淺析改良西門子法多晶硅用鑄錠硅芯

李素青

（有色金屬技術經濟研究院，北京100080）

1 概述

當今，能源日趨緊張，環(huán)境壓力增大，世界各國都把目光投向了新能源領域，太陽能作為一種重要的可再生能源，其開發(fā)和利用已成為各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，光伏發(fā)電增長速率在世界各種能源增長速率中名列前茅。多晶硅因其原料來源廣、生產效率高、生產規(guī)模大，已成為太陽能行業(yè)中的主導光伏材料。目前市面上的多晶硅大多采用改良西門子法生產的棒狀多晶硅為主，以流化床技術生產的粒狀多晶硅為輔。國內多晶硅生產采用的主流技術幾乎都是改良西門子法，這種方法的優(yōu)點是節(jié)能降耗顯著、成本低、質量高，目前已占據(jù)了國內市場的80%以上。在改良西門子法生產多晶硅過程中，硅芯是作為還原爐中進行還原反應沉積（CVD）多晶硅的熱載體，在還原反應結束后，硅沉積在硅芯周圍，硅芯連同硅通過破碎一起作為多晶硅原料使用，因此，硅芯是作為多晶硅生產過程中非常重要的輔材使用和消耗的。

2 硅芯發(fā)展歷史

還原爐中的硅芯就是“熱載體”，也稱“發(fā)熱體”。熱載體有兩個作用：第一，沉積多晶硅的場所；第二，還原爐的熱源，用于控制反應區(qū)的溫度。也就是說，熱載體既是還原反應的場所，又是還原反應所需能源的提供者，多晶硅的純度與熱載體密切相關，沒有好的熱載體，就不會生產出純度合格的多晶硅。可以作為熱載體的物質有多種，其中有被用于熱載體歷史的是鉬、鎢、鉭、石墨、硅和石英玻璃六種。各類熱載體的物理性能見表1。

表1 各類熱載體的物理性能[1]

石墨雖然熔點高，但是結構較為疏松，容易污染硅棒，所以很少被采用。鎢、鉭價格較高，從經濟成本考慮，不適合大量使用。石英玻璃雖然可以沉積硅，但由于其是絕緣材料，不易把電能變?yōu)闊崮埽砸埠苌俦徊捎谩＞C上所述，只有硅和鉬是常用的熱載體。由于高溫下，鉬向硅中擴散，對硅棒有一定的污染，增加了后續(xù)處理工藝及成本，而硅作為熱載體時可以避免硅棒的污染，因此，硅最適宜作為熱載體。

3 硅芯制備工藝

（1）吸管法

吸管法是最原始的硅芯制作方法，它是用細長的薄壁石英管作為模具，利用對石英管內抽真空的方法，將熔硅吸入石英管內，冷卻后除去石英管，硅芯就制得。此法簡單易行，但由于石英對硅芯有一定的污染，所以用此法制成的硅芯含氧量較高。

（2）區(qū)熔法

區(qū)熔法首先需要利用還原爐制備一定直徑的沉積棒作為原料棒，然后將原料棒通過區(qū)熔工藝拉制成一定規(guī)格的圓形硅芯。區(qū)熔法又分為兩種：水平區(qū)熔法和立式懸浮區(qū)熔法。區(qū)熔法的原理是利用熱能在半導體棒料的一端產生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶。調節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根單晶，晶向與籽晶的相同。

（3）切割法

切割硅芯技術是通過切割沉積硅棒或者直拉硅棒獲得方硅芯。該法使用專用的硅芯切割機，將高純的多晶硅棒或單晶硅棒切成一定規(guī)格的細長方條，這種細長方條就是方硅芯。國內一般利用直拉爐拉制直拉硅棒，然后切割直拉硅棒獲得切割硅芯，該方法制備的硅芯電阻率均勻性較差。目前國內已有硅芯生產廠家通過改進工藝和設備，自主研發(fā)了改良西門子法多晶硅用鑄錠硅芯，解決了直拉硅芯電阻率頭高尾低的問題,更有利于硅芯的擊穿及致密料的生長。

