《鑄錠培訓(xùn)教材》PPT參考課件

1、1,多晶鑄錠培訓(xùn)教材,多晶鑄錠車間,2,硅材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈,多晶硅材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品,3,4,多晶硅產(chǎn)業(yè)簡(jiǎn)介,一、多晶硅概述 硅材料是半導(dǎo)體工業(yè)中最重要且應(yīng)用最廣泛的元素半導(dǎo)體材料，是微電子工業(yè)和太陽(yáng)能光伏工業(yè)的基礎(chǔ)材料。它具有元素含量豐富、化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，又具有良好的半導(dǎo)體材料特性。硅材料有多種晶體形式，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅，應(yīng)用于太陽(yáng)能電池工業(yè)領(lǐng)域的硅材料包括直拉單晶硅、薄膜非晶硅、鑄造多晶硅、帶狀多晶硅和薄膜多晶硅，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中直拉單晶硅和鑄造多晶硅應(yīng)用最為廣泛，占太陽(yáng)能光電材料的90%左右。 高純多晶硅是制備單晶硅和鑄造多晶硅的原料，也是半導(dǎo)體和太陽(yáng)能光

2、伏產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。按純度可分為冶金級(jí)太陽(yáng)能級(jí)和電子級(jí)： （1）冶金級(jí)硅：即金屬硅，呈多晶狀態(tài)，純度一般在95%-99%。對(duì)于半導(dǎo)體工業(yè)而言，雜質(zhì)含量太多，主要為C、B、P等非金屬雜質(zhì)和Fe、Al等金屬雜質(zhì)，所以它只能作為冶金工業(yè)的添加劑。 （2）太陽(yáng)能級(jí)硅(SG)：純度介于冶金級(jí)硅和電子級(jí)硅之間，純度一般為99.99%-99.9999%。 （3）電子級(jí)硅(EG)：純度一般要求在99.9999%之上，超高純達(dá)到99.9999999%-99.999999999%。 二、多晶硅的制取方法 目前國(guó)際上采用的方法主要有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。,5,1、改良西門子法,改良西門子法也就是三氯氫硅氫

3、還原法(SIHCL3)。該方法是當(dāng)今生產(chǎn)高純多晶硅最為主流的工藝，其優(yōu)點(diǎn)是具有相對(duì)安全性、相對(duì)良好、沉積速率和一次轉(zhuǎn)化率較高，產(chǎn)品純度較高，同時(shí)可適用于連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，所以稱為搞純度多晶硅生產(chǎn)的首選生產(chǎn)技術(shù)，目前國(guó)際上大部分多晶硅工廠都是采用了西門子法。它是用氯和氫合成氯化氫，再用氯化氫和工業(yè)硅粉在一定溫度下合成三氯氫硅，然后對(duì)三氯氫硅進(jìn)行分離精餾提純，提純后的三氯氫硅在氫還原爐內(nèi)進(jìn)行CVD反應(yīng)生產(chǎn)高純多晶硅。,第三代西門子多晶硅生產(chǎn)工藝流程圖,6,2.硅烷法 硅烷法也叫硅烷熱分解法它是以氟硅酸、鈉、鋁、氫氣為主要原輔材料，通過(guò)SICL4氫化法、硅合金分解法、氫化物還原法、硅的直接氫

4、化法等方法制取硅烷（SIH4）,然后將硅烷氣提純后通過(guò)SIH4熱分解生產(chǎn)純度較高的棒狀多晶硅。硅烷法與西門子法很相似，只是中間產(chǎn)品部同，改良西門子的中間產(chǎn)品是SIHCL3;而硅烷法的中間產(chǎn)品是SIH4。硅烷法存在成本高、硅烷易爆炸、安全性低等缺點(diǎn)。,SICL4氯氣,氫化料分離,SIH2CL2、SIHCL3 分離提純,SICL4 、SIH2CL2、 SIHCL3分離提純,超純硅,SICL4反應(yīng)器,再分離反應(yīng)器,再分配反應(yīng),SICL4,SIH2CL2 SIHCL3,工業(yè)硅,H2補(bǔ)充,SICL4,SICL4,H2,SICL4,SICL4,SIH2CL2,SIHCL3,SIHCL3,SIHCL3,SI

