·欢迎光临国家级试点联盟!

设为首页 | 加入收藏 | 联系我们

您现在的位置:联盟动态

大直径石墨热场单晶生长工艺的研究

目前多数光伏企业批量使用2英寸石墨热场进行8英寸单晶硅棒的拉制,直拉硅单晶仍在向着高纯度、高完整性、高均匀性和 直径的方向发展 l1],大直径 的单晶硅片可以极大地提高芯片产量,降低太阳能电池组件的成本,提高其转换效率,给组件厂家带来极为显著的经济效益,如此情况下,大直径单晶硅 片的一系列优越性能得以发挥,单晶硅片朝着增大直径和提高品质的方向发展 ,大直径的单晶硅片将逐渐占领市场 , 成为未来 市场发展的主导。


随着单晶硅棒直径的增大,热对流现象严重,晶体直径增大使晶体内的热量不能及时散发出去,就会产生比以往小尺寸硅单晶更大的温度梯度,而晶体生长界面的形状、温度分布、晶体中氧缺陷的浓度和均匀性等均与对流状态密切相关,这样就会使晶体内外热膨胀差异产生热弹性应力,经常会导致晶体内诱生位错和点缺陷的产生 , 同时过高 的应力也会使 晶体在切片或磨片过程 中发生 碎裂 l2] , 因此必须通过对单晶生长过程不同阶 段的气流 、 生长速率 、 旋转 、 温控等各项工 艺参数进行摸索调整 , 从而确保大直径单 晶 的无位错顺利生长 。

实验过程及分析 


实验方法及预设工艺参数

使 用 1 00 型单 晶炉 , 安装 2 4英 寸石 墨热 场 , 通 过 直 拉 法 ( C z 法 ) 进 行 8英 寸 P型 (100) 晶向太 阳能级单 晶硅棒 的生长实验 , 结 合最佳经验数据对 S O P表 中各 项拉 晶工艺参数 进行了预设 , 采用全 自动拉 晶工艺 , 均匀控制 过程 中的各项工艺参数的变化。 

石墨热场配置 

石墨热场决定着整个单晶炉 内热环境 的质 量 。热场设计理论 上 , 晶体直 径 : 增 竭直径 =l : .2 5 ~3 , 以 目前 8英寸 单晶为例 , 理论 上需 要 2 0 一 24 英寸石墨热场 。等径生长过程 中经常 由于晶体 中热应力超过 了硅的临界应力而产生 位错 , 晶体 中热应力与 晶体生长 的热环境有直 接 的关系。轴 向温度梯度不引起位错的条件分 别是


 晶体 直径的增大 , 必然要求轴 向梯度 的减小。实验 过程 中 , 我们对各个石墨部件的结构工艺参数 进行 了优化 , 同时对热场保温材料及保温结构 进行 了优化 , 增强了热场 的保温性 , 确保单 晶 硅棒的无位错生长。 

石英坩埚品质的提升

使用大直径石墨热场进行大直径 晶体生长 过程中, 石英柑竭的强度、 使用寿命及熔料工艺 都非常重要 , 随着单炉投料量的增加 , 石英柑竭 单位面积承受 的重力相对增大 , 尤其是熔硅与 石英增竭之间的反应更加剧烈 , 从而形成更大 面积 的方石英结 晶 , 其若脱落掉至溶液 内 , 会 使 单 晶 内部 产生位错 , 甚 至导致 单 晶生长 中 断 , 这就要求增竭 内表 面有较好 的光洁度 , 为 了提高石英柑竭 的使用 寿命 , 我们首先在石英 增竭 内壁上涂一层含有结晶水 的氢氧化钡 ,


最 终氧化钡与石英坩埚反应形成硅酸钡 ( BaSiO3 ) , 使得石英坩埚壁 上形成一层致密微小的白硅石结晶 , 可以大幅 度的改善石英坩埚的使用寿命和品 质2[] , 同时 增加石英坩埚的强度 , 减少高温软化现象。

