多晶硅鑄錠原料中重?fù)搅系挠绊?/h1>
2017-11-06 01:59:19唐中華屠晨坤陳聲斌
河南科技 2017年17期
唐中華 何 鵬 屠晨坤 陳聲斌
多晶硅鑄錠原料中重?fù)搅系挠绊?/p>
唐中華1何 鵬1屠晨坤2陳聲斌1
（1.南京三樂(lè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院，江蘇 連云港 222006）
多晶硅鑄錠中需要用到原生多晶硅、碎片、邊皮等一系列的多種硅料，而這些硅料中如果存在重?fù)搅希瑫?huì)降低硅錠預(yù)期電阻率，影響硅錠品質(zhì)。如果將重?fù)搅蠙z測(cè)出并去除，便能夠?qū)⒍嗑Ч桢V電阻率按生產(chǎn)要求控制在1～3Ω·cm，并使多晶硅錠電阻率符合預(yù)定規(guī)律。
多晶硅鑄錠；重?fù)?；電阻?/p>
在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)中，多晶硅鑄錠爐是最為重要的設(shè)備之一。多晶硅錠爐將高純度硅融合后調(diào)成太陽(yáng)能電池的化學(xué)組成成分，并將熔體通過(guò)長(zhǎng)晶凝固技術(shù)制成高品質(zhì)硅錠，然后將其切片后，供太陽(yáng)能使用［1］。
電阻率、少子壽命、碳氧含量是多晶硅錠的主要電學(xué)指標(biāo)，其中電阻率就需要結(jié)合各種原料自身的電阻率進(jìn)行計(jì)算，而原料中極少量的重?fù)搅蠀s能影響整個(gè)多晶硅錠的電阻率，本文主要研究多晶硅鑄錠過(guò)程中重?fù)搅系挠绊懀?］。
1 原料中重?fù)焦枇蠈?duì)多晶硅錠電阻率的影響
1.1 原料中重?fù)搅嫌绊懙睦碚摲治?/p>
在多晶硅鑄錠配料過(guò)程中，母合金具有很高的硼含量（硼含量越高電阻率越低），其屬于低電阻的重要原料。在配料過(guò)程中，對(duì)于規(guī)格、電阻率固定的母合金，可以通過(guò)改變母合金重量來(lái)調(diào)整P型多晶硅錠整體中的硼含量，以此控制P型多晶硅錠整體的電阻率。母合金過(guò)量會(huì)導(dǎo)致硅錠電阻率偏低，母合金過(guò)少也會(huì)導(dǎo)致硅錠電阻率偏高。因此，當(dāng)其他原料的電阻值都已明了的情況下，母合金的重量對(duì)于多晶硅整體的電阻率起到舉足輕重的作用，母合金用量要嚴(yán)格把控。一般情況下，電阻率ρ小于0.5Ω·cm的為重參料，由于原料中重參料的重量很難掌握且電阻率范圍不固定，重參料的存在嚴(yán)重影響對(duì)多晶硅鑄錠配料中母合金重量把控，甚至最終影響硅錠整體的電阻率。
在計(jì)算母合金用量時(shí)，要詳細(xì)了解各個(gè)原料的電阻率、配料中各個(gè)原料的重量，根據(jù)各個(gè)原料的不同參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、核對(duì)，再?zèng)Q定母合金用料多少。
母合金使用重量的詳細(xì)計(jì)算如公式（1）-（7）：
式中：N為硼含量，ρ為電阻率。
則原料中的硼含量的總和為：
其中M為x硅料的重量（x可以是原生料、邊皮、碎片等原料），NPx為P型x硅料的硼含量。
假設(shè)計(jì)劃生產(chǎn)的P型多晶硅錠質(zhì)量為m錠，硅錠的目標(biāo)電阻率為ρ錠，則P型多晶硅錠中所需的硼濃度為：
多晶硅錠中需要的硼含量為：
則通過(guò)母合金給硅錠補(bǔ)充的硼含量為：
而母合金的中硼濃度為：
則鑄錠中投入的母合金重量為：
根據(jù)以上公式進(jìn)行計(jì)算，正常料的電阻為1～3Ω·cm，由于硼在硅中的分凝系數(shù)大約為0.8，成型的多晶硅錠底部電阻要求小于3Ω·cm，底部電阻率大于1Ω·cm。以其多晶硅錠的中間電阻2Ω·cm為例，其硼含量約6.38×1014個(gè)/cm3；而以重?fù)搅仙舷揠娮杪?.5Ω·cm為例，其硼含量約2.55×1015個(gè)/cm3，是正常料硼含量的20倍，如果重?fù)搅系碾娮韪?，其硼含量是正常料硼含量的?shù)十倍、數(shù)百倍，甚至更高，如果對(duì)重參料的電阻率和重量不知情的情況下，鑄錠使用的母合金重量m母合金會(huì)比需要值偏大。因此，如果有重?fù)搅洗嬖?，即使其比例極小，但如將其忽視，會(huì)使硅料中硼含量嚴(yán)重超過(guò)計(jì)算值，使鑄錠所得的硅錠電阻率降低，嚴(yán)重影響多晶硅錠整體的電阻率。
