关于单晶硅拉制吊渣工艺的研究
2020-07-16廉佳林
廉佳林， 董 皓
(山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治 046000)
引 言
随着国家“领跑者”项目的推进，代表着高效、完美、科技的单晶电池片越来越受到市场的青睐，单晶电池片的高效离不开“纯净完美”的单晶硅棒。
单晶硅是将多晶硅熔化，并在特定的气氛、精准的温度、合理的热场中由晶种引导拉制而成。随着科技的发展，虽然生产零位错的单晶早已不是问题，但在CZ单晶硅生长过程中，插入形原子、杂质原子等都对高品质单晶硅的生产造成严重影响，甚至导致无法成晶，对单晶硅的拉制工作造成很大的影响。
单晶硅在生产过程中对环境的要求非常高(光伏级的原生硅纯度达99.9999%[1])，在实际的生产中，任何其他杂质的引入/产生都会对单晶硅的生长造成影响，甚至造成无法成晶。本文主要对在拉晶过程中如何去除杂质及去除工艺进行研究。
1 理论部分
1.1 硅汤中主要杂质
在CZ法单晶硅生长过程中，与硅直接接触的只有石英坩埚，且存在式(1)～式(3)反应。
SiO2+ Si → 2SiO(g)
(1)
SiO2(s)→Si(l)+2O
(2)
O+Si(l) →SiO(g)
(3)
其中，反应(1)主要发生在化料阶段，反应(2)和反应(3)主要在化料完成后，SiO在常温常压下为黑棕色至黄土色无定形粉末，在高温状态下由于在硅汤中的熔点很小，所以大部分会随气流带出，但是遗留下来的就会对晶体生长造成严重影响。
1.2 硅汤的流动状态
在CZ系统里的流体运动，主要有5种基本形态[2]：①温度造成的自然对流；②表面张力对流；③晶体提拉造成的强迫对流；④晶体旋转造成的强迫对流；⑤坩埚旋转造成的强迫对流。具体见图1。
图1 CZ系统中流体运动状态
在以上5种对流形态的作用下，CZ系统里的的实际流通变得相当复杂。
1.3 吊渣的原理
1) 因为SiO在硅汤中以气态的形式存在，气态在遇冷后会发生“冷凝”反应，因此我们通过将冷的固态硅(通常使用吊肩部分)块放进硅汤中，来作为“冷源”，使硅汤中的气态杂质发生冷凝，同时吸附在“冷源”上，再将“冷源”提出，从而达到去除的目的。这个过程称为“冷凝吸附”。
当压强一定时，气体的溶解度随着温度的降低而增加，这一点对所有的气体都适用，在CZ系统中，“冷源”在进入硅汤后，会在周围形成低温区，低温区的SiO气体溶解度会增加，同时伴随着温差引起的自然对流，可使硅汤中的SiO气体迅速聚集在低温区(以下称为冷区)，见第19页图2。
图2 冷源进入后的流体运动
2) 在旋转的流体中，当有一个固态物体时，会在物体下方形成一个“刚化”的流体柱，这一现象由英国科学家G.I.Taylor在1923年提出并证实，这个“刚化”的流体柱称为泰勒柱，见图3。由于坩埚旋转和“冷源”的进入，在硅汤中会形成泰勒柱，而泰勒柱的存在对“冷源”附近的流动起到稳定的作用，使得进入冷区的SiO气体进一步聚集。
图3 泰勒柱的运动
3) 在稳定的泰勒柱中，随着温度的升高，冷区的SiO气体溶解度变小，在冷源底部析出。在实际的生产中，也发现了冷源底部冒泡的情况。
2 试验部分
2.1 试验设备
FERROTEC95炉； 热场：自主设计热场。
2.2 试验方法
根据理论与生产实际相结合，给出一组参数(RECIPE1，见表1)，在单晶拉制前期放肩进行吊渣测试，统计10炉数据，并对吊渣进行保留对比。
表1 RECIPE1
在RECIPE1的基础上，根据炉台控制范围针对各个参数给出10个调整范围，见表2。
在现有70台炉台中挑选50台稳定炉台进行测试，从功率开始逐一变动，选取最佳之后固定参数，再进行下一个参数的变动，再进行10炉测试，对吊渣与成晶情况进行分析对比。
表2 根据炉台参数范围设定的试验参数
3 结果及讨论
吊渣成功与否除了查看吸附上来的杂质量，更直观地参照是炉台的成晶率和整棒率，因此把成晶率设定为对比考证依据的主要参考值。
3.1 功率变化对吊渣的影响
根据实验数据，当功率在80 kW以上时，吊渣进入硅汤后很快熔化，起不到任何吊渣的作用。从图4数据结果可以看出，吊渣功率控制在65 kW时，可以取得比较理想的效果。
图4 吊渣功率变化对吊渣效果的影响
3.2 冷却时间对吊渣的影响
在65 kW功率基础上，通过对冷源冷却时间的控制，实验结果见图5。冷却在15 min以上时，效果基本一致。
图5 冷却时间对吊渣效果的影响
3.3 埚转对吊渣的影响
在65 kW功率，冷源冷却15 min的基础上，通过调整吊渣时埚转速度，得出在4 r/min速度下，吊渣效果最好，具体见第20页图6。
3.4 晶转对吊渣的影响
在65 kW功率，冷源冷却15 min，埚转4 r/min速度下，再对不同晶转进行实验，结果如第20页图7，表明2 r/min的速度是最理想的。
图6 埚转对吊渣效果的影响
图7 晶转对吊渣效果的影响
3.5 提拉速度对吊渣的影响
在之前的实验基础上，对不同提拉速度进行测试，发现在50 mm/min的提拉速度下，杂质能更好地吸附并被冷源带出，见图8。
图8 提拉速度对吊渣效果的影响
4 结论
根据实验结果，确定了适合我公司炉台与热场的吊渣工艺(RECIPEX)，其对应的参数见表3。
表3 RECIPEX对应的参数
之后进行了秘密测试，在生产中选取由普通拉晶工承包的10台炉子(实验组)进行试验，同时暗中选取对比组1和组2，作为参照，在持续跟踪4个月后，得出了以下数据(表4，数据中已经排除非常明确的人为异常与事故)。
表4 分类实验结果
从结果可以看出，合理的吊渣工艺对现场生产的提升非常明显，即便是普通拉晶工在正确的工艺引导下，仍然可以取得较好拉晶效果，实验取得了满意效果。
