《铸锭培训教材》PPT课件.ppt

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1、多晶铸锭培训教材,多晶铸锭车间,硅材料相关产业链,多晶硅材料相关产业链产品,多晶硅产业简介,一、多晶硅概述 硅材料是半导体工业中最重要且应用最广泛的元素半导体材料，是微电子工业和太阳能光伏工业的基础材料。它具有元素含量丰富、化学稳定性好、无环境污染等优点，又具有良好的半导体材料特性。硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，应用于太阳能电池工业领域的硅材料包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶硅，它们有各自的优缺点，其中直拉单晶硅和铸造多晶硅应用最为广泛，占太阳能光电材料的90%左右。高纯多晶硅是制备单晶硅和铸造多晶硅的原料，也是半导体和太阳能光伏产业的物质基础。

2、按纯度可分为冶金级太阳能级和电子级：（1）冶金级硅：即金属硅，呈多晶状态，纯度一般在95%-99%。对于半导体工业而言，杂质含量太多，主要为C、B、P等非金属杂质和Fe、Al等金属杂质，所以它只能作为冶金工业的添加剂。（2）太阳能级硅(SG)：纯度介于冶金级硅和电子级硅之间，纯度一般为99.99%-99.9999%。（3）电子级硅(EG)：纯度一般要求在99.9999%之上，超高纯达到99.9999999%-99.999999999%。二、多晶硅的制取方法 目前国际上采用的方法主要有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。,1、改良西门子法,改良西门子法也就是三氯氢硅氢还原法(SIHCL3)。该方法

3、是当今生产高纯多晶硅最为主流的工艺，其优点是具有相对安全性、相对良好、沉积速率和一次转化率较高，产品纯度较高，同时可适用于连续稳定运行的运行等优点，所以称为搞纯度多晶硅生产的首选生产技术，目前国际上大部分多晶硅工厂都是采用了西门子法。它是用氯和氢合成氯化氢，再用氯化氢和工业硅粉在一定温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。,第三代西门子多晶硅生产工艺流程图,2.硅烷法 硅烷法也叫硅烷热分解法它是以氟硅酸、钠、铝、氢气为主要原辅材料，通过SICL4氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取硅烷（SIH4）,然

4、后将硅烷气提纯后通过SIH4热分解生产纯度较高的棒状多晶硅。硅烷法与西门子法很相似，只是中间产品部同，改良西门子的中间产品是SIHCL3;而硅烷法的中间产品是SIH4。硅烷法存在成本高、硅烷易爆炸、安全性低等缺点。,SICL4氯气,氢化料分离,SIH2CL2、SIHCL3分离提纯,SICL4、SIH2CL2、SIHCL3分离提纯,超纯硅,SICL4反应器,再分离反应器,再分配反应,SICL4,SIH2CL2 SIHCL3,工业硅,H2补充,SICL4,SICL4,H2,SICL4,SICL4,SIH2CL2,SIHCL3,SIHCL3,SIHCL3,SIHCL3,SICL4,SIH2CL2,S

5、IH2CL2,SIH2CL2,硅烷热分解法制取多晶硅流程图,3、流化床法,该方法是美国联合碳化合物公式早年研发制备多晶硅的工艺技术，它是以SICL4(或SIF4)、H2、HCL和冶金硅为原料，在高温高压流化床（沸腾床）内生成SIHCL3，将SIHCL3再进一步歧化加氢反应成SIHCL2，继而生成SIH4气。将制得的SIH4气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。由于在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大，故该方法生产效率高、电耗较低、成本低。但也有安全性较差、生长速率较低、产量低等缺点。目前采用该方法生产颗粒状多晶硅的公司主要有：REC、Wacker、Heml

6、ock和MEMC公司等。,单晶体与多晶体,大家知道，固体分为晶体和非晶体，而晶体又可以分为单晶体和多晶体。生活中，我们所吃的食盐的主要成分氯化钠（NaCl）就是一种常见的单晶体，其颗粒一般都是小立方体。此外，常见的雪花、天然水晶、单晶冰糖等都是单晶体；而飞落到地球上的陨石、石头、金属、陶瓷等则是多晶体，其主要成份是由长石等矿物晶体组成的，它的形状一般是不均匀的。那么究竟什么是单晶体，什么又是多晶体呢？单晶体是指在整个晶体内原子都按周期性的规则排列，而多晶体是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可以看成是由许多取向不同的小单晶体（