針對(duì)原料中重?fù)搅洗嬖诘默F(xiàn)象，需要原料分別測(cè)試、分辨，檢驗(yàn)出重?fù)搅喜⒅負(fù)搅咸蕹鲈?，使所用原料電阻值都在正常值范圍?nèi)（正常值1～3Ω·cm）。
1.2 重?fù)搅显谏a(chǎn)中的影響
隨機(jī)抽取一次投爐的硅料進(jìn)行檢測(cè)，使用硅料電阻測(cè)試儀對(duì)硅料逐一進(jìn)行鑒別和測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)一次性投爐的500kg硅料中含有少量的重?fù)搅稀?/p>
由于原料中有重?fù)降拇嬖?，硅料中硼的含量超過(guò)計(jì)算值，鑄錠所得的硅錠電阻率降低，影響了硅錠的質(zhì)量。對(duì)一次所用料進(jìn)行檢測(cè)后，將檢測(cè)出的重?fù)搅戏Q重結(jié)果有38.2g，去掉紙張重量0.2g，重?fù)搅瞎灿?jì)38g，約占整個(gè)投爐硅料重量的0.007 6%。
對(duì)檢測(cè)出來(lái)的重?fù)搅鲜褂盟奶结橂娮杪蕼y(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，大多數(shù)的重?fù)焦枇系碾娮杪始s為0.003～0006Ω·cm。
重?fù)搅系呐鸷恳日Ａ系呐鸷扛叩枚啵Ａ系碾娮铻?～3Ω·cm，以中心電阻率數(shù)值2Ω·cm為例，則正常料的硼含量 N正常值=6.38×1014個(gè)/cm3；以電阻率0.005Ω·cm的重?fù)搅蠟槔?，其硼含量N重?fù)街?2.55×1017個(gè)/cm3，其硼含量大約為正常料硼含量的3 000倍。這就使硅料的中硼含量遠(yuǎn)超預(yù)期計(jì)算值。
實(shí)際生產(chǎn)中，由于檢測(cè)設(shè)備未能及時(shí)購(gòu)買(mǎi)使用，幾次鑄錠中將未經(jīng)過(guò)重?fù)綑z測(cè)的原料進(jìn)行鑄錠，硅錠開(kāi)方檢測(cè)后的結(jié)果如表1所示。
表1 含有重?fù)搅系墓枇翔T錠后的參數(shù)
從表1可以看出，含重?fù)搅翔T錠后電阻率嚴(yán)重低于正常值（正常值為1～3Ω·cm），比正常值低0.4～0.6Ω·cm，甚至有的整塊硅錠電阻率都小于1Ω·cm，只有0.7～0.9Ω·cm，最終導(dǎo)致硅錠的收益率為0（收益率=合格硅塊的重量/整錠重量）。雖然鑄錠中摻入0.003～0.006Ω·cm重?fù)搅系闹亓恐徽荚峡傊氐?.0076%，但其依舊能降低硅錠電阻率。
如表2所示，對(duì)去除重?fù)降脑线M(jìn)行鑄錠，硅錠開(kāi)方檢測(cè)后，硅錠的電阻率都處于正常值范圍（正常值為1～3Ω·cm），多晶硅錠的收益率都在62%以上（收益率=合格硅塊的重量/整錠重量），符合客戶和市場(chǎng)的質(zhì)量要求。
表2 去除重?fù)降墓枇翔T錠后的參數(shù)
經(jīng)過(guò)實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，含有重?fù)搅系脑显阼T錠中會(huì)使多晶硅錠的整體電阻率降低，在硅料使用之前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，去除其中的重?fù)搅稀?/p>
2 結(jié)論
本文通過(guò)實(shí)踐生產(chǎn)得出：硅料中的重?fù)搅蠒?huì)降低鑄錠的電阻率，電阻率0.003～0.006Ω·cm的重?fù)搅霞词怪徽艰T錠原料重量的0.007 6%，但其依舊能使整個(gè)多晶硅錠電阻率降低0.4～0.6Ω·cm，如果將重?fù)搅蠙z測(cè)出并去除，便能夠?qū)⒍嗑Ч桢V電阻率按生產(chǎn)要求控制在1～3Ω·cm。
［1］劉超，黃杰.對(duì)多品硅鑄錠爐生產(chǎn)工藝控制技術(shù)的研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（26）：137.
［2］唐中華.多晶硅半熔鑄錠工藝研究［J］.科研，2016（1）：198-199.
Effect of Heavy Dosing in Polycrystalline Silicon Ingot
Tang Zhonghua1He Peng1Tu Chenkun2Chen Shengbin1
（Nanjing Sanle Group Co.,Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000；Kangda College of Nanjing Medical University，Lianyungang Jiangsu 222006）
Polysilicon ingots need to use the original polysilicon,debris,edge skin and a series of a variety of silicon material,and these silicon material if there is heavy material,will reduce the expected resistance of silicon ingot,affecting the quality of ingot.If the heavy admixture is detected and removed,the resistivity of the polycrystalline silicon ingot can be controlled at 1～3Ω·cm according to the production requirement and the resistivity of the polycrystalline silicon ingot conforms to the predetermined law.
polycrystalline silicon ingot；heavy doping；resistivity
TM914.4
A
103-5168（2017）09-0143-02
2017-08-03
唐中華（1988-），男，碩士，工程師，研究方向：多晶硅鑄錠技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究。
陳聲斌（1963-），男，中專，中級(jí)工程師，研究方向：多晶硅鑄錠技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究。
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唐中華 何 鵬 屠晨坤 陳聲斌
多晶硅鑄錠原料中重?fù)搅系挠绊?/p>
唐中華1何 鵬1屠晨坤2陳聲斌1
（1.南京三樂(lè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院，江蘇 連云港 222006）
多晶硅鑄錠中需要用到原生多晶硅、碎片、邊皮等一系列的多種硅料，而這些硅料中如果存在重?fù)搅希瑫?huì)降低硅錠預(yù)期電阻率，影響硅錠品質(zhì)。如果將重?fù)搅蠙z測(cè)出并去除，便能夠?qū)⒍嗑Ч桢V電阻率按生產(chǎn)要求控制在1～3Ω·cm，并使多晶硅錠電阻率符合預(yù)定規(guī)律。
多晶硅鑄錠；重?fù)?；電阻?/p>
在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)中，多晶硅鑄錠爐是最為重要的設(shè)備之一。多晶硅錠爐將高純度硅融合后調(diào)成太陽(yáng)能電池的化學(xué)組成成分，并將熔體通過(guò)長(zhǎng)晶凝固技術(shù)制成高品質(zhì)硅錠，然后將其切片后，供太陽(yáng)能使用［1］。
電阻率、少子壽命、碳氧含量是多晶硅錠的主要電學(xué)指標(biāo)，其中電阻率就需要結(jié)合各種原料自身的電阻率進(jìn)行計(jì)算，而原料中極少量的重?fù)搅蠀s能影響整個(gè)多晶硅錠的電阻率，本文主要研究多晶硅鑄錠過(guò)程中重?fù)搅系挠绊懀?］。
1 原料中重?fù)焦枇蠈?duì)多晶硅錠電阻率的影響
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在多晶硅鑄錠配料過(guò)程中，母合金具有很高的硼含量（硼含量越高電阻率越低），其屬于低電阻的重要原料。在配料過(guò)程中，對(duì)于規(guī)格、電阻率固定的母合金，可以通過(guò)改變母合金重量來(lái)調(diào)整P型多晶硅錠整體中的硼含量，以此控制P型多晶硅錠整體的電阻率。母合金過(guò)量會(huì)導(dǎo)致硅錠電阻率偏低，母合金過(guò)少也會(huì)導(dǎo)致硅錠電阻率偏高。因此，當(dāng)其他原料的電阻值都已明了的情況下，母合金的重量對(duì)于多晶硅整體的電阻率起到舉足輕重的作用，母合金用量要嚴(yán)格把控。一般情況下，電阻率ρ小于0.5Ω·cm的為重參料，由于原料中重參料的重量很難掌握且電阻率范圍不固定，重參料的存在嚴(yán)重影響對(duì)多晶硅鑄錠配料中母合金重量把控，甚至最終影響硅錠整體的電阻率。
