毕业设计（论文）-铸造多晶硅晶体生长速率对杂质分布的影响研究

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河南科技大学毕业设计（论文）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取决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）,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，在低速凝固条件下杂质的排除效果很好，平均少子寿命较高，但多晶硅锭的红区较长，铸锭周期长。而高速凝固杂质的排除效果不佳，硅锭红区较短，但平均少子寿命较低。实验发现多晶硅锭晶体生长速率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23 河南科技大学毕业设计（论文）TheinvestigationonthecrystalgrowthrateofcastingpolycrystallinesiliconinfluencingonthedistributionofimpurityABSTRACTAtpresent,castingpolycrystallinesiliconisthemainPVmateril.Itaffectsaretheimportantfactorsofphotoelectricconversionefficiency.becausequalityofpoolycrystallinesiliconingotsisdeterminedbythepositionofthesolid/liquidinterfaceandgrowthrateofcrystal.Theshapeofsolid/liquidinterfaceandgrowthratedeterminedthequalityofrejectingofimpurity.Generally,smallprotrudingliquid-solidinterfaceismoreadvantageoustotherejectofdislocationandimpuritry.Sofurtherresearchontheinfluenceofpolysilicongrowthrateontheimpuritydistributionandelectricalbehaviourofpolycrystallinesiliconingotswillhelpusimprovetheyieldoftheingotsandreducethecostofcastingpolycrystallinesilicon.Inthisthesis,weinvestigatethedistributionofimpurityandminoritycarrierlifetimeoftheingotsbyMicrowavephotoConductiveDecay(μ-PCD),ScanningInfraredMicroscopy(IR),ScanningInfraredMicroscopy(SIRM).Intheexperiments,oxygencontentincreasesinveticaldirection,Whilecarbondistributionisexactlythepposite.Wefindthatlow-speedsolidificationconditionsisgoodtotherejectofalltherejectofallthemetalinpurity,minoritycarrierlifetimeishigher,butthecastingcycleislonger.WhleHigh-speedsolidificationtothedisadvantageoftherejectofimpurity.anditsminoritycarrierlifetimeislowerExperimentshavefoundthatpolyingotgrowthratefor1.5cm/hforindustrialproductionisabetterchoice.KEYWORDS:castingpolycrystallinesilicon,impurity,minoritycarrierlifetime,growthrateofthecrystal.23 河南科技大学毕业设计（论文）目录第一章绪论1§1.1引言1§1.2铸造多晶硅的研究进展1§1.2.1浇铸法1§1.2.2定向凝固法2§1.2.3电磁感应加热连续铸造(EMCP)3§1.3多晶硅定向凝固原理及相关工艺参数3§1.4铸造多晶硅中的主要杂质及影响5§1.4.1硅中的氧5§1.4.2硅中的碳5§1.6本文研究的主要目的及内容7第二章实验过程8§2.1样品制备8§2.1.1检料8§2.1.2多晶铸锭过程8§2.1.3剖方取样11§2.2样品检测12§2.2.1少子寿命检测12§2.2.2IR阴影检测12§2.2.3SIMS测试13第三章实验结果及分析14§3.1少子寿命检测结果及分析14§3.2IR检测结果及分析15§3.3碳分布测试结果及分析17§3.4氧分布测试结果及分析18§3.5理论计算分析19结论21参考文献2223 河南科技大学毕业设计（论文）致谢2423 河南科技大学毕业设计（论文）第一章绪论§1.1引言目前，铸锭多晶硅材料是最主要的太阳能电池材料，而且也被认为是今后5到10年中最主要的太阳能电池材料[1]。因此有关多晶硅铸锭的研究是很有必要的。本章简述铸造多晶硅现状及研究进展，着重介绍了目前铸造多晶硅的方法并比较它们的优缺点。§1.2铸造多晶硅的研究进展多晶硅铸锭作为多晶硅片的前道工序，其工艺水平决定了多晶硅片的质量。早期应用较为广泛的多晶硅锭生产技术为浇铸法，后渐有其它技术,包括热交换法(HEM)、定向凝固法(DSS)和电磁铸造法(EMCP）等。这些方法各有优势，在生产中的应用情况也不尽相同。虽然其中的许多技术已经很成熟，但关于生产工艺的改进及探索研究仍在进行，促进着光伏产业的不断发展。以下简单介绍和评述各多晶硅锭生长技术[2]。§1.2.1浇铸法图1-1浇铸法生产多晶硅示意图23 河南科技大学毕业设计（论文）浇铸法的特点是硅料的熔化和凝固分别在两个不同的坩埚中进行，如图1-1[3]。硅料在预熔区熔化后，倒入另一个加有保温装置的生长区。通过控制生长区坩埚周围的加热装置，使硅液在设定的温度梯度下由底部开始逐渐结晶。这种方法由于将熔化与结晶区分开，使能量的利用更合理，也使半连续性铸锭成为现实，但浇铸法生产的硅锭相对较小且质量不如后述几种方法制备的硅锭。目前在实际生产中已逐渐被其他方法所取代。§1.2.2定向凝固法热交换法基本原理是在坩埚底板上通以冷却水或气进行强制冷却，从而使熔体自上向下定向散热；而布里曼法则是将坩埚以一定的速度移出热源区域，从而建立起定向凝固的条件[4]。实际生产应用中，通常都是将两者综合起来，从而得到更好的定向效果。图1-2定向凝固炉（DSS）基本结构示意图定向凝固法通常指的是在同一个坩埚中熔炼，熔化后通过定向散热，在熔体内部建立起一定的温度梯度，从而进行定向凝固得到柱状晶的过程。对于熔体热流方向的控制，目前采用的方法较多，主要有：以一定的速度向上移动隔热材料、在坩埚下部通水强制冷却或是感应熔炼时将坩埚连同熔体一起以一定的速度向下移出感应区域、从下向上陆续降低感应线圈功率等。