多晶硅锭定向凝固生长方法概述(PPT 96张)
晶体生 长方向
侧向无温度梯度 ,不散热
热流方向
定向凝固柱状晶生长示意图
多晶硅锭的柱状晶结构
一般来说,纯金属通过定向凝固,可获得平面前沿, 即随着凝固进行,整个平面向前推进,但随着溶质浓 度的提高,由平面前沿转到柱状。 对于金属,由于各表面自由能一样,生长的柱状晶取 向直,无分叉。 而硅由于是小平面相,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 状晶生长方向不如金属的直,且伴有分叉。
最大优点是炉子结构简单。
液相 固相
热源 坩埚 液固界面
散热装置
HEM法示意图
保温框 热源 坩埚 液固界面 石墨块
隔热板 (防止不锈钢炉底过热)
炉型1示意图
定向凝固法
与铸锭浇注法相比,定向凝固法具有以下一些优点:
在同一个坩埚中进行熔炼与凝固成形,避免了熔体的 一次污染; 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,对硅中平衡分 凝系数远小于或大于1的杂质有一定的提纯作用。
8.5.1 铸锭浇注法
多年来通过对各种涂膜材料性能及所制得硅锭品质的 对比研究后,目前主要采用Si3N4 ,SiC-Si3N4 , Si0/ SiN ,BN等。 除此之外,大面积化,即增加坩埚或模具的体积表面 比,从而减小熔体与坩埚或模具的接触面积,亦有利 于杂质的降低。
8.5.1 铸锭浇注法
然而,其熔炼与结晶成形在不同的坩埚中进行,容易 造成熔体一次污染,同时受熔炼坩埚及翻转机械的限 制,炉产量较小,目前所生产多晶硅通常为等轴状, 由于晶界、亚晶界的不利影响,电池转换效率较低。
8.5.2 定向凝固法
定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼,而后通 过控制熔体热流方向,以使坩埚中熔体达到一定的温 度梯度,从而进行定向凝固得到柱状晶的过程。 对于熔体热流方向的控制,主要有: 以一定的速度向上移动坩埚侧壁、向下移动坩埚底板 、在坩埚底板上通水强制冷却或是感应熔炼时将坩埚 连同熔体一起以一定的速度向下移出感应区域、从下 向上陆续降低感应线圈功率等。 实际应用的定向凝固基本方法卞要有:热交换法(HEM) 、Bridgman等
8.5.3 电磁感应加热连续铸造 (EMCP)
为提高多晶硅锭品质从而提高电池效率,近年来对该 法硅料熔炼过程也进行了研究,采用了一些新的熔炼 技术,如利用真空除杂作用及感应熔炼过程中电磁力 对熔体的搅拌及促使熔体与坩埚的软或无接触作用, 采用真空条件下的电磁感应熔炼或冷坩埚感应熔炼来 对原料硅进行加热熔化等。
8.5.1 铸锭浇注法
浇注法工艺成熟、设备简单、易于操作控制,目能实 现半连续化生产,其熔化、结晶、冷却都分别位于不 同的地方,有利于生产效率的提高和能耗的降低;
8.5.2 定向凝固法
热交换法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;
Bridgman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。 实际生产应用中,通常都是将两者综合起来,从而得 到更好的定向效果。
定向凝固法基本原理 1冷却水或气 Байду номын сангаас.坩埚 3.液态 4.固/液界面 5.固态 6.热源
多晶硅锭定向 凝固生长方法
实现多晶硅定向凝固生长的四 种方法:
布里曼法
热交换法
电磁铸锭法 浇铸法
8.5.1 铸锭浇注法
铸锭浇注法于1975年由Wacker公司首创,其过程是 将硅料置于熔炼坩埚中加热熔化,而后利用翻转机械 将其注入预先准备好的模具内进行结晶凝固,从而得 到等轴多晶硅。 近年来,为了提高多晶硅电池的转换效率,也有人对 此传统工艺加以改进,通过对模具中熔体凝固过程温 度加以控制,形成一定的温度梯度和定向散热的条件 ,获得定向柱状晶组织。
8.5.1 铸锭浇注法
铸锭浇注法生产原理示意图 1固态 2.液态 3熔炼坩埚 4.涂层 5.凝固界面 G.模具
8.5.1 铸锭浇注法
由于浇注法用的坩埚 ,模具材料多为石墨、石英等,所 以用该法制备的多晶硅中氧、碳等杂质元素含量较高 。 同时,硅熔体在高温时与石墨发生反应,加之硅凝固 过程中的体膨胀作用,易造成硅锭与石墨模具的粘连 ,冷却后难以脱模。 为了避免以上缺陷,研究者们经过多年的研究实践, 在坩埚、模具的内工作表面上涂上一层膜,以防止坩 埚、模具等对硅的污染及起到一定的润滑脱模作用。
由于定向凝固只能是单方向热流(散热),径向(即坩埚 侧向)不能散热,也即径向温度梯度趋于0,而坩埚和热源 又静止不动,因此随着凝固的进行,热源也即热场温度 (大于熔点温度)会逐步向上推移,同时又必须保证无径 向热流,所以温场的控制与调节难度要大。 液固界面逐步向上推移,液固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。 热交换法的长晶速度及温度梯度为变数。而且锭子高度受 限制,要扩大容量只能是增加硅锭截面积。
