铸造多晶硅学习.pptx

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1、优点：铸造多晶硅是利用特定铸造技术，在方形坩埚中制备晶体硅材料，其生长简便，易于大尺寸生长，易于自动化生长和控制，并且很容易直接切成方形硅片；材料的损耗小材料的损耗小，同时铸造多晶硅生长相对能耗小，促使材料的成本进一步降低，而且铸造多晶硅技术对硅原料纯度的容忍度比直拉单晶硅高。缺点：铸造多晶硅具有晶界、高密度的位错、微缺陷和相对较高的杂质浓度，从而降低了太阳电池的光电转换效率。铸造多晶硅的优缺点第1页/共33页 利用铸造技术制备多晶硅，称为铸造多晶硅铸造多晶硅（multicrystalline silicon，Mc-Si）。铸造多晶硅中含有大量的晶粒、晶界、位错和杂质，但由于省去了高费用额晶体

2、拉制过程，所以相对成本较低，而且能耗也较低，在国际上的到了广泛应用。1、概述第2页/共33页晶体性质晶体性质直拉硅单晶直拉硅单晶铸造多晶硅铸造多晶硅晶体形态单晶大颗粒多晶晶体质量无位错高密度位错能耗/(kWh/kg)100约16晶体大小约300mm700mm晶体形状圆形方形电池效率/%15171416铸造多晶硅和直拉单晶硅的比较第3页/共33页 自从铸造多晶硅发明以后，技术不断改进，质量不断提高，应用也不断广泛。在材料制备方面，平面固液相技术和氮化硅涂层技术等技术的应用、材料尺寸的不断加大。在电池方面，SiN减反射层技术减反射层技术、氢钝化技术氢钝化技术、吸杂技术吸杂技术的开发和应用，使得铸造

3、多晶硅材料的电学性能有了明显改善，其太阳电池的光电转换率也得到了迅速提高。第4页/共33页 由于铸造多晶硅的优势，世界各发达国家都在努力发展其工业规模。自20世纪90年代以来，国际上新建的太阳电池和材料的生产线大部分是铸造多晶硅生产线，相信在今后会有更多的铸造多晶硅材料和电池生产线投入应用。目前，铸造多晶硅已占太阳电池材料的53%53%以上，成为最主要的太阳电池材料。第5页/共33页2、铸造多晶硅的制备工艺铸锭浇注法定向凝固法磁感应加热连续铸造（EMCP）第6页/共33页 在一个坩埚一个坩埚内将硅原料溶化溶化，然后浇铸在另一个经过预热的坩埚另一个经过预热的坩埚内冷却冷却，通过控制冷却速率，采用

4、定向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅。铸锭浇注法第7页/共33页 直接熔融定向凝固法直接熔融定向凝固法，简称直熔法直熔法。在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后通过坩埚底部的热交换等方式，使得熔体冷却，采用定向凝固技术制造多晶硅热交换法（热交换法（Heat Exchange Method，HEM）。在坩埚内直接将多晶硅溶化，然后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布里布里曼法（曼法（Bridgman）。定向凝固法第8页/共33页与铸锭浇注法相比，定向凝固法有以下优点优点：在同一个坩埚中进行熔炼与凝固成形，避免了熔体的二次污染；通过定向凝固得到的是柱状晶，减轻了晶界的不利影响；由于定向

5、凝固过程中的杂质分凝效应，对于硅中分凝系数与1相差较大的杂质有一定的提纯作用。缺点缺点：能耗大，生产效率低，操作不连续、产能较小，坩埚耗费大，其硅锭制备设备成本较高。定向凝固法第9页/共33页其原理是利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅利用电磁感应的冷坩埚来熔化硅原料原料。电磁感应加热连续铸造（EMCP）第10页/共33页这种技术熔化和凝固可以在不同部位同时进行，节节约生产时间约生产时间；而且，熔体和坩埚不直接接触，既没没有坩埚消耗有坩埚消耗，降低成本，又减少了杂质污染程度减少了杂质污染程度，特别是氧浓度和金属杂质浓度有可能大幅度降低。该技术还可以连续浇铸，速度可达速度可达 5mm/min。不仅如此，

6、由于电磁力对硅熔体的作用，使得掺杂掺杂剂在硅熔体中的分布可能更均匀剂在硅熔体中的分布可能更均匀。显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。显然，这是一种很有前途的铸造多晶硅技术。优点第11页/共33页这种技术制备出的铸造多晶硅的晶粒比较细小晶粒比较细小，约为约为3-5mm，而且晶粒大小不均匀晶粒大小不均匀。而且，由图6.9可以看出，该技术的固液界面是严重的凹形，会引入较多的晶体缺陷较多的晶体缺陷。因此，这种技术制备的铸造多晶硅的少数载流子寿命较低少数载流子寿命较低，所制备的太阳电池的效率也较低。缺点第12页/共33页3、铸造多晶硅的原材料铸造多晶硅的原材料 微电子工业应单晶硅生产的剩余料高纯多晶

7、硅 微电子工业应单晶硅生产的剩余料质量相对较差的高纯多晶硅单晶硅棒的头尾料单晶硅生长完成后剩余在石英坩埚中的硅底料第13页/共33页补充：PN结的制备方法第14页/共33页PN结的制备方法 在一块 N N型（或型（或型（或型（或P P型）型）型）型）半导体单晶上，用适当的工艺方法把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别形成N型和P型的导电类型，两者的交界处就形成了PN结。制备方法主要有：合金法合金法扩散法扩散法离子注入法离子注入法薄膜生长法薄膜生长法 PN结的制备方法第15页/共33页合金法 把受主型杂质小球放在一块N型单晶硅片上，加热到一定温度，使小球溶解，然后降低温度，熔体开