实际应用的定向凝固基本方法主要有：热交换法(HEM)、布里曼法(Bridgman)等。23 河南科技大学毕业设计（论文）§1.2.3电磁感应加热连续铸造(EMCP)电磁感应加热连续铸造法的最大特点是：它综合了冷坩埚感应熔炼与连续铸造原理，集两者优点与一体，其基本原理见图1-3图1-3电磁铸锭法(EMCP)示意图电磁铸锭法采用电磁感应加热熔化高纯硅料，容器为水冷铜坩埚，利用电磁力保持硅熔体的位置，避免熔体与坩埚壁接触，能有效防止坩埚对熔体的污染，在连续铸造时控制热流方向可以实现定向凝固[5]。由于多晶硅太阳能电池片的发电效率与铸造的多晶硅锭的质量有着和密切的关系。浇铸法铸造出的多晶硅锭杂质含量太高大大降低了硅片的光电转换效率；电磁铸锭法铸造出的多晶硅杂质含量最少，但由于晶体尺寸太小其转换效率也不高。定向凝固法铸造多晶硅以低成本、高效率、原料杂质容忍度高等特点逐渐占据了硅锭生产的主导地位。目前关于如何降低硅片制造成本、铸造类单晶等新的定向凝固技术正在开发之中。§1.3多晶硅定向凝固原理及相关工艺参数太阳能多晶硅铸锭是一种柱状晶体，晶体的生长方向垂直向上，热流方向垂直向下，通过定向凝固过程来实现，如图1-4；也就是说在结晶的过程中，通过控制热场的变化，形成单方向的热流，并要求固—23 河南科技大学毕业设计（论文）液界面处的纵向温度梯度大于0，而横向温度梯度为0，从而形成了定向凝固的柱状晶体[6]。图1-4定向凝固多晶硅生长示意图在多晶硅铸锭过程中，晶体的生长速率直接影响这多晶硅锭的质量，决定多晶硅长晶速率的因素有很多。除了温度梯度和热场本身的设计的影响外，还与炉体的热屏位置以及炉体内压力等因素有关。在工业生产上通常通过调节温度梯度和炉体的热屏位置得到较优的长晶速率。多晶硅铸锭过程中长晶速率的测量的方法是设隔1个小时将石英棒插入到熔硅的固液界面位置处，通过固液界面的位置差测量多晶硅锭的生长速率[9]。通常晶体的生长速率越快，生产效率越高，但其温度梯度也越大，最终导致热应力越大，而高的热应力会导致高密度的位错，严重影响材料的质量。因此既要保持一定的晶体生长速率，又要保持尽量小的温度梯度，降低热应力并减少晶体中的缺陷。通常，在晶体生长初期晶体生长速率尽量的小，以使温度梯度尽量的小来保证晶体以最小的缺陷密度生长；然后，在可以保持晶体固—液界面平直和温度梯度尽量小的情况下，尽量的高速生长以提高生产效率[10]。在实际生产中，主要是通过控制炉体内的温度，热屏位置等工艺参数实现长晶速率的可控，进而实现多晶硅杂质分布的可控。提高成品率，降低制造成本。一般来讲影响成品率的主要因素是杂质和少子寿命，而杂质影响少子寿命的主要因素之一，因此有必要对多晶硅中的主要杂质的特性、引入方式、分布情况进行分析。23 河南科技大学毕业设计（论文）§1.4铸造多晶硅中的主要杂质及影响在多晶硅的生长过程中，原料中存在的及外界侵人的杂质元素也随着凝固过程以不同的形式分布在硅锭中，它们与硅中的各种缺陷交互作用而成为许多载流子的复合中心，严重影响着多晶硅的各项性能。一般铸造多晶硅的原料为微电子剩下的头尾料，再加上来自柑祸的站污，通常铸造多晶硅中含有高浓度的氧、碳以及过渡族金属等[11]。§1.4.1硅中的氧氧是铸造多晶硅材料中最主要的一种杂质元素，主要来自硅原料及石英柑祸站污。硅熔体在高温下结晶,熔体与石英增涡发生如下反应Si+SiO2→2SiO其中，一部分SiO从硅熔体表面燕发，而另一部分则溶解于熔体中继续分解SiO→Si+O石英坩埚由石墨材料支承,石英与石墨发生反应，形成而进人炉内气氛,亦会与熔体作用而使氧和碳进人。如果氧处于间隙位置，通常不显电学活性，但是高浓度的间隙氧也会在晶体生长或热处理时形成施主或氧沉淀，进一步产生位错、层错等，同时还会吸引铁等金属元素，从而成为少数载流子的复合中心，显著降低硅片少数载流子的寿命值[12]。