多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件

多晶硅錠定向凝固生長方法多晶硅錠定向凝固生長方法1實(shí)現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四種方法：布里曼法熱交換法電磁鑄錠法澆鑄法實(shí)現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四種方法：8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法于1975年由Wacker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(jī)械將其注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶凝固，從而得到等軸多晶硅。近年來，為了提高多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，也有人對此傳統(tǒng)工藝加以改進(jìn)，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，獲得定向柱狀晶組織。8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法于1975年由Wacker公8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法生產(chǎn)原理示意圖1固態(tài)2.液態(tài)3熔煉坩堝4.涂層5.凝固界面G.模具8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法生產(chǎn)原理示意圖8.5.1鑄錠澆注法由于澆注法用的坩堝,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)元素含量較高。同時(shí)，硅熔體在高溫時(shí)與石墨發(fā)生反應(yīng)，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，冷卻后難以脫模。為了避免以上缺陷，研究者們經(jīng)過多年的研究實(shí)踐，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。8.5.1鑄錠澆注法由于澆注法用的坩堝,模具材料多為石墨8.5.1鑄錠澆注法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Si3N4,SiC-Si3N4,Si0/SiN,BN等。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，亦有利于雜質(zhì)的降低。8.5.1鑄錠澆注法多年來通過對各種涂膜材料性能及所制得硅8.5.1鑄錠澆注法為提高多晶硅錠品質(zhì)從而提高電池效率，近年來對該法硅料熔煉過程也進(jìn)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(yīng)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，采用真空條件下的電磁感應(yīng)熔煉或冷坩堝感應(yīng)熔煉來對原料硅進(jìn)行加熱熔化等。

8.5.1鑄錠澆注法為提高多晶硅錠品質(zhì)從而提高電池效率，近8.5.1鑄錠澆注法澆注法工藝成熟、設(shè)備簡單、易于操作控制，目能實(shí)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;然而，其熔煉與結(jié)晶成形在不同的坩堝中進(jìn)行，容易造成熔體一次污染，同時(shí)受熔煉坩堝及翻轉(zhuǎn)機(jī)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，由于晶界、亞晶界的不利影響，電池轉(zhuǎn)換效率較低。8.5.1鑄錠澆注法澆注法工藝成熟、設(shè)備簡單、易于操作控制8.5.2定向凝固法定向凝固法通常指的是在同一個(gè)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(dá)到一定的溫度梯度，從而進(jìn)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:以一定的速度向上移動(dòng)坩堝側(cè)壁、向下移動(dòng)坩堝底板、在坩堝底板上通水強(qiáng)制冷卻或是感應(yīng)熔煉時(shí)將坩堝連同熔體一起以一定的速度向下移出感應(yīng)區(qū)域、從下向上陸續(xù)降低感應(yīng)線圈功率等。實(shí)際應(yīng)用的定向凝固基本方法卞要有:熱交換法(HEM)、Bridgman等8.5.2定向凝固法定向凝固法通常指的是在同一個(gè)坩堝中熔煉定向凝固柱狀晶生長示意圖熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向多晶硅錠的柱狀晶結(jié)構(gòu)多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件一般來說，純金屬通過定向凝固，可獲得平面前沿，即隨著凝固進(jìn)行，整個(gè)平面向前推進(jìn)，但隨著溶質(zhì)濃度的提高，由平面前沿轉(zhuǎn)到柱狀。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。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(huì)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，所以多晶硅柱狀晶生長方向不如金屬的直，且伴有分叉。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(jìn)行8.5.2定向凝固法熱交換法基本原理是在坩堝底板上通以冷卻水或氣進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從而使熔體自上向下定向散熱;Bridgman法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。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，通常都是將兩者綜合起來，從而得到更好的定向效果。定向凝固法基本原理1冷卻水或氣2.坩堝3.液態(tài)4.固/液界面5.固態(tài)6.熱源8.5.2定向凝固法熱交換法基本原理是在坩堝底板上通以冷卻布里曼法（BridgemanMethod）這是一種經(jīng)典的較早的定向凝固方法。特點(diǎn)：坩堝和熱源在凝固開始時(shí)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。液固界面交界處的溫度梯度必須>0，即dT/dx>0，溫度梯度接近于常數(shù)。布里曼法（BridgemanMethod）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)。硅錠高度主要受設(shè)備及坩堝高度限制。生長速度約0.8-1.0mm/分。缺點(diǎn)：爐子結(jié)構(gòu)比熱交換法復(fù)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。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)

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

熱交換法是目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要使用的一種爐型。特點(diǎn)：坩堝和熱源在熔化及凝固整個(gè)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(shí)熱開關(guān)關(guān)閉，起隔熱作用；凝固開始時(shí)熱開關(guān)打開，以增強(qiáng)坩堝底部散熱強(qiáng)度。長晶速度受坩堝底部散熱強(qiáng)度控制，如用水冷，則受冷卻水流量（及進(jìn)出水溫差）所控制。熱交換法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0，而坩堝和熱源又靜止不動(dòng)，因此隨著凝固的進(jìn)行，熱源也即熱場溫度（大于熔點(diǎn)溫度）會(huì)逐步向上推移，同時(shí)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。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0。但隨著界面逐步向上推移，溫度梯度逐步降低直至趨于0。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(kuò)大容量只能是增加硅錠截面積。最大優(yōu)點(diǎn)是爐子結(jié)構(gòu)簡單。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

熱源坩堝液固界面

散熱裝置

HEM法示意圖

固相液相固相液相

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示意圖多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件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(diǎn):在同一個(gè)坩堝中進(jìn)行熔煉與凝固成形，避免了熔體的一次污染;通過定向凝固得到的是柱狀晶，減輕了晶界的不利影響。由于定向凝固過程中的雜質(zhì)分凝效應(yīng)，對硅中平衡分凝系數(shù)遠(yuǎn)小于或大于1的雜質(zhì)有一定的提純作用。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(diǎn):8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

多晶硅電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造技術(shù)于1985年由Ciszek首先提出，而后在日本得到深入的研究，并將其成功應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中;法國的FrancisDurand等人在Photo-watt公司的合作下，也于1989年將此方法應(yīng)用到太陽能電池用多晶硅的生產(chǎn)制備中。EMCP法的最大特點(diǎn):綜合了冷坩堝感應(yīng)熔煉與連續(xù)鑄造原理，集兩者優(yōu)點(diǎn)與一體；

8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)多晶硅電磁感應(yīng)8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