熔体 内热对流 的控制 

坩埚中熔体 的热对流用格拉斯霍夫数表 示

 为了控制热 对 流 , 我们采用高竭转 进行拉晶 , 在拉晶过 程 中熔体热对流明显得到抑制 。

熔体温度稳定化 

在使用 24 英寸热 场进行∮200mm 单 晶硅 棒生长 时 , 熔完料后 的温度稳定非常重要 , 稳定时间少于 1 . 5小 时的 , 在放肩或等径初期 可 以 明显看到 由于温度震荡而引起单 晶生长 中断 。正常生产情况下 , 可利用上炉剩余的 细颈进行试温 , 每次试温时具体通过观察光 圈 情况 来判 断 温度 高 低 , 然 后进 行 相应 调 整 。如此分步试温 、 调温法 , 可快速确定 出 最佳的热场温度值 , 便于熔体温度及 时稳定 化。 

引晶、 缩颈工艺

通过 目测调整坩埚位置 , 使熔体表 面与 热屏 底 部 的距 离 为 2 0一 3 0 m m , 然 后 调 整 晶 转 、 埚转为工艺预设 的转速值 , 下 降籽 晶至 距离熔 体上方 20 m m , 使籽 晶预热 2分钟后继 续 下 降并 与熔 硅 接触 , 当籽 晶与熔硅 接触 后 , 籽 晶周 围逐渐 出现光 圈 , 然后光圈慢慢 变 圆 , 待光圈 圆润 、 饱满后 , 光圈 上 出现 四 个对称分布的小亮点 , 此时可确定引出 的晶 体是单 晶 , 引晶过程结束。


 在籽晶与熔体接触的瞬间 , 由于温度梯度产生的热应力 , 会使籽晶产生大量的位错 , 甚 至出现位错增殖 。这些新产生的位错可 以通过 “ 缩颈 ” 工艺使之消除 , 由于位错 常常与其生 长轴成一个夹角 , ?100?晶向生长时 , 其夹角 成 36 . 16 度 , 当生长 出的细颈有足够长度时 , 能 使位错沿着滑移面延伸和产生滑移 ( 见 图1 ) , 最终从晶体表 面消失2[] 。通过工艺调整试验 , 我们确定 出了稳定的参数值 , 其细颈直径控制 在 3 . 5 一 .5 m m , 长 度不 小 于 200m m , 平 均拉 速 2.5一4.5mm/min  , 且要求 细颈直径均匀 , 没有糖 葫芦状 , 此种情况下进行缩颈 , 更有利于位错 排除 , 提高晶体内部品质。

放肩生长 

在确保单 晶正常生长情况下 , 可立 即降低 晶体拉速和加热器温度 , 使 晶体 由纵 向生长转 变为横 向生长 , 其直径逐渐长大到规定的晶体 直径称之为放肩 , 放肩过程 中光圈的变化为 : 闭合一开口一开口增大一开口不变一开口缩 小一开口闭合等过程 , 肩部形状及角度会影 响到 晶体等径初期的固液界面及 晶体内在品质 。放肩过程中通过肩部形状判断放肩速度快慢 , 从而进行拉速及温度的调整 , 放肩过快时可以适当提高拉速 , 反之则降低拉速或温度。通过多次试验摸索 , 给出了稳定的放肩工艺参数 , 放肩过程中晶体拉速0.4-0.6mm/min 放肩 角度控制在 16 0一 18 0度 , 热场 SP值降幅控制在50一 65 ( 见 图2温度随放肩长度的变化趋势图 ) , 晶体肩部棱线对称 、清楚、饱满 , 肩部表面平坦、光亮、没有切痕。


等径生长 

全 自动单 晶炉分别具有 温度和直径 闭环 控制 系统 , 当单 晶进入等直径生 长后 , 调整 控制直 径生长 的C C D相机 , 切 人 自动等直径 控制 , 其 晶体直径波动可维持在±1.5mm范围 内 , 此 阶段各项工艺参数 的控制将直接影 响 到硅片 的内在 品质 , 如 晶体与柑竭 的旋转会 影 响到 晶体 内部氧含量分布 ; 等径拉速与温 度 的波动影 响晶体直径与 晶体 内部原生缺 陷 的形成等【6】