多晶硅中的晶界及位错等缺陷可以显著促进氧沉淀的产生，使不同形式的氧分凝至结构缺陷处，其相互结合不仅强烈影响多晶硅的电学性能,还能导致内应力的产生。虽然氧作为多晶硅的一种主要杂严重影响着硅片的电学性能及机械性能，但在另一方面，氧沉淀及其诱生缺陷对硅中的金属杂质等又有很好的吸附作用，由此引发的内吸附技术也在硅片处理中得到了应用。§1.4.2硅中的碳碳作为铸造多晶硅中的另外一种杂质，主要来源于石墨坩埚的玷污。处于替代位置的碳对材料的电学性能并无影响，但是当碳的浓度超过其溶解度很多时，就会有SiC沉淀生成，诱生缺陷，导致材料的电学性能变差。碳的的主要来自多晶硅原料、晶体生长炉内的气氛及石英坩埚与石墨加热件的反应。石英坩埚与石墨加热件的反应式是：23 河南科技大学毕业设计（论文）C+SiO2→SiO+CO反应生成的CO气体大都进入硅熔体，从而和熔硅反应，其反应式为：CO+Si→SiO+C和熔硅反应后的杂质进入硅熔体中，最终进入硅晶体。碳在硅中的分凝系数只有0.07，因此，在定向凝固时，碳将聚集在硅锭的顶部，或单晶硅坩埚的锅底。碳也是IV族元素，与硅同族，因此，C在硅中不会产生施主或受主效应[13]。表1-1硅中主要杂质的分凝系数元素在Si中的平衡分凝系数硼（B）0.9铝（AL）2×10-3镓(Ga)8×10-5磷(P)0.35砷(As)0.3铁(Fe)1.5×10-4氧(O)1.25铜(Cu)4×10-4碳（C）0.07金（Au）2.5×10-5锑（Sb）0.04利用DSS炉铸造多晶硅对多晶硅有一定的提纯作用，它的原理就是杂质的分凝效应，当熔硅从下往上定向凝固时，根据杂质的分凝效应，分凝系数大于1的杂质将会富集到多晶硅锭的底部，比如O，且随着晶锭高度的增加该类杂质的浓度会逐渐降低。而分凝系数小于1的杂质，比如C、Fe等，它将会在多晶硅锭的顶部富集。因此，多晶硅锭的顶、底区域杂质含量较中心高，顶、底部分硅片若制备成太阳能电池，其转化效率与光致衰减率很高，所以在多晶硅片加工过程中，杂质含量超标的顶、底区域会切除作为多晶硅锭的原料回炉使用。几种多晶硅中常见杂质的分凝系数如表1-1[15]23 河南科技大学毕业设计（论文）§1.6本文研究的主要目的及内容基于以上章节介绍，定向凝固法制备多晶硅锭，其晶体生长速率控制是提高多晶硅锭质量的关键。本文通过研究影响多晶硅长晶速率的因素，通过对比不同长晶速率生长出的铸锭的电性能及杂质分布，优化出最优的晶体生长工艺，为实际生产提供参考。23 河南科技大学毕业设计（论文）第一章实验过程本实验是生产性实验，从原料开始，到最后样品检测都严格按生产标准进行。本实验先从原料检验开始，然后同一台GT炉内分别控制晶体生长速率为1.2cm/h，1.5cm/h，1.8cm/h进行多晶铸锭，铸锭完成后对多晶硅锭分别取样进行少子寿命测试、杂质分布，IR阴影测试。§2.1样品制备样品制备流程为：检料→多晶铸锭过程→剖方。每个步骤都有一定的操作规程，在样品制备时严格控制可能引入杂质的步骤，以减少外来杂质的影响。§2.1.1检料检料的目的主要是检出一些有明显缺陷的料。高纯的硅料表面表现出银灰色，色泽较亮。若有杂质的话就会出现斑点，或有的有夹杂颗粒。另一方面，检料还要把大小料分开装，以方便往坩埚里装料。要求三组实验的原料选择及配比要相同，从而达到3组硅料中的杂质含量相近，避免实验的误差。§2.1.2多晶铸锭过程铸锭过程是最重要的过程。多晶铸锭流程为：坩埚喷涂→坩埚烧结→装料→铸锭→脱模。一、坩埚喷涂图2-1坩埚喷枪设备图2-2坩埚喷涂台23 河南科技大学毕业设计（论文）本工序是在石英坩埚内壁表面进行氮化硅（Si3N4）喷涂，防止在铸锭时硅液与坩埚壁直接接触发生粘连。Si3N4在高温下比较稳定，且不易与熔融的硅液发生反应，并且Si3N4是很好的脱模剂，易于脱模。