【正文】 界面的溫度梯度 ，隱裂的硅棒相對于修改工藝參數(shù)之前有所減少，但是在 實驗的 16 塊硅錠中，仍舊出現(xiàn)了硅棒及硅片的隱裂問題，如圖 31 所示。 167。 固定原工藝參數(shù)中開始長晶過程中溫度梯度以及退火階段的退火時間保 持不 變，在 退火階 段將 退火溫 度由原 來的 1370℃提高到1390℃ （ 見 附錄 ） 。 這樣做的目的就是減小長晶階段固液界面的溫度梯度，以便減少熱應(yīng)力。但是由于隱裂時 并非 整塊硅錠全部報廢，只是一塊硅錠中的部分地區(qū)會發(fā)生隱裂，所以我們采取每種實驗方法使用 16 塊硅錠，即 400 根硅棒來進行實驗。如果工藝改進后隱裂的硅錠所占實驗總硅錠的比例相對于 2%有所降低，則證明此改進方法有效，反之則是無效。 實驗 過程 由于本次實驗要對三種應(yīng)力消除的實驗方法進行驗證，故采取單河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 一變量法。 我們可以通過線切后的檢片過程 以及對大批硅錠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來了解存在隱裂的硅錠所占的比例。在超日，由于硅錠應(yīng)力消除不完全而造成的硅棒或硅片隱裂所占的比例大約是在 2%左右。為了驗證這三種方法的實驗效果，我們在一套基本成熟的鑄錠工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用單一變量法來逐一驗證以上三種方法的實際應(yīng)力消除的效果。而產(chǎn)生應(yīng)力的溫度梯度主要來自于兩個方面：一是 在鑄錠長晶過程中由固液界面外部周圍與中心部位 產(chǎn)生 的溫度梯度 ；二是在 晶體生長完成后，晶體的底部與上部存在的較大的溫度梯度 。 167。其實驗結(jié)果的檢驗過程是在后續(xù)的開方、線切割等過程中進行的。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 第二章 實驗過程 本次實驗是生產(chǎn)性實驗， 從開始裝料鑄錠到隨后的開方、切割、檢驗都是按生產(chǎn)標準進行。 現(xiàn)階段在國內(nèi)研究的主要是金屬以及合金的應(yīng)力分布以及應(yīng)力消除，對鑄造多晶硅應(yīng)力消除的研究報道甚少。而太陽能電池 就是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的媒介。太陽能是人類最重要的無污染、可再生、無窮無盡的新能源，因此，太陽能的研究和應(yīng)用是今后人類能源發(fā)展的主要方向之一。特別是近兩年來，國際石油價格飛漲，更是引起了各國政府、有識人士，甚至普通老百姓對能源的關(guān)心。 本文研究的主要目的及內(nèi)容 人類進入 21世紀， 對能源的需求不斷增加，中國的經(jīng)濟的騰飛又對能源提出了更多需求。所以，在多晶硅晶體生長時，需要盡量減少低質(zhì)量的區(qū)域。值得注意的是，在回收邊料中，顯然有越來越多的碳化物和氮化物。通常認為，晶體生長速率越快，這層區(qū)域越小，可利用材料越多 [ 9]。 圖 110 鑄造多晶硅的平 均面積隨多晶硅晶錠高度的變化 [10 ] 一般而言，在鑄造多晶硅晶錠的周邊區(qū)域存在一層低質(zhì)量的區(qū)域，其少數(shù)載流子壽命較低，不能應(yīng)用于太陽電池的制備。晶粒的大小也與晶體的冷卻速率有關(guān)：晶體冷卻得快，溫度梯度大；晶體形核的速率快，晶粒多而細小，這也是澆鑄法制備的多晶硅的晶粒尺寸小于直熔法的原因。圖 110 所示為晶粒的平均面積隨多晶硅晶錠高度的變化。另外，晶粒的大小還與其處于的位置有關(guān)。