多晶铸锭生产工艺培训
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元素 平衡分配系数
浙江昱辉阳光能有有限公司
B 0.8
P 0.35
C 0.07
O 1.25
Fe 8×10-5
Co 8×10-4
Ni 3×10-7
17
杂质元素和微缺陷沿硅锭高度的分布
1
4
2
5
3
1、少子寿命分布 2、金属元素（Fe）分布 3、缺陷密度分布 4、氧分布 5、碳分布
浙江昱辉阳光能有有限公司
18
7
预清洗、脱胶
浙江昱辉阳光能有有限公司
8
硅片清洗
浙江昱辉阳光能有有限公司
9
硅片检验
浙江昱辉阳光能有有限公司
10
一 多晶硅锭的组织结构与结晶炉热场 二 定向凝固时硅中杂质的分凝 三 定向凝固生长方法 四 多晶铸锭作业流程 五 硅锭、硅块性能检测
浙江昱辉阳光能有有限公司
11
一、多晶硅锭的组织结构与结晶炉热场
浙江昱辉阳光能有有限公司
13
5、定向凝固：长晶要求固-液界面处的温度梯度大于0，横向则要求尽可能小的温度梯 度；温度梯度和热流保持在垂直方向上，从而形成定向生长的柱状晶。
图1.1 GT多晶炉热场结构示意图
图1.1 ALD多晶炉热场结构示意图
浙江昱辉阳光能有有限公司
14
6、硅结晶的特点：与一般金属不同，硅的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 状晶生长方向基本垂直，但常伴有分枝晶。 7、长晶速度：即结晶生长前沿的移动速度，取决于热场的变动，是综合控制晶体生长素 的和质量的最重要工艺数据。降低液相温度梯度可提高晶体生长速度；提高固相温度梯度 可提高晶体生长速度，但温度梯度过大，会使热应力过大，引起位错密度增加，造成内裂 纹。
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36
氧含量检测
硅中的氧来源于材料制备过程直拉硅单晶生长中氧来自石英坩埚污染
部分SiO蒸发，部分分解引入Si熔体，最终进入硅晶体。氧浓度受到石英坩埚接 触面积、熔体对流强度、SiO从熔体表面蒸发速度的综合影响 红外吸收光谱中1107cm-1吸收峰强度与间隙氧浓度呈线性关系
浙江昱辉阳光能有有限公司
用行车将完成装料的坩 埚及石墨底板投入多晶炉 内。 在投料过程应合理控 制坩埚的位置及移动速度。 确保坩埚放置于炉膛中 部，并避免碰撞到炉膛内 壁。
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29
多晶铸锭
熔硅
硅原料
浙江昱辉阳光能有有限公司
30
硅锭出炉
硅锭冷却到一定温度 后，对多晶炉进行泄压， 然后用行车将硅锭吊出多 晶炉，并用小推车运至硅 锭冷却房。
浙江昱辉阳光能有有限公司
31
五、硅锭、硅块性能检测
硅块在切断磨面前，需要检测以下电学、物理性能参数：
导电类型 电阻率 少数载流子寿命 红外探伤测试 氧含量测试 碳含量测试
浙江昱辉阳光能有有限公司
32
导电类型
多余电子 空 键 接受电子 空 穴
P型半导体
浙江昱辉阳光能有有限公司
N型半导体
33
电阻率
浙江昱辉阳光能有有限公司
21
电磁铸锭法（EMC）
硅液在熔融状态下具有磁性，外加的极性相反的磁场产生强大的推拒力，使熔硅 不接触容器而被加热。在连续下漏过程中被外部水冷套冷却而结晶。加料和硅锭 产出可实现连续。硅锭外尺寸近于硅片要求的尺寸。 特点： 无石英坩埚，可连续铸造 氧、碳含量低 提纯效果稳定 硅锭尺寸近于硅片要求，无需开方 晶粒较小，且大小不均匀
溶质浓度
多晶硅片电阻率0.8-3.0ohm.cm 掺杂浓度4.56×1015-1.87×1016cm-3
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34
非平衡少数载流子寿命寿命
非平衡载流子的寿命通常简称为少子寿命，当外界作用停止后，非平衡载 流子从产生到复合逐渐消失，直至恢复到平衡态。非平衡载流子从产生到 复合的平均存在时间就是少子的寿命。
多晶铸锭生产工艺培训
2011-7-19
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1
太阳能光伏产业链
浙江昱辉阳光能有有限公司
2
多晶硅片生产流程
浙江昱辉阳光能有有限公司
3
多晶铸锭
浙江昱辉阳光能有有限公司
4
硅锭开方
浙江昱辉阳光能Βιβλιοθήκη 有限公司5切断、倒角、磨面
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6
多晶切片
浙江昱辉阳光能有有限公司
浙江昱辉阳光能有有限公司 22
浇铸法（CASTING TECHNOLOGY）