電磁感應(yīng)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(jìn)入坩堝熔體中，通過熔體預(yù)熱及線圈感應(yīng)加熱熔化，隨下部硅錠一起向下抽拉凝固，從而實(shí)現(xiàn)過程的連續(xù)操作。由于硅在低溫下電阻不滿足感應(yīng)加熱的條件，所以起初坩堝底部加以石墨底托進(jìn)行預(yù)熱啟熔。8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)電磁感應(yīng)加熱連電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)原理圖1.線圈2.坩堝3.石墨感應(yīng)器4.顆粒硅5.氬氣6.水7.真空泵8.絕熱套9.石墨底托電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)原理圖8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

EMCP具有以下一些優(yōu)點(diǎn):感應(yīng)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;冷坩堝壽命長，可重復(fù)利用，有利于成本的降低;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(dǎo)致的鑄錠頭尾質(zhì)量較差、需切除的現(xiàn)象，材料利用率高;連續(xù)鑄造有利于生產(chǎn)效率的提高，己達(dá)30kg/h左右8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)EMCP具有以下8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

與此同時(shí)，EMCP法也具有特有的一些缺陷:所得多晶硅錠晶粒較小，外圍貼壁晶粒尺寸小于1mm，中間部分稍大，但也僅1～2mm;所得多晶硅晶內(nèi)缺陷較多。8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)與此同時(shí)，EM8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)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，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。而晶內(nèi)缺陷有一定的內(nèi)除雜作用(即雜質(zhì)大多集中于缺陷附近)，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。8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)由于其所制備的多Rawsilicon"Eleven-nines"(purity99.999999999%)siliconisusedasarawmaterialSUMCO-Electromagneticcastingmethod-RawsiliconSUMCO-ElectromagneElectromagneticcastingmethod2.ElectromagneticcastingmethodRawsiliconismoltenfromhighfrequencyinductionheatingusinginductioncoils.ThehighfrequencyinductionheatingsystemallowsanobjecttoinduceelectriccurrentusingthesameprincipleasanIHheater.Sincetheelectromagneticforcegeneratedbytheinductioncoilprovidesmoltensiliconwiththeforcedirectedtowardthecenter,theliquidsiliconcanmaintainhighpuritywithoutmakingcontactwiththecrucible.Byloweringtheingotslowly,theliquidsiliconcoolsgraduallyandcrystallizesElectromagneticcastingmethod3.Squaremulti-crystallinesiliconingotsTheingotmanufacturedbytheelectromagneticcastingmethodisthelargestsiliconcrystalforsolarcellsintheworldwithalengthof7,000mm3.Squaremulti-crystallinesi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多晶硅鑄錠

多晶硅片加工流程及裝備

多晶硅片加工的具體流程如下:裝料-熔化-定向生長-冷卻凝固-Si錠出爐-破錠-多線切割-Si片清洗-包裝。8.5.4多晶硅鑄錠多晶硅片加工流程及裝備多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件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多晶硅鑄錠

所對應(yīng)的裝備有:用于石英坩堝內(nèi)噴涂氮化硅粉的噴涂設(shè)備噴涂后烘干固化的坩堝燒結(jié)設(shè)備多晶硅定向生長的多晶硅鑄錠爐將Si錠剖解成所需尺寸方形多晶硅柱的剖錠機(jī)將Si柱切割成Si片的多線切割機(jī)Si片清洗機(jī)等。8.5.4多晶硅鑄錠所對應(yīng)的裝備有: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目的：在石英坩堝內(nèi)壁表面進(jìn)行氮化硅噴涂，防止在鑄錠時(shí)硅液與坩堝壁直接接觸發(fā)生粘連。噴槍調(diào)試范圍：氮化硅通過噴槍噴射寬度為4-6cm。重新噴涂坩堝時(shí)，將有問題的坩堝放在加熱器上，將坩堝的溫度加熱到40-50℃。稱取氮化硅粉末，通過100-200目尼龍紗網(wǎng)過濾氮化硅粉。坩堝噴涂坩堝噴涂坩堝噴涂檢查坩堝→坩堝預(yù)熱→配制氮化硅粉→加熱純水→攪拌氮化硅液體→噴涂作業(yè)注意：穿好連體防護(hù)服，穿好鞋套，戴好紗布手套、乳膠手套、防護(hù)眼鏡。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。檢查坩堝涂層→擺放坩堝→檢查程序→啟動(dòng)燒結(jié)燒結(jié)好的坩堝要盡快裝料、投爐，燒結(jié)好的坩堝在爐子外的保存時(shí)間為≤6小時(shí)。燒結(jié)程序結(jié)束后，待爐內(nèi)溫度降至100℃以下時(shí)，即可取出。坩堝噴涂檢查坩堝→坩堝預(yù)熱→配制氮化硅粉→加熱純水→攪拌氮化坩堝噴涂臺坩堝噴槍設(shè)備坩堝燒結(jié)爐坩堝噴涂臺坩堝噴槍設(shè)備坩堝燒結(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)象在坩堝內(nèi)壁涂Si3N4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。Kishore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、碳濃度都降低了。同時(shí)，使用Si3N4涂層后熔液和坩堝內(nèi)壁不粘結(jié)，這樣既可以降低應(yīng)力又能夠多次使用坩堝，從而降低了成本。在坩堝內(nèi)壁涂Si3N4膜層。采用這種坩堝可以十分有效地降低來8.5.4多晶硅鑄錠1.裝料:將清洗后的或免洗的Si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，下爐罩上升與上爐罩合攏，抽真空，并通入氬氣作為保護(hù)氣體，爐內(nèi)壓力大致保持在4～6×104Pa左右;2.加熱: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Si料表面吸附的濕氣等;3.熔化:增大加熱功率，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到1540℃左右的Si料熔化溫度并保持至Si料完全熔化;多晶硅片的典型生產(chǎn)工藝如下:8.5.4多晶硅鑄錠1.裝料:將清洗后的或免洗的Si料裝入8.5.4多晶硅鑄錠4.長晶:Si料熔化結(jié)束后，適當(dāng)減小加熱功率，工作區(qū)溫度降至1430℃左右的Si熔點(diǎn)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)，形成垂直方向的大于0℃的溫度梯度，坩堝中Si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，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20～30h;8.5.4多晶硅鑄錠4.長晶:Si料熔化結(jié)束后，適當(dāng)減小加8.5.4多晶硅鑄錠5.退火:長晶完成后，由于坩堝中Si料的上部和下部存在較大的溫差，這時(shí)的多晶硅錠會(huì)存在定的熱應(yīng)力，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(yīng)保溫在Si熔點(diǎn)附近段時(shí)間以使整個(gè)晶錠的溫度逐漸均勻，減少或消除熱應(yīng)力;6.冷卻:退火后，加熱器停止加熱并通入大流量氬氣，使?fàn)t內(nèi)溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升直至達(dá)到大氣壓及容許的出錠溫度;8.5.4多晶硅鑄錠5.退火:長晶完成后，由于坩堝中Si料8.5.4多晶硅鑄錠7.出錠: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;8.破錠:利用剖錠機(jī)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Si片尺寸(如125×125mm規(guī)格或156×156mm規(guī)格)切割成均勻的方形Si柱;9.切片:用多線切割機(jī)將方形Si柱切割成厚度為220mm左右的多晶硅片;10.清洗、包裝:清洗切好的Si片以去除切削液及表而的其他殘余物，烘干后包裝待用，工藝結(jié)束。

