寬設(shè)備占地參考（寬長長高）：高）：47604760495049505100 mm5100 mmJZDL-450 北京京運通科技股份有限公司 VGF 632/732 Si多晶硅鑄錠爐多晶硅鑄錠爐特點特點通過熱區(qū)六面加熱實現(xiàn)高效率，縮短熔化周期通過熱區(qū)六面加熱實現(xiàn)高效率，縮短熔化周期；底部裝料系統(tǒng)方便快

40、捷，易于操作和維修；底部裝料系統(tǒng)方便快捷，易于操作和維修；垂直梯度定向結(jié)晶工藝時對加熱器的溫度進行垂直梯度定向結(jié)晶工藝時對加熱器的溫度進行精確控制從而保證出色的產(chǎn)品質(zhì)量；精確控制從而保證出色的產(chǎn)品質(zhì)量；全自動工藝控制，根據(jù)不同的原料質(zhì)量預先選全自動工藝控制，根據(jù)不同的原料質(zhì)量預先選擇加熱菜單；提供為優(yōu)化工藝而進行的可選配置擇加熱菜單；提供為優(yōu)化工藝而進行的可選配置的升級；的升級；技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)坩鍋尺寸（寬坩鍋尺寸（寬 x 長長 x 高）高）720mm x 720mm x420mm，選項：，選項：840 x840 x420（JUMBO）；）；硅錠質(zhì)量硅錠質(zhì)量 250 Kg (390Kg)；工作

41、溫度：最高工作溫度：最高1550 C功率：功率：220 KVA （330 KVA），），400V / 3 Ph / 50 Hz；設(shè)備占地設(shè)備占地 (寬寬 x 長長 x 高高)：4500mm x 4000mm x 4500mm；多晶硅鑄錠爐結(jié)構(gòu)多晶硅鑄錠爐結(jié)構(gòu)多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀p國際上從事多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)的企業(yè)主要有最早進入國際上從事多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)的企業(yè)主要有最早進入中國市場的中國市場的美國美國GT-SolarGT-Solar公司公司，其設(shè)備在中國的保有，其設(shè)備在中國的保有量也最大，目前主要生產(chǎn)量也最大，目前主要生產(chǎn)450kg/450kg/爐規(guī)格的

42、設(shè)備爐規(guī)格的設(shè)備; ;p德國德國ALDALD真空技術(shù)公司真空技術(shù)公司（ALD Vacuum Technologies ALD Vacuum Technologies GmbHGmbH）生廠）生廠400kg/400kg/爐規(guī)格的設(shè)備，開始小批量進入中爐規(guī)格的設(shè)備，開始小批量進入中國國; ;p英國的英國的CrystaloxCrystalox Limited Limited公司公司，生產(chǎn)，生產(chǎn)275kg/275kg/爐規(guī)格的爐規(guī)格的設(shè)備設(shè)備; ;多晶硅鑄錠多晶硅鑄錠國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀p挪威的挪威的ScanwaferScanwafer公司公司，生產(chǎn)的鑄錠爐設(shè)備可同時生產(chǎn)，生產(chǎn)

43、的鑄錠爐設(shè)備可同時生產(chǎn)4 4錠（錠（8008001000kg/1000kg/爐爐) )，相關(guān)的產(chǎn)品專利非常多，但，相關(guān)的產(chǎn)品專利非常多，但是一般不對外銷售是一般不對外銷售; ;p法國的法國的ECMECM公司公司，其設(shè)備的加熱器為三溫區(qū)設(shè)計，可較，其設(shè)備的加熱器為三溫區(qū)設(shè)計，可較好地提高好地提高SiSi料再利用率。料再利用率。多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成抽真空系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)p抽真空系統(tǒng)是保持硅錠在真空下，進行一系列處理，抽真空系統(tǒng)是保持硅錠在真空下，進行一系列處理，要求在不同的狀態(tài)下，保持爐內(nèi)真空壓力控制在一定要求在不同的狀態(tài)下，保持爐內(nèi)真空壓力控制在