5、HCL3,SICL4,SIH2CL2,SIH2CL2,SIH2CL2,硅烷熱分解法制取多晶硅流程圖,7,3、流化床法,該方法是美國(guó)聯(lián)合碳化合物公式早年研發(fā)制備多晶硅的工藝技術(shù)，它是以SICL4(或SIF4)、H2、HCL和冶金硅為原料，在高溫高壓流化床（沸騰床）內(nèi)生成SIHCL3，將SIHCL3再進(jìn)一步歧化加氫反應(yīng)成SIHCL2，繼而生成SIH4氣。將制得的SIH4氣通入加有小顆粒硅粉的流化床反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)熱分解反應(yīng)，生成粒狀多晶硅產(chǎn)品。 由于在流化床反應(yīng)爐內(nèi)參與反應(yīng)的硅表面積大，故該方法生產(chǎn)效率高、電耗較低、成本低。但也有安全性較差、生長(zhǎng)速率較低、產(chǎn)量低等缺點(diǎn)。目前采用該方法生產(chǎn)顆粒狀多晶

6、硅的公司主要有：REC、Wacker、Hemlock和MEMC公司等。,8,單晶體與多晶體,大家知道，固體分為晶體和非晶體，而晶體又可以分為單晶體和多晶體。生活中，我們所吃的食鹽的主要成分氯化鈉（NaCl）就是一種常見(jiàn)的單晶體，其顆粒一般都是小立方體。此外，常見(jiàn)的雪花、天然水晶、單晶冰糖等都是單晶體；而飛落到地球上的隕石、石頭、金屬、陶瓷等則是多晶體，其主要成份是由長(zhǎng)石等礦物晶體組成的，它的形狀一般是不均勻的。 那么究竟什么是單晶體，什么又是多晶體呢？ 單晶體是指在整個(gè)晶體內(nèi)原子都按周期性的規(guī)則排列，而多晶體是指在晶體內(nèi)每個(gè)局部區(qū)域里原子按周期性的規(guī)則排列，但不同局部區(qū)域之間原子的排列方向并不

7、相同，因此多晶體也可以看成是由許多取向不同的小單晶體（又稱為晶粒）組成的。,硅原子,晶體,非晶體,單晶與多晶,9,正確認(rèn)識(shí)硅料的屬性,1、硅及其化合物的性質(zhì) 怎樣正確認(rèn)識(shí)我們的硅料？這要先從硅的性質(zhì)談起。硅（臺(tái)灣、香港稱矽）是種非金屬元素，它的化學(xué)符號(hào)是Si。原子序數(shù)14，相對(duì)原子質(zhì)量28.09。硅以大量的硅酸鹽礦和石英礦存在于自然界中，是構(gòu)成地球上礦物界的主要元素。在地殼中的豐度為27.7，在所有的元素中居第二位。地殼中含量最多的元素氧和硅結(jié)合形成的二氧化硅SiO2,占地殼總質(zhì)量的87。我們腳下的泥土、石頭和沙子，我們使用的磚、瓦、水泥、玻璃和陶瓷等等，這些我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的物質(zhì)，都

8、是硅的化合物。 硅有晶態(tài)和無(wú)定形兩種同素異形體。晶態(tài)硅又分為單晶硅和多晶硅，它們均具有金剛石晶格，晶體硬而脆，呈暗黑藍(lán)色，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，但導(dǎo)電率不及金屬，且隨溫度升高而增加，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。在常溫下，除氟化氫以外，很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。無(wú)論硅還是二氧化硅都是非常穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)，無(wú)毒，無(wú)放射性。 2、硅料有沒(méi)有毒、放射性？ 什么是有毒物？所謂有毒物的定義，一般是指，在日常接觸條件下，較小劑量進(jìn)入機(jī)體后，能與生物體之間發(fā)生化學(xué)或物理化學(xué)作用，導(dǎo)致機(jī)體組織細(xì)胞代謝、功能和形態(tài)結(jié)構(gòu)損害的化學(xué)物質(zhì)。毒物造成機(jī)體損害的能力稱為毒性。我們平常見(jiàn)到的“劇毒”、“低毒”等實(shí)際上就

