多晶硅锭制备—铸锭多晶硅工艺-42页PPT资料

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晶体生 长方向
侧向无温度梯度， 不散热
热流方向
定向凝固柱状晶生长示意图
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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。
• 如简图所示，液固界面逐步向上推移，液固界面处 温度梯度必须是正值，即大于0。但随着界面逐步 向上推移，温度梯度逐步降低直至趋于0。从以上 分析可知热交换法的长晶速度及温度梯度为变数。
而且锭子高度受限制，要扩大容量只能是增加硅锭 截面积。
• 最大优点是炉子结构简单。
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固液界面处的扩散层 杂质在硅中的分凝系数
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杂质元素和缺陷沿硅锭高度的分布
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1.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
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杂质含量(ppm)
h
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Fe Al
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
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1、布里曼法（Bridgeman Method） 这是一种经典的较早的定向凝固方法。
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。
来自百度文库
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多晶硅锭的柱状晶结构
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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。
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• 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。
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• 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：
降且下降速度必须平稳，其次坩埚底
部需水冷。
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2、热交换法
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， 如用水冷，则受冷却水流量（及进出水温 差）所控制。
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63 126 162 199 210 硅锭高度/生长方向(mm)
金属杂质含量沿硅锭生长方向分布图
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• 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。
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四、多晶硅锭定向凝固生长方法
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热源
液相
坩埚
固相
液固界面
散热装置
热交换法法示意图
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• 由于定向凝固只能是单方向热流（散热），径向 （即坩埚侧向）不能散热，也即径向温度梯度趋于 0，而坩埚和热源又静止不动，因此随着凝固的进 行，热源也即热场温度（大于熔点温度）会逐步向 上推移，同时又必须保证无径向热流，所以温场的 控制与调节难度要大。
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冷却水
坩埚 热源 硅液
隔热板 热开关 工作台
布里曼法示意图
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液相 固液界面 固相
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• 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
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
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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。
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。
• 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。
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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，横向则要求无温度梯度， 从而形成定向生长的柱状晶。
• 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。
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• 太阳能电池产业的飞速发展，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。