坩埚喷涂作业流程为：检查坩埚→坩埚预热→配制氮化硅粉→加热纯水→搅拌氮化硅液体→喷涂作业二、坩埚烧结坩埚烧结目的是使坩埚和氮化硅涂层结合更紧密。坩埚烧结作业流程：检查坩埚涂层→摆放坩埚→检查程序→启动烧结。图2-3坩埚烧结炉（1#）三、装料装料流程为：硅料核计→检查坩埚涂层→装料→装石墨护板→紧固护板（如图2-4），图2-4装料图四、铸锭铸锭程序为：加热→化料→长晶→退火→冷却。整个过程大概需要64个小时。1、加热23 河南科技大学毕业设计（论文）利用均布于四周的石墨加热器按设定的速率缓慢加热，去除炉内设施及Si料表面吸附的湿气等。此时程序为功率控制，一般加热到温度为1750℃，并在该温度下保温1至2小时，以让坩埚受热更加均匀。2、化料增大加热功率，使炉内温度达到1540℃的Si料熔化温度并保持至Si料完全熔化。3、长晶在三组实验中通过变测量长晶速率边改变工艺配方中的温度梯度、温度补偿、隔热笼位置等工艺参数的方式，从而使多晶硅锭分别以1.2cm/h，1.5cm/h，1.8cm/h的长晶速率完成铸锭。长晶速率曲线如图2-5至2-7；4、退火长晶后应保温在Si熔点附近一段时间，退火温度选1370℃，退火温度选以使整个晶锭的温度逐渐均匀，退火时间为6小时。退火的目的是减少或消除热应力。长晶结束后程序进入退火阶段，炉内温度将会迅速下降，同时隔热笼也将缓缓关闭。5、冷却退火后，加热器停止加热并通入大流量氩气，使炉内温度逐渐降低，气压逐渐回升直至达到大气压，冷却时间为12h，等冷却到250℃左右时，就可以开炉取锭了。硅锭出炉以后，要检测硅锭外观。检查是否有裂纹，是否粘埚，有没有崩边。还要看一下硅锭大概的高度，在250cm左右合格。图2-51.2cm/h长晶速率23 河南科技大学毕业设计（论文）图2-61.5cm/h长晶速率表图2-71.8cm/h长晶速率§2.1.3剖方取样在实验中，我们把长晶速率为1.2cm/h铸锭出的多晶硅锭定为1#硅锭，长晶速率1.5cm/h铸锭出的多晶硅锭是2#硅锭，长晶速率1.8cm/h铸锭出的多晶硅锭为3#硅锭。此工序是把硅锭1#、2#、3#切成大小相等的25个方棒编号如图图2-6样品的制取说明：①因为实验时采用的是定向凝固生产方法，不同杂质在硅中的会产生分凝现象，所以杂质在沿晶体生长的方向，杂质浓度分布会有差别，所以这次实验只研究纵向杂质分布。②硅锭大小为840×840×255mm，生产硅片的标准为156×156mm，因为方棒还要经过抛光打磨，所以方棒的尺寸会大于156×156mm，一般是156±2mm。边皮料切掉的厚度为15mm—20mm。23 河南科技大学毕业设计（论文）A1B2C3B4A5B6D7D8D9B10C11D12E13D14C15B16D17D18D19D20A21B22C23B24A25图2-8多晶硅锭取样图§2.2样品检测§2.2.1少子寿命检测少子寿命的检测所用的方法是微波光电导衰减法μ-PCD(MicrowavePhotoconductivityDecay)，少子寿命检测仪型号是WT-2000。μ-PCD的原理是在一定的频率下，发射和反射微波型号差正比于非平衡载流子浓度Δn，选取不同的频率，通过拟合指数衰减信号得到少子寿命的值，对样品表面连续点扫描可以得到少子寿命分布图[16]。其原理图如图2-6。图2-9μ-PCD工作原理图§2.2.2IR阴影检测纯硅的禁带宽度是0.8ev[17]，这正好可以使一部分红外光线完全通过，如果硅中含有其他杂质，则会在图像上出现阴影。做该项测试时，也要保证样品表面清洁，否则会影响测试结果。对样品方棒做了四个面的测试。红外成像仪如图2-723 河南科技大学毕业设计（论文）图2-10GT红外成像仪§2.2.3SIMS测试SIMS（Secondary-ion-massspectroscope）二次离子质谱仪，它的特点是灵敏度很高，最低可探测浓度为ppm-ppb，分辨率高达10-9。