8.5.4多晶硅鑄錠7.出錠:降低下爐罩，露出固定其上的坩裝料時(shí)，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多晶裝料所需物料：各種硅料、母合金、燒結(jié)好的石英坩堝。裝料過程注意防塵，不接觸金屬，輕拿輕放，不碰壞噴涂層。環(huán)境要求：空氣濕度≤50%；環(huán)境溫度20℃～28℃。裝料工藝流程：硅料核計(jì)→檢查坩堝涂層→裝料→裝石墨護(hù)板→緊固護(hù)板裝料時(shí)，先把粒子狀、粉末狀或片狀的硅料輕輕鋪好底部，原因是避多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件8.5.4多晶硅鑄錠多晶硅片的生產(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(jī)構(gòu)、送氣及水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成。多晶硅鑄錠爐的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)有:方便形成豎直溫度梯度的熱場設(shè)計(jì)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Si液泄漏等安全性設(shè)計(jì)技術(shù)、高溫耐材連接節(jié)能技術(shù)等。8.5.4多晶硅鑄錠多晶硅片的生產(chǎn)的核心設(shè)備為大容量多晶硅8.5.4多晶硅鑄錠其技術(shù)發(fā)展將朝著以下幾方而進(jìn)行，一是提高單爐產(chǎn)量，進(jìn)步降低多晶硅片生產(chǎn)成本;二是優(yōu)化改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)能、生產(chǎn)合格率和Si錠質(zhì)量;三是創(chuàng)新溫區(qū)設(shè)計(jì)，提高原料回收及再利用率;四是節(jié)能，進(jìn)步降低單位生產(chǎn)能耗。8.5.4多晶硅鑄錠其技術(shù)發(fā)展將朝著以下幾方而進(jìn)行，GT-DSS450的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)底部裝料令操作更加簡單安全標(biāo)準(zhǔn)化夾層模塊可確保安裝方便快捷生產(chǎn)高效電池片的材料產(chǎn)能：≥6.2兆瓦，156mm電池片，15.5%效率硅錠尺寸：84厘米x84厘米硅錠重量：大于400千克全自動(dòng)工藝步驟保證硅錠質(zhì)量高效電源可節(jié)省電力資源CE認(rèn)證（歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)）GT-DSS450的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)JZDL-450

JZDL-450硅錠重量：450kg坩堝尺寸（寬×長×高）：877×877×420mm硅錠尺寸（寬×長×高）：840×840×270mm石墨電阻加熱，加熱功率：165（240）KVA最高加熱溫度：1600℃全過程自動(dòng)化控制，循環(huán)時(shí)間：50hr定向凝固運(yùn)動(dòng)行程：380mm下爐室運(yùn)動(dòng)行程：900mm設(shè)備占地參考（寬×長×高）：4760×4950×5100mmJZDL-450

北京京運(yùn)通科技股份有限公司

硅錠重量：450kgJZDL-450北京京運(yùn)通科技股份有限

VGF632/732Si多晶硅鑄錠爐特點(diǎn)通過熱區(qū)六面加熱實(shí)現(xiàn)高效率，縮短熔化周期；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(shí)對加熱器的溫度進(jìn)行精確控制從而保證出色的產(chǎn)品質(zhì)量；全自動(dòng)工藝控制，根據(jù)不同的原料質(zhì)量預(yù)先選擇加熱菜單；提供為優(yōu)化工藝而進(jìn)行的可選配置的升級；技術(shù)參數(shù)

