真空浇铸制备高纯多晶硅.pdfVIP

2007年第寸^届．亏．北三省∞布霭毒逢学金壁言枋省镐逢够金年全铪安驻 真空浇铸制备高纯多晶硅 张剑，马小东，张忠涛，李廷举}大连理工大学，大连，(116023) 摘要：本研究采用真空感应熔炼浇铸法直接由工业硅制取多晶硅键。利用金相显微镜、电子探针和电感耦合等离 子体发射光谱仪对制得的样品进行了金相组织、杂质分布以及纯度分析。实验探索TI、II,硅的真空感应熔炼浇铸 凝固工艺，成功地制得了高纯多晶硅锭。相较于传统高纯硅的制备方法，具有环境污染轻，能耗低，效率高等特点。 关键词：太阳能级多晶硅；真空感应熔炼；定向凝固 高纯多晶硅材料是硅产品产业链的主要原料，也是信息产业和新能源产业最基础的原材料。 按纯度它可分为电子级多品硅(EG)和太阳能级多晶硅(SOG)。电子级多晶硅纯度一般在6NPfl． 上，超高纯的达到1IN”1。世界先进的高纯多晶硅生产技术主要有以下三种，长期以来一直由美、 日、德三国的七家公司所垄断“。 (1)改良西门子法 进行化学精制提纯，进行多级精镏，使其纯度达到9N125【上，最后在还原炉中1050。C的芯硅上用超 高纯的氢气对SiHCl进行还原而生长成高纯多晶硅棒。 (2)硅烷法 以氟硅酸、钠、铝、氢气为主要原料制取高纯硅烷，然后硅烷热分鳃生产多晶硅的工艺。 (3)流态床反应法 流态床反应法ljlSiCl,和冶金级硅为原料，t扫sicl。生产多晶硅的生产工艺。 以上三种工艺技术中，硅烷的易爆性使得后两种工艺的应用得到了限制，改良西门子法是主 成为主流技术。 1975年，Wacker／z}司首创了浇铸法制备多晶硅材料。其后，许多研究小组先后提出了多种铸 造工艺“，这些铸造工艺主要分为两种方式：一种是在石英坩埚内将硅熔化后浇铸到石墨模具中； 另一种是采用定向凝固的方法制备多晶硅”。这两种方法各有其有缺点，前者生产效率高，但是浇 铸的硅锭不易得到柱状晶而导致纯度受到限制；后者可以在缓慢的定向凝固过程中得到粗大的柱 状晶而提高多晶硅纯度，因而被广泛采用。本研究方法是结合两者的优点而成，先将熔炼的硅液 浇铸到定向凝固模具中，然后通过控制温度区间形成适合柱状晶生长的条件，这样，一次熔炼可 以同时浇铸几个工位，相较于直接从熔炼位置进行定向凝固，效率得到很大的提高。 1．实验方法 实验选择441型工业硅做为试验原材料，纯度为98．6％。并分别选取不同石墨制作熔炼和凝固 的坩埚。熔炼坩埚内衬石英坩埚。实验在真空下进行，熔炼方式采用感应熔炼法，加热的电流频 率为50H：一IOMH：。实验装置图如图l所示。实验装置由真空系统、熔炼系统和定向凝固系统组 张剑．男。1977年出生，博士生。大连理工大学材料学院铸造中心．大连，116023 —136— 2007军第寸^届，亏．北三名口布铸遵学舍暨专林岩铸c壁协金军金铯盘骠 成。真空系统由机械泵和扩散泵两级系统组成。 本实验采用的工业硅块预先在丙酮中进行超声清洗，而后经过300℃以上烘烤除湿后，装人熔 炼坩埚。熔炼腔体首先抽高真空，真空度达到104P8以上时，开始通电熔炼。硅完全熔化后，在液 相线以上进行保温，以使熔炼过程中的气体、杂质和非金属夹杂充分排出，或浮于表面。熔 炼的功率应根据各个阶段情况进行调整，既不能产生喷溅，也不能使熔炼速度过低，产生搭桥。 图2浇铸制备的多晶硅锭 图1实验装置图 熔炼完毕，硅液要平稳的浇入定向凝固分体式石墨坩埚中，石墨坩埚在浇铸前要预热至高 温，坩埚内壁涂氮化硅层。浇注完毕，待液面平稳，开始进行定向凝固。要制备完整的硅锭，首 要的是要精确控制凝固速度，控制垂直向上的温度梯度，及时消除其逐渐产生的内应力。定向凝 固的速度原则为开始与结束略快，中间缓慢，以使中段达到质量最佳。根据不同的浇注温度，凝 固速度要适当调整。 铸锭完毕后，破除真空状态，取出铸锭，见图2。切除头尾和表皮，进行分析。 图4金属元素分布 图3a横向晶界 图3b柱状晶 2．试验结果及分析 2．1金相组织分析 显微组织。可看出经过浇铸后，长成了大晶粒柱状最，见图3。大晶粒柱状品垂直于硅片表面，有 利于后续处理