浇铸法将熔炼及凝固，熔炼在一个石英砂炉衬底感应炉中进行，熔清的硅液 浇入一石墨模型中，石墨模型置于一升降台上，周围用电阻加热，然后以每 分钟1mm的速度下降。 特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行，从图中可以看出，这种生产方 法可以实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方，可以 有效提高生产效率，降低能源消耗。 缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚，会 导致二次污染，此外因为有坩埚翻转机构及引锭 机构，使得其结构较复杂。
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20
热交换法（HEM）
目前国内外生产多晶硅锭的主流方法，如美国GT SOLAR，德国ALD，绍兴精 工，北京京运通等，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。 如简图所示，固液界面逐步向上推移，固液 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。 最大优点是炉子结构简单。
测量少子寿命的常用方法： 1、微波光电导衰减法 2、直流光电导衰减法 3、高频光电导衰减法 4、表面光压法
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35
红外探伤检测
在特定光源和红外探测器的协助下， 红外探伤测试仪能够穿透200mm深度 的硅块，纯硅料几乎不吸收这个波段 的波长，但是如果硅块里面有微晶、 夹杂(通常为SiC)、隐裂等缺陷时，缺 陷部位将吸收红外光，因此在成像系 统中将呈现出异常（如阴影）的图像。
晶棒中溶质浓度对凝固部分体积百分数曲线分布
2.0E+16 1.8E+16 1.6E+16 1.4E+16 1.2E+16 1.0E+16 8.0E+15 6.0E+15 4.0E+15 2.0E+15 0.0E+00 0 0.1 P型杂质浓度分布 N型杂质浓度分布 电阻率 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 凝固部分体积百分数 电阻率
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二、定向凝固时硅中杂质的分凝
多晶硅的结晶生长是硅的排杂提纯过程，这是基于杂质在硅的固液相中有不同的溶解 度（浓度）。
图2.1 微量杂质的硅溶液的凝固结晶过程示意图
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16
对杂质浓度非常小的平衡固-液相系统，在固-液界面处固相中的成分与在液相中的成分 比未一定值，可表达为平衡分配系数（分凝系数）： K0=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 K0与温度、浓度无关，仅决定于溶质和溶剂性质。 当K0＜1，C*S＜C*L，先凝固部分杂质浓度小于后凝固部分中的杂质浓度；当K0=1， C*S=C*L，先凝固部分杂质浓度等于后凝固部分中的杂质浓度；当K0＞1，C*S＞C*L，先凝 固部分杂质浓度大于后凝固部分中的杂质浓度。 常见元素分凝系数：
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26
装料
①装料准备
② 装料
② 装料
③ 上护板
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27
炉膛清理
由于多晶炉内的高温环境， 在铸锭过程中，会产生较多 的氧化物粉末吸附于炉膛及 炉壁上，因此投料前需要对 多晶炉进行清理。 清理的工具有吸尘器、无尘 纸、酒精等。
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28
投料
三、定向凝固生长方法
按照不同的加热传热和结晶面控制的原理，多晶铸锭定向凝固生长有以下四 种方法： 布里曼法 热交换法 磁铸造法 浇铸法
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19
布里曼法（Bridgeman）
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。 固液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。 长晶速度受工作台下移速度及冷却水流量控制。生长速度约0.81.0mm/min。 缺点：炉子结构比较复杂，坩埚工作台需升降，且 下降速度必须平稳，其次坩埚工作台底部需水冷。
多晶硅锭结构特征是柱状晶，即晶体生长沿垂直方向由下向上，通过定向凝固的结晶 （Directional Solidification-Crystallization）过程实现。
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12