·坩鍋尺寸（寬x長x高）720mmx720mmx420mm，選項(xiàng)：840x840x420（JUMBO）；

·硅錠質(zhì)量>250Kg(390Kg)；

·工作溫度：最高1550oC

·功率：220KVA（330KVA），400V/3Ph/50Hz；

·設(shè)備占地(寬x長x高)：4500mmx4000mmx4500mm；

VGF632/732Si多晶硅鑄錠爐特點(diǎn)多晶硅鑄錠爐結(jié)構(gòu)多晶硅鑄錠爐結(jié)構(gòu)多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件多晶硅鑄錠國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀國際上從事多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)的企業(yè)主要有最早進(jìn)入中國市場的美國GT-Solar公司，其設(shè)備在中國的保有量也最大，目前主要生產(chǎn)450kg/爐規(guī)格的設(shè)備;德國ALD真空技術(shù)公司（ALDVacuumTechnologiesGmbH）生廠400kg/爐規(guī)格的設(shè)備，開始小批量進(jìn)入中國;英國的CrystaloxLimited公司，生產(chǎn)275kg/爐規(guī)格的設(shè)備;多晶硅鑄錠國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀多晶硅鑄錠國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀挪威的Scanwafer公司，生產(chǎn)的鑄錠爐設(shè)備可同時(shí)生產(chǎn)4錠（800～1000kg/爐)，相關(guān)的產(chǎn)品專利非常多，但是一般不對外銷售;法國的ECM公司，其設(shè)備的加熱器為三溫區(qū)設(shè)計(jì)，可較好地提高Si料再利用率。多晶硅鑄錠國外多晶硅鑄錠設(shè)備現(xiàn)狀多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成抽真空系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)是保持硅錠在真空下，進(jìn)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范圍內(nèi)。這就要求真空系統(tǒng)既有抽真空設(shè)備，同時(shí)還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。抽真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和羅茨泵、比例閥旁路抽氣系統(tǒng)組成。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)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成加熱系統(tǒng)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)溫度可按設(shè)定值變化;同時(shí)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。測溫系統(tǒng)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(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，以便使長晶狀況實(shí)時(shí)分析判斷系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整長晶參數(shù)，使這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)備組成多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成保溫層升降系統(tǒng)保溫層升降機(jī)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(jī)械升降系統(tǒng)，并配備精確的位置、速度控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。壓力控制系統(tǒng)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(shí)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(shí)時(shí)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)備組成多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成其它輔助系統(tǒng)(1)熔化及長晶結(jié)束自動(dòng)判斷系統(tǒng):通過測量裝置檢測硅料狀態(tài)，自動(dòng)判斷硅料的狀態(tài)，為控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷控制長晶。(2)系統(tǒng)故障診斷及報(bào)警系統(tǒng):為了保證系統(tǒng)長時(shí)間可靠運(yùn)行，系統(tǒng)提供了系統(tǒng)故障自診斷功能，采用人機(jī)對話方式，幫助使用者發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)排除故障，為設(shè)備安全可靠的運(yùn)行提供了安全保障。多晶硅鑄錠爐設(shè)備多晶硅鑄錠爐設(shè)備組成多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件定向凝固中的一些工藝參數(shù)溫度梯度(GL)太陽能電池硅錠定向凝固的前提條件就是在固-液界面前沿建立必要的溫度梯度，也就是要求GL>0，溫度梯度的大小直接影響晶體生長速率和晶體質(zhì)量。將凝固速率當(dāng)成熱量在一維空間的傳熱，這里有熱傳導(dǎo)方程:定向凝固中的一些工藝參數(shù)溫度梯度(GL)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(3)中:R為凝固速率;L為生長單位質(zhì)量晶體所放出的結(jié)晶潛熱;ρm為熔點(diǎn)附近熔體密度;λs和λL分別為晶體和熔體的導(dǎo)熱系數(shù);Gs和GL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)設(shè)坩堝在橫向是等截面，那么在公式(3定向凝固中的一些工藝參數(shù)設(shè)λs和λL為為常數(shù)，則在凝固速率R一定時(shí)，Gs和GL成正比。通過增大Gs來增強(qiáng)固相的散熱強(qiáng)度，是獲得大GL的重要途徑，同時(shí)，這樣也會(huì)使凝固速率增大。在實(shí)際定向凝固中常用提高固-液界面前沿的液相溫度來達(dá)到提高GL的目的。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)但并非GL越大越好，熔體溫度過高，會(huì)導(dǎo)致熔體揮發(fā)、分解以及受到污染，從而影響晶體的質(zhì)量。而固相的溫度梯度Gs過大，會(huì)使生長著的晶體產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，甚至是晶體開裂。鑄造多晶硅在生長時(shí)，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);同時(shí)，保證在晶體部分凝固、熔體體積減小后，溫度沒有變化。定向凝固中的一些工藝參數(shù)但并非GL越大越好，熔體溫度過高，會(huì)定向凝固中的一些工藝參數(shù)凝固速率(R)影響溫度梯度的因素，除了熱場本身的設(shè)計(jì)外，冷卻速率起決定性的作用。通常晶體的生長速率越快，生產(chǎn)效率越高，但其溫度梯度也越大，最終導(dǎo)致熱應(yīng)力越大，而高的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致高密度的位錯(cuò)，嚴(yán)重影響材料的質(zhì)量。因此既要保持一定的晶體生長速率;又要保持盡量小的溫度梯度，降低熱應(yīng)力并減少晶體中的缺陷。定向凝固中的一些工藝參數(shù)凝固速率(R)定向凝固中的一些工藝參數(shù)凝固速率(R)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生長;然后，在可以保持晶體固-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。定向凝固中的一些工藝參數(shù)凝固速率(R)鑄造多晶硅由于制造鑄造多晶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。其次，鑄造過程中產(chǎn)生大量的應(yīng)力，可能導(dǎo)致大量位錯(cuò)產(chǎn)生還有，采用這種工藝，坩堝只能用一次，生產(chǎn)成本增加。鑄造多晶硅中雜質(zhì)的大致含量鑄造多晶硅由于制造鑄造多晶硅的原料主要為微電子工業(yè)剩下的頭尾多晶硅中的雜質(zhì)鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷及改善工藝鑄造多晶硅的原料來自半導(dǎo)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料。顯著地降低多晶硅材料的電學(xué)性能。

多晶硅中的雜質(zhì)(1)多晶硅中的氧(2)多晶硅中的碳(3)多晶硅中的過渡族金屬元素多晶硅中的雜質(zhì)鑄造多晶硅中的雜質(zhì)和缺陷及改善工藝多晶硅中的雜質(zhì)(1)多晶硅中的氧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。在硅的熔點(diǎn)溫度下，硅和二氧化硅發(fā)生如下反應(yīng):Si+SiO2→2SiO一部分SiO從熔液表面揮發(fā)掉，其余的SiO在熔液里分解，反應(yīng)如下:SiO→Si+O多晶硅中的雜質(zhì)(1)多晶硅中的氧氧是多晶硅中的一種非常重要的石英坩堝由石墨材料支承，石英與石墨發(fā)生反應(yīng)，形成CO而進(jìn)入爐內(nèi)氣氛,CO亦會(huì)與Si熔體作用而使氧和碳進(jìn)入Si。氧在硅熔體中的傳輸受到許多因素的影響，如水平對流、擴(kuò)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(rèn)為是大于1，在凝固過程中分凝機(jī)制對于氧在硅中的傳遞和分布起著重要作用，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。多晶硅中的雜質(zhì)(1)多晶硅中的氧石英坩堝由石墨材料支承，石英與石墨發(fā)生反應(yīng)，形成CO而進(jìn)入爐多晶硅中的雜質(zhì)(1)多晶硅中的氧雖然低于溶解度的間隙氧并不顯電學(xué)活性，但是當(dāng)間隙氧的濃度高于其溶解度時(shí)，就會(huì)有熱施主、新施主和氧沉淀生成，進(jìn)一步產(chǎn)生位錯(cuò)、層錯(cuò)，從而成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心。在多晶硅吸雜時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隙氧的濃度低于7×1017時(shí)，磷吸雜效果十分顯著;相反高于此濃度時(shí)，吸雜效果不明顯甚至更差。多晶硅中的雜質(zhì)(1)多晶硅中的氧雖然低于溶解度的間隙氧并不顯多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳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(yīng)產(chǎn)生CO,CO與硅熔體表面接觸并溶解。處于替代位置的碳對材料的電學(xué)性能并無影響，但是當(dāng)碳的濃度超過其溶解度很多時(shí)，就會(huì)有SiC沉淀生成，誘生缺陷，導(dǎo)致材料的電學(xué)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SiC團(tuán)塊，往往與棒狀的Si3N4,結(jié)合在一起形成硬質(zhì)夾雜，從而影響硅錠的切割。在快速熱處理時(shí)，Al-P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(fù)雜，有關(guān)它們對材料電學(xué)性能的影響，需要進(jìn)一步的研究。多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳碳主要來源于石墨坩堝或石墨托多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳硅中的碳元素來源也有兩個(gè)，一個(gè)是金屬硅中所帶來的。如果金屬硅吹氧不充分，可能會(huì)將一些碳元素帶入硅中，另外，在多晶硅和單晶硅爐中，由于通常采用石墨加熱件和碳?xì)直伢w，因此在高溫下會(huì)有碳蒸汽的揮發(fā)進(jìn)入到硅中，也會(huì)增加硅中的碳含量。但由于碳的分凝系數(shù)只有0.07，因此，在定向凝固時(shí)，碳將聚集在硅錠的頂部，或單晶硅坩堝的鍋底。碳也是IV族元素，與硅同族，因此，C在硅中不會(huì)產(chǎn)生施主或受主效應(yīng)。不過，碳的存在也會(huì)對硅的性質(zhì)造成影響。

