超重大尺寸单晶硅生长的主要技术挑战及其应对策略

Xi’anJiotgUniversity超重大尺寸单晶硅生长的主要技术挑战及其应对策略 刘立军 西安交通大学能源与动力工程学院 CSPV-16，20年1月6日，无锡 Xi’anJiotgUniversity 2.2 高效、低成本晶体硅太阳电池关键技术研究（共性关键技术类）研究内容：面向太阳电池高效率、强稳定性和低成本的需求，进行晶体硅电池新材料与结构技术和相关核心设备的开发。具体包括： 开发满足高效晶体硅材料生长的热场技术及设备；研究硅衬底中和缺陷的形成机理及对稳定性的影响；PN 结形成方式和特性对电池效率及稳定性的影响关系； 高效电池成套制备技术及接触钝化沉积杂质等核心装备技术；相关新材料与电池技术标准。 考核指标：开发出满足大尺寸硅晶体稳定生长的热场，单个硅晶体重量 ≥1300公斤，有效抑制晶体中孪晶的产生，整晶体中单晶占比≥90%，平均位错密度≤1×105/cm2，平均少数载流子扩散长度≥500μm； 批次稳定大面积（156×156mm2 以上）电池正面光电转化效率25%以上，在75oC 下电池的热辅助光致衰减（LeTID）≤0.5%；开发 出单台年产能＞50MW 的接触钝化沉积核心电池制造装备 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及其应对—发展要求与趋势 晶硅制备工艺朝着超大重量化方向发展 Xi’anJiotgUniversity 太阳能用单晶硅片尺寸 电子级单晶硅片尺寸 单晶硅制备工艺朝着大尺寸化方向发展 •在光伏领域及集成电路领域的趋势超重大尺寸单晶硅生长的挑战及其应对—大硅片发展趋势 Xi’anJiotgUniversity 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及其应对—主要技术挑战 超大重量（130公斤以上）单晶硅必然同时具有超大直径、 超长长度的特征，由此引起的技术挑战： 大直径单晶硅生长的技术挑战–熔体流动的不稳定性1. 不稳定流动对晶体生长界面和稳定性的影响- 生长驱动力脉动2. 不稳定流动对晶体生长过程中晶体稳定生长的影响- 晶体生长装置机械晃动3. 大热场结构导致热输运过程复杂- 控制复杂且困难 Xi’anJiotgUniversity 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及其应对—主要技术挑战 超大重量（130公斤以上）单晶硅必然同时具有超大直径、 超长长度的特征，由此引起的技术挑战： 超长长度单晶硅生长的技术挑战1. 晶体品质（杂质、电阻率分布等）轴向一致性差的问题-N 型单晶：掺磷，镓磷补偿共掺？2. 机械传动系统设计难度 超大重量单晶硅生长的其他技术挑战1. 高质量高强度大尺寸籽晶的设计2. 高强度高稳定性籽晶夹具的设计 Xi’anJiotgUniversity• 熔体流动不稳定性L.J iu,X. i,et. alIntrioal Jurnl ofHeatndMsTf,5 (201)3-6.Dcry=30mc=7 Dcry=20m cru=360J. CstalGowth2 (1) 5-42. P1 瞬态涡结构温度分布 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—熔体流动不稳定性及其影响 Xi’anJiotgUniversity• 熔体流动不稳定性 子午面内流动 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—熔体流动不稳定性及其影响 Xi’anJiotgUniversity 明显的三维非定常分布特征!晶体下方冷热流体剧烈混合！I-I- 长晶界面温度熔体温度 •熔体区域三维瞬态热流场分布特征-300mm超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—熔体流动不稳定性及其影响 Xi’anJiotgUniversity• 熔体流动不稳定性 熔体区域速度、温度剧烈振荡P1 P2P21晶体熔体 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—熔体流动不稳定性及其影响 Xi’anJiotgUniversity• 长晶界面温度脉动 P21 晶体 熔体 界面上 监测点处温度的脉动 P2点处脉动的生长速度V/G 脉动 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—熔体流动不稳定性及其影响 P. Rudolph anK. kimot, MRSBULETIN 34(209) 51. 