多晶硅铸锭原料中重掺料的影响
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多晶硅制备过程质量的影响因素1、气流速度的影响硅棒表面的气流速度会影响多晶硅表面沉积的均匀程度,同时也会影响硅棒表面热的扩散、粘滞层的厚度,所以将硅棒表面的气体流速控制在合理范围十分重要。
当气体流速能够达到需要的沉积速率时,炉产量会随着混合气流量的增大而增高。
流量的大小和还原炉的结构及大小有关,载体表面积与硅芯面积的比值越大,就越会增加气体对沉积面的碰撞,良率就会得到有效提高。
2、三氯氢硅的影响在目前多晶硅产品的生产过程中,对于太阳能级多晶硅原料之一的三氯氢硅的使用含量还没有一个具体的标准和数据。
但是对于其中存在的杂质,大部分企业都要求B<0.1ppbw、P<1ppbw、Fe<50ppbw、C<1ppmw。
而假如要是多晶硅中P、B的含量较高,其就会高温环境下产生P、B析出的副反应,而析出的P、B又会粘附在多晶硅上,这会大幅度的影响多晶硅的电阻率。
在多晶硅生产时,有关物质和P、B等杂质所产生的反应属于气相反应。
由于生产过程中P、B、As、Sb 等物质会漂浮在气相之中,而其他一部分反应炉内部的重金属物质也会漂浮在气相之中,当SiHCl3、H2等物质扩散至载体上时,可能会把这部分杂质带到载体之上,这对于多晶硅的品质有着很大的影响。
3、氢气的影响通过有关研究发现,由于氢气中会含有一定程度的氧和水汽,在含氧量大于20ppm,露点大于-30℃的环境下,就会出现水解或者氧化反应,这样一来,就会生成一种二氯化硅氧化层粘附在多晶硅之上,在这种被氧化的多晶硅继续沉淀时,就形成了氧化夹层。
这种夹层在光照的环境下可以看到多种多样的色彩,而且酸洗手段而不能去除这种氧化夹层。
与此同时,具有氧化夹层的硅棒在真空环境下生长单晶硅的过程中,可能会出现硅跳情况,而通常见到的状况就是熔区表面的废渣较多,导致多次引晶不成功等问题。
4、炉内温度的影响实践证明在900~1000℃间,SiHCl3以热分解为主,1080~1200℃间以还原反应为主,1200℃以上副反应、逆反应同时发生。
第四章多晶硅的制备及其缺陷和杂质近年来围绕太阳能级硅制备的新工艺、新技术及设备等方面的研究非常的活跃,并出现了许多研究上的新成果和技术上的突破,那么到现在为止研究的比较多且已经产业化或者今后很有可能产业化的廉价太阳能级硅制备新工艺主要是以下几种:4.1 冶金级硅的制备硅是自然界分布最广泛的元素之一,是介于金属和非金属之间的半金属。
在自然界中,硅主要是以氧化硅和硅酸盐的形态存在。
以硅石和碳质还原剂等为原料经碳热还原法生产的含硅97%以上的产品,在我国通称为工业硅或冶金级硅[1, 2]。
在工业硅生产中,是以硅石为原料,在电弧炉中采用碳热还原的方式生产冶金级硅。
冶金级硅的杂质含量一般都比较得高。
冶金级硅一般用于如下3个方面[2]:(1)杂质比较高一点的冶金级硅一般用来生产合金,如硅铁合金、硅铝合金等,这部分约消耗了硅总量的55%以上;(2)杂质比较低一点的冶金级硅一般用于在有机硅生产方面,这一部分将近消耗了硅总量的40%;(3)剩下的5%经过进一步提纯后用来生产光纤、多晶硅、单晶硅等通讯、半导体器件和太阳能电池。
以上三个方面中,其产品附加值各有不同,其中最后的一部分所产生的附加值最大。
1冶金级硅生产工艺目前国内外的工业硅生产,大多是以硅石为原料,碳质原料为还原剂,用电炉进行熔炼。
不同规模的工业硅企业生产的机械化自动化程度相差很大。
大型企业大都采用大容量电炉,原料准备、配料、向炉内加料、电机压放等的机械化自动化程度高、还有都有独立的烟气净化系统。
中小型企业的电炉容量较小,原料准备和配料等过程比较简单,除采用部分破碎筛分机械外,不少过程,如配料,运料和向炉内加料等都是靠手工作业完成。
无论大型企业还是中小型企业,生产的工艺过程都可大体分为原料准备、配料、熔炼、出炉铸锭和产品包装等几个部分,如图4-1所示为工业硅的生产工艺流程图[3]。
工业硅生产过程中一般要做好以下几个方面。
(1)经常观察炉况,及时调整配料比,保持适宜的SiO2与碳的分子比,适宜的物料粒度和混匀程度,可防止过多的SiC生成。
