下一代硅片技術(shù)和發(fā)展趨勢

下一代硅片技術(shù)和發(fā)展趨勢張輝－清華大學(xué)工程物理系鄭麗麗–清華大學(xué)航天航空學(xué)院第七屆中國太陽級硅及光伏發(fā)電研討會（CSPV7）2011年7月4-6日第一代鑄錠技術(shù)硅液在坩堝或無坩堝狀態(tài)下凝固。熱流從側(cè)面和底部同時流出。晶向中間部分垂直向上，邊部水平或偏垂直方向。界面不可控。Solarex曾是最大太陽能硅公司，后被bp收購變?yōu)閎psolar美國，去年關(guān)閉。EMC硅片可以制成高效電池，如京瓷可以把EMC電池效率做到18.5%（背電池工藝）美國GTDSS450HP/DSS650（G5）德國ALDSCU450/SCU800紹興精功JJL500/JJL660/JJL800（G6）北京京運(yùn)通JZ460/JZ660（G6）第二代鑄錠技術(shù)法國Cyberstar650/800硅鑄錠：工藝實(shí)現(xiàn)（JJL500為例）原理:移動下絕熱板，通過開口與冷壁熱交換通過增大開口或降低加熱器功率產(chǎn)生定向凝固要求：界面平或微凸，液相溫梯較大，液硅流動強(qiáng)（多晶鑄錠），雜質(zhì)少，應(yīng)力低。關(guān)鍵技術(shù)：溫度梯度及凝固速度控制(TC1及開口工藝)、界面形狀(爐子設(shè)計)、成核或單晶控制(晶粒、晶相)、流動控制(碳污染)各種硅鑄錠提隔熱絨通過輻射降溫凝固DSS450/650，JZ460/660通過內(nèi)設(shè)冷源進(jìn)行冷卻凝固沒有運(yùn)動部件SCU450/800降下?lián)醢逋ㄟ^輻射降溫凝固JJL500/660/800另外：歐美日廠家如REC（ALD改進(jìn)型），SchottSolar（VGF），京瓷（VGF類型）都有專門設(shè)計的爐子，效果很好。設(shè)計優(yōu)點(diǎn)：爐子高度低，熱冷區(qū)分開，頂部預(yù)留氣路控制空間，底部可以做成核控制或進(jìn)行單晶鑄錠設(shè)計優(yōu)點(diǎn)：爐子小，熱冷區(qū)分開，底部可以做成核控制或進(jìn)行單晶鑄錠加熱器絕熱材料熱交換臺護(hù)板坩鍋硅液固體硅絕熱材料熱交換臺護(hù)板坩鍋硅液固體硅化料加熱，凝固降溫冷卻加熱器絕熱材料熱交換臺護(hù)板坩鍋硅液固體硅設(shè)計優(yōu)點(diǎn)：頂蓋氣路控制，可開爐進(jìn)行單晶鑄錠第二代多晶鑄錠技術(shù)特點(diǎn)第二代爐子的特點(diǎn)包括：底部大熱交換臺（被動式的）。熱流從底部排出。其中包括HEM方法，DSS方法，ALD方法。雖然設(shè)計不同，但理念大體一致。都是讓側(cè)面熱流減小，底部熱流增大。傳統(tǒng)HEM通過底部通氬氣冷卻，DSS通過底部輻射換熱，ALD通過底部水冷。都是被動冷卻。爐子分為上下兩個區(qū)，上部加熱（側(cè)面或頂部或同時），底部冷卻（通過開口進(jìn)行水冷，可有下加熱器）上部氣路控制，包括頂蓋設(shè)計控制系統(tǒng)基本上的工藝設(shè)定+加熱器的溫度或功率控制SiO2+3C=SiC+2CO(坩堝護(hù)板及石墨件上沉積的SiO2）SiC+SiO2=SiO+CO

