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浅析准单晶的可行性和必要性(2011-07-28 16:29:24) 转载标签： 单晶多晶准单晶杂谈分类： 晶体生长技术 前 言 有很多卖Ky设备的、卖Ky设备温场辅料的，都在四处帮我宣扬本人的博客，在此我表示感谢。但是本人郑重声明，我不是卖Ky炉的，也不是卖辅料的。同时，也请转载或转述我的相关博文的群众们，尊重一下原创，注明原文的来源和作者！谢谢大家！包括百度文库收录的本博文、很多公司引载了本博文，请注明原文来源和作者，请尊重我的著作权。经过几十年的发展，硅单晶生长是目前工业化、自动化程度研究最彻底的一种方法，不管是提拉法（Cz）、区熔法（Fz）和定向凝固。可以说很多晶体生长的理论模拟都是以硅为例子的，是晶体生长工业最主要的、最成功的产业。 作为一个晶体生长技术爱好者，如果对硅晶体生长一无所知就不好意思自称懂晶体生长。但是本人只把硅当成一种普通的晶体材料，和其他晶体材料一样只研究它的晶体生长技术特点、材料的基本物理化学特性，至于它是用在半导体还是太阳能或其他方面则是另外一个专业范围讨论的问题。所幸的是本人亲手生长出了区熔单晶、Cz单晶和铸锭多晶，甚至还参与过区熔设备的设计和改进、铸锭炉的新方案设计；总之可以讲对各种硅晶体生长技术略知一二。 本博文只从纯粹的晶体生长技术角度和材料物化性能角度来分析一下的准单晶的可行性和必要性，引用到一些太阳能和半导体的相关知识。 本博主不是圣人，所论述的观点未必一定正确，只是想表达自己的理解和观点。可能是和主流观点相违背的，但是任何一件事能听见反对的声音未必不是一件好事。 硅晶体生长的几个主要技术 Cz这个方法大家一定都熟知了；目前有很多新技术新工艺，有兴趣的群众自己去查查资料。不管是理论还是实践都可以说是最成熟的。Fz技术用于长高纯的硅材料，如西门子法所用硅芯、电力半导体高纯硅材料；杂质、氧、碳含量极低。国内主要厂家是中环科技，技术掌握的相当好。中环科技是目前国内技术最完备的公司，拥有改良西门子多晶生产线、Fz单晶生产线、Cz单晶生产线和多晶铸锭生产线；产品横跨电力电子、微电子、太阳能、其他半导体。 EFG技术 GT solar公司产品，目前是国际上赫赫有名的肖特（Schott Solar ）公司在用它生产硅带。 定向凝固 该技术来自Crystal System的一个本来用来长硅铸锭单晶失败的设计；后来由Gt solar向一个中国客户（LDK）推广，也是全球第一个用户。LDK的成功吃螃蟹的经验，让一堆中国企业热血沸腾，所以GT的蓝宝石多晶铸锭炉热卖.(见笑看美国有一个技术神话的破灭） 当年开发该技术的初衷之一是看重该技术对原料的纯度要求低，俗称“吃杂粮”；克服电子级和太阳能级头尾料不易成晶的毛病，为头尾料寻找出路。 由于很好了利用了多晶之间的界面效应，多晶柱小尺寸同时生长可以更好的利用分凝效应排除杂质并利用界面效应容纳杂质；达到容忍更高杂质和电阻率均匀的目的。 多晶单晶的转化效率和光衰问题 一般认为单晶的效率大约比多晶高12%，目前号称的准单晶比单晶的效率小于0.5%。直拉单晶电池片衰减率在2%以上，而准单晶铸锭在0.5%以下。 这是什么原因造成的？ 我们先了解一下两种方法所用坩锅。硅单晶使用的是熔融石英坩锅，虽然目前大部分坩锅都采用了涂层来抗侵蚀，但是SiO2中氧还是大量熔入硅液从而进入晶体。铸锭多晶硅使用是陶瓷石英坩锅，使用氮化硅颗粒涂层用来做为脱模剂，带来的好处是可以避免黏结坩锅拉裂硅多晶锭、同时也避免了SiO2中的氧进入；带来的一个缺点引入了不熔杂质氮化硅，在成晶的时候有更过的晶核，基本不可能唯一晶核成晶。从原理上和大量的实验数据证明，杂质含量高决定了太阳能电池的效率相对会比较低；而在杂质存在的情况下氧含量高的硅材料光衰相对高。单晶硅电池的杂质含量相对低、但是氧含量相对多晶硅电池高，这就是为什么单晶硅电池效率相对高、光衰相对也高。而多晶硅电池材料杂质高、氧含量相对低、同时由于多晶的界面效应带来了更好的分凝排杂效应，多晶的效率相对单晶不是低太多、光衰更低。 单晶Vs准单晶/多晶生长条件分析问题一：硅是一种单晶结晶性能不太好的材料。实际生长过程中，材料不纯或温度梯度不合适，有时候引不出单晶（这种情况较少），即使引出单晶，很快会发生晶变（断棱）。 