一、引言二、多晶炉内热场与硅锭的组织结构(jiégòu)三、定向凝固时硅中杂质的分凝四、定向凝固硅晶体生长工艺方法五、热交换法多晶炉型六、热交换法工艺讨论七、结晶炉结构(jiégòu)类型的选择八、多晶硅片的高效率、高质量生产方向一、引言多晶硅锭/片的生产工艺过程(guòchéng)二、多晶硅锭的组织(zǔzhī)结构与结晶炉热场定向(dìnɡxiànɡ)凝固柱状晶生长示意图5、定向凝固：张晶要求液-固界面处的温度梯度大于0，横向则要求尽可能小的温度梯度；温度梯度和热流保持在垂直方向上；固-液界面保持平坦型，从而形成定向生长的柱状晶。6、硅结晶的特点：与一般纯金属不同，硅的不同晶面自由能不相同(xiānɡtónɡ)，表面自由能最低的晶面会优先生长，特别是由于杂质的存在，晶面吸附杂质改变了表面自由能，所以多晶硅柱状晶生长方向基本垂直，但常伴有分枝晶。7、结晶生长前沿的移动速度：取决于热场的变动。是综合控制晶体生长速度和质量的最重要工艺数据。降低液相温度梯度（较小）可提高晶体生长速度，提高固相温度梯度（较大）对提高晶体生长速度起绝对作用，但温度梯度过大，会使热应力过大，引起位错密度增加，造成内裂纹。8、长晶过程：开始温度梯度大，快速凝固导致小晶粒和断续平行结构；9、温度波：加热功率或冷却水温、流量的起伏变动，引起温度变动，以有限速率穿透熔硅向固-液界面传播。随传播深度增加而衰减，只有当波长较长、硅液有宏观对流条件下，会抵达固-液界面。多晶硅锭的柱状晶（带分枝(fēnzhī)晶）结构三、定向(dìnɡxiànɡ)凝固时硅中杂质的分凝开始凝固温度和凝固完成温度(溶质使凝固点降低）固相线和液相线，固相区-液相区-固液相共存区对杂质浓度非常小的平衡(pínghéng)固-液相系统，在固-液界面处固相中的成分与在液相中的成分比为一定值，可表达为平衡(pínghéng)分配系数（分凝系数）：Ko=C*S/C*L其中，C*L液固界面处液相侧溶质浓度C*S液固界面处固相侧溶质浓度Ko与温度、浓度无关，仅决定于溶质和溶剂的性质金属杂质在硅中平衡(pínghéng)分配系数在10-4—10-8之间，B为，P为。因Ko<0,故C*S<C*L浓度场、浓度梯度、溶质扩散、扩散质流密度和液体的宏观对流质流密度最早结晶的固溶体含杂质量最低，随杂质在液相中的富集，最后结晶的杂质浓度最高。在固-液相边界层（溶质富集层）内杂质的浓度最高，不断向溶液内扩散，浓度的分布见下图左侧图对流、搅拌加快溶质扩散，使边界层变薄有效分配系数：K’=Ko/[Ko+(1-Ko)exp(-vδ/DL)]式中:K’有效分配系数Ko平衡分配系数v晶体生长速度cm/sδ边界层厚度（固液界面的扩散层），范围(fànwéi)在0.005-0.05cmDL扩散系数cm2/sK’值应在Ko-1之间当v或δ趋近于0，K’趋近于Ko时，最大程度提纯当v趋近于∞，K’趋近于1时，无提纯作用固液界面(jièmiàn)处的扩散边界层杂质(zázhì)元素和缺陷沿硅锭高度的分布晶体生长的界面(jièmiàn)稳定性实际长晶时热量和质量(zhìliàng)的混合传输四、定向凝固(nínggù)硅晶体生长工艺方法1、布里其曼法（Bridgeman）早期的定向凝固方法。如日本NEC、美国IBM为保持相对固定的凝固结晶平面，炉内坩埚和加热器在凝固开始后时作相对移动，分液相区和结晶区，外面由隔热板将两区隔开。液-固界面处的温度梯度必须>0即dT/dx>0，温度梯度接近于常数。长晶速度由坩埚工作台下移速度及冷却水流量、温度控制，长晶速度接近于常数，长晶速度可以随时调节。硅锭高度主要受炉腔体及坩埚高度限制。生长速度约分。缺点：炉子结构(jiégòu)比较复杂，坩埚工作台需升降，且下降速度必须平稳，其次坩埚工作台底部需水冷。坩埚加热器熔硅隔热板热开关工作台冷却水固相固液界面(jièmiàn)液相布里其曼法结晶炉示意图2、热交换法（HEM-HEATEXCHANGEMETHOD）目前国内外生产多晶硅锭的主流方法。如美国GTSOLAR，英国CRYSTALSYSTEMS，德国ALD、KRSOLAR等。坩埚和加热器在熔化及凝固全过程中均无相对位移。在坩埚工作台底部要设置一热开关。熔化时热开关关闭(guānbì)，起隔热作用；凝固开始时热开关打开，增强坩埚底部散热强度，建立热场。热开关有法兰盘式、平板式、百叶窗式等。长晶速度受坩埚底部散热强度控制，如用水冷，则受冷却水流量（及进出水温差）所控制。由于定向凝固只