硅片制備-多晶硅鑄錠爐和單晶爐2課件

二、多晶硅鑄錠爐

1.多晶硅錠生長方法根據(jù)生長方法的不同，多晶硅可分為等軸晶、柱狀晶。通常在熱過冷及自由凝固的情況下會形成等軸晶，其特點是晶粒細(xì)，機(jī)械物理性能各向同性。如果在凝固過程中控制液固界面的溫度梯度，形成單方向熱流，實行可控的定向凝固，則可形成物理機(jī)械性能各向異性的多晶柱狀晶，太陽電池多晶硅錠就是采用這種定向凝固的方法生產(chǎn)的。在實際生產(chǎn)中，太陽電池多晶硅錠的定向凝固生長方法主要有澆鑄法、熱交換法（HEM）、布里曼（Bridgeman）法、電磁鑄錠法，其中熱交換法與布里曼法通常結(jié)合在一起。1.1澆鑄法澆鑄法將熔煉及凝固分開，熔煉在一個石英砂爐襯的感應(yīng)爐中進(jìn)行，熔融的硅液澆入一個石墨模型中，石墨模型置于一個升降臺上，周圍用電阻加熱，然后以1mm/min的速度下降。特點是熔化和結(jié)晶在兩個不同的坩堝中進(jìn)行，從圖中可以看出，這種生產(chǎn)方法可以實現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)，其熔化、結(jié)晶、冷卻分別位于不同的地方，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗。缺點是因為熔融和結(jié)晶使用不同的坩堝，會導(dǎo)致二次污染，此外因為有坩堝翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及引錠機(jī)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜。1.2熱交換法及布里曼法熱交換法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩堝中（避免了二次污染），其中熱交換法是將硅料在坩堝中熔化后，在坩堝底部通冷卻水或冷氣體，在底部進(jìn)行熱量交換，形成溫度梯度，促使晶體定向生長。下圖為一個使用熱交換法的結(jié)晶爐示意圖。該爐型采用頂?shù)准訜?，在熔化過程中，底部用一個可移動的熱開關(guān)絕熱，結(jié)晶時則將它移開以便將坩堝底部的熱量通過冷卻臺帶走，從而形成溫度梯度。下圖為一個熱交換法與布里曼法相結(jié)合的結(jié)晶爐示意圖。圖中，工作臺通冷卻水，上置一個熱開關(guān)，坩堝則位于熱開關(guān)上。硅料熔融時，熱開關(guān)關(guān)閉，結(jié)晶時打開，將坩堝底部的熱量通過工作臺內(nèi)的冷卻水帶走，形成溫度梯度。同時坩堝工作臺緩慢下降，使凝固好的硅錠離開加熱區(qū)，維持固液界面有一個比較穩(wěn)定的溫度梯度，在這個過程中，要求工作臺下降非常平穩(wěn)，以保證獲得平面前沿定向凝固。1.3電磁鑄錠法法(EMC或者EMCP法）利用電磁感應(yīng)的冷坩堝來熔化硅原料。這種熔化和凝固技術(shù)可以在不同的部位同時進(jìn)行，節(jié)約時間。而且，熔體和坩堝不直接接觸，既沒有坩堝的消耗，又減少了雜質(zhì)的污染，特別是氧濃度和金屬雜質(zhì)大幅降低，另外，該技術(shù)還可以連續(xù)澆鑄。不僅如此，由于電磁力對硅熔體攪拌作用，使得摻雜劑在硅熔體中的分布能更均勻，是種很有前途的鑄造多晶硅技術(shù)。但這種技術(shù)生長的多晶硅的晶粒比較細(xì)小(約為3—5mm)、大小不均。且生長時固液界面是嚴(yán)重的凹型，會引入較多的晶體缺陷。因此，制備的多晶硅的少數(shù)載流子壽命較低，所制的太陽能電池效率也低。HEM/DSS:dominatingprocess,PourCasting:Bridgeman:ElectromagneticCasting:continuousprocess,limitedingotsize,操作原理DSS（定向固化系統(tǒng)）能生產(chǎn)較大尺寸的，優(yōu)質(zhì)的多晶硅錠（用于光伏工業(yè)領(lǐng)域）。DSS的生產(chǎn)量很大，能在不到50個小時的時間內(nèi)生產(chǎn)出270kg的硅錠。在長晶期間，只有一個部件在運(yùn)動，這樣的設(shè)計極大地簡化了操作，減小了操作的復(fù)雜性。尤其注意降低一些消耗件（例如加熱器，隔熱層元件）的成本，從而降低了爐子長期運(yùn)行的成本。內(nèi)涂SiN的坩堝裝入多晶硅料后放在導(dǎo)熱性很強(qiáng)的石墨塊上（即所謂的定向固化塊或者DS塊）。關(guān)閉爐子后排氣，接通加熱器電源融化硅料數(shù)小時以上。坩堝的四個豎直邊都圍有石墨加熱器，DS-Block，坩堝四周圍有隔熱層。隔熱層的豎直邊能上下移動以便露出DS-Block的邊緣，使熱量輻射到下腔室的水冷四壁上。水冷卻DS-Block后再返回來冷卻坩堝底部，從而使坩堝內(nèi)的熔融硅周圍形成了一個豎直溫度梯度。這個梯度使坩堝內(nèi)的硅料從底部開始凝固，從熔體底部向頂部開始長晶。當(dāng)所有的硅料都凝固后，在程序的控制下，硅錠需要經(jīng)過退火，冷卻處理以免破裂且能將（晶格）位移降到最小限度。爐子的操作

一般情況下，DSS爐能在全自動模式下運(yùn)行，幾乎不需要操作工的干預(yù)。操作工只負(fù)責(zé)裝硅料，出錠，確認(rèn)長晶階段的設(shè)置是否正確，輸入的操作參數(shù)是否正確，定期檢查操作工控制盤上顯示的輸出值和