1、热场：即温度场，是温度分布随时间和空间的变化，实际为非稳态。 熔硅在凝固结晶过程中，通过控制结晶炉内的热场，形成可控的单向热流（晶体生长方 向与热流方向相反）。合适的温度场是多晶硅锭形成和获得优质大晶粒晶体的基本工艺条 件。 2、固-液界面：结晶生长前沿，硅在熔点温度下发生熔化-凝固，熔化吸热，是过热过 程，凝固放热，是过冷过程。在硅熔点（1422℃）附近存在固-液界面区。 形状：凹、凸和平坦型。 重要性：关系到硅锭内晶粒尺寸、位错方向、杂质偏聚、热应力分布。固液界面的微观结 构和移动过程决定了晶体的生长机制。 3、温度梯度：炉内等温线上任一点上的法线，是指向温度升高方向的矢量。 4、热流密度：正比于温度梯度但方向相反的矢量。 q=-k ΔT （热传导系数k是温度、压力、晶向的函数）
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23
四、多晶铸锭作业流程
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24
坩埚喷涂
Si3N4涂层作用： 1.隔离坩埚与硅熔体，防止相互接触产生粘滞导致硅锭破裂； 2.阻止硅熔体与坩埚反应，有效降低氧含量。
①上坩埚 ②坩埚加热
③氮化硅准备
④坩埚喷涂
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25
坩埚烧结
烧结目的： 将附着在坩埚内表层的Si3N4进行烧结，形成一层致密的、具有一定机械强度的 保护涂层。
37
碳含量检测
607cm-1吸收峰强度与碳浓度呈线性关系
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38
谢 谢！
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39
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B 0.8
P 0.35
C 0.07
O 1.25
Fe 8×10-5
Co 8×10-4
Ni 3×10-7
17
杂质元素和微缺陷沿硅锭高度的分布
1
4
2
5
3
1、少子寿命分布 2、金属元素（Fe）分布 3、缺陷密度分布 4、氧分布 5、碳分布
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18
7
预清洗、脱胶
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8
硅片清洗
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9
硅片检验
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10
一 多晶硅锭的组织结构与结晶炉热场 二 定向凝固时硅中杂质的分凝 三 定向凝固生长方法 四 多晶铸锭作业流程 五 硅锭、硅块性能检测
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11
一、多晶硅锭的组织结构与结晶炉热场
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13
5、定向凝固：长晶要求固-液界面处的温度梯度大于0，横向则要求尽可能小的温度梯 度；温度梯度和热流保持在垂直方向上，从而形成定向生长的柱状晶。
图1.1 GT多晶炉热场结构示意图
图1.1 ALD多晶炉热场结构示意图
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14
6、硅结晶的特点：与一般金属不同，硅的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 状晶生长方向基本垂直，但常伴有分枝晶。 7、长晶速度：即结晶生长前沿的移动速度，取决于热场的变动，是综合控制晶体生长素 的和质量的最重要工艺数据。降低液相温度梯度可提高晶体生长速度；提高固相温度梯度 可提高晶体生长速度，但温度梯度过大，会使热应力过大，引起位错密度增加，造成内裂 纹。
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氧含量检测
硅中的氧来源于材料制备过程直拉硅单晶生长中氧来自石英坩埚污染
部分SiO蒸发，部分分解引入Si熔体，最终进入硅晶体。氧浓度受到石英坩埚接 触面积、熔体对流强度、SiO从熔体表面蒸发速度的综合影响 红外吸收光谱中1107cm-1吸收峰强度与间隙氧浓度呈线性关系
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用行车将完成装料的坩 埚及石墨底板投入多晶炉 内。 在投料过程应合理控 制坩埚的位置及移动速度。 确保坩埚放置于炉膛中 部，并避免碰撞到炉膛内 壁。