DOI:10.19392/ki.1671-7341.201820125不同多晶原料对太阳能多晶硅硬质点的影响王江宏1㊀宗红梅21.陕西国防工业职业技术学院㊀陕西西安㊀710300;2.西安华晶电子技术股份有限公司㊀陕西西安㊀710077摘㊀要:在太阳能多晶铸锭中,如何降低硬质点占比一直是一个重要课题,硬质点的多少直接影响后续切片加工的断线率㊂大家普遍认为,多晶铸锭中硬质点主要为硅团簇,SiO2,SiC,Si3N4等混合物,其形成与投炉原材料有着重要的关系㊂本文介绍了多晶原料及低等级原料的使用㊂经研究分析,原生多晶和低等级料在每次投炉中的最佳使用量,以权衡生产成本与品质㊂关键词:多晶原料;硬质点;铸造多晶硅㊀㊀目前,原生多晶是多晶铸锭选用的主要原料,经装料㊁铸锭㊁切方㊁检测㊁切断平磨后,多晶小方锭再经切片,分检等环节,被加工成200μm左右的太阳能级硅片㊂然而,不同原材料,经多晶铸锭后,对方锭杂质会有不同的影响,一般来说,原材料纯度等级越高,所带来的杂质污染元素越少,相对应的硬质点的占比会较小,但高纯度的原料,其价格较高,企业为了追求高的利润最大化,往往会选择成本较低的原料来配合高成本的原料来投炉,如掺加各种二级㊁三级硅料,经切割加工后产生的底皮,边皮,顶皮等原料㊂因此,不同等级原料如何使用,已经成为了核心工序㊂1实验过程1.1主要设备与仪器本文采用的是多晶铸锭炉为京运通G6铸锭炉,加热方式为顶侧加热,共5面㊂本次实验流程为铸锭,开方,红外探伤检测,所使用设备主要为多晶硅锭铸锭炉㊁多线切方机㊁少子寿命仪和红外探伤仪等㊂1.2实验过程本实验采用京运通G6铸锭炉,统一采用760kg投料量,使用不同比例原生多晶与低等级硅料,分析硬质点占比及成品率的影响㊂2实验结果与分析2.1不同比例原生多晶的实验安排实验主要投炉原材料为原生多晶,配合经切割加工后产生的底皮,边皮投炉,其中,原生多晶比例依次投放量占比为40%㊁50%㊁60%㊁70%㊁80%㊁90%㊂2.2原生多晶的不同使用比例对硅锭的影响不同使用比例原生多晶的硬质点占比图实验料经铸锭㊁切方㊁寿命检测㊁切断平磨后,采用红外探伤仪对小方锭逐一探伤检测,计算统计其硬质点占比㊂由上图可以看出:随着原生多晶料使用量的不断增加,大锭硬质点占比呈明显下降趋势,原生多晶占比40%时,硬质点占比为3.38%,随着原生多晶使用量的增加到90%,硬质点占比下降至1.33%㊂由此可以得出:原料是影响多晶铸锭硬质点的一个主要因素,原料纯度越高,高纯度原料投炉占比越大,其硬质点占比越小,在不考虑其他影响因素的前提下,为减少硬质点的占比,工业生产应在投炉时多选用纯度高的原生多晶㊂硬质点占比在2%以下时,对应使用的原生多晶在70%以上,当原生多晶占比90%时,硬质点占比为1.33%,相比原生多晶占比80%时硬质点占比的1.61%,下降幅度不大,为此,选用原生多晶占比70%或80%,与边皮底皮混配投炉生产是一个比较合理的选择㊂2.3低等级原料对硬质点的影响大量投炉原生多晶料确实能够降低大锭的硬质点占比,但原生多晶价格相对较高,企业为追求更高的利润,往往会采用其他价格相对较低的低等级原料来代替部分原生多晶,以此来降低投炉成本㊂低等级料加入量分别为100Kg/炉㊁120Kg/炉㊁㊁150Kg/炉㊁200Kg/炉㊂由实验结果得出:随着低等级原料使用量的不断增加,大锭硬质点占比呈明显的上升趋势㊂当加入低等级原料重量为100Kg时,硬质点占比为0.52%;当加入低等级原料重量为120Kg时,硬质点占比为1.65%;当加入量到150Kg时,硬质点占比为2.0%;当低等级原料重量达到200Kg时,硬质点占比达到3.05%㊂由此可以得出:低等级原料相对于原生多晶而言,对产品质量有一定的影响,加低等级原料量越大,硬质点占比越高,其影响程度也越大㊂因此,在实际生产过程中,可根据原料成本和硬质点带来的负面影响,相互权衡,得出一个合理的低等级原料添加量㊂3结论原生多晶使用量占比越大,大锭硬质点占比越小,综合成本因素,原生多晶使用量占比80%更适合工业生产㊂低等级原料相对于原生多晶而言,对产品质量有一定的影响,加低等级原料量越大,硬质点占比越高,其影响程度也越大㊂参考文献:[1]杨德仁.