铸造多晶硅PPT课件
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热交换等方式，使得熔体冷却，采用定向凝固技术 制造多晶硅——热交换法（Heat Exchange Method， HEM）。 ➢ 在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后将坩埚以一定的 速度移出热源区域，从而建立起定向凝固的条件— —布里曼法（Bridgman）。
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10
定向凝固法
与铸锭浇注法相比，定向凝固法有以下优点：
.
4
铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较
晶体性质 晶体形态 晶体质量 能耗/(kW·h/kg) 晶体大小 晶体形状 电池效率/%
直拉硅单晶 单晶 无位错 >100
约300mm 圆形 15~17
铸造多晶硅 大颗粒多晶 高密度位错
约16 >700mm
方形 14~16
.
5
自从铸造多晶硅发明以后，技术不断改进， 质量不断提高，应用也不断广泛。在材料制备 方面，平面固液相技术和氮化硅涂层技术等技 术的应用、材料尺寸的不断加大。
制备方法主要有：
➢合金法 ➢扩散法 ➢离子注入法 ➢薄膜生长法 ➢……
.
17
把一受定特主温点型度：杂，NP质区区使小中中小施球受球主放主溶杂杂在解质质一，浓浓块度然度N为后为型NN降单DA，低，晶而也温硅且是度片均均，上匀匀熔分，分体布加布；开热。始到 凝固在，交在界N面型处硅，片杂上质形浓度成由一N含A（有P高型浓）突度变受为主N杂D（质N的型P ）型，硅具薄有层这，种其杂与质分N型布硅的P衬N底结称的为交突界变面结处。即为PN结。
14
源自文库造多晶硅的原材料
高纯多晶硅
微电子工业应单 晶硅生产的剩余料
微电 子工业 应单晶 硅生产 的剩余 料
质量相对较差的高纯多晶硅
单晶硅棒的头尾料 单晶硅生长完成后剩余在石英
坩埚中的硅底料
.
15
.
16
PN结的制备方法
在一块 N型（或P型）半导体单晶上，用适当的工艺方法 把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别形 成N型和P型的导电类型，两者的交界处就形成了PN结。
铸造多晶硅
.
1
自20世纪80年代铸造多晶硅发明和应用 以来，增长迅速，80年代末期它仅占太阳 电池材料的10%左右，而至1996年底它已
占整个太阳电池材料的36%左右，它以相 对低成本、高效率的优势不断挤占单
晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池 材料。21世纪初已占50%以上，成为最主 要的太阳电池材料。
.
7
2、铸造多晶硅的制备工艺
➢ 铸锭浇注法 ➢ 定向凝固法 ➢ 磁感应加热连续铸造（EMCP）
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8
铸锭浇注法
在一个坩埚内将硅原料溶化，然后浇铸在另一个经 过预热的坩埚内冷却，通过控制冷却速率，采用定 向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅。
.
9
定向凝固法
直接熔融定向凝固法，简称直熔法。 ➢ 在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后通过坩埚底部的
.
19
离子注入法：将N型（或P型）掺杂剂的离子束在静电 场中间加速，注入P型（或N型）半导体表面区域， 在表面形成型号与基体相反的半导体 ，从而形成 半导体。
薄膜生长法：在N型或P型半导体材料的表面，通过气 相、液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的 半导体薄膜，从而形成PN结。
缺点：铸造多晶硅具有晶界、高密度的位错、微缺
陷和相对较高的杂质浓度，从而降低了太阳电池的光 电转换效率。
.
