定向凝固制备单晶硅
定向凝固及单晶制备技术
图17 光学晶体CaF2(左1:φ220×150mm). (该照片由北京东海仪表材料研究所提供)
单晶高温合金CMSX-2定向凝固界面形态
共晶合金中的凝固组织
铸件凝固中的组织示意图
§1.1 凝固模式
凝固是自由界面迁移中的热和溶质传输的过程，也是一 个耦合扩散、热力学非平衡、结晶各向异性和对流多物理场 作用的科学问题。
图1-1 凝固结晶过程中涉及和需要考虑的各种物理过程
凝固的两种生长模式
(a) 限制性生长 (b) 非限制性生长
凝固中晶体的生长过冷度
T为整个系统的过冷度； TC为界面前沿溶质分 凝造 成的成分过冷； TE为弯曲界面和非平衡缺 陷所造成的过冷； TK为动力学过冷； TT是热过冷。
两种凝固生长模式中系统过冷度、温度与成分之间的关系
Typical irregular interface pattern observed in DS
(a) Tilted dendritc
(b) Degnerate
(c) Seaweed
§1.2 凝固中金属物性的变化及其组织尺度
图 电阻率与温度相关曲线
图 金属体积随温度变化曲线 Nhomakorabea动力学粘度与温度的变化关系
第1章 凝固的分类及其组织尺度
1 前言
自然界中存在许多与凝固和熔化有关的现象； 金属材料成为所用材料之前一般要经历一次或一次以上的凝固过程。 1953年B.Chalmers等人提出成分过冷判据建立定量的凝固科学； 凝固科学与技术日益深入和丰富的内涵成为物理学科、化学学科、信 息学科等众多学科交叉的研究点； 利用凝固理论开发的凝固技术制备出的单晶涡轮叶片、半导体晶体、 非晶、微晶等各种组织和性能的结构和功能材料正广泛应用航空、信 息、通讯、汽车、能源等社会的各个方面； 各种凝固新技术和工艺也正经成为制备新材料和发展高新技术的重要 生长点。
太阳能单晶硅片的制备技术简介
太阳能单晶硅片的制备技术简介
一、介绍
太阳能单晶硅片作为一种新型的太阳能电池，可以实现高效的太阳能发电，有着广泛的应用前景。
太阳能单晶硅片是利用太阳能采集能量，然后转换成电能的一种光伏结构组件，是目前太阳能电池的主要成分。
目前太阳能单晶硅片的制备技术已经形成一定的体系，主要由熔融法、晶拉晶粉法、成型法、原位蒸镀法等技术组成，为太阳能电池的制备带来便利。
二、熔融法
熔融法是目前太阳能单晶硅片最常用的制备技术，它利用熔融的方式将原料中的硅晶体晶化，然后镀上掺杂元素，最后成形出含有掺杂元素的单晶硅片。
制备过程可以分为四个步骤：首先将硅辊料放入冶炼炉中加热处理，使熔融；热处理后，用定向凝固装置把融化的硅晶体晶化；然后对硅晶体进行表面掺杂，以提高光电转换效率；最后将硅晶体用石英管成型出含有掺杂元素的单晶硅片。
三、晶拉晶粉法。
定向凝固法制备
定向凝固法制备
定向凝固法是一种用于制备单晶材料的方法，通过控制材料的凝固过程，使其形成具有完整结晶结构的单晶体。
以下是关于定向凝固法制备单晶材料的基本步骤：
1. 材料选择：选择适合定向凝固法的材料，通常是金属、合金或半导体材料。
这些材料应具有良好的熔化性能和晶体生长特性。
2. 准备熔融物料：将选定的材料按照所需的比例混合，并加热至熔点以上形成均匀的熔体。
3. 制备结晶器：设计和制备用于定向凝固的结晶器。
结晶器通常由高温合金或陶瓷材料制成，具有特殊的外形和内部结构，以促进单晶的生长。
4. 温度控制：在结晶器中加热熔融物料，并控制温度梯度和梯度方向。
温度梯度的控制是非常重要的，它会影响单晶的生长速率和方向。
5. 单晶生长：将结晶器中的熔融物料冷却至凝固点以下，使其逐渐凝固形成单晶。
由于温度梯度的存在，单晶会从高温区向低温区生长，最终形成完整的单晶结构。
6. 单晶提取：待单晶完全凝固后，将其从结晶器中取出。
提取的过程需要
谨慎，以避免单晶的破碎或变形。
7. 后处理：对提取的单晶进行必要的后处理，如去除表面氧化物、调整尺寸和形状等，以得到符合要求的最终产品。
定向凝固法制备单晶材料的关键在于控制温度梯度和凝固速率，以确保单晶的生长方向和结晶质量。
这种方法广泛应用于材料科学和工程领域，用于制备用于电子器件、光学器件、航空发动机叶片等高性能应用的单晶材料。
定向凝固和单晶材料制备工程及技术
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
② 单晶的发展历程
• 天然单晶（包括钻石、宝石、方解石、水晶石等） • 人工合成单晶：20世纪40年代，ADP、罗息盐、水晶—压
电晶体
• 50年代 单晶Ge, Si 等 • 60年代 人造红宝石Cr3+:Al2O3 • 现代 功能晶体：人工合成和生长而成，能实现电、光、声、
2. 定向凝固技术原理与工艺
凝固概念的回顾 • 溶质分配
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 形成溶质富集区
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• 成分过冷
由溶质再分配导致界面 前方熔体成分及其凝固 温度发生变化而引起的 过冷——成分过冷
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
与界面距离Z
定向凝固与单晶材料制备工程及技术
• refractory metals, • monolithic ceramics, • intermetallic compounds, • composites (natural or synthetic).