多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳硅中的碳元素來源也有兩個(gè)，一多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳通常，在直拉單晶和多晶硅鑄錠的時(shí)候，碳自身時(shí)很難形成沉淀的，也很難與氧生成氧沉淀或碳氧復(fù)合體。但是，如果在從高溫到低溫又向高溫進(jìn)行退火處理的時(shí)候，則硅中的碳濃度和氧濃度同時(shí)發(fā)生變化，因此，推測在退火過程中，碳氧將發(fā)生復(fù)合，或促進(jìn)氧沉淀的生成，因?yàn)樘荚油軌虺蔀檠醭恋淼暮诵?，形成原生氧沉淀。但這種沉淀是不穩(wěn)定的，在高溫下，又會(huì)溶解，導(dǎo)碳氧濃度又上升。

多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳通常，在直拉單晶和多晶硅鑄錠多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳雖然有理論認(rèn)為碳原子因原子半徑小，容易造成晶格畸變，造成氧原子在附近偏聚而形成氧沉淀的異質(zhì)核心，從而對材料產(chǎn)生正面的影響。但如果碳過多的話，將會(huì)與硅反應(yīng)，產(chǎn)生一定數(shù)量的碳化硅，碳化硅沉淀導(dǎo)致晶格位錯(cuò)，形成深能級載流子復(fù)合中心，從而影響少子壽命。這個(gè)負(fù)面影響可能要比碳原子單質(zhì)的正面影響要大得多。多晶硅中的雜質(zhì)(2)多晶硅中的碳雖然有理論認(rèn)為碳原子因原子半多晶硅中的雜質(zhì)(4)多晶硅中的氮硅中的氮元素的存在，好像是好處多于壞處。氮能夠增加硅材料的機(jī)械強(qiáng)度，抑制微缺陷，促進(jìn)氧沉淀。浙江大學(xué)國家硅材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的闕端麟先生首創(chuàng)氮?dú)夥障吕瓎尉?，就是利用氮的這些優(yōu)點(diǎn)的。但是，在物理法多晶硅的生產(chǎn)過程中，由于不少是采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，而且坩堝涂層里面的氮化硅在高溫下也會(huì)部分與硅反應(yīng)，或者氮化硅顆粒直接進(jìn)入硅液中，將導(dǎo)致細(xì)晶的產(chǎn)生，增加晶界數(shù)量，最終影響太陽能電池的性能。

多晶硅中的雜質(zhì)(4)多晶硅中的氮硅中的氮元素的存在，好像是好多晶硅中的雜質(zhì)(4)多晶硅中的氮在多晶硅的結(jié)晶過程中，氮還可以與氧作用，形成氮氧復(fù)合體，影響材料的電學(xué)性能。但由于氮氧復(fù)合體是淺能級，而且氮的固溶度很低，因此，對材料的影響不是很大。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，總體說來，如果C、O、N等元素的雜質(zhì)濃度能夠小于10-20ppm，那么，對作為太陽能用途的硅材料來說，就沒有什么副作用了。

把這些元素消除到20ppm以下，并不是很困難的事情。主要還是由于這些元素的性質(zhì)比較活躍，容易形成化合物，之后被從硅材料中帶出的緣故。

多晶硅中的雜質(zhì)(4)多晶硅中的氮在多晶硅的結(jié)晶過程中，氮還可多晶硅中的過渡族金屬元素在硅錠中存在的過渡族金屬主要有Fe,Co,Ni,Cu,Au,Zn,Pt等，其中大部分(如Fe,Ni,Cu等)主要占據(jù)的是間隙位置，而Au,Zn,Pt在硅中則主要是以替代位存在的。這些金屬元素的半徑一般都比硅的大，易引起較大的晶格畸變，而且它們在硅中一般都有著非常大的擴(kuò)散系數(shù)，除了從原材料中帶入，在之后的電池制作工藝中也不可避免地會(huì)引入。多晶硅中的過渡族金屬元素在硅錠中存在的過渡族金屬主要有Fe多晶硅中的過渡族金屬元素在硅材料中過渡族金屬的擴(kuò)散系數(shù)大小多晶硅中的過渡族金屬元素在硅材料中過渡族金屬的擴(kuò)散系數(shù)大小多晶硅中的過渡族金屬元素這些雜質(zhì)中，銅和鎳的擴(kuò)散系數(shù)較大，即使淬火，它們也會(huì)形成沉淀而不溶解在硅晶格中。鐵和鉻的擴(kuò)散系數(shù)相對較小，但是在慢速冷卻熱處理時(shí)，依然有大部分形成沉淀。這些元素在硅的禁帶中形成深能級，從而成為復(fù)合中心，降低少數(shù)載流子的壽命。多晶硅中的過渡族金屬元素這些雜質(zhì)中，銅和鎳的擴(kuò)散系數(shù)較大，即多晶硅中的過渡族金屬元素鐵是多晶硅中最為重要的一種過渡族金屬，它在硅中主要是以自間隙鐵(Fe)、鐵的復(fù)合體或鐵沉淀(FeSi2)的形式存在。而這些自間隙鐵、鐵的復(fù)合體或鐵沉淀在硅的禁帶中引入深能級中心，從而顯著降低材料少數(shù)載流子的壽命，在P型硅中，低濃度的鐵通常與硼結(jié)合成鐵-硼對，而高濃度的鐵則主要形成鐵沉淀，它們都是深能級復(fù)合中心。鐵在硅中的分凝系數(shù)比較小，大約為((5~7)*10-6。但由硅錠得到的鐵分布卻是底部和頂部濃度較高，中間部分濃度較低，且分布較為均勻，這與由單一分凝機(jī)制決定的間隙鐵濃度分布有出入，目前普遍認(rèn)為這是坩堝底部內(nèi)壁污染條件下固相擴(kuò)散的結(jié)果，相關(guān)的數(shù)值模擬也證實(shí)了這一點(diǎn)。多晶硅中的過渡族金屬元素鐵是多晶硅中最為重要的一種過渡族金屬銅在硅中則易形成穩(wěn)定的富金屬化合物Cu3Si，其晶格常數(shù)遠(yuǎn)大于硅，從而引起晶格失配，產(chǎn)生局部應(yīng)力，嚴(yán)重影響硅材料和器件的質(zhì)量。而且銅沉淀的性質(zhì)取決于冷卻速率和缺陷密度，快冷下形成高刻度的小尺寸銅沉淀，而慢冷條件下則形成低密度的大尺寸銅沉淀，后者的復(fù)合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于前者。銅沉淀很容易綴飾在晶界或位錯(cuò)等缺陷上，而且相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)沉淀對晶界有選擇性。多晶硅中的過渡族金屬元素銅在硅中則易形成穩(wěn)定的富金屬化合物Cu3Si，其晶格常數(shù)遠(yuǎn)大多晶硅中的缺陷