7、又称为晶粒）组成的。,硅原子,晶体,非晶体,单晶与多晶,正确认识硅料的属性,1、硅及其化合物的性质 怎样正确认识我们的硅料？这要先从硅的性质谈起。硅（台湾、香港称矽）是种非金属元素，它的化学符号是Si。原子序数14，相对原子质量28.09。硅以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界中，是构成地球上矿物界的主要元素。在地壳中的丰度为27.7，在所有的元素中居第二位。地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅SiO2,占地壳总质量的87。我们脚下的泥土、石头和沙子，我们使用的砖、瓦、水泥、玻璃和陶瓷等等，这些我们在日常生活中经常遇到的物质，都是硅的化合物。硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为

8、单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，呈暗黑蓝色，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。硅的化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。无论硅还是二氧化硅都是非常稳定的化学物质，无毒，无放射性。2、硅料有没有毒、放射性？什么是有毒物？所谓有毒物的定义，一般是指，在日常接触条件下，较小剂量进入机体后，能与生物体之间发生化学或物理化学作用，导致机体组织细胞代谢、功能和形态结构损害的化学物质。毒物造成机体损害的能力称为毒性。我们平常见到的“剧毒”、“低毒”等实际上就是指毒物的毒性。按WHO急性毒性分级标准，毒物的毒性分级为：剧毒

9、、高毒、中等毒、低毒、微毒。我们公司主要原材料为多晶硅和单晶硅，这两种高纯度硅是不存在任何毒性和放射性的；我们辅助材料或者硅料中的杂质多为二氧化硅和碳化硅，都是稳定的物质。如同泥土、石头、沙子，我们使用的砖、瓦一样没有任何毒性或放射性。,3、辩证认识、规范作业 从某种意义上讲，自然界并不存在绝对有毒或绝对无毒的物质。如：砒霜、汞化物、蛇毒等，大家都知道的毒物，如果在低于中毒剂量时使用，便可作为临床治疗某些疾病的药物使用；而我们赖以生存的氧气，如果以高浓度超过正常需要进入体内，也会发生氧中毒。我们的原材料及辅助材料没有毒性和放射性，这并不是说我们工作中就可以不讲规范。在我们个别工序中还是要注意安

10、全生产。比如酸洗过程中注意不让酸液侵蚀到我们的皮肤、眼睛-因为酸具有腐蚀性，如果侵蚀到我们的皮肤或眼睛，当然会有损害；我们的喷砂和坩埚喷涂工序中，由于有一定的粉尘产生，需要戴口罩防护，以免粉尘进入我们的呼吸道侵蚀我们的呼吸器官-其实，在我们日常生活中，只要遇到一个具有灰尘的环境也会采取一定的防护方式。4、所用主要原材料-硅料不存在放射性 自然界中超过99.9的硅都是以三种稳定的同位素形式存在，即硅28,29,30。他们都没有放射性。我们所接触到的经过提纯出来的硅属于硅28，没有放射性，即使长期接触，对人体也不会存在辐射伤害。其他的同位素具有放射性，但他们的半衰减寿命极短，从几微秒到小时不等，只

11、有其中的硅32衰减缓慢。5、生产工艺中不会排放（产生）有毒物质 硅料的清洁主要采用酸洗、碱洗的方式，所用酸碱均为无机酸碱，虽有较强腐蚀性，但只要不泄漏，防护措施得当，不会对清洗人员有伤害，更不会对非清洗人员有伤害。清洁的硅料经过配料后就可以用于铸锭。铸锭过程是一个物理过程，各种硅料在石英坩埚内高温熔化以后，再从坩埚底部开始定向凝固长晶，直到最后得到一个完整的方形硅锭，铸锭的整个过程都没有有毒物质的产生。硅锭经过开方以后成为硅块，硅块经过线锯切片以后就是我公司的最终产品太阳能电池多晶硅片。该过程中所用辅料为碳化硅切割液，没有任何放射性和毒害。,多晶硅片生产主要流程,硅料,硅锭,切方,切片,硅片,

