多晶硅锭生产技术原理讲义.ppt

太阳电池多晶硅锭生产工艺技术原理简介 ; 一、 引言 二、 多晶炉内热场与硅锭的组织结构 三、 定向凝固时硅中杂质的分凝 四、 定向凝固硅晶体生长工艺方法 五、 热交换法多晶炉型 六、 热交换法工艺讨论 七、 结晶炉结构类型的选择 八、 多晶硅片的高效率、高质量生产方向 ;一、引 言 ;多晶硅锭/片的生产工艺过程;二、多晶硅锭的组织结构与结晶炉热场; 定向凝固柱状晶生长示意图;5、定向凝固：张晶要求液-固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；固-液界面保持平坦型，从而形成定向生长的柱状晶。 6、硅结晶的特点：与一般纯金属不同，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、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速度和质量的最重要工艺数据。降低液相温度梯度（较小）可提高晶体生长速度，提高固相温度梯度（较大）对提高晶体生长速度起绝对作用，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。 8、长晶过程：开始温度梯度大，快速凝固导致小晶粒和断续平行结构； 9、温度波：加热功率或冷却水温、流量的起伏变动，引起温度变动，以有限速率穿透熔硅向固-液界面传播。随传播深度增加而衰减，只有当波长较长、硅液有宏观对流条件下，会抵达固-液界面。 ; 多晶硅锭的柱状晶（带分枝晶）结构;三、定向凝固时硅中杂质的分凝; 开始凝固温度和凝固完成温度(溶质使凝固点降低） 固相线和液相线，固相区-液相区-固液相共存区 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为一定值，可表达为平衡分配系数（分凝系数）： Ko = 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 Ko 与温度、浓度无关，仅决定于溶质和溶剂的性质 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。 因 Ko 0, 故 C*S C*L ;浓度场、浓度梯度、溶质扩散、扩散质流密度和液体的宏观对流质流密度 最早结晶的固溶体含杂质量最低，随杂质在液相中的富集，最后结晶的杂质浓度最高。 在固-液相边界层（溶质富集层）内杂质的浓度最高，不断向溶液内扩散，浓度的分布见下图左侧图 对流、搅拌加快溶质扩散，使边界层变薄 有效分配系数： K ’ = Ko / [ Ko + (1- Ko) exp (- vδ/DL) ] 式中: K’ 有效分配系数 Ko 平衡分配系数 v 晶体生长速度 cm/s δ边界层厚度（固液界面的扩散层），范围在 0.005-0.05 cm DL 扩散系数 cm2/s K ’ 值应在 Ko - 1 之间 当 v 或δ趋近于0，K’趋近于Ko时，最大程度提纯 当 v 趋近于∞，K’趋近于1时，无提纯作用 ;固液界面处的扩散边界层;杂质元素和缺陷沿硅锭高度的分布;晶体生长的界面稳定性;实际长晶时热量和质量的混合传输;;四、定向凝固硅晶体生长工艺方法;1、布里其曼法（Bridgeman） 早期的定向凝固方法。 如日本NEC、美国IBM 为保持相对固定的凝固结晶平面，炉内坩埚和加热器在凝固开始后时作相对移动，分液相区和结晶区，外面由隔热板将两区隔开。 液-固界面处的温度梯度必须0 即 dT/dx0，温度梯度接近于常数。 长晶速度由坩埚工作台下移速度及冷却水流量、温度控制，长晶速度接近于常数，长晶速度可以随时调节。 硅锭高度主要受炉腔体及坩埚高度限制。 生长速度约0.8-1.0mm/分。 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。 ; 坩埚 加热器 熔硅