廉佳林， 董 皓

(山西潞安太陽(yáng)能科技有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

引 言

隨著國(guó)家“領(lǐng)跑者”項(xiàng)目的推進(jìn)，代表著高效、完美、科技的單晶電池片越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞，單晶電池片的高效離不開(kāi)“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(zhǔn)的溫度、合理的熱場(chǎng)中由晶種引導(dǎo)拉制而成。隨著科技的發(fā)展，雖然生產(chǎn)零位錯(cuò)的單晶早已不是問(wèn)題，但在CZ單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中，插入形原子、雜質(zhì)原子等都對(duì)高品質(zhì)單晶硅的生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致無(wú)法成晶，對(duì)單晶硅的拉制工作造成很大的影響。

單晶硅在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的要求非常高(光伏級(jí)的原生硅純度達(dá)99.9999%[1])，在實(shí)際的生產(chǎn)中，任何其他雜質(zhì)的引入/產(chǎn)生都會(huì)對(duì)單晶硅的生長(zhǎng)造成影響，甚至造成無(wú)法成晶。本文主要對(duì)在拉晶過(guò)程中如何去除雜質(zhì)及去除工藝進(jìn)行研究。

1 理論部分

1.1 硅湯中主要雜質(zhì)

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

SiO2+ Si → 2SiO(g)

(1)

SiO2(s)→Si(l)+2O

(2)

O+Si(l) →SiO(g)

(3)

其中，反應(yīng)(1)主要發(fā)生在化料階段，反應(yīng)(2)和反應(yīng)(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(wú)定形粉末，在高溫狀態(tài)下由于在硅湯中的熔點(diǎn)很小，所以大部分會(huì)隨氣流帶出，但是遺留下來(lái)的就會(huì)對(duì)晶體生長(zhǎng)造成嚴(yán)重影響。

1.2 硅湯的流動(dòng)狀態(tài)

在CZ系統(tǒng)里的流體運(yùn)動(dòng)，主要有5種基本形態(tài)[2]：①溫度造成的自然對(duì)流；②表面張力對(duì)流；③晶體提拉造成的強(qiáng)迫對(duì)流；④晶體旋轉(zhuǎn)造成的強(qiáng)迫對(duì)流；⑤坩堝旋轉(zhuǎn)造成的強(qiáng)迫對(duì)流。具體見(jiàn)圖1。

圖1 CZ系統(tǒng)中流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

在以上5種對(duì)流形態(tài)的作用下，CZ系統(tǒng)里的的實(shí)際流通變得相當(dāng)復(fù)雜。

1.3 吊渣的原理

1) 因?yàn)镾iO在硅湯中以氣態(tài)的形式存在，氣態(tài)在遇冷后會(huì)發(fā)生“冷凝”反應(yīng)，因此我們通過(guò)將冷的固態(tài)硅(通常使用吊肩部分)塊放進(jìn)硅湯中，來(lái)作為“冷源”，使硅湯中的氣態(tài)雜質(zhì)發(fā)生冷凝，同時(shí)吸附在“冷源”上，再將“冷源”提出，從而達(dá)到去除的目的。這個(gè)過(guò)程稱為“冷凝吸附”。

當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，氣體的溶解度隨著溫度的降低而增加，這一點(diǎn)對(duì)所有的氣體都適用，在CZ系統(tǒng)中，“冷源”在進(jìn)入硅湯后，會(huì)在周圍形成低溫區(qū)，低溫區(qū)的SiO氣體溶解度會(huì)增加，同時(shí)伴隨著溫差引起的自然對(duì)流，可使硅湯中的SiO氣體迅速聚集在低溫區(qū)(以下稱為冷區(qū))，見(jiàn)第19頁(yè)圖2。

圖2 冷源進(jìn)入后的流體運(yùn)動(dòng)

2) 在旋轉(zhuǎn)的流體中，當(dāng)有一個(gè)固態(tài)物體時(shí)，會(huì)在物體下方形成一個(gè)“剛化”的流體柱，這一現(xiàn)象由英國(guó)科學(xué)家G.I.Taylor在1923年提出并證實(shí)，這個(gè)“剛化”的流體柱稱為泰勒柱，見(jiàn)圖3。由于坩堝旋轉(zhuǎn)和“冷源”的進(jìn)入，在硅湯中會(huì)形成泰勒柱，而泰勒柱的存在對(duì)“冷源”附近的流動(dòng)起到穩(wěn)定的作用，使得進(jìn)入冷區(qū)的SiO氣體進(jìn)一步聚集。