太阳能电池材料[M].北京:化学工业出版社,2006.[2]王育军,张军,邱景平,等.多晶硅产业国内外发展趋势[J].有色矿冶,2009,25:33-38.[3]Habler C,Hofs H U,Koch W,et al.[J].Materials Science and Engineering,2000,71B:39-46.[4]梅向阳,马文会,戴永年,等.定向凝固技术的发展及其在制备太阳能级硅材料中的应用[J].轻金属,2009(9):64-71.[5]吴建荣,杨佳荣,昌金铭.太阳电池硅锭生产技术[J].中国建设动态,2007,1:40-42.[6]傅恒志,郭景杰,刘林,等.先进材料定向凝固[M].北京:科学出版社,2008.141㊀科技风2018年7月机械化工. All Rights Reserved.。
铸造多晶硅晶体生长速率对杂质分布的影响研究摘要目前,铸造多晶硅是最主要的光伏材料,其结晶组织、缺陷、和杂质含量显著影响着太阳能电池的转换效率。
杂质的浓度和分布是影响光电转换效率的重要因素。
由于多晶硅锭的质量好坏主要决定于长晶过程中的固液界面形状及晶体生长速率大小,固液界面形状及晶体生长速率大小对定向凝固的排杂效果起决定作用,一般认为微凸的固液界面更有利于多晶硅杂质和位错的排除。
因此深入研究多晶硅生长速率对杂质分布的影响,分析它对多晶硅锭结晶学及电学性能的影响,不仅有利于生长出高成品率的铸造多晶硅锭,而且可以降低铸造多晶硅硅片的制造成本。
本工作利用微波光电导衰减仪(μ-PCD)、二次离子质谱仪(SIMS),四探针测试仪以及红外扫描仪(IR)等方法对铸造多晶硅的杂质以及少子寿命的分布进行了系统的研究。
实验发现,硅锭中的氧浓度随硅锭高度的增加而逐渐降低,而碳的分布情况正好相反。
研究发现,在低速凝固条件下所有金属杂质均有很好提纯效果,硅锭中红区较短,少子寿命较高,但铸锭周期较长。
而高速凝固杂质的排除效果不佳,硅锭中红区较长,少子寿命较低。
实验发现多晶硅锭生长速率为 1.5cm/h为工业生产中较优长晶速率。
关键词:铸造多晶硅,杂质,少子寿命,长晶速率The Investigation on the crystal growth rate of Casting polycrystalline silicon influencing on the distributionof impurityABSTRACTAt present,casting polycrystalline silicon is the main PV materil.Its affect the conversion efficiency of solar battery.Impurity concentratio And distribution is the important factor of photoelectric conversion efficiency.because of quality of pool ycrystalline silicon ingots is determined by the position of the solid/liquid inter face and growth rate of crystal. The shape of solid/liquid interface and growth rate determined the quality of rejecting of impurity.Generally think that small protruding liquid-solid interface is more advantageous to the reject of dislocation and impuritry. So further research about polysilicon growth rate influence on the distribution of the impurity of polycrystalline silicon ingots is necessary. By anal ysis