单晶生长过程中温度梯度调节最简便的办法是提高坩埚位置，或者适当降低保温罩的高度（尤其第一层保温罩高度）。还可降低盖板高度或升高盖板高度（要看盖板离加热器的距离而定），加大盖板孔或缩小盖板孔（看实际情况而定）。同时石墨器件在长时间生产中会老化，性能有所变化，也会使纵向温度梯度有所变化。加大氩气流量和多装料也可以改变纵向温度梯度. 那么准单晶要用什么纯度的材料？氮化硅的杂质如何避免？温度梯度如何实时调整？问题二：如何避免或减少籽晶所带来的缺陷？ 由于硅的结晶性能不好，也意味着晶体中的缺陷容易延伸、增殖。单晶生长利用“缩颈”排除引出单晶中的位错。 准单晶如何控制籽晶引入缺陷问题？问题三：径向电阻率均匀性的问题？单晶中径向杂质分布在单晶生长过程中既受分凝的影响，又受到蒸发和坩埚污染的影响。只有平坦生长界面，单晶边缘和中心部分的有效分凝系数才相等，杂质浓度一致，电阻率均匀。为使单晶生长界面平坦，在拉晶过程中，适当的改变拉晶速度，强烈搅拌熔体，加强熔体的对流和扩散，使熔体中杂质分布均匀，单晶径向电阻率均匀性提高。提高上下轴转速度，可使熔体搅拌加强；上轴或者下轴有规律的忽快忽慢的做匀加速或匀减速旋转，也可加强搅拌；上下轴做不同心的旋转（即所谓偏心拉晶），既加强搅拌，又改变了晶体和熔体的对称接触，可使径向电阻率均匀性大大改善。 准单晶生长过程，径向尺寸大大加大；同时失去多晶铸锭小晶柱生长带来的界面效应的优点，径向电阻率可能存在问题！问题四：平坦界面问题？ 平坦界面影响着影响着硅晶体的径向电阻率、晶体的热应力和防止晶变问题。 单晶生长合适晶体的转动对直拉硅单晶的生长非常有利。晶体旋转时，带动晶体附近的熔硅一起转动。晶体生长界面各处由转动产生的离心力不同，晶体中心离心力最小，边缘离心力最大，在离心力的作用下，熔体沿晶体半径向外流出，抑制了温度较高的熔体由于自然对流向晶体中心移动，由于温度和力学因素作用，单晶边缘生长较快，使单晶生长界面改变。通常情况下，随着晶体转速的增加，单晶生长界面形状由凸向熔体逐渐渐变平，再凹向熔体，因此，硅单晶生长过程中，适当的高速晶体转速，可以使单晶生长界面平坦。 准单晶意味着晶体更大的尺寸，和晶体径向效应有关的问题都会放大。而且为减少多核成晶的几率，准单晶基本不可能实现平界面生长。问题五：单晶收尾的问题。 单晶如果不采用收尾会带来什么问题我就不啰嗦了？可是准单晶意味着更大尺寸的单晶体的存在，会有什么问题？问题六：多晶铸锭氮化硅涂层带来的污染问题。 该问题和其他问题是相关联的，准单晶也一定是采用氮化硅涂层作为脱模剂同时隔绝SiO2的中氧的进入，不然由于坩埚和晶体黏粘一起会引起晶体的炸裂。（效率问题后面会讨论） 所以在准单晶中，和坩埚靠近的四周一圈的晶体一定是严重开裂或应力很大的的多晶，不具备加工型。由于中心杂质只能在这一圈聚集，包括氮化硅等不杂质浓度奇高；可能这些原料都不能直接用于多晶铸锭了，甚至要报废。目前准单晶也只号称自己是9块或16块锭能用，我们先姑且不考虑以上六个问题引起的这些锭是否100%可用。 单晶和准单晶的材料利用效率问题不管是HEM或是后来的铸锭炉，本质上是属于坩锅下降法系列晶体生长方法，本身有不可克服的缺点（具体见神坛上的美国蓝宝石晶体生长设备分析和论述）；其中有不宜用于负膨胀系数的材料，以及液体密度大约固体密度的材料；也由于坩埚作用，容易形成应力，寄生成核和污染。等等问题，以上描述了，我们来看看准单晶原料的利用率问题一般认为电池组件的利用率上，直拉单晶硅的硅棒呈圆柱状，制作的太阳能电池片需将四周切掉，组成的电池组件成品率为50%左右，而多晶铸锭为方形铸锭，制作电池片的切片也是直角方形，组成的电池组件成品率约为65%。那么本身准单晶理论最高的利用率是多少？首先，取料系数9块的为0.36（9/25），取料系数16块的为0.44（16/36）；同时都是理论上认为不考虑上面所述的六大问题，认为100%能用；再加上其他损耗，准单晶的原料利用率我都不好意思算了，绝对0.3以下.更为关键的准单晶的边角料基本属于报废，我看用于铸锭都用不了！ 单晶？多晶？准单晶？ 个人认为准单晶失去了吃“杂粮”的优势，失去了原料利用率高的优势，而且低的不是一点两点，效率还低于单晶，还有其他细节问题就不一一罗列了，请大家自己思考！目前，都在偷换概念，把能用的准单晶的利用率和效率，和其他方案总的综合效率做比较，看起来才不错。 准单