多晶硅中的缺陷多晶硅中存在高密度的、種類繁多的缺陷，如晶界、位錯(cuò)、小角晶界、孿晶、亞晶界、空位、自間隙原子以及各種微缺陷等。鑄造多晶硅中缺陷的典型形貌(化學(xué)腐蝕后)，存在晶界CB、位錯(cuò)D、孿晶T、位錯(cuò)線DL、位錯(cuò)結(jié)DT等缺陷多晶硅中的缺陷

多晶硅中的缺陷鑄造多晶硅中缺陷的典型形貌(化多晶硅中的缺陷(1)晶界一種意見是，潔凈的晶界對少數(shù)載流子的壽命并無影響或只有很微小的影響，只是由于雜質(zhì)的沾污、沉淀的形成才顯著地降低少數(shù)載流子的壽命。與此相反，有人認(rèn)為晶界存在著一系列界面狀態(tài)，有界面勢壘，存在懸掛鍵，故晶界本身就有電學(xué)活性，而當(dāng)雜質(zhì)偏聚或沉淀于此時(shí)，它的電學(xué)活性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，而成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心。但共同的看法都是雜質(zhì)都很容易在晶界處偏聚或沉淀。同時(shí)，研究表明，如果晶界垂直于晶體表面，那么，它對太陽電池效率的影響很小。多晶硅中的缺陷(1)晶界多晶硅中的缺陷(2)位錯(cuò)在多晶硅鑄造過程中，由于熱應(yīng)力的作用會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)的產(chǎn)生。另外，各種沉淀的生成，由于晶格尺寸的不匹配也會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)的產(chǎn)生。位錯(cuò)本身就具有懸掛鍵，存在電學(xué)活性，降低少數(shù)載流子的壽命;而且金屬在此極易偏聚，對少數(shù)載流子的降低就更加厲害。多晶硅中的缺陷(2)位錯(cuò)半導(dǎo)體級高純硅的制備在浸入式電極電弧爐中，用碳還原石英制取冶金級（MG）的硅。碳的來源有煤、焦碳或木片。反應(yīng)為SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)冶金級硅的純度接近98～99%，主要的雜質(zhì)有Al和Fe。B和P很難從硅中除去。冶金級硅的最初提純是氫它轉(zhuǎn)化成一種中間化合物如四氯化硅（SiCl4），尤其是三氯氫硅（SiHCl3）來完成的。半導(dǎo)體級高純硅的制備在浸入式電極電弧爐中，用碳還原石英制取冶半導(dǎo)體級高純硅的制備一般用冶金級的硅粉與無水氯化氫通過流態(tài)化床反應(yīng)來制成三氯氫硅，即Si十3HCl==SiHCl3+H2這種硅的化合物經(jīng)過分餾得到進(jìn)一步的提純。然后，用提純過的三氯氫硅在氫氣氛中進(jìn)行還原反應(yīng)，于是在一根熱的細(xì)硅棒上（T≧1100℃）發(fā)生化學(xué)氣相沉積，最后形成半導(dǎo)體級高純多晶硅。這一反應(yīng)是流態(tài)化床的逆過程。半導(dǎo)體級高純硅的制備一般用冶金級的硅粉與無水氯化氫通過流態(tài)化半導(dǎo)體級高純硅的制備因?yàn)橛眠@種方法制取的多晶硅純度極高，不能用標(biāo)準(zhǔn)分析技術(shù)進(jìn)行鑒定。首先必須把多晶硅轉(zhuǎn)化成單晶，一般采用懸浮區(qū)熔法。然后根據(jù)電阻率和霍爾測量來推出雜質(zhì)的含量。通常，電活性雜質(zhì)的濃度一般為1ppb（＞200歐姆）以下。對一般晶錠的各種應(yīng)用而言，這個(gè)純度已能滿足需要了。但對一些特殊應(yīng)用，如某些類型的紅外輻射探測器，它要求約20000歐姆-厘米的電阻率（雜質(zhì)濃度在0.02ppb以下），這么高的電阻率只能在高真空條件下用懸浮區(qū)熔法才能達(dá)到。半導(dǎo)體級高純硅的制備因?yàn)橛眠@種方法制取的多晶硅純度極高，不能HowtomanufacturesolarmoduleHowtomanufacturesolarmodulHowtomanufacturesolarmoduleHowtomanufacturesolarmodulMulti-crystalline

siliconwaferSolarcellPhotovoltaicmodule(Solarpanel)Multi-crystalline

siliconwafe多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件完完多晶硅錠定向凝固生長方法多晶硅錠定向凝固生長方法97實(shí)現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四種方法：布里曼法熱交換法電磁鑄錠法澆鑄法實(shí)現(xiàn)多晶硅定向凝固生長的四種方法：8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法于1975年由Wacker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(jī)械將其注入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶凝固，從而得到等軸多晶硅。近年來，為了提高多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，也有人對此傳統(tǒng)工藝加以改進(jìn)，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，獲得定向柱狀晶組織。8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法于1975年由Wacker公8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法生產(chǎn)原理示意圖1固態(tài)2.液態(tài)3熔煉坩堝4.涂層5.凝固界面G.模具8.5.1鑄錠澆注法鑄錠澆注法生產(chǎn)原理示意圖8.5.1鑄錠澆注法由于澆注法用的坩堝,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)元素含量較高。同時(shí)，硅熔體在高溫時(shí)與石墨發(fā)生反應(yīng)，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，冷卻后難以脫模。為了避免以上缺陷，研究者們經(jīng)過多年的研究實(shí)踐，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。8.5.1鑄錠澆注法由于澆注法用的坩堝,模具材料多為石墨8.5.1鑄錠澆注法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Si3N4,SiC-Si3N4,Si0/SiN,BN等。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，亦有利于雜質(zhì)的降低。8.5.1鑄錠澆注法多年來通過對各種涂膜材料性能及所制得硅8.5.1鑄錠澆注法為提高多晶硅錠品質(zhì)從而提高電池效率，近年來對該法硅料熔煉過程也進(jìn)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(yīng)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，采用真空條件下的電磁感應(yīng)熔煉或冷坩堝感應(yīng)熔煉來對原料硅進(jìn)行加熱熔化等。