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29
多晶铸锭
熔硅
硅原料
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30
硅锭出炉
硅锭冷却到一定温度 后，对多晶炉进行泄压， 然后用行车将硅锭吊出多 晶炉，并用小推车运至硅 锭冷却房。
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31
五、硅锭、硅块性能检测
硅块在切断磨面前，需要检测以下电学、物理性能参数：
导电类型 电阻率 少数载流子寿命 红外探伤测试 氧含量测试 碳含量测试
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导电类型
多余电子 空 键 接受电子 空 穴
P型半导体
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电阻率
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电磁铸锭法（EMC）
硅液在熔融状态下具有磁性，外加的极性相反的磁场产生强大的推拒力，使熔硅 不接触容器而被加热。在连续下漏过程中被外部水冷套冷却而结晶。加料和硅锭 产出可实现连续。硅锭外尺寸近于硅片要求的尺寸。 特点： 无石英坩埚，可连续铸造 氧、碳含量低 提纯效果稳定 硅锭尺寸近于硅片要求，无需开方 晶粒较小，且大小不均匀
溶质浓度
多晶硅片电阻率0.8-3.0ohm.cm 掺杂浓度4.56×1015-1.87×1016cm-3
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非平衡少数载流子寿命寿命
非平衡载流子的寿命通常简称为少子寿命，当外界作用停止后，非平衡载 流子从产生到复合逐渐消失，直至恢复到平衡态。非平衡载流子从产生到 复合的平均存在时间就是少子的寿命。
多晶铸锭生产工艺培训
2011-7-19
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1
太阳能光伏产业链
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2
多晶硅片生产流程
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多晶铸锭
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4
硅锭开方
浙江昱辉阳光能Βιβλιοθήκη 有限公司5切断、倒角、磨面
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6
多晶切片
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浇铸法（CASTING TECHNOLOGY）
浇铸法将熔炼及凝固，熔炼在一个石英砂炉衬底感应炉中进行，熔清的硅液 浇入一石墨模型中，石墨模型置于一升降台上，周围用电阻加热，然后以每 分钟1mm的速度下降。 特点是熔化和结晶在两个不同的坩埚中进行，从图中可以看出，这种生产方 法可以实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却分别位于不同的地方，可以 有效提高生产效率，降低能源消耗。 缺点是因为熔融和结晶使用不同的坩埚，会 导致二次污染，此外因为有坩埚翻转机构及引锭 机构，使得其结构较复杂。
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20
热交换法（HEM）
目前国内外生产多晶硅锭的主流方法，如美国GT SOLAR，德国ALD，绍兴精 工，北京京运通等，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。 如简图所示，固液界面逐步向上推移，固液 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。 最大优点是炉子结构简单。
测量少子寿命的常用方法： 1、微波光电导衰减法 2、直流光电导衰减法 3、高频光电导衰减法 4、表面光压法
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红外探伤检测
在特定光源和红外探测器的协助下， 红外探伤测试仪能够穿透200mm深度 的硅块，纯硅料几乎不吸收这个波段 的波长，但是如果硅块里面有微晶、 夹杂(通常为SiC)、隐裂等缺陷时，缺 陷部位将吸收红外光，因此在成像系 统中将呈现出异常（如阴影）的图像。
晶棒中溶质浓度对凝固部分体积百分数曲线分布
