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。 　　多晶生长 　　晶胚形成后，开始向上生长。多晶硅的晶体生长于单晶硅的生长有些不同的地方。首先，多晶硅硅的生长是众多的晶柱共同生长，而且相互之间还有竞争和相遇；而单晶则只有一个晶体，不存在晶粒之间的竞争问题；第二，多晶硅的生长是由于温场的作用，底部温度不断下降，导致固液界面不断上升；而单晶的液面温度基本不变；第三，多晶硅铸锭的硅液相对静止，而单晶硅的硅液和晶体是旋转的。这些差异，导致多晶硅生长晶体有利有弊。 　　晶胚一旦形成，就应当以一定的速度是晶体向上生长。这就需要使坩埚底面的温度慢慢下降，而导致硅液的熔点温度面，在慢慢上升，上升的速度应当与硅晶体的生长速度保持一致。硅晶体的生长速度不是一定的，有一个范围，大约在6~20mm/小时之间。因此，控制固液界面的移动速度，使之保持在这个速度范围内，就可以了。 　　在常规铸锭时，许多人以为保温体移动的速度就是固液界面的移动速度，这是完全不对的。固液界面的速度与保温体的移动速度有关，但还与底面的温度和加热体的功率有关。有时，固液界面的移动速度大约保温体的移动速度，有时，固液界面的移动速度小于保温体的移动速度。如果底面的温度过低，加热体功率也不大的时候，保温体稍微上升，可能会导致整个底部向上的一段区域内温度比较快地下降，这时，固液界面移动的速度就比保温体可能要快，从而导致长晶很快。 　　更多的时候，如果保温体是慢慢提升的，而加热体的功率也比较大时，当保温体提升到了一定的高度，由于保温体以下的部分依然有辐射从而保持较高的温度，这时，固液界面的移动速度就比保温体的移动速度慢得多。总之，坩埚底部温度也需要不断地变化，而硅液顶部的温度，也是需要不断地变化的。更为复杂的是，这两个参数随时间的变化都不是线性的。 　　考虑到液体硅内部由于存在对流的作用，温差较小，而固体硅内部由于硅无法移动，热量只能通过热传导的方式，而硅的导热系数较低，导热性差，因此，固体硅的内部可以形成较大的温度差。这样的话，在晶胚一旦形成，可以让底部先以较快的温度梯度下降，而同时，顶部可以保持一个相对较高的温度，这样有利于底部的柱状晶生长。 　　当柱状晶长到80-120 mm高时，由于固体的导热性较差，因此，顶部温度要以一个线性匀速下降，这可以有利于固液界面的匀速上移。 　　当柱状晶长到160-220 mm高时，由于大部分已经是固体，因此，底部温度对固液界面的温度影响已经不大，但由于固液界面在结晶时的潜热，因此，产生的热量还是需要不断地从底部被带走，因此，底部温度必须足够的低，以便在固体硅内部形成足够大的温度梯度，把固液界面的温度带走。这时，促使固液界面上升的主要动力就是顶部温度的下降，和底部温度的下降。当顶面的温度逐渐趋于硅的凝点时，晶体生长就接近表面，近于结晶完成阶段。 　　通常，铸锭要想成功，要同时保证两个基本条件，一个是温度梯度始终是下低上高，而且固液界面以我们希望的长晶速度向上移动；其次，要保证固液界面尽量水平。如果固液界面不水平，就必然导致中部长得快，或者旁边长得快。这样，不仅不利于定向凝固去杂，而且，晶体在中部交叉，可能导致多晶硅锭内部的应力增大，使得硅锭容易破裂。 　　要保证固液界面水平不是那么简单的事情。主要原因是，硅液在凝固后，导热性很小，因此，硅液和凝固的硅锭内部原来高温的热量和结晶时放出的结晶潜热的散发不是很容易。因为热源在四周，底部散热，因此，水平温差始终会存在。尤其是在结晶的后半段时间，随着结晶厚度的增加，温场的复杂程度也越来越大。 　　现在铸锭的热场的计算模型有DSS型，HEM 型，RPDS型等等；这些与实际铸锭的真正热场分布都有不小的差距。硅中杂质的蒸汽压、自由能，甚至结晶产生的熵变，都对结晶进程有影响，而这些因素，是采用原生多晶硅进行铸锭时不需要考虑的。 　　普罗解决温度梯度的方法是，保持坩埚底部的等温面水平，即温度差很下，那么，由于顶面是液体，可以近似看作等温面，所以，在上下两个面的夹击下，能够大致保证位于中间的固液界面的水平状态。 　　