Figure 1. (a), (b) Photographs of a high-pressure turbine (HPT) vane and a HPT blade of a jet engine. (c) Schematic arrangement of the stationary vanes relative to the rotating blades within the engine. (d) Illustration of the GE 90-115B jet engine, showing its various components. (e) Pressure and temperature trends from the front to the back of the engine. 定向凝固与单晶材料制备工程及技术
工业硅定向凝固提纯研究的开题报告
工业硅定向凝固提纯研究的开题报告一、选题背景工业硅是制造半导体材料和太阳能电池材料的重要原料，其质量直接影响到电子器件的性能和稳定性。
工业硅的生产过程主要依靠热解还原法或气相淀积法，其中热解还原法在全球范围内占据绝对优势。
然而，由于工业硅中杂质含量较高，常因其带来的缺陷而导致制造的半导体材料和太阳能电池材料性能下降，同时也会增加生产成本。
定向凝固法是一种通过控制材料凝固速度和结晶方向来减少缺陷和纯化材料的方法。
在工业硅净化中，定向凝固法不仅能较好地去除杂质，还能改善材料的结构和性能。
因此，研究工业硅定向凝固提纯过程具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容和目标本课题旨在通过对工业硅定向凝固过程中的热力学和动力学机理进行深入研究，探究影响硅晶体生长速率、晶格结构和杂质扩散的因素，并针对其进行优化，提高工业硅净化效率和产品质量。
具体研究内容包括：1.热力学和动力学理论模型的建立。
该模型基于铠依-斯洛文公式，考虑到晶体生长速率的影响因素，如温度梯度、成核密度、溶质浓度、离子强度等。
2.实验条件的优化。
实验条件包括晶体生长的温度和升温、冷却速率和杂质掺入等因素，通过实验确定最佳硅晶体生长条件，从而提高产品的质量。
3.工业硅产品的性能分析。
对于研究过程中得到的工业硅产品，进行表征分析，确定其微观结构特征、晶格参数、杂质含量等相关性能指标，以及与现有工业硅产品的比较。
4.机理模型的验证。
通过对实验数据和模型之间的比较，验证定向凝固热力学和动力学模型的可靠性和适用性，从而提高硅净化的效率和引导工业生产实践。
三、研究方法和技术路线1.研究方法本课题采用经典热力学和动力学理论相结合的方法研究工业硅定向凝固热力学和动力学行为，建立定向凝固生长模型，集成实验数据，实现多数据源相互支撑的硅净化机理分析。
2.技术路线及操作流程(1) 硅单晶生长体系搭建：构建定向凝固生长系统，包括熔融硅样品的制备、单晶生长过程的实现。
(2) 实验条件优化：通过多次实验，调整生长条件，最优化晶体生长速率和纯度。
定向凝固与单晶材料制备
定向凝固与单晶材料制备定向凝固是一种用来制备单晶材料的重要方法。
单晶材料具有统一的晶体结构和尺寸，其物理、化学和力学性能均优于多晶材料。
因此，单晶材料在电子、光电子、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
定向凝固技术是通过控制晶体在凝固过程中的生长方向，使晶体的结构保持一致。
该技术通常使用的方法是通过向凝固相中引入定向凝固器，通过控制温度梯度和晶体生长速度来实现晶体的定向生长。
定向凝固技术的核心是控制晶界运动以及晶体生长速度。
定向凝固技术的发展可以追溯到19世纪末。
当时，许多科学家致力于研究晶体生长的机理和规律。
20世纪50年代，随着单晶硅的大规模应用，定向凝固技术得到了广泛的应用。
目前，定向凝固技术已成为制备高质量单晶材料的主要方法之一在定向凝固过程中，温度梯度是关键因素之一、温度梯度的控制直接影响晶体的生长方向和生长速度。