electrical behaviour of the ingot, not only help us improve the yield of the ingots,but also can reduce the cost of casting pol ycrystalline silicon.In this thesis, we use Microwavephoto Conductive Deca y(μ-PCD, ScanningInfrared Microscopy(IR), Scanning Infrared Microscopy(SIR M) and Four-point Probe Tester to Investigate the distribution of impurity and Minority carrier lifetime of the ingots.In the experim -ents we find that osygen content increases in vetical direction, While carbon distribution is exactly thepposite.We find that low-speed solidification conditions is good to the reject of all the reject of all the metal inpurity,minority carrier lifetime is higher, but the casting cycle is longer. Whle High-speed solidification to the disadvantage of the reject of impurity.and its minority carrier lifetime is lower Experimen ts have found that poly ingot growth rate for 1.5 cm/h forindustrial production is a better choice.KEY WORDS:casting polycrystalline silicon,impurity, minority carrier lifetime,growth rate of the crysta l目录第一章绪论 ..................................................................... V I §1.1 引言 ................................................................... V I §1.2铸造多晶硅的研究进展 ....................................... V I §1.2.1 浇铸法 . (VII)§1.2.2定向凝固法 (VII)§1.2.3电磁感应加热连续铸造( EMCP) (VIII)§1.3 多晶硅定向凝固原理及相关工艺参数 (X)§1.3.1 多晶硅定向凝固原理 (X)§1.3.2 温度梯度 (X)§1.3.3 长晶速率................................................... X I §1.4 铸造多晶硅中的主要杂质及影响. (XII)§1.4.1 硅中的氧 (XII)§1.4.2 硅中的碳 (XIII)§1.4.3 硅中的过渡金属 (XIII)§1.5铸造多晶硅中的杂质效应 (XIV)§1.5.1 扩散效应 (XIV)§1.5.2蒸发效应 (XIV)§1.5.3分凝效应 (XV)§1.6 铸造多晶硅锭的主要参数及检测方法 (XVI)§1.6.1 少子寿命 (XVI)§1.6.2电阻率 (XVII)§1.6.3 IR阴影测试 (XVII)§1.6.4杂质浓度测试 ....................................... X VIII §1.7本文研究的主要目的及内容 ........................... X VIII 第二章实验过程 (XX)§2.1样品制备 (XX)§2.1.1检料 (XX)§2.1.2 多晶铸锭过程 (XX)§2.1.3剖方取样 (XXV)§2.2 样品检测....................................................... X XVI §2.2.1 少子寿命检测....................................... X XVI§2.2.2 IR阴影检测 (XXVII)第三章实验结果及分析 (XXVIII)§3.1 实验结果 (XXVIII)§3.1.1 少子寿命检测结果 (XXVIII)§3.1.2 IR阴影检测结果................................... X XIX §3.2 结果分析....................................................... X XIX §3.2.1 碳的浓度分布....................................... X XIX§3.2.2 氧的浓度分布....................................... X XIX 结论 (XXX)参考文献 (XXX)致谢 (XXXIII)第一章绪论§1.1 引言3E,即能源(Energy)、经济(Economy)和环境(Environment),被称为人类文明可持续发展所面临的三大课题。
一般而言,硬质点指的就是碳化硅吧,那么在铸锭炉中它是如何形成的呢?有何分布规律可循?硬质点的存在严重影响硅锭的合格率,有何办法可以解决呢?请大家踊跃发言探讨。
硬质点指的就是碳化硅,硬质点片即所谓的线痕片。
来源2个方面1)硅材料的含碳量高2)炉子的热场碳的挥发但是如何形成机理不清楚,请大家发言根据我的理解:C的分凝系数为0.07,远小于1,铸锭好后,C应该集中在顶部,锭子中心按道理含碳量很低,不会出现晶粒比较大的SIC, 该物质是否在长晶阶段生成,还是在退火和冷却阶段由于扩散进入到中部的?近段时间,铸锭后,红外探伤未有大的影阴区,但切片后,有一些线痕片,报告为硬质点片,郁闷啊?;;疑问;疑问;疑问;;抓狂;抓狂;抓狂C的来源:热区,硅料SiC的分布及形成:硅锭顶部,硅料内部炭排杂到顶部,热区炭的落入。
硅锭内部,炭浓度高的区域由于固态扩散在长晶过程中形成大颗粒SiC,这些C来源于硅料中剩余的炭及表面SiC溶解的C。
请教beyya 大侠先生:1)DSS450 炉子顶部装了CC板,热场使用还不到3个月,铸锭用的80%的原生硅,问题在何地方?2)与炉子分凝及工艺长晶时间和冷却时间有关系吗?发表于2009-5-14 09:31 |只看该作者个人理解:多晶锭中的硬质点主要为SIC和Si3N4杂质,主要聚集在顶部10 mm范围内;硅锭内部的硬质点为SiC。
一般来说,多晶硅锭中多少都会有点硬质夹杂,我们铸锭的主要目的就是减小SiC硬质点的数量和大小,主要是不影响切片就行。
除了对原料进行控制之外,转述他人的一些解决方法:1)在装料后执行严格的开炉程序以排除氧和水分,因为它们可以和石墨件反应生成CO溶于硅熔体,使得碳含量增加;2)将石英坩埚和石墨托隔开或选取适当的气流方式使CO不能到达熔硅表面,减少晶体生长过程中的碳污染;3)尽量缩短硅锭生长周期,以抑制SiC的长大和聚集,它们在较细小、未聚集的情况下不会对硅片切割生产造成危害。
铸造多晶硅锭常见问题铸造多晶硅锭常见问题本文介绍了多晶硅锭生产过程中遇到的各种异常情况,分析这些异常产生的原因,提出了一些相关的预防及改善措施。
1、硅液溢流多晶硅铸锭包括加热、熔化、长晶、退火、冷却五个工艺步骤,其中硅料在熔化过程中或熔化完以后可能会因其盛放的石英陶瓷坩埚破裂,从坩埚内流出,常简称硅液溢流。
高温硅液体流到溢流丝上面,使溢流丝熔断,触发溢流报警,系统进入紧急冷却。
一般溢流发生在熔化阶段及长晶阶段,特别是在熔化后期及长晶初期发生的溢流最为常见。
溢流以后不但意味着该炉次没有硅锭产出,而且轻则损失几公斤硅料,重则造成热场部件的重大损失甚至安全事故,因此溢流是多晶硅铸造最严重也是较为常见的生产异常。