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ a） （ b） （ c） （ d） 圖 19 不同熱場情況下生長的鑄造多晶硅晶錠的剖面圖 【 8】 （ a） （ c）固液界面不水平時晶粒生長方向； （ d）固液界面水平時晶粒生長方向 對于鑄造多晶硅而言，晶粒越大越好，這樣晶界的面積和作用都可以減少，而這主要是由晶體生長過程所決定的 [ 19]。因此，既要保持一定晶體生長速率，提高勞動生產(chǎn)率；又要保持盡量小的溫度梯度，降低熱應(yīng)力并減少晶體中的缺陷。 影響溫度梯度的因素，除了熱場本身的設(shè)計外，冷卻速率起決定性作用。溫度梯度越大，多晶硅中的熱應(yīng)力就越大，會導(dǎo)致更多體內(nèi)位錯生長，甚至導(dǎo)致晶錠的破裂。如圖 19(d)所示，幾乎所有的晶粒都是沿晶體生長方向生長的，是與水平面呈垂直狀態(tài)的柱狀晶，說明此時的固液界面在晶體生長時一直是與水平面平行的；而且，在晶錠的底部，可以看出晶粒比較細小，而到上 部，晶粒逐漸變大。 如圖 19(a)一 (d)所示，隨著晶體生長的熱場不斷調(diào)整，晶粒逐漸呈現(xiàn)在與固液界面垂直的方向上生長。這樣制備出來的鑄造多晶硅硅片的表面和晶界垂直，可以使相關(guān)太陽電池有效地避免界面的負面影響 [17]。在不同的熱場設(shè)計中，固液界面的形狀呈凹形或凸形，由于硅熔體和晶體硅的密度不同，此時地球的重力將會影響晶體的凝固過程，產(chǎn)生晶粒細小、不能垂直生長等問題，影響鑄造多晶硅的質(zhì)量。 在鑄造多晶硅晶體生長時，要解決的主要問題包括：盡量均勻的固液界面溫度；盡量小的熱應(yīng)力；盡量大的晶粒；盡可能少的來自于坩堝的污染。當(dāng)核心相互接觸時，再逐漸向上生長、長大，形成柱狀晶，柱狀的方向與晶體凝固的方向平行，直至所有的硅熔體都結(jié)晶為止，這是典型的定向凝固過程。 晶體生長的影響因素及應(yīng)力產(chǎn)生的原因 與直拉單晶硅不同，鑄造多晶硅結(jié)晶時不需要籽晶。 對于重量為 250~300kg 的鑄造多晶硅而言，一般晶體生長的速度約為 ～ ／ min，其晶體生長的時間約為 35~45h。所以，晶體 生長完成后，晶錠保持在熔點附近 2～4h， 使晶錠溫度均勻，以減少熱應(yīng)力。然后石英坩堝逐漸向下移動，或者隔熱裝置逐漸上升，使得石英坩堝慢慢脫離加熱區(qū)，與周圍形成熱交換；同時，冷卻板通水，使熔體的溫度自底部開始降低，晶體硅首先在底部形成，并呈柱狀向上生長，生長過程中固液界面始終保持與水平面平行，直至晶體生長完成，該過程約需要 20～ 22h。該過程約需要 9～ 11h。逐漸增加加熱功率，使石英坩堝內(nèi)的溫度達到 1500℃左右，硅原料開始熔化。 利用石墨加熱器給爐體加熱，首先使石墨部件 (包括加熱器、坩堝板、熱交換臺等 )、隔熱層、硅原料等表面吸附的濕氣蒸發(fā)，然后緩慢加溫，使石英坩堝的溫度達到 1200~1300℃左右，該過程約需要4~5h。 將裝有涂層的石英坩堝放置在熱交換臺 (冷卻板 )上，放人適量的硅原料然后安裝加熱設(shè)備、隔熱設(shè)備和爐罩，將爐內(nèi)抽真空，使爐內(nèi)壓力降至 ～ 并保持真空。 167。為了解決這個問題，工藝上一般利用 Si3N 4 或 SiO／ SiN 等材料作為涂層，附加在石英坩堝的內(nèi)壁，從而隔離了硅熔體和 石英坩堝的直接接觸，不僅能夠解決黏滯問題，而且可以降低多晶硅中的氧、碳雜質(zhì)濃度；進一步地，利用 Si3N 4 涂層，還使得石英坩堝可能得到重復(fù)使用，達到降低生產(chǎn)成本的目的。 在制備鑄造多晶硅時，在原材料熔化、晶體硅結(jié)晶過程中，硅熔體和石英坩堝長時間接觸，會產(chǎn)生黏滯作用。 