8、始凝固，在N型硅片上形成一含有高浓度受主杂质的P型硅薄层，其与N型硅衬底的交界面处即为PN结。特点：N区中施主杂质浓度为ND，而且均匀分布；P区中受主杂质浓度为NA，也是均匀分布。在交界面处，杂质浓度由NA（P型）突变为ND（N型），具有这种杂质分布的PN结称为突变结。第16页/共33页扩散法 在N型（或P型）硅片中，利用扩散工艺掺入相反型号的杂质，在局部区域形成与基体材料相反型号的半导体，从而构成PN结。例：将P型半导体放入扩散炉中，加温至10001200，通入P2O5，P2O5在硅片表面分解，P沉淀在硅片表面并扩散到半导体内，在硅表面形成含高浓度磷的N型半导体。特点：杂质的分布由扩散 过程

9、及杂质补偿决定。在这种结中，杂质浓度从P区到N区是逐渐变化的，通常称为缓变结。低表面浓度深扩散结线性缓变结。第17页/共33页离子注入法：将N型（或P型）掺杂剂的离子束在静电场中间加速，注入P型（或N型）半导体表面区域，在表面形成型号与基体相反的半导体，从而形成半导体。薄膜生长法：在N型或P型半导体材料的表面，通过气相、液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的半导体薄膜，从而形成PN结。第18页/共33页杂质的作用杂质的作用引入能级（掺杂元素引入能级造成的影响是怎样的？）（掺杂元素引入能级造成的影响是怎样的？）杂质补偿杂质补偿电阻率（或电导率）跟杂质的浓度有关。单一一种杂质浓度时：CsN(杂质

10、浓度载流子浓度）4、铸锭原料的配置 第19页/共33页P型材料的B原子是带正电（空穴）的，而N型材料的P原子是带负电（电子）的，如果这两种杂质共存的话，电子和空穴互相填充，均失去了导电性，所以宏观上会表现出电阻率升高的情况施主杂质与受主杂质施主杂质与受主杂质的的“补偿补偿”现象。现象。当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型呢？杂质补偿第20页/共33页 NDNA 因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到NA个受主能级上，还有ND-NA个电子在施主能级上，杂质全部电离时，跃迁到导带中的导电电子的浓度为n=ND-NA。即则有效施主浓度为NAeff ND-NAECEV

11、EDEA第21页/共33页NAND 施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上，受主能级上还有NA-ND个空穴，它们可接受价带上的NA-ND个电子，在价带中形成的空穴浓度p=NA-ND.即有效受主浓度为NAeff NA-NDECEVEDEA第22页/共33页NAND不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿.这种材料容易被误认高纯半导体，实际上含杂质很多，性能很差，不能用来制造半导体器件.第23页/共33页 在铸造多晶硅制备过程中，可以利用方形的高纯石墨方形的高纯石墨作为坩埚，也可以利用高高纯石英作纯石英作为坩埚。高纯石墨的成本比较便宜，但是有较多可能的碳污染和金属污染；高纯石英的成本较高，

12、但污染少，要制备优质的铸造多晶硅就必须利用石英坩埚石英坩埚。4、坩埚第24页/共33页析晶石英坩埚的变形石英坩埚的破裂石英坩埚使用中的常见问题第25页/共33页原因：1、石英坩埚受到沾污，碱金属离子钾（碱金属离子钾（K）钠（）钠（Na）锂（）锂（Li）和碱土金属）和碱土金属离子钙（离子钙（Ca）镁（）镁（Mg）这些离子的存在是石英坩埚产生析晶的主要因素；2、在操作过程中，因操作方法不当也会产生析晶如在防止石英坩埚和装填硅料的过程中，带入的汗水，口水，油污，尘埃等；3、新的石墨坩埚未经彻底煅烧或受到沾污新的石墨坩埚未经彻底煅烧或受到沾污就投入使用是造成石英坩埚外层析晶的主要原因；4、用于拉晶的原

13、料纯度低，所含杂质太多或清洗工艺存在问题；5 熔料时温度过高，也将加重析晶的程度；6 石英坩埚的生产，清洗，包装过程中受到沾污。析晶第26页/共33页析晶的影响破坏坩埚内壁的涂层，导致气泡层与熔硅反应；石英坩埚变薄，强度降低，导致坩埚变形。解决方法：针对问题出现的原因。（预防、质量控制、熔料控制）第27页/共33页原因:1、装料方法不当；2、熔料方法不当；3、熔料功率不当；4、原料问题；5、石英本身存在质量问题；6、放置坩埚和装填硅料时操作不当造成玷污。7、原有厚度太薄，强度不够。坩埚变形第28页/共33页原因熔料方法不当；熔料温度不当；原料的杂质和原料在清洗和装填过程中受到的沾污对坩埚产生侵

14、蚀作用；其他问题：使用时间过长；煅烧不够即投入使用；隐裂等。石英坩埚的破裂第29页/共33页工艺上一般利用Si3N4或或SiO/SiN等材料作为涂层，等材料作为涂层，附加在石英坩埚的内壁。5、坩埚涂层利用Si3N4涂层，还使得石英坩埚可能得到重复使用，达到降低生产成本的目的。隔离了硅熔体和石英坩埚的直接接触，不仅能解决黏滞问题，而且可以降低多晶硅中的氧、碳杂质浓度。涂层的作用第30页/共33页6、铸锭浇铸法的一般流程预热预热熔化熔化长晶长晶退火退火冷却冷却室温120015h120015505h开始充氩气1400144010h连续充气100014008.5h连续充气40010006h连续充气第31页/共33页杂质：C、O、金属晶体缺陷：晶界；位错 对比单晶硅中的杂质的行为，多晶硅的质量影响因素的行为？影响多晶硅锭的因素第32页/共33页感谢您的观看！第33页/共33页