定向凝固提纯多晶硅研究

zhaohongm

摘要
近年来随着光伏产业的迅猛发展，太阳能级多晶硅原料出现短缺，以电子级硅头尾
料作为原料己远不能满足其发展需要，人们纷纷把目光转向电子工业产业链以外的硅原
料制备上。因为冶金法以大量的低成本的冶金级硅为原料直接制备太阳能级多晶硅，并
具有生产周期短、污染小、成本低的特点，因而其成为各国竞相研发的重点。定向凝固
技术因为不仅可以用于太阳能级多晶硅铸锭的制备，而且可以用于去除硅中的分凝系数
较小的金属杂质，而成为冶金法提纯多晶硅技术的研究重点。为了获得高纯度的完整硅
锭，探究和优化定向凝固过程非常重要。
本文使用自行研制的真空感应熔炼炉进行了不同初始杂质浓度、拉锭速度、温度梯
度的定向凝固提纯的中试实验。通过对铸锭的组织、成分，电特性，以及温度场的分析，
研究了冶金级硅定向凝固提纯后铸锭中的电阻率分布特性，定向凝固过程中的固液界面
特性，以及初始杂质浓度，拉锭速度，温度梯度等参数对提纯效果的影响。研究结果表
明:
冶金级硅一次定向凝固铸锭纵截面上，电阻率先沿生长方向增加，在p一n转型区附
近达到最大，此后随生长高度的增加迅速减小并在杂质含量高的铸锭顶部趋于O。电阻
率的这种变化与生长方向上铝、硼、磷的含量变化密切相关。
宏观组织、电阻率和少子寿命的径向分布与固液界面相对应，可用于分析定向凝固
过程中固液界面变化。铸锭底部的固液界面为凹形，随着晶体生长的进行，固液界面曲
率逐渐减小，对于0.12mn订min拉锭速率的样品，固液界面在生长后期可趋于平面。相
同凝固高度处固液界面的曲率随拉锭速度的减小而减小。胞状的固液界面造成杂质的有
效分凝系数增加。向上凹的固液界面造成铸锭中部的杂质浓度高于边部的杂质浓度。
铸锭中的杂质浓度随初始杂质浓度的降低而降低，当顶部切除部分为20%时，Fe
的去除率最高可达98.5%，Al的去除率最高可达94.9%。随着Fe初始浓度的降低，Fe
的有效分凝系数呈现先减小后增大的趋势，而随着Al初始浓度的降低，Al的有效分凝
系数呈现减小趋势。
冶金级硅定向凝固后，铸锭中的杂质浓度随生长速度的降低而降低，当生长速度降
到0.116mm/min时，铸锭的Fe浓度最低已在10一“量级，提纯区域接近80%。
液体中的温度梯度随生长高度的增加而增加可抑制成分过冷的发生，当液体中的温
度梯度增加到0.95℃/mm时可将成分过冷发生位置提高到凝固高度的90%以上。