9、是指毒物的毒性。按WHO急性毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，毒物的毒性分級(jí)為：劇毒、高毒、中等毒、低毒、微毒。 我們公司主要原材料為多晶硅和單晶硅，這兩種高純度硅是不存在任何毒性和放射性的；我們輔助材料或者硅料中的雜質(zhì)多為二氧化硅和碳化硅，都是穩(wěn)定的物質(zhì)。如同泥土、石頭、沙子，我們使用的磚、瓦一樣沒(méi)有任何毒性或放射性。,10,3、辯證認(rèn)識(shí)、規(guī)范作業(yè) 從某種意義上講，自然界并不存在絕對(duì)有毒或絕對(duì)無(wú)毒的物質(zhì)。如：砒霜、汞化物、蛇毒等，大家都知道的毒物，如果在低于中毒劑量時(shí)使用，便可作為臨床治療某些疾病的藥物使用；而我們賴以生存的氧氣，如果以高濃度超過(guò)正常需要進(jìn)入體內(nèi)，也會(huì)發(fā)生氧中毒。我們的原材料及輔助材料沒(méi)有毒性和

10、放射性，這并不是說(shuō)我們工作中就可以不講規(guī)范。在我們個(gè)別工序中還是要注意安全生產(chǎn)。比如酸洗過(guò)程中注意不讓酸液侵蝕到我們的皮膚、眼睛-因?yàn)樗峋哂懈g性，如果侵蝕到我們的皮膚或眼睛，當(dāng)然會(huì)有損害；我們的噴砂和坩堝噴涂工序中，由于有一定的粉塵產(chǎn)生，需要戴口罩防護(hù)，以免粉塵進(jìn)入我們的呼吸道侵蝕我們的呼吸器官-其實(shí)，在我們?nèi)粘Ｉ钪?，只要遇到一個(gè)具有灰塵的環(huán)境也會(huì)采取一定的防護(hù)方式。 4、所用主要原材料-硅料不存在放射性 自然界中超過(guò)99.9的硅都是以三種穩(wěn)定的同位素形式存在，即硅28,29,30。他們都沒(méi)有放射性。我們所接觸到的經(jīng)過(guò)提純出來(lái)的硅屬于硅28，沒(méi)有放射性，即使長(zhǎng)期接觸，對(duì)人體也不會(huì)存在輻射傷

11、害。其他的同位素具有放射性，但他們的半衰減壽命極短，從幾微秒到小時(shí)不等，只有其中的硅32衰減緩慢。 5、生產(chǎn)工藝中不會(huì)排放（產(chǎn)生）有毒物質(zhì) 硅料的清潔主要采用酸洗、堿洗的方式，所用酸堿均為無(wú)機(jī)酸堿，雖有較強(qiáng)腐蝕性，但只要不泄漏，防護(hù)措施得當(dāng)，不會(huì)對(duì)清洗人員有傷害，更不會(huì)對(duì)非清洗人員有傷害。清潔的硅料經(jīng)過(guò)配料后就可以用于鑄錠。鑄錠過(guò)程是一個(gè)物理過(guò)程，各種硅料在石英坩堝內(nèi)高溫熔化以后，再?gòu)嫩釄宓撞块_(kāi)始定向凝固長(zhǎng)晶，直到最后得到一個(gè)完整的方形硅錠，鑄錠的整個(gè)過(guò)程都沒(méi)有有毒物質(zhì)的產(chǎn)生。硅錠經(jīng)過(guò)開(kāi)方以后成為硅塊，硅塊經(jīng)過(guò)線鋸切片以后就是我公司的最終產(chǎn)品太陽(yáng)能電池多晶硅片。該過(guò)程中所用輔料為碳化硅切割液，

12、沒(méi)有任何放射性和毒害。,11,多晶硅片生產(chǎn)主要流程,硅料,硅錠,切方,切片,硅片,12,多晶鑄錠工藝流程圖,硅料準(zhǔn)備,坩堝準(zhǔn)備,回收料,純料,免洗,酸洗,噴砂,檢測(cè),噴涂,燒結(jié),清洗,配料,坩堝裝料,DSS爐 鑄錠,鑄錠完成,13,回收硅料的表面處理, 鑄錠需要干凈的硅料，目前除去硅料表面的雜質(zhì)主要有兩種方法： 機(jī)械方法：打磨、噴砂 首先對(duì)硅料進(jìn)行分類：非常干凈的免洗硅料直接送去配料；無(wú)黑斑、無(wú)機(jī)械雜質(zhì)的硅料和多晶T2料不需要進(jìn)行打磨、噴砂，可直接進(jìn)行清洗；多晶邊角料和尾料等其它有大量雜質(zhì)、氮化硅或石英嵌入在硅料的表面，對(duì)這種硅料應(yīng)先進(jìn)行打磨，將雜質(zhì)、氮化硅和石英充分去除干凈后再去進(jìn)行噴砂處理