通常，温度梯度越高，晶体生长速度越快，但容易导致杂质和缺陷的引入。
因此，在定向凝固中，需要合理调控温度梯度，以获得高质量的单晶材料。
另一个重要的因素是晶界运动。
晶界是指两个不同晶体之间的界面。
在定向凝固中，晶界的运动是通过控制材料中的缺陷和杂质的形成和扩散来实现的。
通过引入合适的控制材料中的缺陷和杂质的方法，可以有效地控制晶界的运动，从而实现单晶材料的制备。
定向凝固技术可以应用于多种材料的制备。
最常用的材料之一是金属材料。
金属单晶材料具有优异的力学性能和热传导性能，在航空航天和汽车制造等领域有重要应用。
此外，定向凝固技术还可以用于制备半导体材料和光学材料等各种功能材料。
总之，定向凝固是一种制备单晶材料的重要方法。
通过控制温度梯度和晶体生长速度，可以实现晶体的定向生长。
定向凝固技术在多个领域有广泛的应用前景，对于提高材料的性能和开发新材料具有重要意义。
单晶硅 定向
单晶硅定向
单晶硅定向是指在生长单晶硅的过程中，通过合理的方法使硅晶体在特定方向上生长，获得具有定向性的单晶硅材料。
单晶硅定向技术通常采用控制结晶方向、控制晶面形态、控制晶体取向等方法，以获得所需的晶体定向性。
在单晶硅定向生长过程中，通常会使用定向剂或者采用特殊的结晶方式，通过控制结晶界面的形态来实现单晶硅的定向。
例如，在常用的Czochralski 法生长单晶硅的过程中，会使用定向剂来促使晶体沿着特定的取向方向生长，从而得到定向性较好的单晶硅材料。
单晶硅定向材料在半导体、光电子器件制造等领域具有广泛的应用。
定向性较好的单晶硅材料具有更高的晶格结晶度和电学性能，能够提高器件的性能和可靠性。
同时，定向性的单晶硅材料还能够减少晶体内部的缺陷和杂质，提高晶体的纯度和均匀性，使得制造的器件更加稳定和可靠。
单晶硅生产工艺流程
单晶硅生产工艺流程单晶硅生产工艺流程单晶硅是目前制造半导体器件的主要材料之一，其生产工艺流程经过多个步骤才能得到最终的产品。
以下是单晶硅生产工艺流程的简要介绍。
1. 制作原料：单晶硅的原料通常是硅矿石，如石英砂。
首先，将硅矿石破碎成较小的颗粒，然后用水和化学品进行沉淀、过滤和清洗，最终得到纯度较高的硅酸盐溶液。
2. 提取硅：将硅酸盐溶液进行加热和处理，使其分解成二氧化硅气体和水蒸汽。
然后，将气体通过反应管冷却，二氧化硅会凝结成颗粒状。
3. 清洗硅粉：得到的二氧化硅颗粒经过清洗处理，去除杂质，提高纯度。
清洗过程通常包括水洗、酸洗和碱洗等步骤，以确保硅粉的纯度符合要求。
4. 炼制单晶硅：将清洗后的硅粉放入石英坩埚中，并加入适量的初生硅。
然后将坩埚置于真空炉中，通过加热和升降温度的控制，使硅粉熔化并形成单晶体。
5. 单晶生长：在炼制出的单晶硅中，插入一根掺有晶种的硅棒，并缓慢提升温度。
通过定向凝固的过程，晶种与炼制出的单晶硅结合，并一起生长成单晶硅棒。
此过程通常在高温下进行，需要精确控制温度和速度。
6. 切割单晶片：得到的单晶硅棒经过退火处理和机械加工，将其切割成薄片，即单晶硅片。
切割过程需要高精度的切割机械和技术来确保单晶片的质量和尺寸。
7. 表面处理：单晶硅片通过化学腐蚀和抛光等工艺进行表面处理。
这些处理过程旨在去除表面杂质和缺陷，使单晶片表面光滑和纯净。
8. 包装和测试：最后，经过表面处理的单晶硅片将被包装并送入测试室进行质量检验。
测试过程包括电性能测试和外观检查等，以确保单晶硅片的质量符合要求。
以上简要介绍了单晶硅生产工艺流程的主要步骤。
单晶硅是半导体器件制造的关键材料，其生产工艺需要严格的操作和控制，以确保最终产品的质量和性能。
随着技术的发展，单晶硅的生产工艺将不断改进和优化，以满足不断增长的半导体市场需求。
定向凝固和单晶制备技术(共59张PPT)
了温度场和浓度场的干扰行为、干扰振幅和时间的依 赖关系以及它们对界面稳定性的影响。
不足之处
凝固为稳定状态
三个条件
图4 界面振动是否稳定的正弦现象
固液界面扰动振幅 要很小
扰动振幅随时间成 线性变化
1 定向凝固技术概述
1.4 定向凝固的定义
p
1.