3
1、概述
利用铸造技术制备多晶硅，称为铸造多晶硅 （multicrystalline silicon，Mc-Si）。
铸造多晶硅中含有大量的晶粒、晶界、位错和杂 质，但由于省去了高费用额晶体拉制过程，所以 相对成本较低，而且能耗也较低，在国际上的到 了广泛应用。
在电池方面，SiN减反射层技术 、氢钝化技术、吸杂技术的开发和 应用，使得铸造多晶硅材料的电学 性能有了明显改善，其太阳电池的 光电转换率也得到了迅速提高。
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6
由于铸造多晶硅的优势，世界各发达国 家都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以 来，国际上新建的太阳电池和材料的生产线大部 分是铸造多晶硅生产线，相信在今后会有更多的 铸造多晶硅材料和电池生产线投入应用。目前， 铸造多晶硅已占太阳电池材料的53%以上，成为 最主要的太阳电池材料。
➢在同一个坩埚中进行熔炼与凝固成形，避免了熔体的二次 污染；
➢通过定向凝固得到的是柱状晶，减轻了晶界的不利影响； ➢由于定向凝固过程中的杂质分凝效应，对于硅中分凝系数
与1相差较大的杂质有一定的提纯作用。
缺点：能耗大，生产效率低，操作不连续、产能较小，坩埚 耗费大，其硅锭制备设备成本较高。
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11
其原理是利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅 原料。
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2
铸造多晶硅的优缺点
优点：
➢铸造多晶硅是利用特定铸造技术，在方形坩埚中制 备晶体硅材料，其生长简便，易于大尺寸生长，易 于自动化生长和控制，并且很容易直接切成方形硅 片；
➢材料的损耗小，同时铸造多晶硅生长相对能耗小， 促使材料的成本进一步降低，而且铸造多晶硅技术 对硅原料纯度的容忍度比直拉单晶硅高。
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18
在N型（或P型）硅片中 ，利用扩散工艺掺入相反型 例号与体中通分扩：特过从，—的基，，入解散将点程通—P在区杂体从加，到PP及常：线低2这型到O质材而温半P杂称杂 性5表沉，种半N，料构至导质为质缓面区淀结导在相成体1P补缓的变浓是在02中体局反内PO0偿变分结度逐硅50N，放在部型，~决结。布结深渐片1杂入硅区号在2定由。。扩变表0质扩片域的硅0。扩散化面℃浓散表形半表散结的并，度炉面成导面 形成含高浓度磷的N型半导 体。
显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。
.
13
这种技术制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小， 约为3-5mm，而且晶粒大小不均匀。而且，由图 6.9可以看出，该技术的固液界面是严重的凹形， 会引入较多的晶体缺陷。因此，这种技术制备的 铸造多晶硅的少数载流子寿命较低，所制备的太 阳电池的效率也较低。
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12
这种技术熔化和凝固可以在不同部位同时进行，节 约生产时间；而且，熔体和坩埚不直接接触，既没 有坩埚消耗，降低成本，又减少了杂质污染程度， 特别是氧浓度和金属杂质浓度有可能大幅度降低。
该技术还可以连续浇铸，速度可达 5mm/min。不 仅如此，由于电磁力对硅熔体的作用，使得掺杂剂 在硅熔体中的分布可能更均匀。
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定向凝固法
与铸锭浇注法相比，定向凝固法有以下优点：
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铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较
晶体性质 晶体形态 晶体质量 能耗/(kW·h/kg) 晶体大小 晶体形状 电池效率/%
直拉硅单晶 单晶 无位错 >100
约300mm 圆形 15~17
铸造多晶硅 大颗粒多晶 高密度位错
约16 >700mm
方形 14~16
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自从铸造多晶硅发明以后，技术不断改进， 质量不断提高，应用也不断广泛。在材料制备 方面，平面固液相技术和氮化硅涂层技术等技 术的应用、材料尺寸的不断加大。
制备方法主要有：
➢合金法 ➢扩散法 ➢离子注入法 ➢薄膜生长法 ➢……
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把一受定特主温点型度：杂，NP质区区使小中中小施球受球主放主溶杂杂在解质质一，浓浓块度然度N为后为型NN降单DA，低，晶而也温硅且是度片均均，上匀匀熔分，分体布加布；开热。始到 凝固在，交在界N面型处硅，片杂上质形浓度成由一N含A（有P高型浓）突度变受为主N杂D（质N的型P ）型，硅具薄有层这，种其杂与质分N型布硅的P衬N底结称的为交突界变面结处。即为PN结。
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源自文库造多晶硅的原材料
高纯多晶硅
微电子工业应单 晶硅生产的剩余料
微电 子工业 应单晶 硅生产 的剩余 料
质量相对较差的高纯多晶硅
单晶硅棒的头尾料 单晶硅生长完成后剩余在石英
坩埚中的硅底料
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PN结的制备方法
在一块 N型（或P型）半导体单晶上，用适当的工艺方法 把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别形 成N型和P型的导电类型，两者的交界处就形成了PN结。