44、一定范圍內(nèi)。這就要求真空系統(tǒng)既有抽真空設(shè)備，同時還范圍內(nèi)。這就要求真空系統(tǒng)既有抽真空設(shè)備，同時還有很靈敏的壓力檢測控制裝置。保證硅錠在生長過程有很靈敏的壓力檢測控制裝置。保證硅錠在生長過程中，處于良好的氣氛中。中，處于良好的氣氛中。p抽真空系統(tǒng)由機械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)由機械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)組成。組成。多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)p加熱系統(tǒng)是保持工藝要求的關(guān)鍵，采用發(fā)熱體加熱，加熱系統(tǒng)是保持工藝要求的關(guān)鍵，采用發(fā)熱體加熱，由中央控制器控制發(fā)熱體，并可保證恒定溫場內(nèi)溫度由中央控制器控制發(fā)熱體，并可保證恒

45、定溫場內(nèi)溫度可按設(shè)定值變化可按設(shè)定值變化; ;同時控制溫度在一精度范圍內(nèi)。完成同時控制溫度在一精度范圍內(nèi)。完成硅錠在長晶過程中對溫度的精確要求。硅錠在長晶過程中對溫度的精確要求。測溫系統(tǒng)測溫系統(tǒng)p測溫系統(tǒng)是檢測爐內(nèi)硅錠在長晶過程中溫度的變化，測溫系統(tǒng)是檢測爐內(nèi)硅錠在長晶過程中溫度的變化，給硅錠長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，以便使給硅錠長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，以便使長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)隨時調(diào)整長晶參數(shù)，使這長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)隨時調(diào)整長晶參數(shù)，使這一過程處于良好狀態(tài)。一過程處于良好狀態(tài)。多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成保溫層升降系統(tǒng)保

46、溫層升降系統(tǒng)p保溫層升降機構(gòu)是保證硅錠在長晶過程中，保持良好保溫層升降機構(gòu)是保證硅錠在長晶過程中，保持良好的長晶速度，它是通過精密機械升降系統(tǒng)，并配備精的長晶速度，它是通過精密機械升降系統(tǒng)，并配備精確的位置、速度控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。確的位置、速度控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)p壓力控制系統(tǒng)主要保證爐內(nèi)硅錠在生長過程中，在一壓力控制系統(tǒng)主要保證爐內(nèi)硅錠在生長過程中，在一特定時間段內(nèi)，壓力根據(jù)工藝要求保持在一壓力下。特定時間段內(nèi)，壓力根據(jù)工藝要求保持在一壓力下。它由長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)來控制。它由長晶狀況實時分析判斷系統(tǒng)來控制。多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成多晶硅鑄

47、錠爐設(shè)備組成其它輔助系統(tǒng)其它輔助系統(tǒng)p(1)(1)熔化及長晶結(jié)束自動判斷系統(tǒng)熔化及長晶結(jié)束自動判斷系統(tǒng): :通過測量裝置檢測通過測量裝置檢測硅料狀態(tài)，自動判斷硅料的狀態(tài)，為控制系統(tǒng)提供數(shù)硅料狀態(tài)，自動判斷硅料的狀態(tài)，為控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，實時判斷控制長晶。據(jù)，實時判斷控制長晶。p(2)(2)系統(tǒng)故障診斷及報警系統(tǒng)系統(tǒng)故障診斷及報警系統(tǒng): :為了保證系統(tǒng)長時間可為了保證系統(tǒng)長時間可靠運行，系統(tǒng)提供了系統(tǒng)故障自診斷功能，采用人機靠運行，系統(tǒng)提供了系統(tǒng)故障自診斷功能，采用人機對話方式，幫助使用者發(fā)現(xiàn)故障，及時排除故障，為對話方式，幫助使用者發(fā)現(xiàn)故障，及時排除故障，為設(shè)備安全可靠的運行提供了安全保障。設(shè)

