多晶硅鑄錠原料中重摻料的影響

唐中華 何 鵬 屠晨坤 陳聲斌

多晶硅鑄錠原料中重摻料的影響

唐中華1何 鵬1屠晨坤2陳聲斌1

（1.南京三樂集團有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京醫科大學康達學院，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摻料，會降低硅錠預期電阻率，影響硅錠品質。如果將重摻料檢測出并去除，便能夠將多晶硅錠電阻率按生產要求控制在1～3Ω·cm，并使多晶硅錠電阻率符合預定規律。

多晶硅鑄錠；重摻；電阻率

在太陽能光伏產業中，多晶硅鑄錠爐是最為重要的設備之一。多晶硅錠爐將高純度硅融合后調成太陽能電池的化學組成成分，并將熔體通過長晶凝固技術制成高品質硅錠，然后將其切片后，供太陽能使用［1］。

電阻率、少子壽命、碳氧含量是多晶硅錠的主要電學指標，其中電阻率就需要結合各種原料自身的電阻率進行計算，而原料中極少量的重摻料卻能影響整個多晶硅錠的電阻率，本文主要研究多晶硅鑄錠過程中重摻料的影響［2］。

1 原料中重摻硅料對多晶硅錠電阻率的影響

1.1 原料中重摻料影響的理論分析

在多晶硅鑄錠配料過程中，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。在配料過程中，對于規格、電阻率固定的母合金，可以通過改變母合金重量來調整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。母合金過量會導致硅錠電阻率偏低，母合金過少也會導致硅錠電阻率偏高。因此，當其他原料的電阻值都已明了的情況下，母合金的重量對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，重參料的存在嚴重影響對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。

在計算母合金用量時，要詳細了解各個原料的電阻率、配料中各個原料的重量，根據各個原料的不同參數進行計算、核對，再決定母合金用料多少。

母合金使用重量的詳細計算如公式（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。

假設計劃生產的P型多晶硅錠質量為m錠，硅錠的目標電阻率為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：

則通過母合金給硅錠補充的硼含量為：

而母合金的中硼濃度為：

則鑄錠中投入的母合金重量為：

根據以上公式進行計算，正常料的電阻為1～3Ω·cm，由于硼在硅中的分凝系數大約為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/cm3；而以重摻料上限電阻率0.5Ω·cm為例，其硼含量約2.55×1015個/cm3，是正常料硼含量的20倍，如果重摻料的電阻更低，其硼含量是正常料硼含量的數十倍、數百倍，甚至更高，如果對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母合金會比需要值偏大。因此，如果有重摻料存在，即使其比例極小，但如將其忽視，會使硅料中硼含量嚴重超過計算值，使鑄錠所得的硅錠電阻率降低，嚴重影響多晶硅錠整體的電阻率。

針對原料中重摻料存在的現象，需要原料分別測試、分辨，檢驗出重摻料并將重摻料剔除出原料，使所用原料電阻值都在正常值范圍內（正常值1～3Ω·cm）。

1.2 重摻料在生產中的影響

隨機抽取一次投爐的硅料進行檢測，使用硅料電阻測試儀對硅料逐一進行鑒別和測試，最終發現一次性投爐的500kg硅料中含有少量的重摻料。

由于原料中有重摻的存在，硅料中硼的含量超過計算值，鑄錠所得的硅錠電阻率降低，影響了硅錠的質量。對一次所用料進行檢測后，將檢測出的重摻料稱重結果有38.2g，去掉紙張重量0.2g，重摻料共計38g，約占整個投爐硅料重量的0.007 6%。

對檢測出來的重摻料使用四探針電阻率測試儀進行檢測，大多數的重摻硅料的電阻率約為0.003～0006Ω·cm。

重摻料的硼含量要比正常料的硼含量高得多，正常料的電阻為1～3Ω·cm，以中心電阻率數值2Ω·cm為例，則正常料的硼含量 N正常值=6.38×1014個/cm3；以電阻率0.005Ω·cm的重摻料為例，其硼含量N重摻值=2.55×1017個/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超預期計算值。

實際生產中，由于檢測設備未能及時購買使用，幾次鑄錠中將未經過重摻檢測的原料進行鑄錠，硅錠開方檢測后的結果如表1所示。

表1 含有重摻料的硅料鑄錠后的參數

從表1可以看出，含重摻料鑄錠后電阻率嚴重低于正常值（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重摻料的重量只占原料總重的0.0076%，但其依舊能降低硅錠電阻率。

如表2所示，對去除重摻的原料進行鑄錠，硅錠開方檢測后，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），符合客戶和市場的質量要求。

表2 去除重摻的硅料鑄錠后的參數

經過實踐生產經驗，含有重摻料的原料在鑄錠中會使多晶硅錠的整體電阻率降低，在硅料使用之前必須經過嚴格篩選，去除其中的重摻料。

2 結論

本文通過實踐生產得出：硅料中的重摻料會降低鑄錠的電阻率，電阻率0.003～0.006Ω·cm的重摻料即使只占鑄錠原料重量的0.007 6%，但其依舊能使整個多晶硅錠電阻率降低0.4～0.6Ω·cm，如果將重摻料檢測出并去除，便能夠將多晶硅錠電阻率按生產要求控制在1～3Ω·cm。

［1］劉超，黃杰.對多品硅鑄錠爐生產工藝控制技術的研究［J］.科技創新與應用，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：多晶硅鑄錠技術的開發與研究。

陳聲斌（1963-），男，中專，中級工程師，研究方向：多晶硅鑄錠技術的開發與研究。