坩埚 热源 硅液 隔热板 热开关 工作台 冷却水
固相 固液界面 液相
布里曼法示意图
热交换法
是目前国内生产厂家主要使用的一种炉型。
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。长晶 速度受坩埚底部散热强度控制,如用水冷,则受冷却水流 量(及进出水温差)所控制。
布里曼法(Bridgeman Method)
这是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。 液固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,长晶 速度接近于常数,长晶速度可以调节。 硅锭高度主要受设备及坩埚高度限制。 生长速度约0.8-1.0mm/分。 缺点:炉子结构比热交换法复杂,坩埚需升降且下降 速度必须平稳,其次坩埚底部需水冷。
半导体材料与工艺之 多晶硅锭定向凝固生长方法共98页
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事, 只想现 在的事 。现在 有成就 ,以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人,心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前,莽撞的 人只能 引为烧 身,只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
谢谢!
பைடு நூலகம்
61、奢侈是舒适的,否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学,如日出之阳;壮而好学 ,如日 中之光 ;志而 好学, 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也,匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里,与其说好 的教师 是幸福 ,不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战,就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉幻灯片PPT
• 热电偶装在直拉单晶炉膛的测温孔上,正对加热器中部。为了使便于 测量和测量灵敏准确,一般通过聚光镜,将光聚集于热电偶堆上。
• 电极装在炉膛底部,它的作用是支撑加热器(石墨)和保温系统(或 通过石墨电极支撑),把强大的电流传给加热器,使加热器产生高温, 熔化多晶硅。电极一般由紫铜制成,两层铜管成环状,内部通水。
• 光学等直径监测器装在炉膛的光学等直径监测孔上,它象照象机,一 组光学镜头对准坩埚中心,硅单晶通过镜头将硅单晶横断面直径的正 面影象反射在毛玻璃屏幕上,屏幕上有一个光敏二极管,影象变化作 用在光敏二极管上,产生电信号,经过放大分压(或分流)处理,控 制提拉或加热功率,保证硅单晶等径生长,通过调节光敏二极管位置 可以控制生长硅单晶的粗细。
• 单晶炉的机械传动部分,包括籽晶轴(上 轴)、坩埚轴和驱动它们上升、下降或旋 转的电机。
• 籽晶轴和坩埚轴的旋转由力矩电机(或直 流电机)分别经过皮带(或齿轮)变速后 带动抱轮使其旋转。
• 籽晶轴和坩埚轴的上升或下降通过通过两 个力矩电机(或直流电机)驱动螺纹旋转 完成。
• 这四个运动各自独立,互不干扰,不同的 是坩埚轴比籽晶轴有更缓慢上升或下降速 度。
硅片制备--多晶硅铸锭炉 和单晶炉幻灯片PPT
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一、 单晶炉
• 目前在所有安装的太阳电池中,超过90%以上的 是晶体硅太阳电池,因此位于产业链前端的硅锭/ 片的生产对整个太阳电池产业有着很重要的作用。
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多晶硅生产过程(LDK)
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DSS炉
• 系统硬件包括:不锈钢 板,一对侧板,水冷铸 锭炉,供应电源,一个 真空泵系统和一个控制 柜,操作控制盘。
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• 下图为一个热交换法与布里曼法相结合的结晶炉 示意图。图中,工作台通冷却水,上置一个热开 关,坩埚则位于热开关上。硅料熔融时,热开关 关闭,结晶时打开,将坩埚底部的热量通过工作 台内的冷却水带走,形成温度梯度。