48、備安全可靠的運行提供了安全保障。定向凝固中的一些工藝參數(shù)定向凝固中的一些工藝參數(shù)溫度梯度溫度梯度(GL)p太陽能電池硅錠定向凝固的前提條件就是在固太陽能電池硅錠定向凝固的前提條件就是在固-液界面液界面前沿建立必要的溫度梯度，也就是要求前沿建立必要的溫度梯度，也就是要求GL 0，溫度，溫度梯度的大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量。梯度的大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量。p將凝固速率當成熱量在一維空間的傳熱，這里有熱傳將凝固速率當成熱量在一維空間的傳熱，這里有熱傳導方程導方程:定向凝固中的一些工藝參數(shù)定向凝固中的一些工藝參數(shù)設(shè)坩堝在橫向是等截面，那么在公式設(shè)坩堝在橫向是等截面，那么在公式(3)(

49、3)中中: :R R為凝固速率為凝固速率; ;L L為生長單位質(zhì)量晶體所放出的結(jié)晶潛熱為生長單位質(zhì)量晶體所放出的結(jié)晶潛熱; ;m m為熔點附近熔體密度為熔點附近熔體密度; ;s s和和L L分別為晶體和熔體的導熱系數(shù)分別為晶體和熔體的導熱系數(shù); ;G Gs s和和G GL L分別為固相和液相的溫度梯度。分別為固相和液相的溫度梯度。定向凝固中的一些工藝參數(shù)定向凝固中的一些工藝參數(shù)p設(shè)設(shè)s s和和L L為為常數(shù)，則在凝固速率為為常數(shù)，則在凝固速率R一定時，一定時， G Gs s和和G GL L成正比。成正比。p通過增大通過增大Gs s來增強固相的散熱強度，是獲得大來增強固相的散熱強度，是獲得大GL

50、 L的重的重要途徑，同時，這樣也會使凝固速率增大要途徑，同時，這樣也會使凝固速率增大。p在實際定向凝固中常用提高固在實際定向凝固中常用提高固-液界面前沿的液相溫度液界面前沿的液相溫度來達到提高來達到提高GL L的目的。的目的。SSmLLLGL RG定向凝固中的一些工藝參數(shù)定向凝固中的一些工藝參數(shù)p但并非但并非GL越大越好，熔體溫度過高，會導致熔體揮發(fā)越大越好，熔體溫度過高，會導致熔體揮發(fā)、分解以及受到污染，從而影響晶體的質(zhì)量。而固相、分解以及受到污染，從而影響晶體的質(zhì)量。而固相的溫度梯度的溫度梯度Gs過大，會使生長著的晶體產(chǎn)生很大的熱過大，會使生長著的晶體產(chǎn)生很大的熱應力，甚至是晶體開裂。應力

51、，甚至是晶體開裂。p鑄造多晶硅在生長時，生長系統(tǒng)必須很好地隔熱，以鑄造多晶硅在生長時，生長系統(tǒng)必須很好地隔熱，以便保持熔區(qū)溫度的均勻性，沒有較大的溫度梯度出現(xiàn)便保持熔區(qū)溫度的均勻性，沒有較大的溫度梯度出現(xiàn);同時，保證在晶體部分凝固、熔體體積減小后，溫度同時，保證在晶體部分凝固、熔體體積減小后，溫度沒有變化。沒有變化。定向凝固中的一些工藝參數(shù)定向凝固中的一些工藝參數(shù)凝固速率凝固速率(R)(R)p影響溫度梯度的因素，除了熱場本身的設(shè)計外，冷卻影響溫度梯度的因素，除了熱場本身的設(shè)計外，冷卻速率起決定性的作用。速率起決定性的作用。p通常晶體的生長速率越快，生產(chǎn)效率越高，但其溫度通常晶體的生長速率越快，

52、生產(chǎn)效率越高，但其溫度梯度也越大，最終導致熱應力越大，而高的熱應力會梯度也越大，最終導致熱應力越大，而高的熱應力會導致高密度的位錯，嚴重影響材料的質(zhì)量。導致高密度的位錯，嚴重影響材料的質(zhì)量。p因此既要保持一定的晶體生長速率因此既要保持一定的晶體生長速率; ;又要保持盡量小的又要保持盡量小的溫度梯度，降低熱應力并減少晶體中的缺陷。溫度梯度，降低熱應力并減少晶體中的缺陷。定向凝固中的一些工藝參數(shù)定向凝固中的一些工藝參數(shù)凝固速率凝固速率(R)(R)p通常，在晶體生長初期，晶體生長速率盡量的小，以通常，在晶體生長初期，晶體生長速率盡量的小，以使溫度梯度盡量的小，來保證晶體以最小的缺陷密度使溫度梯度盡量