铸造多晶硅
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自20世纪80年代铸造多晶硅发明和应用 以来，增长迅速，80年代末期它仅占太阳 电池材料的10%左右，而至1996年底它已
占整个太阳电池材料的36%左右，它以相 对低成本、高效率的优势不断挤占单
晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池 材料。21世纪初已占50%以上，成为最主 要的太阳电池材料。
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2、铸造多晶硅的制备工艺
➢ 铸锭浇注法 ➢ 定向凝固法 ➢ 磁感应加热连续铸造（EMCP）
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铸锭浇注法
在一个坩埚内将硅原料溶化，然后浇铸在另一个经 过预热的坩埚内冷却，通过控制冷却速率，采用定 向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅。
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定向凝固法
直接熔融定向凝固法，简称直熔法。 ➢ 在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后通过坩埚底部的
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离子注入法：将N型（或P型）掺杂剂的离子束在静电 场中间加速，注入P型（或N型）半导体表面区域， 在表面形成型号与基体相反的半导体 ，从而形成 半导体。
薄膜生长法：在N型或P型半导体材料的表面，通过气 相、液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的 半导体薄膜，从而形成PN结。
缺点：铸造多晶硅具有晶界、高密度的位错、微缺
陷和相对较高的杂质浓度，从而降低了太阳电池的光 电转换效率。
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1、概述
利用铸造技术制备多晶硅，称为铸造多晶硅 （multicrystalline silicon，Mc-Si）。
铸造多晶硅中含有大量的晶粒、晶界、位错和杂 质，但由于省去了高费用额晶体拉制过程，所以 相对成本较低，而且能耗也较低，在国际上的到 了广泛应用。
在电池方面，SiN减反射层技术 、氢钝化技术、吸杂技术的开发和 应用，使得铸造多晶硅材料的电学 性能有了明显改善，其太阳电池的 光电转换率也得到了迅速提高。
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由于铸造多晶硅的优势，世界各发达国 家都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以 来，国际上新建的太阳电池和材料的生产线大部 分是铸造多晶硅生产线，相信在今后会有更多的 铸造多晶硅材料和电池生产线投入应用。目前， 铸造多晶硅已占太阳电池材料的53%以上，成为 最主要的太阳电池材料。
➢在同一个坩埚中进行熔炼与凝固成形，避免了熔体的二次 污染；
➢通过定向凝固得到的是柱状晶，减轻了晶界的不利影响； ➢由于定向凝固过程中的杂质分凝效应，对于硅中分凝系数
与1相差较大的杂质有一定的提纯作用。
缺点：能耗大，生产效率低，操作不连续、产能较小，坩埚 耗费大，其硅锭制备设备成本较高。
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其原理是利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅 原料。
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铸造多晶硅的优缺点
优点：
➢铸造多晶硅是利用特定铸造技术，在方形坩埚中制 备晶体硅材料，其生长简便，易于大尺寸生长，易 于自动化生长和控制，并且很容易直接切成方形硅 片；
➢材料的损耗小，同时铸造多晶硅生长相对能耗小， 促使材料的成本进一步降低，而且铸造多晶硅技术 对硅原料纯度的容忍度比直拉单晶硅高。
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在N型（或P型）硅片中 ，利用扩散工艺掺入相反型 例号与体中通分扩：特过从，—的基，，入解散将点程通—P在区杂体从加，到PP及常：线低2这型到O质材而温半P杂称杂 性5表沉，种半N，料构至导质为质缓面区淀结导在相成体1P补缓的变浓是在02中体局反内PO0偿变分结度逐硅50N，放在部型，~决结。布结深渐片1杂入硅区号在2定由。。扩变表0质扩片域的硅0。扩散化面℃浓散表形半表散结的并，度炉面成导面 形成含高浓度磷的N型半导 体。
显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。
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这种技术制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小， 约为3-5mm，而且晶粒大小不均匀。而且，由图 6.9可以看出，该技术的固液界面是严重的凹形， 会引入较多的晶体缺陷。因此，这种技术制备的 铸造多晶硅的少数载流子寿命较低，所制备的太 阳电池的效率也较低。
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这种技术熔化和凝固可以在不同部位同时进行，节 约生产时间；而且，熔体和坩埚不直接接触，既没 有坩埚消耗，降低成本，又减少了杂质污染程度， 特别是氧浓度和金属杂质浓度有可能大幅度降低。
该技术还可以连续浇铸，速度可达 5mm/min。不 仅如此，由于电磁力对硅熔体的作用，使得掺杂剂 在硅熔体中的分布可能更均匀。