4 改良西門子法多晶硅用鑄錠硅芯的工藝流程、技術指標及影響因素

（1）工藝流程

圖1 改良西門子法多晶硅用鑄錠硅芯工藝流程圖

方硅芯原料棒在生產過程中，前需要提前對各類配件進行安裝和清潔，確保潔凈度后，才能進行操作。生產出來的硅芯原料棒經方硅芯切割機切割成細長的方硅芯，方硅芯切割機的主要作用就是通過提前布好的兩層線陣，將固定位置的多晶硅圓棒，一次切成一條一條的方硅芯。布置的線陣間距的大小，就決定了所切出的硅芯的尺寸。由于各多晶硅生產商的還原爐大小不一致，所需硅芯的長度及尺寸也不一致。由于硅芯的原料棒是圓形，靠近圓周部分的方硅芯，不完全符合正方形，一般作為邊皮部分重新投入鑄錠爐，再次生產新的硅芯原料棒。

（2）技術指標

硅芯錐頭與橫梁孔的配合精度要求較高，防止有電流通過時，接觸不好的位置溫度偏高，導致硅芯錐頭變軟甚至熔融，從而直接引起倒爐。由于硅芯尾部以插入石墨夾具的方式安裝，一方面要保證硅芯插入夾具底部，與夾具下面的石墨座接觸到，另一方面還要保證硅芯與夾具的口部緊密接觸，防止因接觸不好導致局部溫度過高。硅芯安裝后是直立于還原爐內，如果彎曲度過大的話，容易出現(xiàn)倒爐。基于上述原因，對改良西門子法多晶硅用鑄錠硅芯產品的尺寸外形做了相應的規(guī)定。具體見表2。

表2 尺寸及外形

改良西門子法多晶硅用鑄錠硅芯電阻率高、均勻性好，單個方錠產出硅芯單點電阻率提升到N型20Ω/cm以上,并且單支硅芯上所有點電阻率均勻性很好,具體電學性能及指標見表3。

表3 電學性能及成分

（3）影響硅芯質量的因素主要有以下幾個方面：

①原料成分雜質。原料中三、五價雜質元素偏高是造成硅芯整體電阻率偏低的主要因素之一，通過嚴格控制原料中施受主雜質濃度，可以提升方錠硅芯電阻率，從而提升產品的質量。

②坩堝低擴散設計。坩堝是鑄錠過程中必不可少的輔材之一，在鑄錠過程中，熔體與坩堝長時間接觸，坩堝中五價磷會擴散到熔融的硅液中，增加了硅芯方錠的雜質含量，降低電阻率。通過在坩堝內壁五面上均勻涂覆高純度的涂層，形成致密的阻隔層，在鑄錠過程中，有助于減少、隔離坩堝中的施主雜質擴散到坩堝中的硅液中，從而有效提高硅芯方錠的電阻率。

③鑄錠工藝優(yōu)化。鑄錠過程中各個階段雜質擴散的程度對硅芯方錠電阻率影響較大，通過優(yōu)化鑄錠過程中融化、長晶工序的時間，可以在保證產品質量的基礎上，提升產品產能及電阻率。

④鑄錠爐熱場氣流。通過對熱場氣流結構進行優(yōu)化，充分帶走硅熔體表面揮發(fā)出的雜質，并且實現(xiàn)長晶階段的平推,提升整體電阻率及分布均勻性。

5 結語

方硅芯出現(xiàn)后，硅芯生產開始獨立于多晶硅生產企業(yè)之外，國內硅芯生產廠家對硅芯的研究更加的專業(yè)化，對國外的空心方硅芯、方硅芯拼接、原生多晶直接切割等新技術也進行了更加深入的研究，硅芯生產技術的不斷突破，不僅帶動上游原材料行業(yè)的發(fā)展，也促進下游光伏等行業(yè)的技術進步，推動了整體產業(yè)的發(fā)展，促進了光伏產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。