坩埚底面保持等温的方法主要从两个途径解决，一个，是放置坩埚的平台采用导热性良好的石墨平台，由于石墨导热性很好，因此，在四周与中间存在外界温差时，只要有足够的时间，就能够将整个面的温度大致拉平。要做到这一点，还需要在石墨平台的结构上下功夫，这里面有普罗的专利技术，基本上保证了这一点。 　　保持固液界面水平还有一个必要条件，就是底部加热体和散热的结构使得底部温度均匀。上海普罗的铸锭炉是目前国际市场上唯一能够保证底部加热和散热均保持均匀的热场结构和炉体结构。 　　顶部收顶 　　当晶体长到接近顶部时，最后的收顶过程十分重要。由于红外温度测量的问题，往往测量的温度不一定十分准确，因此，设定的结晶温度可能没有结晶，当顶部的硅液中含有杂质的时候（这是必然的），硅液的熔点也会发生变化，杂质越多，熔点越低，而杂质的含量是难以确定来的，因此，很难控制到温度正好到顶部结晶时结束。此外，在冶金法的硅料中，顶部往往有一层渣，这些渣的存在也会导致温度出现偏差。还有，当晶体长到顶部时，由于四周和中部的温度差异，中部温度即便准确，四周的温度可能也会不同，因此，长晶收尾的过程，必须要考虑整个硅锭的情况。 　　如果收尾不良，会导致比较严重的后果，甚至可能造成铸锭过程的前功尽弃。首先，如果温度控制不好，收尾的时候，加入晶体距离顶部还有一段距离，那么，在收尾的时候，由于总是存在一个快速降温的过程，这个过程会导致顶部的硅液从表面先凝固，这样，在硅锭下部的晶体和顶部的凝固成的固体壳层之间，会残留一些液体，这些液体在随后的降温过程中也会凝固，由于硅液凝固时体积会膨胀，这样的话，轻则导致硅锭表面“鼓包”现象的产生，重则导致上部已凝固的部分破裂。由于应力的力量非常大，这些破裂不仅仅是最后凝固的部分，而且还会延及下部已经凝固的硅锭。 　　但是，整个硅锭顶部同时结晶只能是一种理想状况，实际是不可能达到的。正常情况下，硅锭某部分的晶体是最先长到硅液顶部，率先完成结晶。此时，应当在该温度保持一段时间，缓慢地降低加热功率，使硅锭其余区域的晶体慢慢向上生长，通常大约120-180分钟后，整个硅锭顶部的长晶可全部完成。　 　　退火降温 　　长晶完成后，不能立即降温，因为，结晶完成时，顶部温度在1410 ℃左右，底部温度才900 ℃左右，上下温差有500 ℃之多，如此之大的温差会产生很大的热应力，因此，必须经过退火过程。 　　退火指提供一个环境使硅锭的温度以一个缓慢的速度趋于一致，并保持一段时间。退火可以消除硅锭内部的应力，还能把长晶过程中存在的位错等缺陷给与一定程度的消除，使得晶体不容易碎裂。即便长晶很顺利，退火不当也会造成硅锭的破裂。对于下一步要进行切片用的铸锭来说，破裂就等于废品。如果仅仅是提纯而不需要铸锭，一个完整的硅锭也比破裂的规定便于处理，如去顶部和边皮等。因此，退火过程绝对不能忽视，不能因为长晶已经完成，到这个时候就大意处理。 　　长晶完成后，由于顶部温度较高，因此，需要保持温度慢慢降温。通常，使功率从结晶时的功率按照一个很定的速率下降，同时，将保温体下降，在保温体降到底时，功率也降到最低值。 　　退火温度有不同的说法。有的在1300 ℃进行保温，这是所谓的高温退火；有的在1100 ℃左右退火，称为低温退火。 　　最佳的退火温度有争议。通常认为应当是长晶完成时，硅锭顶部和底部的温度的中间值，这个说法虽然看起来有道理，但是，还要考虑硅从冷态升温到退火温度，和从热态降温到退火温度，所承受的热应力是不同的。冷态升温，热应力似乎更大一些，从这个角度来说，退火温度应当在1100 ℃左右比较合适。 　　退火时间根据理论和经验，在3-4小时，之后，在退火温度下再保温3小时左右，之后，就可以进行有补充加热的自然降温了。 　　所谓有补充加热的自然降温阶段，先使硅锭在保温体内部进行缓慢降温，而且加热体也应当给少量的温度，使得温度不要降得太快。在温度到900 ℃以后，则可以关闭功率，使其完全进行自然降温。 　　通常认为温度到400 ℃以下，可以打开炉子，然后到100 ℃左右将坩埚连护板取出，但要放在密闭无风的房间里，等到12小时以上，才能拆下护板和坩埚。