在計(jì)算母合金用量時(shí)，要詳細(xì)了解各個(gè)原料的電阻率、配料中各個(gè)原料的重量，根據(jù)各個(gè)原料的不同參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、核對(duì)，再?zèng)Q定母合金用料多少。
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假設(shè)計(jì)劃生產(chǎn)的P型多晶硅錠質(zhì)量為m錠，硅錠的目標(biāo)電阻率為ρ錠，則P型多晶硅錠中所需的硼濃度為：
多晶硅錠中需要的硼含量為：
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則鑄錠中投入的母合金重量為：
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針對(duì)原料中重?fù)搅洗嬖诘默F(xiàn)象，需要原料分別測(cè)試、分辨，檢驗(yàn)出重?fù)搅喜⒅負(fù)搅咸蕹鲈?，使所用原料電阻值都在正常值范圍?nèi)（正常值1～3Ω·cm）。
1.2 重?fù)搅显谏a(chǎn)中的影響
隨機(jī)抽取一次投爐的硅料進(jìn)行檢測(cè)，使用硅料電阻測(cè)試儀對(duì)硅料逐一進(jìn)行鑒別和測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)一次性投爐的500kg硅料中含有少量的重?fù)搅稀?/p>
由于原料中有重?fù)降拇嬖?，硅料中硼的含量超過(guò)計(jì)算值，鑄錠所得的硅錠電阻率降低，影響了硅錠的質(zhì)量。對(duì)一次所用料進(jìn)行檢測(cè)后，將檢測(cè)出的重?fù)搅戏Q重結(jié)果有38.2g，去掉紙張重量0.2g，重?fù)搅瞎灿?jì)38g，約占整個(gè)投爐硅料重量的0.007 6%。
對(duì)檢測(cè)出來(lái)的重?fù)搅鲜褂盟奶结橂娮杪蕼y(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，大多數(shù)的重?fù)焦枇系碾娮杪始s為0.003～0006Ω·cm。
重?fù)搅系呐鸷恳日Ａ系呐鸷扛叩枚啵Ａ系碾娮铻?～3Ω·cm，以中心電阻率數(shù)值2Ω·cm為例，則正常料的硼含量 N正常值=6.38×1014個(gè)/cm3；以電阻率0.005Ω·cm的重?fù)搅蠟槔?，其硼含量N重?fù)街?2.55×1017個(gè)/cm3，其硼含量大約為正常料硼含量的3 000倍。這就使硅料的中硼含量遠(yuǎn)超預(yù)期計(jì)算值。
實(shí)際生產(chǎn)中，由于檢測(cè)設(shè)備未能及時(shí)購(gòu)買(mǎi)使用，幾次鑄錠中將未經(jīng)過(guò)重?fù)綑z測(cè)的原料進(jìn)行鑄錠，硅錠開(kāi)方檢測(cè)后的結(jié)果如表1所示。
表1 含有重?fù)搅系墓枇翔T錠后的參數(shù)
從表1可以看出，含重?fù)搅翔T錠后電阻率嚴(yán)重低于正常值（正常值為1～3Ω·cm），比正常值低0.4～0.6Ω·cm，甚至有的整塊硅錠電阻率都小于1Ω·cm，只有0.7～0.9Ω·cm，最終導(dǎo)致硅錠的收益率為0（收益率=合格硅塊的重量/整錠重量）。雖然鑄錠中摻入0.003～0.006Ω·cm重?fù)搅系闹亓恐徽荚峡傊氐?.0076%，但其依舊能降低硅錠電阻率。
如表2所示，對(duì)去除重?fù)降脑线M(jìn)行鑄錠，硅錠開(kāi)方檢測(cè)后，硅錠的電阻率都處于正常值范圍（正常值為1～3Ω·cm），多晶硅錠的收益率都在62%以上（收益率=合格硅塊的重量/整錠重量），符合客戶和市場(chǎng)的質(zhì)量要求。
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polycrystalline silicon ingot；heavy doping；resistivity
TM914.4
A
103-5168（2017）09-0143-02
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