8.5.1鑄錠澆注法為提高多晶硅錠品質(zhì)從而提高電池效率，近8.5.1鑄錠澆注法澆注法工藝成熟、設(shè)備簡單、易于操作控制，目能實(shí)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;然而，其熔煉與結(jié)晶成形在不同的坩堝中進(jìn)行，容易造成熔體一次污染，同時(shí)受熔煉坩堝及翻轉(zhuǎn)機(jī)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，由于晶界、亞晶界的不利影響，電池轉(zhuǎn)換效率較低。8.5.1鑄錠澆注法澆注法工藝成熟、設(shè)備簡單、易于操作控制8.5.2定向凝固法定向凝固法通常指的是在同一個(gè)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(dá)到一定的溫度梯度，從而進(jìn)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:以一定的速度向上移動(dòng)坩堝側(cè)壁、向下移動(dòng)坩堝底板、在坩堝底板上通水強(qiáng)制冷卻或是感應(yīng)熔煉時(shí)將坩堝連同熔體一起以一定的速度向下移出感應(yīng)區(qū)域、從下向上陸續(xù)降低感應(yīng)線圈功率等。實(shí)際應(yīng)用的定向凝固基本方法卞要有:熱交換法(HEM)、Bridgman等8.5.2定向凝固法定向凝固法通常指的是在同一個(gè)坩堝中熔煉定向凝固柱狀晶生長示意圖熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向熱流方向側(cè)向無溫度梯度，不散熱晶體生長方向多晶硅錠的柱狀晶結(jié)構(gòu)多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件一般來說，純金屬通過定向凝固，可獲得平面前沿，即隨著凝固進(jìn)行，整個(gè)平面向前推進(jìn)，但隨著溶質(zhì)濃度的提高，由平面前沿轉(zhuǎn)到柱狀。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。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(huì)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，所以多晶硅柱狀晶生長方向不如金屬的直，且伴有分叉。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(jìn)行8.5.2定向凝固法熱交換法基本原理是在坩堝底板上通以冷卻水或氣進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從而使熔體自上向下定向散熱;Bridgman法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。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，通常都是將兩者綜合起來，從而得到更好的定向效果。定向凝固法基本原理1冷卻水或氣2.坩堝3.液態(tài)4.固/液界面5.固態(tài)6.熱源8.5.2定向凝固法熱交換法基本原理是在坩堝底板上通以冷卻布里曼法（BridgemanMethod）這是一種經(jīng)典的較早的定向凝固方法。特點(diǎn)：坩堝和熱源在凝固開始時(shí)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。液固界面交界處的溫度梯度必須>0，即dT/dx>0，溫度梯度接近于常數(shù)。布里曼法（BridgemanMethod）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)。硅錠高度主要受設(shè)備及坩堝高度限制。生長速度約0.8-1.0mm/分。缺點(diǎn)：爐子結(jié)構(gòu)比熱交換法復(fù)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。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)

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

熱交換法是目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要使用的一種爐型。特點(diǎn)：坩堝和熱源在熔化及凝固整個(gè)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(shí)熱開關(guān)關(guān)閉，起隔熱作用；凝固開始時(shí)熱開關(guān)打開，以增強(qiáng)坩堝底部散熱強(qiáng)度。長晶速度受坩堝底部散熱強(qiáng)度控制，如用水冷，則受冷卻水流量（及進(jìn)出水溫差）所控制。熱交換法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0，而坩堝和熱源又靜止不動(dòng)，因此隨著凝固的進(jìn)行，熱源也即熱場溫度（大于熔點(diǎn)溫度）會(huì)逐步向上推移，同時(shí)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。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0。但隨著界面逐步向上推移，溫度梯度逐步降低直至趨于0。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(kuò)大容量只能是增加硅錠截面積。最大優(yōu)點(diǎn)是爐子結(jié)構(gòu)簡單。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

熱源坩堝液固界面

散熱裝置

HEM法示意圖

固相液相固相液相

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示意圖多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件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(diǎn):在同一個(gè)坩堝中進(jìn)行熔煉與凝固成形，避免了熔體的一次污染;通過定向凝固得到的是柱狀晶，減輕了晶界的不利影響。由于定向凝固過程中的雜質(zhì)分凝效應(yīng)，對硅中平衡分凝系數(shù)遠(yuǎn)小于或大于1的雜質(zhì)有一定的提純作用。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(diǎn):8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

多晶硅電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造技術(shù)于1985年由Ciszek首先提出，而后在日本得到深入的研究，并將其成功應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中;法國的FrancisDurand等人在Photo-watt公司的合作下，也于1989年將此方法應(yīng)用到太陽能電池用多晶硅的生產(chǎn)制備中。EMCP法的最大特點(diǎn):綜合了冷坩堝感應(yīng)熔煉與連續(xù)鑄造原理，集兩者優(yōu)點(diǎn)與一體；

8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)多晶硅電磁感應(yīng)8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

電磁感應(yīng)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(jìn)入坩堝熔體中，通過熔體預(yù)熱及線圈感應(yīng)加熱熔化，隨下部硅錠一起向下抽拉凝固，從而實(shí)現(xiàn)過程的連續(xù)操作。由于硅在低溫下電阻不滿足感應(yīng)加熱的條件，所以起初坩堝底部加以石墨底托進(jìn)行預(yù)熱啟熔。8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)電磁感應(yīng)加熱連電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)原理圖1.線圈2.坩堝3.石墨感應(yīng)器4.顆粒硅5.氬氣6.水7.真空泵8.絕熱套9.石墨底托電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)原理圖8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

EMCP具有以下一些優(yōu)點(diǎn):感應(yīng)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;冷坩堝壽命長，可重復(fù)利用，有利于成本的降低;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(dǎo)致的鑄錠頭尾質(zhì)量較差、需切除的現(xiàn)象，材料利用率高;連續(xù)鑄造有利于生產(chǎn)效率的提高，己達(dá)30kg/h左右8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)EMCP具有以下8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)