53、的小，來保證晶體以最小的缺陷密度生長生長; ;p然后，在可以保持晶體固然后，在可以保持晶體固- -液界面平直和溫度梯度盡量液界面平直和溫度梯度盡量小的情況下，盡量的高速生長以提高生產(chǎn)效率。小的情況下，盡量的高速生長以提高生產(chǎn)效率。鑄造多晶硅鑄造多晶硅p由于制造鑄造多由于制造鑄造多晶晶硅的原料主要為微電子工業(yè)剩下的硅的原料主要為微電子工業(yè)剩下的頭尾料，所以其體內(nèi)的雜質(zhì)含量很高。頭尾料，所以其體內(nèi)的雜質(zhì)含量很高。p其次，鑄造過程中產(chǎn)生大量的應力，可能導致大量位其次，鑄造過程中產(chǎn)生大量的應力，可能導致大量位錯產(chǎn)生還有，采用這種工藝，坩堝只能用一次，生產(chǎn)錯產(chǎn)生還有，采用這種工藝，坩堝只能用一次，生產(chǎn)成

54、本增加。成本增加。鑄造多晶硅中雜質(zhì)的大致含量鑄造多晶硅中雜質(zhì)的大致含量多晶硅中的雜質(zhì)多晶硅中的雜質(zhì)鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷及改善工藝鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷及改善工藝鑄造多晶硅的原料來自半導體工業(yè)剩下的頭尾料，再加鑄造多晶硅的原料來自半導體工業(yè)剩下的頭尾料，再加上來自坩堝的玷污。所以雜質(zhì)的含量明顯高于單晶硅材上來自坩堝的玷污。所以雜質(zhì)的含量明顯高于單晶硅材料。顯著地降低多晶硅材料的電學性能。料。顯著地降低多晶硅材料的電學性能。 多晶硅中的雜質(zhì)多晶硅中的雜質(zhì)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)多晶硅中的過渡族金屬元素多晶硅中的過渡族金屬元素多

55、晶硅中的雜質(zhì)多晶硅中的雜質(zhì)(1)(1)多晶硅中的氧多晶硅中的氧p氧是多晶硅中的一種非常重要的雜質(zhì)，它主要來自于氧是多晶硅中的一種非常重要的雜質(zhì)，它主要來自于石英坩堝的玷污石英坩堝的玷污。在硅的熔點溫度下，硅和二氧化硅。在硅的熔點溫度下，硅和二氧化硅發(fā)生如下反應發(fā)生如下反應:Si+SiO22SiOp一部分一部分SiO從熔液表面揮發(fā)掉，其余的從熔液表面揮發(fā)掉，其余的SiO在熔液里分在熔液里分解，反應如下解，反應如下:SiOSi+Op石英坩堝由石墨材料支承，石英與石墨發(fā)生反應，形成石英坩堝由石墨材料支承，石英與石墨發(fā)生反應，形成COCO而進入爐內(nèi)氣氛而進入爐內(nèi)氣氛,CO,CO亦會與亦會與SiSi熔體

56、作用而使氧和碳進入熔體作用而使氧和碳進入SiSi。p氧在硅熔體中的傳輸受到許多因素的影響，如水平對流、氧在硅熔體中的傳輸受到許多因素的影響，如水平對流、擴散、熔體表面蒸發(fā)、坩堝污染和硅錠生長速度等，但主擴散、熔體表面蒸發(fā)、坩堝污染和硅錠生長速度等，但主要還是依賴于熱流，氧在硅熔體中的分凝系數(shù)通常被認為要還是依賴于熱流，氧在硅熔體中的分凝系數(shù)通常被認為是大于是大于1 1，在凝固過程中分凝機制對于氧在硅中的傳遞和分，在凝固過程中分凝機制對于氧在硅中的傳遞和分布起著重要作用，布起著重要作用，凝固后從硅錠底部向頭部氧濃度逐漸降凝固后從硅錠底部向頭部氧濃度逐漸降低，側(cè)部由于與坩堝接觸，氧含量也相對較高。