1定中向采凝用固强（制D手ir段ec,t在io凝na固l S金o属lid和fi未ca凝tio固n金）属是熔指体在中凝建固立过起程
1轮叶片、复合材料、以及各种功能材料。
图1：最左边那个是原本金属晶体颗粒，中间那个是单方向晶体，右边那个就 是单晶叶片。
1 定向凝固技术概述
1.2 定向凝固技术的发展
定向凝固在研究领域主要研究金属凝固和晶体生长的 基本手段，从某种意义上讲，凝固和晶体生长的理论
1发展以及新材料的研发取决于当时定向凝固的发展水
2.3 快速凝固法（HRS法）
p 快速凝固法的1工艺特点：将铸型以
一1.定速度从炉中移出，或者炉子以 一定的速度移离铸件，并采用空冷
方式对流传热——辐射传热。
缺点：容易造成点状 偏析
图8 HRS法原理图
2 传统定向凝固技术
2.4 液态金属冷却法（LMC法）
侧向约束下的定向凝固技术 （“晶界”会对通过的信号产生反射和折射，造成信号失真和衰减），因而具有极高的信号传输性能。 单晶铜纯度达到99.
区熔法制单晶与直拉法很相似，甚至直拉的单晶也很相象。
基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一激冷基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷却过程中温度最
低的底部先形核，晶体自下而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属液。
掺锗的定向凝固铸造单晶硅及其制备方法[发明专利]
![掺锗的定向凝固铸造单晶硅及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d82859ccccbff121dc368372.png)
专利名称：掺锗的定向凝固铸造单晶硅及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：余学功,杨德仁
申请号：CN200910099991.2
申请日：20090624
公开号：CN101591808A
公开日：
20091202
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种掺锗的定向凝固铸造单晶硅，含有浓度为1×10～1×10/cm的硼、镓或磷，还含有浓度为1×10～5×10/cm的锗。
本发明还公开了其制备方法，包括：将多晶硅、锗和电活性掺杂剂置于平铺在坩锅底部的无位错的单晶硅块上，通过热场调节，使多晶硅、锗和掺杂剂完全融化，无位错的单晶硅块部分融化，再通过热交换进行定向凝固，将未融化的部分无位错的单晶硅块作为籽晶，诱导从下至上生长掺锗铸造单晶硅。
产物机械强度高、少子寿命高，可用于高效率的薄片太阳能电池的制备，生产成本大大降低。
申请人：浙江大学
地址：310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号
国籍：CN
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代理人：胡红娟
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⑵制备原理
定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼，利用杂质元素在固 相和液相中的分凝效应达到提纯的目的，同时通过单向热流控制，使坩 埚中的熔体达到一定温度梯度，从而获得沿生长方向整齐排列的柱状晶 组织。工业硅中还有多种金属杂质和非金属杂质，在硅熔体结晶过程中, 由于各种杂质在固相硅和液相硅中的溶解度具有很大的区别，我们可以 利用这个特性来对硅进行提纯，如图1所示，平衡分凝系数远远小于1的 杂质不断从固-液界面偏析到硅熔体中,形成杂质向熔体的输送和富集,反 之亦然。硅熔体全部结晶完毕,采用机械切除杂质浓度高的部分,获得提纯 多晶硅。定向凝固工艺是一种去除杂质非常有效的方法，整个过程中没 有利用任何化学反应，除了P、B、O和C等非金属杂质以外，大部分的 杂质通过两次的定向凝固精练以后都能够满足太阳能级硅的要求，但是 定向凝固工艺成本比较高，通过减少定向凝固的次数，能够大幅度的降 低多晶硅的生产成本。
定向凝固技术制备多晶硅