造成硅液溢流的可能原因大概有以下几点。
1)坩埚隐裂。
用来盛放硅锭的坩埚为石英陶瓷材料,其制作方式有注浆成型和注凝成型两种方式,但不论哪种方式制作的坩埚,都会存在隐裂,气孔等缺陷,这些坩埚在出厂以前一般都会经历两道以上的采用显影液透光检查过程,但仍可能会有漏检的坩埚,另外坩埚在运输过程中或搬运过程中会遇到震动或磕碰,都会导致坩埚产生隐裂,如果这些缺陷在装料前没有检测到,很有可能在熔化过程中出现硅液溢流现象。
因此,坩埚拆箱以后,在喷涂前应该严格检测,使用强光灯源对坩埚五个面透光检测是一种较为方便有效的方法。
2)装料挤压。
装料过程中,靠近坩埚边角的位置特别是四个竖棱角位置,如果有大块儿的硅料靠近坩埚,硅料之间特别注意需要留有一定空隙,一般以2cm以上最佳,一旦装料过挤,可能引发溢流产生。
这是因为,硅料熔化从中上部开始,而硅的固体密度为2.33g/cm3,液体密度为2.53 g/cm3。
一旦装料过于拥挤,液体硅流到坩埚底部以后可能会因温度过冷而凝固,如果没有空间供其膨胀,会对坩埚壁产生挤压作用,导致坩埚破裂溢流。
越是靠近边角的位置,应力越集中,越容易因装料不合理而溢流,溢流的部位实际上也往往出现在坩埚四个立棱处附近,硅锭脱模后仔细观察溢流位置对应坩埚内壁,经常会发现硅料挤压氮化硅涂层和坩埚内壁的痕迹。
铸造多晶硅中的金属杂质及其对硅片性能的影响摘要:关键词:多晶硅铸造多晶硅金属杂质正文:金属杂质特别是过渡金属杂质,在原生铸锭中的浓度般都低于1×10”cm 3,但是它们无论是以单个原子形式,或者以沉淀形式出现,都对太阳能电池的转换效率有重要的影响。
近期由于硅料中所含金属杂质超标,导致多个晶锭出现电阻率严重异常而整锭报废,另外还出现较多晶棒切片后的硅片电阻率出现较大波动,对公司的经济效益带来严重的影响。
下面对铸造多晶硅中金属杂质的性质及其对硅片性能的影响进行详细的分析,为多晶硅片的生产及异常硅片的处理提供一定的参考。
1.铸造多晶硅中金属杂质的来源铸造多晶硅中的金属杂质主要有Fe,Al,Ga,Cu,Co,Ni等,铸造多晶硅中金属杂质的来源主要有以下几个方面:A.原生硅料中含有一定量的金属杂质,这也是金属杂质的一个主要来源。
目前由于硅料异常紧缺,导致一些含杂质较多的硅料在市场上流通,造成铸出的晶锭出现问题的事故时有发生。
B.在硅料的清洗,铸锭及切片的整个过程中由于使用各种金属器件接触,导致金属杂质的引入。
这也是铸造多晶硅中金属杂质含量偏高的一个主要原因。
整个工艺流程中引入金属杂质的途径有很多,例如硅料清洗过程中清洗液的残留,晶锭转运过程中使用的不锈钢转运车,多晶硅棒破碎过程中所使用的铁锤等。
2.过渡族金属在硅片中的扩散和溶解硅中金属杂质的引入可以在晶体生长过程中,或者在硅片的抛光、化学处理、离子注入、氧化或其他处理过程中首先在表面附着,随后后续的高温热处理过程中扩散进入硅基体。
A.金属杂质在硅锭中的分布在高温(>800℃)下,过渡族金属一般都有很快的扩散速度而溶解度则相对较小。
Cu、Ni为快速扩散杂质,在高温下,Cu、Ni的扩散速率甚至可以接近于液相时的扩散速率,达到10-4cm2/s。
而其他的金属杂质,如Fe、Cr等为慢扩散杂质,一般比Cu、Ni的扩散速率慢一到两个数量级,但在高温下仍可以达到几十到几百微米每秒。
多晶硅铸锭装备的关键工艺参数控制研究摘要:多晶硅铸锭是太阳能光伏产业中的重要原材料,其质量对太阳能电池的性能和寿命有着直接影响。
因此,研究多晶硅铸锭装备的关键工艺参数控制成为了一个重要的课题。
本文通过对多晶硅铸锭工艺过程中温度、熔体成分和晶种浓度等关键参数的研究,深入探讨了如何控制多晶硅铸锭装备的关键工艺参数,以提高多晶硅铸锭的质量和降低成本。
1. 引言多晶硅铸锭是太阳能电池制造的主要原材料之一,其质量和性能直接影响太阳能电池的效率和寿命。
因此,研究多晶硅铸锭装备的关键工艺参数控制,对于提高太阳能电池产业的竞争力具有重要意义。
2. 工艺参数的选择和控制2.1 温度控制多晶硅铸锭的熔化和结晶过程容易受到温度的影响。
过高或者过低的温度都会导致硅溶液不稳定,进而影响硅晶体生长的质量。
因此,合理控制温度是保证多晶硅铸锭质量的关键。
