多晶硅锭制备-铸锭多晶硅工艺

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1、多晶硅锭制备—铸锭多晶硅工艺制作人：第三小组谢海峰10/4/20211一、多晶硅锭产业背景二、多晶硅锭的组织结构三、定向凝固时硅中杂质的分凝四、多晶硅锭定向凝固生长方法五、热交换炉型六、热交换法现行工艺讨论七、结晶炉结构类型的选择10/4/20212一、多晶硅锭产业背景太阳能电池产业是近几年发展最快的产业之一，最近5年来以超过50%的速度高速增长。在各种类型的太阳能电池中，晶体硅太阳电池由于其转换效率高，技术成熟而继续保持领先地位，占据了90%以上的份额，预计今后十年内晶体硅仍将占主导地位。10/4/20213太阳能电池产业的飞速发

2、展，带动硅锭/硅片的需求也大增,特别是多晶硅硅锭的生产向大规模化发展，单厂生产能力已达到百兆瓦级。虽然目前单晶硅的转换效率比多晶硅高，但两者的差距正逐渐缩短，多晶硅具有制造成本较低与单位产出量较大的优势，故多晶硅芯片在太阳能产业中未来仍将扮演主流角色。10/4/2021410/4/20215二、多晶硅锭的组织结构太阳能电池多晶硅锭是一种柱状晶，晶体生长方向垂直向上，是通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实现的，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流(生长方向与热流方向相反），并要求液固界面处的温度梯度大于0，横

3、向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。10/4/20216定向凝固柱状晶生长示意图热流方向侧向无温度梯度，不散热晶体生长方向10/4/20217一般来说，纯金属通过定向凝固，可获得平面前沿，即随着凝固进行，整个平面向前推进，但随着溶质浓度的提高，由平面前沿转到柱状。对于金属，由于各表面自由能一样，生长的柱状晶取向直，无分叉。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会优先生长，特别是由于杂质的存在，晶面吸附杂质改变了表面自由能，所以多晶硅柱状晶生长方向不如金属的直，且伴有分叉。10/4/20218多晶硅锭

4、的柱状晶结构10/4/20219三、定向凝固时硅中杂质的分凝太阳能电池硅锭的生长也是一个硅的提纯过程，是基于杂质的分凝效应进行的。如下图所示，一杂质浓度为C0的组分，当温度下降至T’’时，其固液界面处固相侧的杂质浓度为C*S。10/4/202110对一个杂质浓度非常小的平衡固液相系统，在液固界面处固相中的成分与在液相中的成分比值为一定，可表达为平衡分配系数K=C*S/C*L其中，C*L液固界面处液相侧溶质浓度C*S液固界面处固相侧溶质浓度金属杂质在硅中平衡分配系数在10-4—10-8之间，B为0.8，P为0.35。10/4/2021

5、11实际生产中固液界面还存在一个溶质富集层，杂质的分配系数还与该富集层的厚度、杂质的扩散速度、硅液的对流强度及晶体生长速度均有关，引入有效分配系数K’来表示：K’=K/[K+(1-K)exp(-Rδ/DL)]式中:K’有效分配系数,K平衡分配系数,R生长速度cm/s,δ溶质富集层厚度（固液界面的扩散层）cm（0.005-0.05）,DL扩散系数cm2/s。R或δ趋近于0，K’趋近于K时，最大程度提纯。R趋近于∞，K’趋近于1时，无提纯作用。10/4/202112固液界面处的扩散层杂质在硅中的分凝系数10/4/202113杂质元素和缺

6、陷沿硅锭高度的分布11123451.少子寿命分布2.金属元素（Fe）分布3.缺陷（沉淀、位错）应力分布4.氧分布5.碳分布10/4/202114h金属杂质含量沿硅锭生长方向分布图10/4/202115由于纯度较高的硅的分凝系数低于杂质含量较多的多晶硅的分凝系数，所以在石英坩埚中的多晶硅凝固时，杂质含量较多的多晶硅将呈现在硅锭的顶部。10/4/202116四、多晶硅锭定向凝固生长方法实现多晶硅定向凝固生长的四种方法：布里曼法热交换法电磁铸锭法浇铸法10/4/2021171、布里曼法（BridgemanMethod）这是一种经典的较早的

7、定向凝固方法。特点：坩埚和热源在凝固开始时作相对位移，分液相区和凝固区，液相区和凝固区用隔热板隔开。液固界面交界处的温度梯度必须>0，即dT/dx>0，温度梯度接近于常数。10/4/202118坩埚热源硅液隔热板热开关工作台冷却水液相固液界面固相布里曼法示意图10/4/202119长晶速度受工作台下移速度及冷却水流量控制，长晶速度接近于常数，长晶速度可以调节。硅锭高度主要受设备及坩埚高度限制。生长速度约0.8-1.0mm/分。缺点：炉子结构比热交换法复杂，坩埚需升降且下降速度必须平稳，其次坩埚底部需水冷。10/4/2021202、热

8、交换法是目前国内生产厂家主要使用的一种炉型。特点：坩埚和热源在熔化及凝固整个过程中均无相对位移。一般在坩埚底部置一热开关，熔化时热开关关闭，起隔热作用；凝固开始时热开关打开，以增强坩埚底部散热强度。长晶速度受坩埚底部散热强度控制，如用