• 同时坩埚工作台缓慢下降,使凝固好的硅锭离开 加热区,维持固液界面有一个比较稳定的温度梯 度,在这个过程中,要求工作台下降非常平稳, 以保证获得平面前沿定向凝固。
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1.3 电磁铸锭法法(EMC或者EMCP法)
• 利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅 原料。
• 这种熔化和凝固技术可以在不同 的部位同时进行,节约时间。而 且,熔体和坩埚不直接接触,既 没有坩埚的消耗,又减少了杂质 的污染,特别是氧浓度和金属杂 质大幅降低,另外,该技术还可 以连续浇铸。不仅如此,由于电 磁力对硅熔体搅拌作用,使得掺 杂剂在硅熔体中的分布能更均匀, 是种很有前途的铸造多晶硅技术。
• 内涂SiN的坩埚装入多晶硅料后放在导热性很强的石墨块上(即所谓 的定向固化块或者DS块)。关闭炉子后排气,接通加热器电源融化 硅料数小时以上。坩埚的四个竖直边都围有石墨加热器,DS-Block, 坩埚四周围有隔热层。隔热层的竖直边能上下移动以便露出DS-Block 的边缘,使热量辐射到下腔室的水冷四壁上。水冷却DS-Block后再返 回来冷却坩埚底部,从而使坩埚内的熔融硅周围形成了一个竖直温度 梯度。这个梯度使坩埚内的硅料从底部开始凝固,从熔体底部向顶部 开始长晶。当所有的硅料都凝固后,在程序的控制下,硅锭需要经过 退火,冷却处理以免破裂且能将(晶格)位移降到最小限度 。
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• 布里曼法则是在硅料熔化后,将坩埚或加 热元件移动使结晶好的晶体离开加热区, 而液硅仍然处于加热区,这样在结晶过程 中液固界面形成比较稳定的温度梯度,有 利于晶体的生长。其特点是液相温度梯度 dT/dX 接近常数,生长速度受工作台下移 速度及冷却水流量控制趋近于常数,生长 速度可以调节。实际生产所用结晶炉大都 是采用热交换与布里曼相结合的技术。
• 但这种技术生长的多晶硅的晶粒 比较细小(约为3—5 mm)、大小 不均。且生长时固液界面是严重 的凹型,会引入较多的晶体缺陷。 因此,制备的多晶硅的少数载流 子寿命较低,所制的太阳能电池 效率也低。
• HEM/DSS: dominating process, • Pour Casting: • Bridgeman: • Electromagnetic Casting: continuous process, limited ingot size,
1.2 热交换法及布里曼法
• 热交换法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩埚中 ( 避免了二次污染),其中热交换法是将硅料在坩埚中 熔化后,在坩埚底部通冷却水或冷气体,在底部进行热 量交换,形成温度梯度,促使晶体定向生长。
• 下图为一个使用热交换法的结晶炉示意图。该炉型采用 顶底加热,在熔化过程中,底部用一个可移动的热开关 绝热,结晶时则将它移开以便将坩埚底部的热量通过冷 却台带走,从而形成温度梯度。
• 下图为一个热交换法与布里曼法相结合的结晶炉 示意图。图中,工作台通冷却水,上置一个热开 关,坩埚则位于热开关上。硅料熔融时,热开关 关闭,结晶时打开,将坩埚底部的热量通过工作 台内的冷却水带走,形成温度梯度。
• 同时坩埚工作台缓慢下降,使凝固好的硅锭离开 加热区,维持固液界面有一个比较稳定的温度梯 度,在这个过程中,要求工作台下降非常平稳, 以保证获得平面前沿定向凝固。
多晶硅锭定向凝固生长方法概述(PPT 96页)
布里曼法(Bridgeman Method) 这是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。 液固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,长晶 速度接近于常数,长晶速度可以调节。
多晶硅锭定向 凝固生长方法
实现多晶硅定向凝固生长的四 种方法:
布里曼法 热交换法 电磁铸锭法 浇铸法
8.5.1 铸锭浇注法
铸锭浇注法于1975年由Wacker公司首创,其过程是 将硅料置于熔炼坩埚中加热熔化,而后利用翻转机械 将其注入预先准备好的模具内进行结晶凝固,从而得 到等轴多晶硅。
近年来,为了提高多晶硅电池的转换效率,也有人对 此传统工艺加以改进,通过对模具中熔体凝固过程温 度加以控制,形成一定的温度梯度和定向散热的条件 ,获得定向柱状晶组织。
8.5.2 定向凝固法
热交换法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;
Bridgman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。
实际生产应用中,通常都是将两者综合起来,从而得 到更好的定向效果。
定向凝固法基本原理 1冷却水或气 2.坩埚 3.液态 4.固/液界面 5.固态 6.热源