2.0E+16 1.8E+16 1.6E+16 1.4E+16 1.2E+16 1.0E+16 8.0E+15 6.0E+15 4.0E+15 2.0E+15 0.0E+00 0 0.1 P型杂质浓度分布 N型杂质浓度分布 电阻率 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 凝固部分体积百分数 电阻率
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二、定向凝固时硅中杂质的分凝
多晶硅的结晶生长是硅的排杂提纯过程，这是基于杂质在硅的固液相中有不同的溶解 度（浓度）。
图2.1 微量杂质的硅溶液的凝固结晶过程示意图
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对杂质浓度非常小的平衡固-液相系统，在固-液界面处固相中的成分与在液相中的成分 比未一定值，可表达为平衡分配系数（分凝系数）： K0=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 K0与温度、浓度无关，仅决定于溶质和溶剂性质。 当K0＜1，C*S＜C*L，先凝固部分杂质浓度小于后凝固部分中的杂质浓度；当K0=1， C*S=C*L，先凝固部分杂质浓度等于后凝固部分中的杂质浓度；当K0＞1，C*S＞C*L，先凝 固部分杂质浓度大于后凝固部分中的杂质浓度。 常见元素分凝系数：
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装料
①装料准备
② 装料
② 装料
③ 上护板
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炉膛清理
由于多晶炉内的高温环境， 在铸锭过程中，会产生较多 的氧化物粉末吸附于炉膛及 炉壁上，因此投料前需要对 多晶炉进行清理。 清理的工具有吸尘器、无尘 纸、酒精等。
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投料
三、定向凝固生长方法
按照不同的加热传热和结晶面控制的原理，多晶铸锭定向凝固生长有以下四 种方法： 布里曼法 热交换法 磁铸造法 浇铸法
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布里曼法（Bridgeman）
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。 固液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。 长晶速度受工作台下移速度及冷却水流量控制。生长速度约0.81.0mm/min。 缺点：炉子结构比较复杂，坩埚工作台需升降，且 下降速度必须平稳，其次坩埚工作台底部需水冷。
多晶硅锭结构特征是柱状晶，即晶体生长沿垂直方向由下向上，通过定向凝固的结晶 （Directional Solidification-Crystallization）过程实现。
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1、热场：即温度场，是温度分布随时间和空间的变化，实际为非稳态。 熔硅在凝固结晶过程中，通过控制结晶炉内的热场，形成可控的单向热流（晶体生长方 向与热流方向相反）。合适的温度场是多晶硅锭形成和获得优质大晶粒晶体的基本工艺条 件。 2、固-液界面：结晶生长前沿，硅在熔点温度下发生熔化-凝固，熔化吸热，是过热过 程，凝固放热，是过冷过程。在硅熔点（1422℃）附近存在固-液界面区。 形状：凹、凸和平坦型。 重要性：关系到硅锭内晶粒尺寸、位错方向、杂质偏聚、热应力分布。固液界面的微观结 构和移动过程决定了晶体的生长机制。 3、温度梯度：炉内等温线上任一点上的法线，是指向温度升高方向的矢量。 4、热流密度：正比于温度梯度但方向相反的矢量。 q=-k ΔT （热传导系数k是温度、压力、晶向的函数）
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四、多晶铸锭作业流程
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坩埚喷涂
Si3N4涂层作用： 1.隔离坩埚与硅熔体，防止相互接触产生粘滞导致硅锭破裂； 2.阻止硅熔体与坩埚反应，有效降低氧含量。
①上坩埚 ②坩埚加热
③氮化硅准备
④坩埚喷涂
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25
坩埚烧结
烧结目的： 将附着在坩埚内表层的Si3N4进行烧结，形成一层致密的、具有一定机械强度的 保护涂层。
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碳含量检测
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