目前,在硅铸锭装备中,常采用感应加热装置进行加热控制,通过对加热功率和加热时间的调节来实现温度控制。
2.2 熔体成分控制多晶硅铸锭的熔化过程中,熔体的成分对最终晶体的质量有着重要影响。
研究表明,添加适量的掺杂元素(如硼、磷、铝等)可以改善硅晶体的电学性能,提高太阳能电池的效率。
因此,合理控制熔体成分,通过添加适当的掺杂元素,可以提高多晶硅铸锭的质量和电学性能。
2.3 晶种浓度控制晶种是多晶硅铸锭生长的起始点,其浓度直接影响多晶硅铸锭的晶粒尺寸和取向性。
研究表明,较高的晶种浓度可以促进多晶硅铸锭的正常生长,并且可以提高多晶硅铸锭的结晶取向性。
因此,合理控制晶种的浓度,可以有效地提高多晶硅铸锭的质量和晶体取向性。
3. 控制策略和优化方法为了实现多晶硅铸锭装备的工艺参数控制,可以采用以下策略和方法:3.1 建立数学模型通过建立多晶硅铸锭工艺的数学模型,可以实现对关键工艺参数的控制。
利用数值模拟软件,可以模拟和分析硅溶液的温度分布、质量变化等参数,从而找到最佳的工艺参数组合。
3.2 优化算法通过利用优化算法,如遗传算法、粒子群算法等,可以对多晶硅铸锭工艺的关键参数进行优化。
多晶硅铸锭原料中重掺料的影响
作者:唐中华何鹏屠晨坤陈声斌
来源:《河南科技》2017年第17期
摘要:多晶硅铸锭中需要用到原生多晶硅、碎片、边皮等一系列的多种硅料,而这些硅料中如果存在重掺料,会降低硅锭预期电阻率,影响硅锭品质。
如果将重掺料检测出并去除,便能够将多晶硅锭电阻率按生产要求控制在1~3Ω·cm,并使多晶硅锭电阻率符合预定规律。
关键词:多晶硅铸锭;重掺;电阻率
中图分类号:TM914.4 文献标识码:A 文章编号:103-5168(2017)09-0143-02
Abstract: Polysilicon ingots need to use the original polysilicon, debris, edge skin and a series of a variety of silicon material, and these silicon material if there is heavy material,will reduce the expected resistance of silicon ingot, affecting the quality of ingot. If the heavy admixture is detected and removed, the resistivity of the polycrystalline silicon ingot can be controlled at 1~3Ω·cm according to the production requirement and the resistivity of the polycrystalline silico n ingot conforms to the predetermined law.
Keywords: polycrystalline silicon ingot;heavy doping;resistivity
在太陽能光伏产业中,多晶硅铸锭炉是最为重要的设备之一。
多晶硅锭炉将高纯度硅融合后调成太阳能电池的化学组成成分,并将熔体通过长晶凝固技术制成高品质硅锭,然后将其切片后,供太阳能使用[1]。
电阻率、少子寿命、碳氧含量是多晶硅锭的主要电学指标,其中电阻率就需要结合各种原料自身的电阻率进行计算,而原料中极少量的重掺料却能影响整个多晶硅锭的电阻率,本文主要研究多晶硅铸锭过程中重掺料的影响[2]。
1 原料中重掺硅料对多晶硅锭电阻率的影响
1.1 原料中重掺料影响的理论分析
在多晶硅铸锭配料过程中,母合金具有很高的硼含量(硼含量越高电阻率越低),其属于低电阻的重要原料。
在配料过程中,对于规格、电阻率固定的母合金,可以通过改变母合金重量来调整P型多晶硅锭整体中的硼含量,以此控制P型多晶硅锭整体的电阻率。
母合金过量会导致硅锭电阻率偏低,母合金过少也会导致硅锭电阻率偏高。
因此,当其他原料的电阻值都已明了的情况下,母合金的重量对于多晶硅整体的电阻率起到举足轻重的作用,母合金用量要严格把控。
