多晶硅鑄錠的晶體生長過程

多晶硅鑄錠的晶體生長過程在真空熔煉過后，還要經(jīng)過一個降溫穩(wěn)定，就進(jìn)入定向凝固階段。這個過程既是多晶硅的晶體生長過程，也能夠?qū)厥樟虾鸵苯鸱ǘ嗑Ч枇现泻械碾s質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的提純。（一）定向凝固與分凝現(xiàn)象硅液中的雜質(zhì)在硅液從底部開始凝固的時候，雜質(zhì)趨向于向液體中運(yùn)動，而不會停留在固體中。這個現(xiàn)象叫做分凝現(xiàn)象。在固液界面穩(wěn)定的時候，雜質(zhì)在固體中的數(shù)量與在液體中的數(shù)量的比值，叫做分凝系數(shù)。分凝系數(shù)小于1的雜質(zhì)，在進(jìn)行定向凝固的時候，都會趨向于向頂部富集。富集的數(shù)量和程度，取決于分凝系數(shù)的多少。一般來說，金屬雜質(zhì)的分凝系數(shù)都在10-3以下（鋁大約是0.08），所以，定向凝固方式除雜，對于金屬雜質(zhì)比較有效；而硼和磷的分凝系數(shù)分別為0.8和0.36，因此，硼和磷的分凝現(xiàn)象就不是太明顯。在定向凝固提純的同時，考慮硅的長晶工藝，使得定向凝固后的硅能夠成為多晶硅錠而直接進(jìn)行切片，這就是將提純與鑄錠統(tǒng)一在一個工藝流程中完成了。這也是普羅的提純鑄錠爐的重要提純手段。由于含有雜質(zhì)的硅料和高純料的結(jié)晶和熔液的性質(zhì)都不太一樣，因此，提純鑄錠爐所采用的熱場與純粹鑄錠爐的熱場是有區(qū)別的。普羅新能源公司目前采用自己研制的提純鑄錠一體化的專利設(shè)計(jì)，比較成功地解決了這個問題，使得真空熔煉與鑄錠是在一次工藝?yán)锿瓿傻?，既較好地解決了提純的問題，也圓滿地完成了鑄錠的要求。（二）晶體生長過程定向凝固分為以下四個階段，包括：晶胚形成、多晶生長、頂部收頂、退火冷卻。晶胚形成在熔煉過后，要把硅溶液的溫度降低到1440℃左右，并保持一段時間，然后，使坩堝底部開始冷卻，冷卻到熔點(diǎn)以下6-10℃左右，即1404-1408℃左右。RDS4.0型的爐體降低底部溫度的方法是降低底部功率，和逐漸打開底部熱開關(guān)的方式。與常規(guī)鑄錠爐的提升保溫體和加熱體方式相比，由于不存在四周先開始冷卻然后才逐步到中央的過程，因此，底部溫度要均勻得多。鑄錠時，底部紅外測溫的數(shù)據(jù)不完全是硅液底部的溫度，因?yàn)?，該測點(diǎn)與坩堝底部的硅液還隔了至少一層坩堝，因此，紅外溫度僅能參考，還是要根據(jù)每臺爐子各自的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這時，底部會形成熔點(diǎn)以下的過冷液體，由于坩堝底部的微細(xì)結(jié)構(gòu)的不均勻，在一些質(zhì)點(diǎn)上會形成晶核，即這些質(zhì)點(diǎn)會首先凝固，形成結(jié)晶。這些質(zhì)點(diǎn)可能是坩堝上突出的不均勻點(diǎn)，可能是坩堝的凹陷，由于位置比其它位置低，所以在降溫的時候，溫度也會較低。晶核形成后，由于太陽能電池需要的是徑向尺寸較大的柱狀晶，因此，最好不要讓晶核一旦形成就立刻向上生長，這樣會導(dǎo)致晶粒過細(xì)；而是首先要讓晶核形成后，先在坩堝底部橫向生長，等長到一定的尺寸后，再向上生長。這樣，要求坩堝底部的溫度在下降到熔點(diǎn)稍低后，就保持平穩(wěn)，不再下降。