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(zhǎng)方法根據(jù)生長(zhǎng)方法的不同，多晶硅可分為等軸晶、柱狀晶。通常在熱過(guò)冷及自由凝固的情況下會(huì)形成等軸晶，其特點(diǎn)是晶粒細(xì)，機(jī)械物理性能各向同性。如果在凝固過(guò)程中控制液固界面的溫度梯度，形成單方向熱流，實(shí)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(yáng)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(shí)際生產(chǎn)中，太陽(yáng)電池多晶硅錠的定向凝固生長(zhǎng)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(kāi)，熔煉在一個(gè)石英砂爐襯的感應(yīng)爐中進(jìn)行，熔融的硅液澆入一個(gè)石墨模型中，石墨模型置于一個(gè)升降臺(tái)上，周?chē)秒娮杓訜幔缓笠?mm/min的速度下降。特點(diǎn)是熔化和結(jié)晶在兩個(gè)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(shí)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(diǎn)是因?yàn)槿廴诤徒Y(jié)晶使用不同的坩堝，會(huì)導(dǎo)致二次污染，此外因?yàn)橛雄釄宸D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及引錠機(jī)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)相對(duì)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(zhǎng)。下圖為一個(gè)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(guò)程中，底部用一個(gè)可移動(dòng)的熱開(kāi)關(guān)絕熱，結(jié)晶時(shí)則將它移開(kāi)以便將坩堝底部的熱量通過(guò)冷卻臺(tái)帶走，從而形成溫度梯度。下圖為一個(gè)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(tái)通冷卻水，上置一個(gè)熱開(kāi)關(guān)，坩堝則位于熱開(kāi)關(guān)上。硅料熔融時(shí)，熱開(kāi)關(guān)關(guān)閉，結(jié)晶時(shí)打開(kāi)，將坩堝底部的熱量通過(guò)工作臺(tái)內(nèi)的冷卻水帶走，形成溫度梯度。同時(shí)坩堝工作臺(tái)緩慢下降，使凝固好的硅錠離開(kāi)加熱區(qū)，維持固液界面有一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度梯度，在這個(gè)過(guò)程中，要求工作臺(tái)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(lái)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(shí)進(jìn)行，節(jié)約時(shí)間。而且，熔體和坩堝不直接接觸，既沒(méi)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(duì)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(zhǎng)的多晶硅的晶粒比較細(xì)小(約為3—5mm)、大小不均。且生長(zhǎng)時(shí)固液界面是嚴(yán)重的凹型，會(huì)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(yáng)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(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出270kg的硅錠。在長(zhǎng)晶期間，只有一個(gè)部件在運(yùn)動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)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(zhǎng)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(shí)以上。坩堝的四個(gè)豎直邊都圍有石墨加熱器，DS-Block，坩堝四周?chē)懈魺釋?。隔熱層的豎直邊能上下移動(dòng)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(lái)冷卻坩堝底部，從而使坩堝內(nèi)的熔融硅周?chē)纬闪艘粋€(gè)豎直溫度梯度。這個(gè)梯度使坩堝內(nèi)的硅料從底部開(kāi)始凝固，從熔體底部向頂部開(kāi)始長(zhǎng)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(guò)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(dòng)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(zhǎng)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(pán)上顯示的輸出值和