SIMS由离子源、一次离子电镜、样品室、二次离子电镜、能谱仪、质谱仪、二次离子探测器组成。SIMS的原理图如图2-8[18]。图2-8SIMS原理图图2-11SIMS原理图在做SIMS测试之前，先制取小样品，小样品的尺寸大小为5×5×5mm。从硅锭底部开始取样品，在距离硅锭底部0、15、25、120、230、240、250mm处分别取5×5×5mm大小的样品，样品做测试前一定要保证表面清洁光滑。本次实验只对对铸造多晶硅影响较大的C、O做重点分析。23 河南科技大学毕业设计（论文）第一章实验结果及分析§3.1.少子寿命检测结果及分析图3-1不同长晶速率下铸锭出多晶硅锭的少子寿命图(a)长晶速率1.2cm/h(b)长晶速率1.5cm/h(C)长晶速率1.8cm/h上表是对试样1#、2#、3#的E13方棒的少子寿命测试的结果，实验发现长晶速率1.2cm/h铸锭出来的多晶硅锭的红区最长，硅锭的平均少子寿命较高；长晶速率1.5cm/h铸锭出的多晶硅锭的红区长度中等，硅锭的平均少子寿命最高；长晶速率1.8cm/h铸锭出的多晶硅锭的红区最短，少子寿命较低。并且，一般多晶硅锭的底部红区宽度大于顶部的红区宽度。1#硅锭、2#硅锭、3#硅锭的红区宽度以及少子寿命的对比如下表3-123 河南科技大学毕业设计（论文）表3-1不同长晶速率下铸锭出多晶硅锭的少子寿命以及红区长度长晶速率底部红区宽度（mm）顶部红区宽度（mm）平均少子寿命（μs）1.2cm/h33.8530.885.79621.5cm/h31.8629.245.88241.8cm/h29.6428.955.5247在多晶硅锭少子寿命测试的实验中，我们发现长晶速率越慢，多晶硅锭的红区长度越大。由于多晶硅锭中杂质的分凝效应，长晶速率慢，杂质的分凝越充分，到一定程度后，杂质富集在多晶硅锭的顶部和底部，但是长晶速率慢到一定程度时，杂质的分凝结束后，杂质的固相扩散将使杂质浓度高的顶部和底部向杂质浓度低的多晶硅锭的中心扩散，最后达到平衡状态。进而有增加了多晶硅锭中心部分的杂质浓度。因此实验中我们检测到长晶速率1.2cm/h铸锭出的多晶硅锭的红区长度最大，而长晶速率1.8cm/h铸锭出的多晶硅锭的红区最短，而长晶速率1.5cm/h铸锭出的多晶硅锭的红区适中，平均少子寿命最高。在实验中通过比较不同长晶速率条件下铸锭出的多晶硅锭的少子寿命和红区长度，我们发现红区长度和多晶硅锭的平均勺子寿命并无直接决定关系，平均少子寿命是评价多晶硅锭质量的一个重要方面。但是为了实验的严谨性，这使多晶硅锭的IR测试显得尤为的重要。§3.2IR检测结果及分析图3-2是对试样1#、2#、3#多晶硅锭的E13棒进行的IR检测，从图中我们可以看到1#硅锭的晶粒尺寸较大，无杂质阴影，硅锭质量较好；2#硅锭的晶粒尺寸适中，无杂质阴影，具有明显的柱状晶体结构，硅锭质量良好；3#硅锭存在杂质阴影，晶粒尺寸较细，硅锭质量较差。23 河南科技大学毕业设计（论文）图3-2不同长晶速率下铸锭出多晶硅锭的IR检测（a）长晶速率1.2cm/h硅锭的IR（b）长晶速率1.5cm/h（c）长晶速率1.8cm/h23 河南科技大学毕业设计（论文）在实验中，分别对试样1#、2#、3#进行了IR测试。长晶速率1.2cm/h铸锭出的多晶硅锭的晶粒尺寸最大。这是由于晶体的生长速率越小，系统内的温度梯度越小，温度梯度越小时，晶体的临界尺寸越大。因此IR测试可以观察到大片的晶花，多晶硅锭的晶粒尺寸较大。一般我们认为晶粒尺寸越大，多晶硅的转换效率越高。长晶速率1.8cm/h铸锭出的多晶硅锭，由于长晶速率较高，系统内的温度梯度越大，晶体生长较快，晶体的临界半径尺寸较小。所以我们可以观察到多晶硅锭的晶粒尺寸最小，一般我们认为晶粒尺寸越小，多晶硅的光电转换效率越低。