晶体的均匀等直径生长是 生长速度 与温 度共同控制 的结果 , 如果某一参数设置 的不 合理 , 将会导致单 晶生长过程 中发生 断苞现 象。试验过程 中我们对 S O P表 中各项参数进行 了精确设定 , 采用全 自动拉 晶工艺 , 其好处 在于等径过程 中各项参数能在设定范 围内均 匀变化 , 避免 了工艺 曲线 的异 常波动 。由于 晶体等径过程 中液面逐渐下降与加热温度逐 渐上升等 因素 , 使得 晶体 的散热速率随着 晶 体长度 的增长而递减 。因此 固液交界面处 的 温度梯度变小 , 从而使得 晶体拉速 随着 晶体 长度 的增长而减小 [2] ( 见 图3给 出了生长速度 随等径长度的变化 )


等径过程是一个温度控制过程 , 计算机是根据生长速度的设定值 自动控制温度 , 图4给出了等径过程 中温度随等径长度的变化曲线图。为了避免加热功率的波动 , 必须确保液面位置 不变 , 等径过程 中增竭位置随着剩料重量 的减 少 以一定的比率而逐渐上升 , 保持单晶等径生 长不受影 响 ( 图5给 出了 等径过程 中竭升 /晶升 比率曲线 ) 。


实验中为了单 晶硅 棒无位错生长 , 必须确 保生长界面的平坦 , 避免 由于生长界面不平坦 而导致 的晶体 内部应力 的产生 , 实验中采取了 头高尾低拉速 、 高晶转 、 高竭转 的拉晶工艺 , 同时增大了氢气流量 , 有效抑制 了柑竭内热对 流 , 改善 了炉 内温度梯度 , 加快结 晶潜热 的散 失 , 经过实际验证 , 其各项工艺参数匹配 、 合 理。

收尾 

坩埚内的硅溶液逐渐减少 , 当剩料不多 的 情况下需要进行单 晶收尾 , 如果单 晶不进行 收尾就直 接提脱液面 , 那么 由于热应力 的作 用 , 提脱处 会产生大量 的位错 , 同时位错会 沿着 滑移 面 向上返延 , 一般情况下返延长度 约等 于一个 晶体直径 , 导致尾部 晶棒 内部会 含有大量 的位错 , 严重影 响 了单晶成品率 , 所 以单 晶等径 生长结束后 通过对晶体拉速及 温度 的控制 , 进行 收尾 , 将单 晶直径逐渐缩 小 , 单 晶尾部要求 收成 尖尾 , 确保 单晶完整 无位错 。

结语 


经过实验并分析了大直径石墨热场进行单晶硅棒生长的工艺特点 , 配 置了 合适的单晶石墨热场 , 采用全 自动单晶生长 工艺 , 对 SOP表中各工艺参数进行摸索和确定 , 实验过程中成功完成了200 kg投料量8英寸P型 <1 0 0 > 单晶硅棒的生长 , 对使用大直径石墨热 场进行 8英寸单晶生长的工艺进行了规范 , 总结出了一套稳定 、匹 配、可行的 SOP工艺参 数 , 确保单晶硅棒的无位错生长。

参考

[1] 彭志刚, 肖志,君明,邵海成. 晶硅拉 制炉热场材的发展概况 [J] 2 0届炭 · 石墨材术会论文集 

[2 . 矽 晶圆半导材料技术M] ,全华 技图书份有限, 19 90 .2 

[3  .大型 晶炉热场设计探讨 [J] 19 92 年第 6 SL I 制造与测试 第十三[ 4]尚德电力控有限晶位错对电池性能的影响2008 .8 26 

[5] 黄有为 , 王丽  晶硅工艺 技术 [M ]学工业出版 2 0 0 9 . 

[6] 张果虎 , 吴 志 强 , ,秦福 ,常青 ,  . 屠海 3 0 m m 晶的生长技 [J]北京有 色金属究总院 10 0 0 8 8

文章来源:第三届全国地方机械工程学会学术年会暨海峡两岸机械科技论坛。作者玉、咎武、 陈洁、阮善斌、程理。单位:变电工能源不代表石墨邦观点,如有侵权,请联系删除,谢谢。

站长统计
   今日IP:[ 307669 ]    今日PV:[ 307696 ]    昨日IP:[ 149 ]    昨日PV:[ 519 ]    当前在线:[ 57 ]

网站首页 | 关于联盟 | 联盟动态 | 行业资讯 | 通知公告 | 联盟单位

Copyright © 2014 smcylm.com All Rights Reserved. 石墨产业技术创新战略联盟 版权所有

黑ICP备12004360号-2 技术支持加艺网络