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第6章 铸造多晶硅第7章 铸造多晶硅中的杂质和缺陷 * 第6章 铸造多晶硅 6.1 概述 利用铸造技术制备的多晶硅-----铸造多晶硅 优势：成本低，能耗低，材料利用率高，易于大尺寸生长。 劣势：有晶界、位错等缺陷，杂质含量高。 转化效率：实验室 20.3% 工业生产 14%～16% 规模大，占市场53%的份额。 6.2 铸造多晶硅的制备工艺 铸造是指制造铸型、熔炼金属，并将熔融金属液浇注到具有与零件形状相似的铸型型腔内，待其冷却凝固后，获得一定形状和性能的金属件（铸件）的方法。 浇铸法：一个坩埚内熔化，浇到另一个坩埚中冷却，控制冷却速度，使其定向凝固。 直熔法：在坩埚内直接熔化。然后通过坩埚底部的热交换等方式，使熔体冷却，使其定向凝固。 本质：都是采用定向凝固技术 太阳电池多晶硅锭是一种柱状晶，晶体生长方向垂直向上，是通过定向凝固（也称可控凝固、约束凝固）过程来实现的，即在结晶过程中，通过控制温度场的变化，形成单方向热流(生长方向与热流方向相反），并要求液固界面处的温度梯度大于0，横向则要求无温度梯度，从而形成定向生长的柱状晶。 热流方向 侧向无温度梯度，不散热 晶体生长方向 定向凝固柱状晶生长示意图 直熔法： 固相 液相 加热器 坩埚 液固界面 散热装置 晶体结晶速度：1 cm/h 制备的铸造多晶硅的宏观图和微观图见书上图6.5和6.6。 其原理就是利用电磁感应的冷坩埚来溶化硅原料，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长度，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。 6.2 铸造多晶硅的晶体生长 原材料： 可以使用半导体级的多晶硅 微电子工业用单晶硅生产中的废料，包括质量相对较差的高纯多晶硅、单晶硅棒的头尾料，以及直拉单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚中的锅底料等。 多晶硅片制备过程中的剩余硅材料可重复利用，比例不超过40%。 成本低 坩埚： 石墨坩埚：便宜，更多的碳污染和金属污染。 石英坩埚：成本高，污染少。 直接使用石英坩埚的问题： 硅熔体和石英坩埚之间有粘滞作用 冷却时会造成石英坩埚破裂 石英坩埚的腐蚀，使多晶硅中氧浓度升高 解决方法： 在石英坩埚的内壁制备Si3N4涂层，隔绝石英坩埚和熔硅的接触。 晶体生长工艺： (1)装料。将装好料的坩埚放置在热交换台上， 然后炉内抽真空，使炉内压力为5～10 Pα并保持真空。通入氩气，使炉内压力维持在40~60 kPα。 (2)加热。用石墨加热器加热，首先使石墨部件、隔热层、硅原料等表面吸附的湿气蒸发，然后缓慢加温，使石英坩埚的温度达到1 200℃~1 300℃，该过程约需4~5 h。 (3)熔化。通入氩气，使炉内压力维持在40~60kPα，逐渐增大加热功率，使石英坩埚内的温度达到1 500℃左右，硅原料开始熔化，熔化过程中一直保持此温度，直至化料结束，该过程约需9~11 h。 (4)生长。硅料熔化后，降低加热功率，使石英坩埚的温度降至1 420℃~1 440℃硅熔点。然后石英坩埚逐渐向下移动，或者隔热装置逐渐上升，使石英坩埚慢慢脱离加热区，使硅熔料与周围形成热交换，同时，冷却板通水，使熔体的温度自底部开始降低，晶体硅首先在底部形成，并呈柱状向上生长，生长过程中固-液界面始终保持与水平面基本平行，直至晶体生长完成，该过程约需要20~22 h。 (5)退火。生长完成后，由于底部和上部存在较大温度梯度，可能存在热应力。所以，晶体生长完成后，晶锭保持在熔点附近2~4 h，使晶锭温度均匀，以减少热应力。这样可以减少硅片加工和电池制备过程中容易造成硅片碎裂。 (6)冷却。退火完成后，关闭加热功率，提升保温罩，通入大流量氩气，使晶体温度逐渐降低至室温附近。同时，炉内气压逐渐上升至大气压，最后打开炉室，取出晶锭，该过程约需10h。 *