12、多晶铸锭工艺流程图,硅料准备,坩埚准备,回收料,纯料,免洗,酸洗,喷砂,检测,喷涂,烧结,清洗,配料,坩埚装料,DSS炉 铸锭,铸锭完成,回收硅料的表面处理,铸锭需要干净的硅料，目前除去硅料表面的杂质主要有两种方法：机械方法：打磨、喷砂 首先对硅料进行分类：非常干净的免洗硅料直接送去配料；无黑斑、无机械杂质的硅料和多晶T2料不需要进行打磨、喷砂，可直接进行清洗；多晶边角料和尾料等其它有大量杂质、氮化硅或石英嵌入在硅料的表面，对这种硅料应先进行打磨，将杂质、氮化硅和石英充分去除干净后再去进行喷砂处理；对于表面有少量杂质的硅料可直接进行喷砂。化学方法：酸洗、清洗。硅料表面氧化、镀膜、刻字、粘胶等难

13、以处理的拿去酸洗。酸洗主要使用HNO3、HF等强酸。喷砂之后的硅料、表面轻微脏污的硅料拿去清洗。先用强碱（KOH等）清洗，再用强酸（HCL、HF等）清洗，最后用纯水漂洗、冲淋，烘干之后送去配料。,一、配料工艺,1、硅料的分类a.高纯纯料（电阻50cm），如下图所示，,多晶硅块（chunk）料,碎块（fines）,硅颗粒,硅粉,b.回收料,头料,边料,尾料,碎片,单晶边皮料,单晶头料,2、硅料检测所使用的设备,RT-100电阻率测试仪,P/N测试仪,b、主要特点1.具有电阻率及型号测试功能。适合用于分选导电型号和剔除重掺材料。2.AC220V供电 3.重掺声光同时报警4.衍生产品：简易重掺笔（只

14、有重掺报警，无型号测量）4.电阻率：小于0.5欧姆厘米报警5.P/N型号:0.005欧姆厘米电阻率1000欧姆厘米,a、主要特点1.采用涡流法测试硅锭、硅棒、回炉料等硅材料的电阻率。2.无接触、无损伤快速测试。3.可测试单、多晶硅材料，无需表面处理。4.可用来分类测试锅底料、锭、棒等。5.测试范围：0.01-20cm（分段测试）6.可选加无接触P/N型测试功能。7.可自定义分类范围。,3、配料工种包括以下几方面：分选 磁选 测试P/N型 测试电阻率 计算掺杂,二、坩埚喷涂装料工艺,1、坩埚喷涂 坩埚喷涂就是将纯水和氮化硅混合搅拌后，用其涂喷在坩埚内表面，在加热作用下，使液态氮化硅均匀的吸附坩埚

15、表面，形成粉状涂层，涂层目的是保护石英坩埚在高温下石英坩埚与硅隔离，使液态硅不与石英坩埚反应，而使石英坩埚破裂，及冷确后最终保证硅碇脱膜完整性。,a.（840840400cm）坩埚用420克 氮化硅:1680ML纯水配制喷涂液；b.（840840460cm）坩埚用480克 氮化硅:1920ML纯水配制喷涂液。注意：搅拌时间不得少于10分钟，喷涂温度控制 在40-70之间，严禁湿喷，随时清理脱落的氮化硅。,2、坩埚喷涂及烧结设备,喷涂操作台,喷涂旋转台,坩埚烧结炉,注意：1.喷涂必须是两人协同作业一人握枪喷涂，一人转旋转台。2.喷涂分三次进行，第二次喷涂时一定要等涂层干透后才喷。,3、坩埚装料

16、a、选取边料垫于坩埚底部,b、将碎片置于边料之上,c、轻轻将块状料置于碎片之上,4、坩埚装料完毕，及时送至炉区,DSS炉运行流程,1.加热：对硅料进行预热，耗时约5小时，温度达到1175，加热模式自动跳入熔化模式。2.熔化：硅料在此模式下完全熔化，耗时约14小时，最高温度达到1550。3.长晶：从底部开始往上生长，耗时约28小时，温度在1430左右。4.退火：通过缩小温度梯度达到消除内应力的目的，耗时约4小时，温度维持在1370。5.冷却：逐渐停止加热，通过氩气和冷却水持续带走热量而达到降温效果，耗时约14小时，温度降到400以下可出锭。,硅料 520（kg)加热 1175 熔化1550长晶 1435 退火 1370 冷却 400 固体 缓慢熔化 液态 晶体生长 去应力 铸锭完成,疑问解答,?,?,?,?,?,谢谢！,