13、；對(duì)于表面有少量雜質(zhì)的硅料可直接進(jìn)行噴砂。 化學(xué)方法：酸洗、清洗。 硅料表面氧化、鍍膜、刻字、粘膠等難以處理的拿去酸洗。 酸洗主要使用HNO3、HF等強(qiáng)酸。 噴砂之后的硅料、表面輕微臟污的硅料拿去清洗。先用強(qiáng)堿（KOH等）清洗，再用強(qiáng)酸（HCL、HF等）清洗，最后用純水漂洗、沖淋，烘干之后送去配料。,14,一、配料工藝,1、硅料的分類 a.高純純料（電阻50cm），如下圖所示，,多晶硅塊（chunk）料,碎塊（fines）,硅顆粒,硅粉,b.回收料,頭料,邊料,尾料,碎片,單晶邊皮料,單晶頭料,15,2、硅料檢測(cè)所使用的設(shè)備,RT-100電阻率測(cè)試儀,P/N測(cè)試儀,b、主要特點(diǎn) 1.具有電阻率

14、及型號(hào)測(cè)試功能。適合用于分選 導(dǎo)電型號(hào)和剔除重?fù)讲牧稀?2.AC220V供電 3.重?fù)铰暪馔瑫r(shí)報(bào)警4.衍生產(chǎn)品：簡(jiǎn)易重?fù)焦P （只有重?fù)綀?bào)警，無(wú)型號(hào)測(cè)量）4.電阻率：小于0.5歐姆厘米報(bào)警5.P/N型號(hào):0.005歐姆厘米電阻率1000歐姆厘米,a、主要特點(diǎn) 1.采用渦流法測(cè)試硅錠、硅棒、回爐料等硅材料 的電阻率。 2.無(wú)接觸、無(wú)損傷快速測(cè)試。 3.可測(cè)試單、多晶硅材料，無(wú)需表面處理。 4.可用來(lái)分類測(cè)試鍋底料、錠、棒等。 5.測(cè)試范圍：0.01-20cm（分段測(cè)試） 6.可選加無(wú)接觸P/N型測(cè)試功能。 7.可自定義分類范圍。,3、配料工種包括以下幾方面： 分選 磁選 測(cè)試P/N型 測(cè)試電阻率

15、計(jì)算摻雜,16,二、坩堝噴涂裝料工藝,1、坩堝噴涂 坩堝噴涂就是將純水和氮化硅混合攪拌后，用其涂噴在坩堝內(nèi)表面，在加熱作用下，使液態(tài)氮化硅均勻的吸附坩堝表面，形成粉狀涂層，涂層目的是保護(hù)石英坩堝在高溫下石英坩堝與硅隔離，使液態(tài)硅不與石英坩堝反應(yīng)，而使石英坩堝破裂，及冷確后最終保證硅碇脫膜完整性。,a.（840840400cm）坩堝用420克 氮化硅:1680ML純水配制噴涂液； b.（840840460cm）坩堝用480克 氮化硅:1920ML純水配制噴涂液。 注意：攪拌時(shí)間不得少于10分鐘，噴涂溫度控制 在40-70之間，嚴(yán)禁濕噴，隨時(shí)清理脫落的氮化硅。,17,2、坩堝噴涂及燒結(jié)設(shè)備,噴涂操作臺(tái),噴涂旋轉(zhuǎn)臺(tái),坩堝燒結(jié)爐,注意： 1.噴涂必須是兩人協(xié)同作業(yè) 一人握槍噴涂，一人轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)。 2.噴涂分三次進(jìn)行，第二次噴涂 時(shí)一定要等涂層干透后才噴。,18,3、坩堝裝料 a、選取邊料墊于坩堝底部,b、將碎片置于邊料之上,c、輕輕將塊狀料置于碎片之上,4、坩堝裝料完畢，及時(shí)送至爐區(qū),19,DSS爐運(yùn)行流程,1.加熱：對(duì)硅料進(jìn)行預(yù)熱，耗時(shí)約5小時(shí)，溫度達(dá)到1175，加熱模式自動(dòng)跳入熔化模式。 2.熔化：硅料在此模式下完全熔化，耗