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多晶硅铸锭的晶体生长过程是怎样的

发表于:2016-12-30 15:05:20 来源:新浪博客 史博士
 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) 定向凝固与分凝现象

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与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,这就是将提纯与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与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,使得真空熔炼与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。与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,该测点与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。这时,底部会形成熔点以下的过冷液体,由于坩埚底部的微细结构的不均匀,在一些质点上会形成晶核,即这些质点会首先凝固,形成结晶。这些质点可能是坩埚上突出的不均匀点,可能是坩埚的凹陷,由于位置比其它位置低,所以在降温的时候,温度也会较低。

晶核形成后,由于太阳能电池需要的是径向尺寸较大的柱状晶,因此,最好不要让晶核一旦形成就立刻向上生长,这样会导致晶粒过细;而是首先要让晶核形成后,先在坩埚底部横向生长,等长到一定的尺寸后,再向上生长。这样,要求坩埚底部的温度在下降到熔点稍低后,就保持平稳,不再下降。这样,坩埚底部晶核形成后,由于向上生长时,温度太高,无法生长,因此,只能横向生长。

开始形成晶核时,由于坩埚底部的不均匀,晶核的形成也不均匀,有的地方密,有的地方稀疏。在这些晶核横向生长时,长到一定的程度,就会相遇,相遇后由于有生长的动力,在遇到其它晶片时,则遇到了阻力,当晶片遇到的阻力过大时,就会停止生长。有的时候,这种阻力可能会使与坩埚底部结合不牢固的晶片脱落,这样,比较牢固的就会在脱落掉的晶片留下的空隙继续生长,直到整个底部都布满晶片后,相互挤压,所有的晶片就只能开始向上生长。这时,各个开始向上长的片状晶体,就称之为晶胚。这就是晶胚形成的过程。

晶核在锅底开始竞争导致部分晶片脱落时,这些晶片由于较轻,会向上面漂浮,直到浮到硅液表面。由于晶片的温度较低,因此,会导致红外测温仪的温度偏低,但通常很快就熔化了,所以温度也会回复。这样,在温度曲线上会出现一个个的向下的尖峰。

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