在工业不符合生产要求。而且我们从硅锭上我们可以明显的观察到顶部的杂质阴影，在工业上杂质阴影的部分是必须要去除的。因此严重影响这多晶铸锭的成品率，严重不符合工业生产要求。观察长晶速率1.5cm/h铸锭出的多晶硅锭，我们可以明显的观察到柱状晶粒，晶粒尺寸也较大，并且无杂质阴影。定向凝固法铸锭多晶硅的原理就是通过控制炉体内的各种气氛，获得从上直下的温度梯度，从而获得柱状晶体。柱状晶体不仅光电转换效率高，而且有利于多晶硅的加工，提高成品率。符合工业的生产要求。§3.3.碳分布测试结果及分析图3-3多晶硅锭垂直方向上碳的分布情况[19]图3-4不同长晶速率下铸锭出多晶硅锭碳含量分布曲线图3-4是不同长晶速率下铸锭出的多晶硅锭中碳在晶体生长方向上的分布曲线。比较图3-3和图3-4，在垂直方向上碳的含量随着多晶硅锭的高度增加而增加,这是由于碳的分凝系数远小于1引起的。结合对多晶硅锭的少子寿命测试和IR测试，2#多晶硅锭的顶部碳含量最高，而硅锭的中间部分的碳含量最低而且分布较为均匀。这说明了长晶速率1.5cm/h23 河南科技大学毕业设计（论文）多碳杂质有着很好排除效果。高速率凝固不利于杂质的排除，而低速率凝固有利于杂质碳的排除。§3.4氧分布测试结果及分析图3-5氧在多晶硅锭垂直方向上的分布情况[20]图3-6不同长晶速率下铸锭出多晶硅锭碳含量分布曲线图3-6是在不同长晶速率下铸锭出的多晶硅锭中氧在晶体生长方向上的分布曲线。比较图3-5和3-6，氧在多晶硅锭垂直方向上随着高度的增加而降低。这是由于氧在硅中的分凝系数大于1。2#多晶硅锭杂质分布均匀，这说明了在长晶速率1.5cm/h对氧的排除效果较好。比较1#和3#多晶硅锭，3#多晶硅锭的中部的氧含量明显较高，高长晶速率不利于杂质碳的排除，影响多晶硅锭的成品率。而低长晶速率条件下，杂质碳的分凝效果明显。23 河南科技大学毕业设计（论文）§3.5理论计算分析在DSS炉内热量的传导分为3部分，热量在熔硅内的传递（Si，s），坩埚内的传递（cr），石墨内的传递（g）我们假设炉内的3种热传导相等，即Qsi,s=Qcr=Qg=Q；联立（3-1）—（3-3）假设在凝固过程热传导系数不变，则多晶硅锭内的热量△H是硅的热焓，ρsi是硅的密度，Msi是硅的摩尔质量,v是硅的长晶率，我们假设公式3-4=公式3-5，则我们可以计算出多晶硅的长晶速率。我们假设熔体没有过热，在公式3-6中Tsh=0，我们假设Kcr是不变的，它表明热传导系数是由坩埚的涂层厚度和密度决定的事实，因此我们很难去量化长晶速率，当我们假设坩埚的热传导系数为1.2w/m时计算出的晶体生长高度与凝固过程的测量值是符合的。这表明系统的热力学条件稳定、重现性好，因此我们可以计算出长晶速率V=1.44cm/h，这个数值为理论上的计算值，与我们从实验中获得的较优长晶速率1.5cm/h23 河南科技大学毕业设计（论文）基本相符，这也从理论计算上肯定了我们的实验结果。但是在计算中的假设都是理想中的状态，在实际生产中是不可能达到的，这其中产生的误差是不可避免的。23 河南科技大学毕业设计（论文）结论1氧的浓度从硅锭底部到顶部，呈逐渐降低趋势；而碳则相反，从多晶硅锭底部到顶部，呈逐渐增加趋势。2低速凝固条件(长晶速率1.2cm/h)下杂质的排除效果很好，平均少子寿命较高，但多晶硅锭的红区较长，铸锭周期长。而高速凝固条件下(长晶速率1.8cm/h)杂质的排除效果不佳，硅锭红区较短，但平均少子寿命较低。3长晶速率为1.5cm/h铸锭出的多晶硅锭的杂质排除效果最好，多晶硅锭中部杂质分布均匀，少子寿命最高，符合工业生产要求。实验中得到的1.5cm/h的长晶速率只是现阶段结合实际生产得到的实验数据，并不一定是最佳长晶速率。关于长晶速率的提高的研究还需要进一步研究以及实验去获得。23 河南科技大学毕业设计（论文）参考文献[1]武冠男,张军,刘林,等.