CCz连续直拉单晶简介

1、CCZ技术简介要得到优质晶体，在晶体生长系统中必须建立合理的温度分布，在单晶炉的炉膛内存在不同的介质，如熔体、晶体以及品体周围的气氛等。不同的介质具有不同的温度，就是在同一介质内，温度也不是均匀分布的，炉膛内的温度是随空间位置而变化的。 晶体生长过程中最理想的是炉内温场不随时间而变化；即温度分布与时间无关，这样的温场称稳态温场。而实际生长过程中，炉膛中的温场随时间而变化，也就是炉内的温度是空间和时间的函数，这样的温场称为非稳温场。根据晶体生长方式不同，当前制备单晶硅技术主要分为悬浮区熔法（FZ法）和直拉法（CZ法）两种，直拉法相对来说成本更低，生长速率较快，更适合大尺寸单晶硅棒的拉制，目前我国

2、90%以上的太阳能级单晶硅通过直拉法进行生产，预计今后仍将大比例沿用。Fz区熔硅CZ直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放置在石英坩埚中加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长，并随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成晶棒。CZ是从熔体中生长晶体的一种常用方法，属于保守系统，它要求晶体一致共熔，其主要优点在于它是一种直观的技术，可以在短时间内生长出大而无位错的单晶。优点：1. 便于精密控制生长条件，可以较快速度获得优质大单晶；2. 可以使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取向的单晶体；3. 可以方便地采用“回熔”和“缩颈”工艺，以降低晶体中

3、的位错密度，提高晶体的完整性；4. 可以在晶体生长过程中直接观察生长情况，为控制晶体外形提供了有利条件；缺点：1. 一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染；保温材料和发热体材料杂质也属于这类污染；2. 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难；3. 不适合生长冷却过程中存在固态相变的材料；4分凝系数导致溶质分布不均匀或组分不均匀；5. 随着生长过程的进行，坩埚中熔体液面会不断下降，坩埚内壁逐渐地裸露出来。由于埚壁的温度很高，因而对晶体、熔体中的温场影响很大，甚至发生界面翻转。6.分凝系数是动态的；最初的直拉法是分批直拉法（BatchCzochralski），一个坩埚只能拉制一根晶棒，

4、并且在拉制完以后坩埚因冷却破裂而无法重复使用。目前单晶硅工业生产多采用RCZ多次拉晶技术（RechargedCzocharlski），是在分批直拉法的基础上给设备增加加料装置改进而来。RCZ法在每次拉制完硅晶棒以后使坩埚保持高温，并通过加料装置将多晶硅颗粒原料加入到坩埚内剩余的硅熔液中熔化，用于下次晶棒拉制。由于RCZ法不会像分批直拉法那样因冷却坩埚而导致坩埚破裂，使得坩埚的多次利用成为可能。当前，业界主流应用的全部为RCz多次拉晶技术。无论是分批拉制法还是RCZ法，坩埚内硅熔液都会随着单晶硅棒的拉制而变少，引起液面下降，造成拉制环境中热动力环境的不稳定，易引起拉制单根硅晶棒性质的不均一。当一

5、根拉制完的晶体在闸门中冷却时，下次拉制的硅原料通过加料管被添加到坩埚中剩余的硅熔液中。因此硅料的添加在晶体冷却时完成。然而进行下一次拉制前必须要等待单硅晶棒在闸门室中冷却完毕并移除，造成了RCZ法工业生产的低效率。连续Czochralski（CZZ）是RCZ过程的高级版本。在CZZ过程中，多晶硅连续进料，同时进行晶棒拉制。CCz可以很好的解决坩埚溶液液面下降带来的问题建立一个接近稳态的温场；同时可以固定分凝系数解决溶质分布不均或组分分布不均的问题。带来的问题是由于时间更长坩埚、保温材料和发热体的污染更严重；带入的有害溶质的积累和分布不均问题；设备系统更为复杂可靠性下降。有害杂质的分凝系数无法考

6、虑。CCz一定要采用双坩埚结构或类似双坩埚的结构来减少由于补充溶剂溶质注入带来的对生长界面的影响；带来成本的大幅度增加，更多几率的其他有害杂质的引入。CCZ的单晶炉上装有储存颗粒硅原料的漏斗，并与一个振动给料器相连。CCZ使用的坩埚为双层坩埚，颗粒硅通过加料器加入到外层坩埚内，石英挡板能够有效隔绝加料引起的熔液扰流，防止内层坩埚的拉制过程受到加料过程影响。保持稳定的温度梯度和低杂质水平更具挑战性。为了降低身体湍流，CZ需要粒状多晶硅作为原料。CCZ直拉法晶棒拉制（等径生长流程）与加料熔化同时进行，省去了单晶棒冷却的时间，大大提升了工业生产效率。在坩埚所允许的寿命周期内可完成8-10根的晶棒拉制

7、，而RCZ目前仅可完成4-5根拉制。CCZ连续直拉法最大的优势为效率优势，生产效率可以达到RCz的1.4倍以上，单位电耗降低20%以上，因而其单晶加工成本较目前RCz低30%。CCz产出的晶棒品质更佳，电阻率更加均匀、分布更窄，更加适用于P型PERC电池工艺及更加高效的N型电池工艺，从而更有利于高功率组件产出。基于效率、品质、成本等多重因素考量，CCz连续直拉单晶技术将逐渐替代现有RCz技术。目前存在的问题CCZ直拉法生产成本的降低依赖于坩埚寿命的延长。目前国产的石英坩埚寿命在250小时左右，一定程度上限制了CCZ方法达到理论最佳的生产效率（一次拉8-10根）。国外的石英坩埚寿命可达500小时

8、左右，但是售价昂贵，约三万美元一只。因此CCZ直拉法的大规模工业应用需要与国内企业合作，提升国产坩埚的使用寿命。CCZ所用熔液质量很大一部分取决于熔液表面温度。此外，随着提拉速度的提升，熔液-晶体的界面会产生更多的热量。因此控制熔液表面温度控制和热传导的技术也是限制CCZ效率进一步提升的因素之一。在CCZ工业应用时，企业需要设计出良好解决方案来应对这一问题。2017年4月，保利协鑫曾公告称完成了对SunEdison（美商休斯电子材料公司(MEMC Electronic Materials Inc）第五代CCz连续直拉单晶、FBR硅烷流化床法技术及资产的收购。历经一年时间的吸收、优化、整合，保利协鑫已成为全球唯一一家同时拥有FBR和CCz两项先进技术的公司。由于FBR的高品质颗粒硅产品可作为CCz的最佳用料，两项技术形成优势互补，达到了1+12的技术协同效果。这种高技术壁垒、高价值附加的