热交换法的长晶速度及温度梯度为变数。而且锭子高度受 限制,要扩大容量只能是增加硅锭截面积。
最大优点是炉子结构简单。
液相
热源 坩埚
固相
液固界面
散热装置
HEM法示意图
保温框 热源 坩埚 液固界面
石墨块
隔热板 (防止不锈钢炉底过热) 炉型1示意图
一种定向凝固生长多晶硅锭工艺[发明专利]
专利名称:一种定向凝固生长多晶硅锭工艺专利类型:发明专利
发明人:谭文运
申请号:CN200810243333.1
申请日:20081226
公开号:CN101768775A
公开日:
20100707
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:一种定向凝固生长多晶硅锭工艺,本发明属于半导体材料硅晶体的制备。
以高性能的石英坩埚模具,用去离子水等作调料,将经处理的氮化硅粉料调成糊状,作脱模剂,用氩气和氮气为气氛,熔化时模具悬挂,凝固时模具支撑在水冷却的下转轴上,在下降模具的同时增大冷却水流速,使熔硅从模具底开始定向凝固。
使用本发明可得无气孔、无裂缝的完整方锭,晶粒呈柱状,晶宽达毫米级,掺杂可控,制作的太阳能电池性能良好,全面积转换效率最佳值达11.3%。
申请人:谭文运
地址:221400 江苏省新沂市新安镇藏圩村村环城路南二巷34号
国籍:CN
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多晶硅铸锭的晶体生长过程
多晶硅铸锭的晶体生长过程在真空熔炼过后,还要经过一个降温稳定,就进入定向凝固阶段。
这个过程既是多晶硅的晶体生长过程,也能够对回收料和冶金法多晶硅料中含有的杂质进行进一步的提纯。
(一)定向凝固和分凝现象硅液中的杂质在硅液从底部开始凝固的时候,杂质趋向于向液体中运动,而不会停留在固体中。
这个现象叫做分凝现象。
在固液界面稳定的时候,杂质在固体中的数量和在液体中的数量的比值,叫做分凝系数。
分凝系数小于1的杂质,在进行定向凝固的时候,都会趋向于向顶部富集。
富集的数量和程度,取决于分凝系数的多少。
一般来说,金属杂质的分凝系数都在10-3以下(铝大约是0.08),所以,定向凝固方式除杂,对于金属杂质比较有效;而硼和磷的分凝系数分别为0.8和0.36,因此,硼和磷的分凝现象就不是太明显。
在定向凝固提纯的同时,考虑硅的长晶工艺,使得定向凝固后的硅能够成为多晶硅锭而直接进行切片,这就是将提纯和铸锭统一在一个工艺流程中完成了。
这也是普罗的提纯铸锭炉的重要提纯手段。
由于含有杂质的硅料和高纯料的结晶和熔液的性质都不太一样,因此,提纯铸锭炉所采用的热场和纯粹铸锭炉的热场是有区别的。
普罗新能源公司目前采用自己研制的提纯铸锭一体化的专利设计,比较成功地解决了这个问题,使得真空熔炼和铸锭是在一次工艺里完成的,既较好地解决了提纯的问题,也圆满地完成了铸锭的要求。
(二)晶体生长过程定向凝固分为以下四个阶段,包括:晶胚形成、多晶生长、顶部收顶、退火冷却。
晶胚形成在熔炼过后,要把硅溶液的温度降低到1440℃左右,并保持一段时间,然后,使坩埚底部开始冷却,冷却到熔点以下6-10℃左右,即1404-1408℃左右。
RDS4.0型的炉体降低底部温度的方法是降低底部功率,和逐渐打开底部热开关的方式。
和常规铸锭炉的提升保温体和加热体方式相比,由于不存在四周先开始冷却然后才逐步到中央的过程,因此,底部温度要均匀得多。
铸锭时,底部红外测温的数据不完全是硅液底部的温度,因为,该测点和坩埚底部的硅液还隔了至少一层坩埚,因此,红外温度仅能参考,还是要根据每台炉子各自的经验数据。
半导体材料与工艺之 多晶硅锭定向凝固生长方法98页PPT
41、实际上,我们想要的不是针对犯 罪的法 律,而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民,就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律,法律受制于情 理。— —托·富 勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ,而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快,这是不可能的,因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情,化为上进的力量,才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者,好之能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人,倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢!
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