與此同時(shí)，EMCP法也具有特有的一些缺陷:所得多晶硅錠晶粒較小，外圍貼壁晶粒尺寸小于1mm，中間部分稍大，但也僅1～2mm;所得多晶硅晶內(nèi)缺陷較多。8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)與此同時(shí)，EM8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)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，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。而晶內(nèi)缺陷有一定的內(nèi)除雜作用(即雜質(zhì)大多集中于缺陷附近)，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。8.5.3電磁感應(yīng)加熱連續(xù)鑄造(EMCP)由于其所制備的多Rawsilicon"Eleven-nines"(purity99.999999999%)siliconisusedasarawmaterialSUMCO-Electromagneticcastingmethod-RawsiliconSUMCO-ElectromagneElectromagneticcastingmethod2.ElectromagneticcastingmethodRawsiliconismoltenfromhighfrequencyinductionheatingusinginductioncoils.ThehighfrequencyinductionheatingsystemallowsanobjecttoinduceelectriccurrentusingthesameprincipleasanIHheater.Sincetheelectromagneticforcegeneratedbytheinductioncoilprovidesmoltensiliconwiththeforcedirectedtowardthecenter,theliquidsiliconcanmaintainhighpuritywithoutmakingcontactwiththecrucible.Byloweringtheingotslowly,theliquidsiliconcoolsgraduallyandcrystallizesElectromagneticcastingmethod3.Squaremulti-crystallinesiliconingotsTheingotmanufacturedbytheelectromagneticcastingmethodisthelargestsiliconcrystalforsolarcellsintheworldwithalengthof7,000mm3.Squaremulti-crystallinesi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多晶硅鑄錠

多晶硅片加工流程及裝備

多晶硅片加工的具體流程如下:裝料-熔化-定向生長-冷卻凝固-Si錠出爐-破錠-多線切割-Si片清洗-包裝。8.5.4多晶硅鑄錠多晶硅片加工流程及裝備多晶硅錠定向凝固生長方法概述課件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多晶硅鑄錠

所對應(yīng)的裝備有:用于石英坩堝內(nèi)噴涂氮化硅粉的噴涂設(shè)備噴涂后烘干固化的坩堝燒結(jié)設(shè)備多晶硅定向生長的多晶硅鑄錠爐將Si錠剖解成所需尺寸方形多晶硅柱的剖錠機(jī)將Si柱切割成Si片的多線切割機(jī)Si片清洗機(jī)等。8.5.4多晶硅鑄錠所對應(yīng)的裝備有: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目的：在石英坩堝內(nèi)壁表面進(jìn)行氮化硅噴涂，防止在鑄錠時(shí)硅液與坩堝壁直接接觸發(fā)生粘連。噴槍調(diào)試范圍：氮化硅通過噴槍噴射寬度為4-6cm。重新噴涂坩堝時(shí)，將有問題的坩堝放在加熱器上，將坩堝的溫度加熱到40-50℃。稱取氮化硅粉末，通過100-200目尼龍紗網(wǎng)過濾氮化硅粉。坩堝噴涂坩堝噴涂坩堝噴涂檢查坩堝→坩堝預(yù)熱→配制氮化硅粉→加熱純水→攪拌氮化硅液體→噴涂作業(yè)注意：穿好連體防護(hù)服，穿好鞋套，戴好紗布手套、乳膠手套、防護(hù)眼鏡。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。檢查坩堝涂層→擺放坩堝→檢查程序→啟動(dòng)燒結(jié)燒結(jié)好的坩堝要盡快裝料、投爐，燒結(jié)好的坩堝在爐子外的保存時(shí)間為≤6小時(shí)。燒結(jié)程序結(jié)束后，待爐內(nèi)溫度降至100℃以下時(shí)，即可取出。坩堝噴涂檢查坩堝→坩堝預(yù)熱→配制氮化硅粉→加熱純水→攪拌氮化坩堝噴涂臺坩堝噴槍設(shè)備坩堝燒結(jié)爐坩堝噴涂臺坩堝噴槍設(shè)備坩堝燒結(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)象在坩堝內(nèi)壁涂Si3N4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。Kishore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、碳濃度都降低了。同時(shí)，使用Si3N4涂層后熔液和坩堝內(nèi)壁不粘結(jié)，這樣既可以降低應(yīng)力又能夠多次使用坩堝，從而降低了成本。在坩堝內(nèi)壁涂Si3N4膜層。采用這種坩堝可以十分有效地降低來8.5.4多晶硅鑄錠1.裝料:將清洗后的或免洗的Si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，下爐罩上升與上爐罩合攏，抽真空，并通入氬氣作為保護(hù)氣體，爐內(nèi)壓力大致保持在4～6×104Pa左右;2.加熱: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Si料表面吸附的濕氣等;3.熔化:增大加熱功率，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到1540℃左右的Si料熔化溫度并保持至Si料完全熔化;多晶硅片的典型生產(chǎn)工藝如下:8.5.4多晶硅鑄錠1.裝料:將清洗后的或免洗的Si料裝入8.5.4多晶硅鑄錠4.長晶:Si料熔化結(jié)束后，適當(dāng)減小加熱功率，工作區(qū)溫度降至1430℃左右的Si熔點(diǎn)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)，形成垂直方向的大于0℃的溫度梯度，坩堝中Si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，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20～30h;8.5.4多晶硅鑄錠4.長晶:Si料熔化結(jié)束后，適當(dāng)減小加8.5.4多晶硅鑄錠5.退火:長晶完成后，由于坩堝中Si料的上部和下部存在較大的溫差，這時(shí)的多晶硅錠會(huì)存在定的熱應(yīng)力，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(yīng)保溫在Si熔點(diǎn)附近段時(shí)間以使整個(gè)晶錠的溫度逐漸均勻，減少或消除熱應(yīng)力;6.冷卻:退火后，加熱器停止加熱并通入大流量氬氣，使?fàn)t內(nèi)溫度逐漸降低，氣壓逐漸回升直至達(dá)到大氣壓及容許的出錠溫度;8.5.4多晶硅鑄錠5.退火:長晶完成后，由于坩堝中Si料8.5.4多晶硅鑄錠7.出錠: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;8.破錠:利用剖錠機(jī)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Si片尺寸(如125×125mm規(guī)格或156×156mm規(guī)格)切割成均勻的方形Si柱;9.切片:用多線切割機(jī)將方形Si柱切割成厚度為220mm左右的多晶硅片;10.清洗、包裝:清洗切好的Si片以去除切削液及表而的其他殘余物，烘干后包裝待用，工藝結(jié)束。

8.5.4多晶硅鑄錠7.出錠:降低下爐罩，露出固定其上的坩裝料時(shí)，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多晶裝料所需物料：各種硅料、母合金、燒結(jié)好的石英坩堝。裝料過程注意防塵，不接觸金屬，輕拿輕放，不碰壞噴涂層。環(huán)境要求：空氣濕度≤50%；環(huán)境溫度20℃～28℃。裝料工藝流程：硅料核計(jì)→檢查坩堝涂層→裝料→裝石墨護(hù)板→緊固護(hù)板裝料時(shí)，先把粒子狀、粉末狀或片狀的硅料輕輕鋪好底部，原因是避多