一般情况下,电阻率小于0.5Ω·cm的为重参料,由于原料中重参料的重量很难掌握且
电阻率范围不固定,重参料的存在严重影响对多晶硅铸锭配料中母合金重量把控,甚至最终影响硅锭整体的电阻率。
在计算母合金用量时,要详细了解各个原料的电阻率、配料中各个原料的重量,根据各个原料的不同参数进行计算、核对,再决定母合金用料多少。
母合金使用重量的详细计算如公式(1)-(7):
式中:N为硼含量,为电阻率。
则原料中的硼含量的总和为:
其中M为x硅料的重量(x可以是原生料、边皮、碎片等原料),NPx为P型x硅料的硼含量。
假设计划生产的P型多晶硅锭质量为m锭,硅锭的目标电阻率为,则P型多晶硅锭中所需的硼浓度为:
多晶硅锭中需要的硼含量为:
则通过母合金给硅锭补充的硼含量为:
而母合金的中硼浓度为:
则铸锭中投入的母合金重量为:
根据以上公式进行计算,正常料的电阻为1~3Ω·cm,由于硼在硅中的分凝系数大约为0.8,成型的多晶硅锭底部电阻要求小于3Ω·cm,底部电阻率大于1Ω·cm。
以其多晶硅锭的中间电阻2Ω·cm为例,其硼含量约;而以重掺料上限电阻率0.5Ω·cm为例,其硼含量约,是正常料硼含量的20倍,如果重掺料的电阻更低,其硼含量是正常料硼含量的数十倍、数百倍,甚至更高,如果对重参料的电阻率和重量不知情的情况下,铸锭使用的母合金重量会比需要值偏大。
因此,如果有重掺料存在,即使其比例极小,但如将其忽视,会使硅料中硼含量严重超过计算值,使铸锭所得的硅锭电阻率降低,严重影响多晶硅锭整体的电阻率。
针对原料中重掺料存在的现象,需要原料分别测试、分辨,检验出重掺料并将重掺料剔除出原料,使所用原料电阻值都在正常值范围内(正常值1~3Ω·cm)。
1.2 重掺料在生产中的影响
随机抽取一次投炉的硅料进行检测,使用硅料电阻测试仪对硅料逐一进行鉴别和测试,最终发现一次性投炉的500kg硅料中含有少量的重掺料。
由于原料中有重掺的存在,硅料中硼的含量超过计算值,铸锭所得的硅锭电阻率降低,影响了硅锭的质量。
对一次所用料进行检测后,将检测出的重掺料称重结果有38.2g,去掉纸张重量0.2g,重掺料共计38g,约占整个投炉硅料重量的0.007 6%。
对检测出来的重掺料使用四探针电阻率测试仪进行检测,大多数的重掺硅料的电阻率约为0.003~0006Ω·cm。
重掺料的硼含量要比正常料的硼含量高得多,正常料的电阻为1~3Ω·cm,以中心电阻率数值2Ω·cm为例,则正常料的硼含量;以电阻率0.005Ω·cm的重掺料为例,其硼含量,其硼含量大约为正常料硼含量的3 000倍。
这就使硅料的中硼含量远超预期计算值。
实际生产中,由于检测设备未能及时购买使用,几次铸锭中将未经过重掺检测的原料进行铸锭,硅锭开方检测后的结果如表1所示。
从表1可以看出,含重掺料铸锭后电阻率严重低于正常值(正常值为1~3Ω·cm),比正常值低0.4~0.6Ω·cm,甚至有的整块硅锭电阻率都小于1Ω·cm,只有0.7~0.9Ω·cm,最终导致硅锭的收益率为0(收益率=合格硅块的重量/整锭重量)。
虽然铸锭中掺入0.003~
0.006Ω·cm重掺料的重量只占原料总重的0.0076%,但其依旧能降低硅锭电阻率。
如表2所示,对去除重掺的原料进行铸锭,硅锭开方检测后,硅锭的电阻率都处于正常值范围(正常值为1~3Ω·cm),多晶硅锭的收益率都在62%以上(收益率=合格硅块的重量/整锭重量),符合客户和市场的质量要求。
经过实践生产经验,含有重掺料的原料在铸锭中会使多晶硅锭的整体电阻率降低,在硅料使用之前必须经过严格筛选,去除其中的重掺料。
2 结论
本文通过实践生产得出:硅料中的重掺料会降低铸锭的电阻率,电阻率0.003~0.006Ω·cm 的重掺料即使只占铸锭原料重量的0.007 6%,但其依旧能使整个多晶硅锭电阻率降低0.4~0.6Ω·cm,如果将重掺料检测出并去除,便能够将多晶硅锭电阻率按生产要求控制在1~
3Ω·cm。
参考文献:
[1]刘超,黄杰.对多品硅铸锭炉生产工艺控制技术的研究[J].科技创新与应用,2012(26):137.
[2]唐中华.多晶硅半熔铸锭工艺研究[J].科研,2016(1):198-199.。