57、低，側(cè)部由于與坩堝接觸，氧含量也相對較高。多晶硅中的雜質(zhì)多晶硅中的雜質(zhì)(1)(1)多晶硅中的氧多晶硅中的氧多晶硅中的雜質(zhì)多晶硅中的雜質(zhì)(1)(1)多晶硅中的氧多晶硅中的氧p雖然低于溶解度的間隙氧并不顯電學活性，但是當間雖然低于溶解度的間隙氧并不顯電學活性，但是當間隙氧的濃度高于其溶解度時，就會有熱施主、新施主隙氧的濃度高于其溶解度時，就會有熱施主、新施主和氧沉淀生成，進一步產(chǎn)生位錯、層錯，從而成為少和氧沉淀生成，進一步產(chǎn)生位錯、層錯，從而成為少數(shù)載流子的復合中心。數(shù)載流子的復合中心。p在多晶硅吸雜時發(fā)現(xiàn)，當間隙氧的濃度低于在多晶硅吸雜時發(fā)現(xiàn)，當間隙氧的濃度低于71017時時，磷吸雜效果十分顯著

58、，磷吸雜效果十分顯著;相反高于此濃度時，吸雜效果相反高于此濃度時，吸雜效果不明顯甚至更差。不明顯甚至更差。多晶硅中的雜質(zhì)多晶硅中的雜質(zhì)(2)(2)多晶硅中的多晶硅中的碳碳p碳主要來源于石墨坩堝或石墨托的玷污。在硅錠的生碳主要來源于石墨坩堝或石墨托的玷污。在硅錠的生長過程中反應產(chǎn)生長過程中反應產(chǎn)生CO,CO與硅熔體表面接觸并溶解。與硅熔體表面接觸并溶解。p處于替代位置的碳對材料的電學性能并無影響，但是處于替代位置的碳對材料的電學性能并無影響，但是當碳的濃度超過其溶解度很多時，就會有當碳的濃度超過其溶解度很多時，就會有SiC沉淀生成沉淀生成，誘生缺陷，導致材料的電學性能變差。近年來的一，誘生缺陷，

59、導致材料的電學性能變差。近年來的一些研究還表明，在多晶硅中還易產(chǎn)生尺寸較大的些研究還表明，在多晶硅中還易產(chǎn)生尺寸較大的SiC團團塊，往往與棒狀的塊，往往與棒狀的Si3N4,結(jié)合在一起形成硬質(zhì)夾雜，結(jié)合在一起形成硬質(zhì)夾雜，從而影響硅錠的切割。從而影響硅錠的切割。p在快速熱處理時，在快速熱處理時，Al-P共同吸雜效果明顯依賴于碳的共同吸雜效果明顯依賴于碳的濃度。同氧一樣，碳在多晶硅中的行為十分復雜，有濃度。同氧一樣，碳在多晶硅中的行為十分復雜，有關(guān)它們對材料電學性能的影響，需要進一步的研究。關(guān)它們對材料電學性能的影響，需要進一步的研究。多晶硅中的雜質(zhì)多晶硅中的雜質(zhì)(2)(2)多晶硅中的多晶硅中的碳

60、碳p硅中的碳元素來源也有兩個，一個是金屬硅中所帶來硅中的碳元素來源也有兩個，一個是金屬硅中所帶來的。如果金屬硅吹氧不充分，可能會將一些碳元素帶的。如果金屬硅吹氧不充分，可能會將一些碳元素帶入硅中，另外，在多晶硅和單晶硅爐中，由于通常采入硅中，另外，在多晶硅和單晶硅爐中，由于通常采用石墨加熱件和碳氈保溫體，因此在高溫下會有碳蒸用石墨加熱件和碳氈保溫體，因此在高溫下會有碳蒸汽的揮發(fā)進入到硅中，也會增加硅中的碳含量。汽的揮發(fā)進入到硅中，也會增加硅中的碳含量。p但由于碳的分凝系數(shù)只有但由于碳的分凝系數(shù)只有0.070.07，因此，在定向凝固時，因此，在定向凝固時，碳將聚集在硅錠的頂部，或單晶硅坩堝的鍋底