CO被帶回液面，分解并流動到界面碳雜質(zhì)或碳化硅被界面吞噬向上的力向下的力碳雜質(zhì)主要在化料階段生長區(qū)產(chǎn)生正壓外部氣流需通暢碳雜質(zhì)原理解決方法硅鑄錠熱場優(yōu)化(降碳)Ma,X.,Zheng,L.L.,Zhang,H.,Zhao,B.,Wang,C.,Xu,F.H.,2010,“ThermalSystemDesignandOptimizationofanIndustrialSiliconDirectionalSolidificationProcesses.”JournalofCrystalGrowth,Vol.318,pp.288-292.導(dǎo)致該區(qū)域流動制止化料時（加熱器器溫度高）長晶時（加熱器溫度低）硅鑄錠熱場優(yōu)化(降碳)進(jìn)口速度約為1cm/s,遠(yuǎn)小于加熱器產(chǎn)生的自然對流，這樣需要很好的流場匹配，保證在化料和生長過程中，都能獲得好的氣流結(jié)構(gòu)，把雜質(zhì)帶出腔體準(zhǔn)單晶鑄錠起源（2008年結(jié)果）BPSolar單晶鑄錠技術(shù)

-轉(zhuǎn)化效率接近單晶提拉錠：采用開爐化料保護(hù)籽晶（應(yīng)該有能耗和時間問題）CastingSingleCrystalSilicon:NovelDefectProfilesfromBPSolar'sMono2?STODDARD

Nathan;BEIWU;WITTING

Ian;WAGENER

Magnus;PARK

Yongkook;ROZGONYI

George;CLARK

Roger,Solidstatephenomena

B1012-0394

GrowthRate:upto20kg/hLightelementsconcentrations:[C]=4*1016–4*1017atoms/cm3[O]=1–6*1017atoms/cm3[N]=1*1015atoms/cm3Mono2TM

ScreenPrintCellProcess:AverageEfficiency:16.7%HighestEfficiency:18.3%PicturesareprovidedbyNathan

高效超薄電池130微米后來達(dá)到了19%晶澳Maple昱輝VirtueWafers晶相控制(電池平均效率約17.5%)晶相控制鑄錠準(zhǔn)單晶鑄錠單晶鑄錠目前國內(nèi)外能生產(chǎn)準(zhǔn)單晶的至少有十幾家。使用包括JJL，ALD，GT，JYT改裝的爐子，也有專門設(shè)計的爐子。影響效率的主要因素晶相控制和控制率位錯密度碳氧濃度和雜質(zhì)分布紅區(qū)問題影響生產(chǎn)陳本因素籽晶回收鑄錠時間側(cè)邊問題側(cè)邊問題側(cè)邊問題GT結(jié)果BP結(jié)果JJL結(jié)果晶相控制電池效率相關(guān)問題韓國錠（展會）多晶區(qū)與固定側(cè)加熱有關(guān)，導(dǎo)致側(cè)面溫度梯度，若能在側(cè)面形成向上溫度梯度，可抑制側(cè)面成核，形成全單晶。如用Bridgman法生長單晶硅，不會在壁面產(chǎn)生多晶。全單晶鑄錠是完全可行的！化料與生長的對立與統(tǒng)一：化料過程需要高溫和強(qiáng)對流，生長初期需要穩(wěn)定邊界層和大過冷度（利于100方向生長）。解決不了這個問題就不能解決長晶時間（大梯度或下加熱）、能耗（閉爐化料）和晶體質(zhì)量（100晶相控制）的對立。晶相控制鑄錠(2011)多晶區(qū)精功早期錠側(cè)加熱器問題？全單晶多晶鑄錠改造為單晶鑄錠HEM爐子的原型是藍(lán)寶石大單晶鑄錠爐。1972年，F(xiàn)rederickSchmid專利，可制備單晶。DSS爐子制備準(zhǔn)單晶技術(shù)由BPSolar開發(fā)，并擁有專利（目前成為AMGIdealcastSolar）。ALD原型是葉片單晶鑄錠，具備單晶鑄錠能力。多晶鑄錠爐都可通過開口化料控制籽晶融化（控制TC2），電池效率高，但化料時間長；也可閉爐化料，需要插棒或用界面檢測設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)是時間短，缺點(diǎn)是電池效率低。第三代單晶硅錠制備研發(fā)第三代硅錠是控制型準(zhǔn)單晶或全單晶鑄錠方法。大體采用修正型Bridgman方法或修正型VGF（VerticalGradientFreeze）方法。這些技術(shù)已成功用于光學(xué)晶體生長和半導(dǎo)體晶體生長。第一代是傳統(tǒng)鑄錠技術(shù)，第二代是定向鑄錠技術(shù)，第三代是晶體生長技術(shù)。晶體生長需要控制籽晶熔化，溫度梯度、界面形狀。最終實(shí)現(xiàn)單晶生長，降低位錯，控制濃度。上加熱器石墨坩堝硅液硅錠熱流控制器可變溫度梯度區(qū)絕熱材料控制熱流法（CHFM）