這樣，坩堝底部晶核形成后，由于向上生長時，溫度太高，無法生長，因此，只能橫向生長。開始形成晶核時，由于坩堝底部的不均勻，晶核的形成也不均勻，有的地方密，有的地方稀疏。在這些晶核橫向生長時，長到一定的程度，就會相遇，相遇后由于有生長的動力，在遇到其它晶片時，則遇到了阻力，當(dāng)晶片遇到的阻力過大時，就會停止生長。有的時候，這種阻力可能會使與坩堝底部結(jié)合不牢固的晶片脫落，這樣，比較牢固的就會在脫落掉的晶片留下的空隙繼續(xù)生長，直到整個底部都布滿晶片后，相互擠壓，所有的晶片就只能開始向上生長。這時，各個開始向上長的片狀晶體，就稱之為晶胚。這就是晶胚形成的過程。留一些液體，這些液體在隨后的降溫過程中也會凝固，由于硅液凝固時體積會膨脹，這樣的話，輕則導(dǎo)致硅錠表面“鼓包”現(xiàn)象的產(chǎn)生，重則導(dǎo)致上部已凝固的部分破裂。由于應(yīng)力的力量非常大，這些破裂不僅僅是最后凝固的部分，而且還會延及下部已經(jīng)凝固的硅錠。但是，整個硅錠頂部同時結(jié)晶只能是一種理想狀況，實(shí)際是不可能達(dá)到的。正常情況下，硅錠某部分的晶體是最先長到硅液頂部，率先完成結(jié)晶。此時，應(yīng)當(dāng)在該溫度保持一段時間，緩慢地降低加熱功率，使硅錠其余區(qū)域的晶體慢慢向上生長，通常大約120-180分鐘后，整個硅錠頂部的長晶可全部完成。

退火降溫長晶完成后，不能立即降溫，因?yàn)?，結(jié)晶完成時，頂部溫度在1410℃左右，底部溫度才900℃左右，上下溫差有500℃之多，如此之大的溫差會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，因此，必須經(jīng)過退火過程。退火指提供一個環(huán)境使硅錠的溫度以一個緩慢的速度趨于一致，并保持一段時間。退火可以消除硅錠內(nèi)部的應(yīng)力，還能把長晶過程中存在的位錯等缺陷給與一定程度的消除，使得晶體不容易碎裂。即便長晶很順利，退火不當(dāng)也會造成硅錠的破裂。對于下一步要進(jìn)行切片用的鑄錠來說，破裂就等于廢品。如果僅僅是提純而不需要鑄錠，一個完整的硅錠也比破裂的規(guī)定便于處理，如去頂部和邊皮等。因此，退火過程絕對不能忽視，不能因?yàn)殚L晶已經(jīng)完成，到這個時候就大意處理。長晶完成后，由于頂部溫度較高，因此，需要保持溫度慢慢降溫。通常，使功率從結(jié)晶時的功率按照一個很定的速率下降，同時，將保溫體下降，在保溫體降到底時，功率也降到最低值。退火溫度有不同的說法。有的在1300℃進(jìn)行保溫，這是所謂的高溫退火；有的在1100℃左右退火，稱為低溫退火。最佳的退火溫度有爭議。通常認(rèn)為應(yīng)當(dāng)是長晶完成時，硅錠頂部和底部的溫度的中間值，這個說法雖然看起來有道理，但是，還要考慮硅從冷態(tài)升溫到退火溫度，和從熱態(tài)降溫到退火溫度，所承受的熱應(yīng)力是不同的。冷態(tài)升溫，熱應(yīng)力似乎更大一些，從這個角度來說，退火溫度應(yīng)當(dāng)在1100℃左右比較合適。退火時間根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)，在3-4小時，之后，在退火溫度下再保溫3小時左右，之后，就可以進(jìn)行有補(bǔ)充加熱的自然降溫了。所謂有補(bǔ)充加熱的自然降溫階段，先使硅錠在保溫體內(nèi)部進(jìn)行緩慢降溫，而且加熱體也應(yīng)