太阳能级多晶硅定向凝固技术研究进展[J],今日铸造,2008,15(3):1～3[2]席珍强,杨德仁,陈君.铸造多晶硅的研究进展[J],材料导报,2007,30(2):67～69[3]黄鸿平,秦建华.多晶硅市场研究[J].科技广场,2007,12(3):14～16[4]杨德仁,邓海.铸造多.晶硅研究进展[J].材料导报,2006,20(3):101～103[5]陈治明,王建农.半导体器件的材料物理学基础[M].北京:科学出版社,2007:81～105[6]王鹏选.太阳能电池多晶硅铸锭的原理和方法浅谈[J].电子工业专用设备,2008,(163):16～17[7]E.Niehuis.ProceedingofsecondaryionmassspectrometrySIMSXI[J].Elsevier,2000(98):50～52[8]Rancoul,Gllbert.Crucibleforthetreatmentofmoltensilicon[J].JournalofCrystalGrowth,2007,109(8):56～78[9]P.J.Ribeyron,F.Durand.Oxygenandcarbontransferduringsolidificationofsemiconductorgradesiliconindifferentprocesses[J].JournalofCrystalGrowth,2000,(8):543～547[10]阙端麟,陈修治.硅材料科学与技术.杭州:浙江大学出社,2000:46～50[11]钟根香,周浪,周潘兵,等.定向凝固多晶硅的结晶组织及晶体缺陷与杂质研究[J],材料导报,2008,22(12):14～17[12]邓海.铸造多晶硅中原生杂质及缺陷的研究:[硕士论文].浙江:浙江大学,2006:3～10[13]黄有志,王丽.直拉单晶硅工艺技术[M].北京:化学工业出版社,2009:111~121[14]邓海,杨德仁,唐骏,等.铸造多晶硅中杂质对少子寿命的影响[J],太阳能学报,2007(2):151～15423 河南科技大学毕业设计（论文）[15]唐骏.铸造多晶硅中的原生杂质[J],太阳能学报,2005,98(6):68～70[16]王长春.太阳能级多晶硅生产工艺研究及数值模拟:[硕士论文].宁夏:宁夏大学,2010,5～9[17]阙端麟,陈修治.硅材料科学与技术[M].杭州:浙江大学出版社,2000:499～504[18]陈治明.半导体概论[M].北京:电子工业出版社,2008:123~128[19]Jyh-Chen.Thecarbondistributioninmulticrystallinesiliconingotsgrownusingthedirectionalsolidificationprocess[J].JournalofCrystalGrowth,2008,310(5):1034～1035[20]G.Selvaduray,Lsheet.Aluminumnitrde:reviewofsynthsismethods[J],Mater.Sci.Tech,1993,11(6):463～46523 河南科技大学毕业设计（论文）致谢本文是在黄金亮教授和李飞龙工程师和的共同精心指导下完成的。本次实验是在阿特斯光伏电力（洛阳）有限公司完成的。在这里感谢阿特斯光伏电力（洛阳）为我们提供毕业设计所需条件。在毕业设计期间，黄金亮教授和李飞龙工程师有计划的给我们安排任务，严格要求我们，及时帮我们解决难题。在专业知识上给了我们足够的帮助，并且对论文的撰写提出了很多宝贵的意见。在这里还要感谢李谦副教授在毕业设计期间对我们的关心和严格要求。最后也要感谢张伟娜工程师，刘亚飞工程师和李伟乐同学在毕业设计期间对我的帮助。23