關于單晶硅拉制吊渣工藝的研究

廉佳林， 董 皓

(山西潞安太陽能科技有限責任公司，山西 長治 046000)

引 言

隨著國家“領跑者”項目的推進，代表著高效、完美、科技的單晶電池片越來越受到市場的青睞，單晶電池片的高效離不開“純凈完美”的單晶硅棒。

單晶硅是將多晶硅熔化，并在特定的氣氛、精準的溫度、合理的熱場中由晶種引導拉制而成。隨著科技的發展，雖然生產零位錯的單晶早已不是問題，但在CZ單晶硅生長過程中，插入形原子、雜質原子等都對高品質單晶硅的生產造成嚴重影響，甚至導致無法成晶，對單晶硅的拉制工作造成很大的影響。

單晶硅在生產過程中對環境的要求非常高(光伏級的原生硅純度達99.9999%[1])，在實際的生產中，任何其他雜質的引入/產生都會對單晶硅的生長造成影響，甚至造成無法成晶。本文主要對在拉晶過程中如何去除雜質及去除工藝進行研究。

1 理論部分

1.1 硅湯中主要雜質

在CZ法單晶硅生長過程中，與硅直接接觸的只有石英坩堝，且存在式(1)～式(3)反應。

SiO2+ Si → 2SiO(g)

(1)

SiO2(s)→Si(l)+2O

(2)

O+Si(l) →SiO(g)

(3)

其中，反應(1)主要發生在化料階段，反應(2)和反應(3)主要在化料完成后，SiO在常溫常壓下為黑棕色至黃土色無定形粉末，在高溫狀態下由于在硅湯中的熔點很小，所以大部分會隨氣流帶出，但是遺留下來的就會對晶體生長造成嚴重影響。

1.2 硅湯的流動狀態

在CZ系統里的流體運動，主要有5種基本形態[2]：①溫度造成的自然對流；②表面張力對流；③晶體提拉造成的強迫對流；④晶體旋轉造成的強迫對流；⑤坩堝旋轉造成的強迫對流。具體見圖1。

圖1 CZ系統中流體運動狀態

在以上5種對流形態的作用下，CZ系統里的的實際流通變得相當復雜。

1.3 吊渣的原理

1) 因為SiO在硅湯中以氣態的形式存在，氣態在遇冷后會發生“冷凝”反應，因此我們通過將冷的固態硅(通常使用吊肩部分)塊放進硅湯中，來作為“冷源”，使硅湯中的氣態雜質發生冷凝，同時吸附在“冷源”上，再將“冷源”提出，從而達到去除的目的。這個過程稱為“冷凝吸附”。

當壓強一定時，氣體的溶解度隨著溫度的降低而增加，這一點對所有的氣體都適用，在CZ系統中，“冷源”在進入硅湯后，會在周圍形成低溫區，低溫區的SiO氣體溶解度會增加，同時伴隨著溫差引起的自然對流，可使硅湯中的SiO氣體迅速聚集在低溫區(以下稱為冷區)，見第19頁圖2。

圖2 冷源進入后的流體運動

2) 在旋轉的流體中，當有一個固態物體時，會在物體下方形成一個“剛化”的流體柱，這一現象由英國科學家G.I.Taylor在1923年提出并證實，這個“剛化”的流體柱稱為泰勒柱，見圖3。由于坩堝旋轉和“冷源”的進入，在硅湯中會形成泰勒柱，而泰勒柱的存在對“冷源”附近的流動起到穩定的作用，使得進入冷區的SiO氣體進一步聚集。

圖3 泰勒柱的運動

3) 在穩定的泰勒柱中，隨著溫度的升高，冷區的SiO氣體溶解度變小，在冷源底部析出。在實際的生產中，也發現了冷源底部冒泡的情況。

2 試驗部分

2.1 試驗設備

FERROTEC95爐； 熱場：自主設計熱場。

2.2 試驗方法

根據理論與生產實際相結合，給出一組參數(RECIPE1，見表1)，在單晶拉制前期放肩進行吊渣測試，統計10爐數據，并對吊渣進行保留對比。

表1 RECIPE1

在RECIPE1的基礎上，根據爐臺控制范圍針對各個參數給出10個調整范圍，見表2。

在現有70臺爐臺中挑選50臺穩定爐臺進行測試，從功率開始逐一變動，選取最佳之后固定參數，再進行下一個參數的變動，再進行10爐測試，對吊渣與成晶情況進行分析對比。

表2 根據爐臺參數范圍設定的試驗參數

3 結果及討論

吊渣成功與否除了查看吸附上來的雜質量，更直觀地參照是爐臺的成晶率和整棒率，因此把成晶率設定為對比考證依據的主要參考值。

3.1 功率變化對吊渣的影響

根據實驗數據，當功率在80 kW以上時，吊渣進入硅湯后很快熔化，起不到任何吊渣的作用。從圖4數據結果可以看出，吊渣功率控制在65 kW時，可以取得比較理想的效果。

圖4 吊渣功率變化對吊渣效果的影響

3.2 冷卻時間對吊渣的影響

在65 kW功率基礎上，通過對冷源冷卻時間的控制，實驗結果見圖5。冷卻在15 min以上時，效果基本一致。

圖5 冷卻時間對吊渣效果的影響

3.3 堝轉對吊渣的影響

在65 kW功率，冷源冷卻15 min的基礎上，通過調整吊渣時堝轉速度，得出在4 r/min速度下，吊渣效果最好，具體見第20頁圖6。

3.4 晶轉對吊渣的影響

在65 kW功率，冷源冷卻15 min，堝轉4 r/min速度下，再對不同晶轉進行實驗，結果如第20頁圖7，表明2 r/min的速度是最理想的。

圖6 堝轉對吊渣效果的影響

圖7 晶轉對吊渣效果的影響

3.5 提拉速度對吊渣的影響

在之前的實驗基礎上，對不同提拉速度進行測試，發現在50 mm/min的提拉速度下，雜質能更好地吸附并被冷源帶出，見圖8。

圖8 提拉速度對吊渣效果的影響

4 結論

根據實驗結果，確定了適合我公司爐臺與熱場的吊渣工藝(RECIPEX)，其對應的參數見表3。

表3 RECIPEX對應的參數

之后進行了秘密測試，在生產中選取由普通拉晶工承包的10臺爐子(實驗組)進行試驗，同時暗中選取對比組1和組2，作為參照，在持續跟蹤4個月后，得出了以下數據(表4，數據中已經排除非常明確的人為異常與事故)。

表4 分類實驗結果

從結果可以看出，合理的吊渣工藝對現場生產的提升非常明顯，即便是普通拉晶工在正確的工藝引導下，仍然可以取得較好拉晶效果，實驗取得了滿意效果。