恒定磁场（抑制流动）：轴向磁场，水平磁场，勾形磁场非恒定磁场（强化或抑制流动）：旋转磁场，行波磁场，交变磁场，电磁场超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—磁场控制技术 熔体区域磁场强度分布勾型磁场产生装置 三维磁力线分布 •勾型磁场 0 0.1TB  超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—磁场控制技术 未施加磁场 施加磁场 施加勾型磁场后，熔体流动具有明显的方向性 •三维瞬态熔体流动及温度分布超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—磁场控制技术 •界面附近监测点处温度、速度随时间的变化 未施加磁场 施加磁场 施加勾型磁场后：温度、速度脉动周期明显 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—磁场控制技术 Xi’anJiotgUniversity 无磁场 瞬态流动结构 TMF=0.2 T CMF=0.2 T 瞬态温度分布 •熔体流动不稳定性 不同类型磁场对流动不稳定的控制超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—磁场控制技术 Xi’anJiotgUniversity 多重坩埚连续加料技术优势： 来源：松瓷机电供图 1.可大幅减小坩埚高度尺寸，使得硅熔体流动和晶体生长稳定可控。2. 可解决坩埚支撑和驱动制动装置复杂 性、稳定性问题。3.可实时调整掺杂剂物料添加量，从而 控制晶体中电阻率均匀性。4.可调控并降低晶体中氧杂质含量。5. 可保持恒定的热环境条件，有利于晶体稳定生长，提升拉晶速速。 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—连续加料技术 Xi’anJiotgUniversity• 直拉单晶技术对比（CZ, R, CZ） RCZ的问题CZ技术 RCZ技术CZ技术 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—连续加料技术 Xi’anJiotgUniversity Source: nEdiso CCZ单晶硅轴向电阻率分布的一致性超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—连续加料技术 Xi’anJiotgUniversity Compared tohe convetional CZ-Si crystal, oxygen coten quit nif frm ad ilConvetional CZ-Si crystalCZ-Si crystal CCZ单晶氧含量分布的轴向一致性超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—连续加料技术 Xi’anJiotgUniversity r/mcO/pma002.40.6.08.15105205SingleCruciblDo,Moinercuibl熔体内流函数（kg∙s-1）及氧杂质（pma）分布 结晶界面处氧杂质（pa）分布•通过内坩埚的设计降低结晶界面氧含量（晶体直径200mm） 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—连续加料技术 Xi’anJiotgUniversity• 改进熔体流动稳定性和结晶界面形状（晶体直径200mm） Radius/mV/GKm2/in0.20.4.60.8.1.1.5050.3CZethod,Vpul;imrvesign,l;1.2puCZ 法Vpul=0.8m/inCZ法Vpul=0.8m/inCZ法Vpul=0.96m/in 提高晶体提拉速率后:V/G比仍处于合理范围内 固液界面处VG比分布 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—连续加料技术 Xi’anJiotgUniversity World market shr fodifernt mo crystalizton methds[1][1] GroupI. nteraiol Technlogy radp forhtvlaic (ITRPV) 2015 esult[R]. Berlin, Gay: SEMI. 2016.CZwiinictgsikhvrcliluttv大尺寸高品质单晶硅生长技术发展趋势 超重大尺寸单晶硅生长的挑战及应对—连续加料技术 Xi’anJiotgUniversity 一点基本看法 高品质、大重量、大尺寸、高拉速单晶硅生长是应对高效、低成本单晶 硅电池要求的技术方向 连续加料和大热场技术是解决高品质、大重量单晶生长的技术途径 晶体生长热场与工艺的协同优化、智能调控与全生命周期成本管理是下 一步的技术努力方向 数值模拟是研究大尺寸晶体生长过程的有效而经济的研究手段，但还有 很多挑战性的工作值得去做 Xi’anJiotgUniversityThe 10tInterationl Workshp on Modlig iCystl Grwt (IMCG-10)Xi’an, hia, Oct. 17-20, IWCG-1: Prm, Itly, 98M2DubBelgiu, 16I-3: Hap, NwYork, USA, 204FkoJapn,203ICG-5: Bmberg, Gry 6 WM6La v, Wiscoin,SA, 209I-7: Tip,2018S Belgiu, 5ICG-9: Hawi,USA8 M10Xi’n Chia, 201 Modelig fCrytal Growth, achin Lanig d Big DatEditors: iju i, Natsh ropkJournal fCrystal Growth(speci ue)Thank you !