精功CHFM原理圖熱流控制器有各種設(shè)計，如熱管技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：控制熱流和內(nèi)部流動，營造小環(huán)境SINTEF，Norway.JCG318(2011)269京瓷專利BP專利控制熱流法（CHFM）

太陽能硅制備技術(shù)比較提拉法鑄錠、類單晶直接硅片技術(shù)生長速度(cm/h)4.5-9.01個錠1.2-1.816,

25,36錠約1秒1個硅片尺寸(cm)6-英寸69x69,84x84,100x100100,125,和150mm2硅片結(jié)構(gòu)單晶多晶、準(zhǔn)單晶、單晶多晶硅料需求高低中電池效率17-2216-20.215-16.5注到極限熱點(diǎn)再突破10多年前美國晶體生長會議上，本人（代表硅管技術(shù)）、藍(lán)崇文（代表提拉單晶技術(shù)）、MohanChandra（代表鑄錠技術(shù)）進(jìn)行同場展示，鑄錠技術(shù)暫時領(lǐng)先，將來發(fā)展還不能斷定。Astropower用激光槍把硅管從中切開，硅管可以像紙一樣展開。再用印刷技術(shù)制備大面積的太陽能電池(EFG)快速生長；減小切割損失NOT“RGS，LASS（LowAngleSiliconSheet),MW(MoldedWafer),DW(DirectWafer),RAFT”需解決的關(guān)鍵問題：快速生長液橋穩(wěn)定性，晶粒，雜質(zhì)第四代：薄硅片生長和一體化Sun,D.,Wang,C.L.,Zhang,H.,Mackintosh,B.,Yates,D.,andKalejs,J.,2004,“AMulti-blockMethodandMulti-gridTechniqueforLargeDiameterEFGSiliconTubeGrowth,”JournalofCrystalGrowth266,167-174.硅片生長技術(shù)很多非常好的水平生長技術(shù)在發(fā)展過程中被淘汰了，大多不是因?yàn)榧夹g(shù)原因。是重新審視這些技術(shù)，并進(jìn)行再創(chuàng)新的時候了。美貸款1.5億美元助1366Technologies發(fā)展太陽能硅片技術(shù)“U.S.EnergySecretaryStevenChuannouncedtheofferofaconditionalcommitmentfora$150millionloanguaranteeto1366Technologies,Inc.forthedevelopmentofamulticrystallinewafermanufacturingproject.

Theprojectwillbecapableofproducingapproximately700to1,000megawatts(MW)ofsilicon-basedwafersannuallyusingarevolutionarymanufacturingprocesscalledDirectWafer.

Theinnovativeprocesscouldreducemanufacturingcostsofthewafersbyapproximately

50%.

”1366是動靜大的公司，技術(shù)并非最好。還有大公司在研發(fā)。1366動向國外動向單晶提拉，多晶鑄錠，準(zhǔn)單晶鑄錠已經(jīng)輸給中國。目前已基本停止研發(fā)活動，少量研究集中在全單晶鑄錠和連續(xù)提拉。大量研究薄片技術(shù)（小于100微米）和直接硅片技術(shù)如SiliconFilm，Plate，Ribbon等，本人知道的技術(shù)包括：1）從三氯氫硅直接還原為硅片（約60微米）2）在液態(tài)金屬