定向凝固技术制备多晶硅
研究背景及意义
A
目录
B 研究现状及制备原 理
发展前景 D C
结语
一
•
研究背景及意义
随着太阳能光伏产业在全球范围内的迅猛发展, 作为太阳能电池最基础的原材料高纯多晶硅, 在全 球范围内严重短缺, 迫切需要发展一种高效率低成 本的太阳能级多晶硅的制备方法。在各种生产多 晶硅的方法中, 定向凝固多晶硅因其成本低、环境 污染小, 工艺相对简单、成熟, 且能直接使用冶金 级硅为原料的特点, 被寄予很大的希望来实现大规 模太阳能级硅的生产。本文综合评述近年来太阳 能级多晶硅定向凝固技术的研究进展, 着重阐述了 定向凝固技术制备多晶硅的原理以及前景展望, 并 提出今后的研究发展方向。
定向凝固技术制备多晶硅的优点：
• • • • 定向凝固多晶硅铸锭所需原料来源广； 生产纯度要求较低； 而且生产效率高，在规模生产上较有优势; 同时多晶硅方片比单晶硅天然形成的圆片在组件 中有更好的面积利用效率。
定向凝固技术制备多晶硅的缺点：
• 能耗大、产能较小。多晶硅生长速度慢，且坩埚 只能用1次，生产成本较高。 • 在定向凝固过程中，由于分凝现象铸造多晶硅锭 杂质浓度会随着硅锭高度的变化而变化，杂质的 最高浓度分布在最后凝固的硅锭顶部和最先凝固 的锭底部 • 在加热控温和铸型控制方面还不成熟
三 发展前景 • 定向凝固工艺成本比较高，通过减少定向 凝固的次数，能大幅度的降低太阳能级 硅的生产成本； • 获得并保持单向热流是定向凝固成功的重 要保证； • 提高生产效率和降低成本 • 如何利用定向凝固技术进一步改善多晶硅 晶体生长、降低多晶硅中杂质的含量和优 化晶粒取向仍然是以后多晶硅生产中急需 解决的问题
如下图
多晶硅定向凝固工艺 • • • • • • 传统定向凝固技术 带状多晶硅生长技术 SRG条带生长法 粉末硅片生长法 当代多晶硅定向凝固技术 连续松弛过冷法(SRS)工艺
根据控制硅熔体热流方向的不同，定向凝固法 主要分为热交换法(HEM)和布里奇曼(Bridgman)。 • 热交换法的基本原理是在坩埚底板上通以冷却水或气进行 强制冷却，从而使熔体自上向下定向散热; • 而布里奇曼法则是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。 • 目前,通过布里奇曼法可生产出横截面尺寸大于 600mm×600mm、重量超过300kg的多晶硅锭，在实际 生产中，大都采用热交换法与布里奇曼法相结合的技术。 采用定向凝固法，可以通过控制垂直方向的温度梯度，使 得固液界面尽量平直，有利于生长出取向性较好的柱状 mc-Si晶锭，该方法目前被产业界广泛采用。
以下为常见的多晶硅材料及定向凝固技术 制备图片
二 研究现状及制备原理
⑴研究现状 能源(energy)、经济(economy)和环境(environment),被 称为人类文明可持续发展所面临的三大课题。能源的短缺、 环境的恶化成为了制约经济可持续发展的瓶颈因素。当传 统的燃料能源一天天减少的时候,人们把目光投向了可再 生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长 远的可持续发展。因此，多晶硅的需求量很大,因此研究 高效率低成本的多晶硅的制备方法具有现实意义。如今生 产多晶硅主要采用改良西门子法,但此法能耗大污染重,而 且由于国外技术封锁,我国至今还未掌握核心技术。本研 究的目的是发展具有自主知识产权的能耗污染相对小的冶 金法制备太阳能级多晶硅新技术。定向凝固的方法直接由 工业硅制得多晶硅锭,免去了高纯多晶硅的生产环节,环境 污染轻,对外依赖性小。
四 结语
定向凝固技术在制备多晶硅材料中的应用十分 多，由于定向凝固技术的应用,晶体生长不断改善、 杂质含量不断降低，转化效率大幅度的提升，定 向凝固技术在制备多晶硅中的应用前景越来越好。 定向凝固技术虽然得到了很快的发展，但该制备 工艺也同时存在如下问题：1)能耗大、产能较小， 材料的利用率低。减少多晶硅生产成本的最关键 的因素是降低铸锭中具有较低载流子寿命的部分 占整个铸锭材料的比例，而解决这个问题的最好 办法是减少凝固时间，结晶时间取决于固液界面 处的温度梯度的增加;2)在加热控温和铸型控制方 面还不成熟。进一步提高温度梯度和凝固速率,开 发新的能精确控温和控制铸件形状的技术仍然是 定向凝固技术发展的方向。