坩堝 在鑄造 多晶硅 制備 過程中 ，可 以利 用方形 的高 純石墨 作為 坩堝，也可以利用高純石英作為坩堝。有研究表明，只要原料中剩余料的比例不超過 40％，就可以生長出合格的鑄造多晶硅。 與直拉、區(qū)熔晶體硅生長方法相比，鑄造方法對硅原料的不純具有更大的容忍度，所以鑄造多晶硅的原料更多地使用電子工業(yè)的剩余料，從而使原料來源可以更廣，價格可以更便宜。 鑄造多晶硅的原材料 鑄造多晶硅的原材料可以使用半導(dǎo)體級的高純多晶硅，也可以使用徽電子工業(yè)用單晶硅生產(chǎn)中的剩余料，包括質(zhì)量相對較差的高純多晶硅、單晶硅棒的頭尾料以及直拉單晶硅生長完成后剩余在石英坩堝中的堝底料等。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 167。目前，利用該技術(shù)制備的鑄造多晶硅晶錠可達 35c m35cm300cm。而且，由圖 18 可以看出，該技術(shù)的固液界面是嚴重的凹形，會引入較多的晶體缺陷。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 18 電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù)拉晶法制備鑄造多晶硅的示意圖 [ 1 2] 實際上，日本 Sumitomo 公司 (前身為大阪鈦 Osaka titanium公司 )自 2021 年開始已經(jīng)利用電磁感應(yīng)冷坩堝法規(guī)?；a(chǎn)鑄造多晶硅。圖 18 所示為電磁感應(yīng)冷坩堝連續(xù) 拉晶法制備鑄造多晶硅的示意圖。不僅如此，由于電磁力對硅熔體的作用，使得摻雜劑在硅熔體中的分布可能更均勻。其原理就是利用電磁感應(yīng)的冷坩堝來熔化硅原料，這種技術(shù)熔化和 凝固可以在不同部位同時進行，節(jié)約生產(chǎn)時間；而且，熔體和坩堝不直接接觸，既沒有坩堝的消耗，降低成本，又減少了雜質(zhì)污染程度，特別是氧濃度和金屬雜質(zhì)濃度有可能大幅度降低。 圖 16 鑄造多晶硅晶錠的 柱狀示意圖 17 鑄造多晶硅晶錠的線切割示意圖 利用定向凝固技術(shù)生長的鑄造多晶硅，生長速度慢，坩堝是消耗件，不能重復(fù)循環(huán)使用，即每一爐多晶硅需要一支坩堝；而且，在晶錠的底部和上部，各有幾厘米厚的區(qū)域由于質(zhì)量低而不能應(yīng)用。 （ a）正面 （ b）剖面 圖 15 鑄造多晶硅的正 面俯視圖和剖面圖 [ 10] 在 晶 錠 制 備 完 成 后 ， 切 成 面 積 為 100mm100mm 、河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 150 mm150mm 或 210mm210mm 的方柱體，如圖 16 所示。 通常高質(zhì)量的鑄造多晶硅應(yīng)該沒有裂紋、孔洞等宏觀缺陷，晶錠表面要平整。由于晶體生長時的熱量散發(fā)問題，多晶硅的高度很難增加，所以，要增加多晶硅的體積和重量的主要方法是增加它的邊長。 鑄造多晶硅制備完成后，是一個方形 的鑄錠 。在這種結(jié)晶工藝中，結(jié)晶速度可以稍快些。在直熔法中，石英坩堝是逐漸向下移動，緩慢脫離加熱區(qū)；或者隔熱裝置上升，使得石英坩堝與周 圍環(huán)境進行熱交換；同時，冷卻板通水，使熔體的溫度自底部開始降低，使固液界面始終基本保持在同一水平河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 面上，晶體結(jié)晶的速度約為 1cm/h，約 10 kg/h；而在澆鑄法中，是控制加熱區(qū)的加熱溫度，形成自上部向底部的溫度梯度，底部首先低于硅