圖3 泰勒柱的運(yùn)動(dòng)

3) 在穩(wěn)定的泰勒柱中，隨著溫度的升高，冷區(qū)的SiO氣體溶解度變小，在冷源底部析出。在實(shí)際的生產(chǎn)中，也發(fā)現(xiàn)了冷源底部冒泡的情況。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

FERROTEC95爐； 熱場(chǎng)：自主設(shè)計(jì)熱場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)理論與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，給出一組參數(shù)(RECIPE1，見(jiàn)表1)，在單晶拉制前期放肩進(jìn)行吊渣測(cè)試，統(tǒng)計(jì)10爐數(shù)據(jù)，并對(duì)吊渣進(jìn)行保留對(duì)比。

表1 RECIPE1

在RECIPE1的基礎(chǔ)上，根據(jù)爐臺(tái)控制范圍針對(duì)各個(gè)參數(shù)給出10個(gè)調(diào)整范圍，見(jiàn)表2。

在現(xiàn)有70臺(tái)爐臺(tái)中挑選50臺(tái)穩(wěn)定爐臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，從功率開(kāi)始逐一變動(dòng)，選取最佳之后固定參數(shù)，再進(jìn)行下一個(gè)參數(shù)的變動(dòng)，再進(jìn)行10爐測(cè)試，對(duì)吊渣與成晶情況進(jìn)行分析對(duì)比。

表2 根據(jù)爐臺(tái)參數(shù)范圍設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)果及討論

吊渣成功與否除了查看吸附上來(lái)的雜質(zhì)量，更直觀地參照是爐臺(tái)的成晶率和整棒率，因此把成晶率設(shè)定為對(duì)比考證依據(jù)的主要參考值。

3.1 功率變化對(duì)吊渣的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)功率在80 kW以上時(shí)，吊渣進(jìn)入硅湯后很快熔化，起不到任何吊渣的作用。從圖4數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，吊渣功率控制在65 kW時(shí)，可以取得比較理想的效果。

圖4 吊渣功率變化對(duì)吊渣效果的影響

3.2 冷卻時(shí)間對(duì)吊渣的影響

在65 kW功率基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)冷源冷卻時(shí)間的控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。冷卻在15 min以上時(shí)，效果基本一致。

圖5 冷卻時(shí)間對(duì)吊渣效果的影響

3.3 堝轉(zhuǎn)對(duì)吊渣的影響

在65 kW功率，冷源冷卻15 min的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整吊渣時(shí)堝轉(zhuǎn)速度，得出在4 r/min速度下，吊渣效果最好，具體見(jiàn)第20頁(yè)圖6。

3.4 晶轉(zhuǎn)對(duì)吊渣的影響

在65 kW功率，冷源冷卻15 min，堝轉(zhuǎn)4 r/min速度下，再對(duì)不同晶轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如第20頁(yè)圖7，表明2 r/min的速度是最理想的。

圖6 堝轉(zhuǎn)對(duì)吊渣效果的影響

圖7 晶轉(zhuǎn)對(duì)吊渣效果的影響

3.5 提拉速度對(duì)吊渣的影響

在之前的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)不同提拉速度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在50 mm/min的提拉速度下，雜質(zhì)能更好地吸附并被冷源帶出，見(jiàn)圖8。

圖8 提拉速度對(duì)吊渣效果的影響

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了適合我公司爐臺(tái)與熱場(chǎng)的吊渣工藝(RECIPEX)，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 RECIPEX對(duì)應(yīng)的參數(shù)

之后進(jìn)行了秘密測(cè)試，在生產(chǎn)中選取由普通拉晶工承包的10臺(tái)爐子(實(shí)驗(yàn)組)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)暗中選取對(duì)比組1和組2，作為參照，在持續(xù)跟蹤4個(gè)月后，得出了以下數(shù)據(jù)(表4，數(shù)據(jù)中已經(jīng)排除非常明確的人為異常與事故)。

表4 分類實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從結(jié)果可以看出，合理的吊渣工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的提升非常明顯，即便是普通拉晶工在正確的工藝引導(dǎo)下，仍然可以取得較好拉晶效果，實(shí)驗(yàn)取得了滿意效果。