多晶硅铸锭原料中重掺料的影响

唐中华 何 鹏 屠晨坤 陈声斌

多晶硅铸锭原料中重掺料的影响

唐中华1何 鹏1屠晨坤2陈声斌1

（1.南京三乐集团有限公司，江苏 南京 210000；2.南京医科大学康达学院，江苏 连云港 222006）

多晶硅铸锭中需要用到原生多晶硅、碎片、边皮等一系列的多种硅料，而这些硅料中如果存在重掺料，会降低硅锭预期电阻率，影响硅锭品质。如果将重掺料检测出并去除，便能够将多晶硅锭电阻率按生产要求控制在1～3Ω·cm，并使多晶硅锭电阻率符合预定规律。

多晶硅铸锭；重掺；电阻率

在太阳能光伏产业中，多晶硅铸锭炉是最为重要的设备之一。多晶硅锭炉将高纯度硅融合后调成太阳能电池的化学组成成分，并将熔体通过长晶凝固技术制成高品质硅锭，然后将其切片后，供太阳能使用［1］。

电阻率、少子寿命、碳氧含量是多晶硅锭的主要电学指标，其中电阻率就需要结合各种原料自身的电阻率进行计算，而原料中极少量的重掺料却能影响整个多晶硅锭的电阻率，本文主要研究多晶硅铸锭过程中重掺料的影响［2］。

1 原料中重掺硅料对多晶硅锭电阻率的影响

1.1 原料中重掺料影响的理论分析

在多晶硅铸锭配料过程中，母合金具有很高的硼含量（硼含量越高电阻率越低），其属于低电阻的重要原料。在配料过程中，对于规格、电阻率固定的母合金，可以通过改变母合金重量来调整P型多晶硅锭整体中的硼含量，以此控制P型多晶硅锭整体的电阻率。母合金过量会导致硅锭电阻率偏低，母合金过少也会导致硅锭电阻率偏高。因此，当其他原料的电阻值都已明了的情况下，母合金的重量对于多晶硅整体的电阻率起到举足轻重的作用，母合金用量要严格把控。一般情况下，电阻率ρ小于0.5Ω·cm的为重参料，由于原料中重参料的重量很难掌握且电阻率范围不固定，重参料的存在严重影响对多晶硅铸锭配料中母合金重量把控，甚至最终影响硅锭整体的电阻率。

在计算母合金用量时，要详细了解各个原料的电阻率、配料中各个原料的重量，根据各个原料的不同参数进行计算、核对，再决定母合金用料多少。

母合金使用重量的详细计算如公式（1）-（7）：

式中：N为硼含量，ρ为电阻率。

则原料中的硼含量的总和为：

其中M为x硅料的重量（x可以是原生料、边皮、碎片等原料），NPx为P型x硅料的硼含量。

假设计划生产的P型多晶硅锭质量为m锭，硅锭的目标电阻率为ρ锭，则P型多晶硅锭中所需的硼浓度为：

多晶硅锭中需要的硼含量为：

则通过母合金给硅锭补充的硼含量为：

而母合金的中硼浓度为：

则铸锭中投入的母合金重量为：

根据以上公式进行计算，正常料的电阻为1～3Ω·cm，由于硼在硅中的分凝系数大约为0.8，成型的多晶硅锭底部电阻要求小于3Ω·cm，底部电阻率大于1Ω·cm。以其多晶硅锭的中间电阻2Ω·cm为例，其硼含量约6.38×1014个/cm3；而以重掺料上限电阻率0.5Ω·cm为例，其硼含量约2.55×1015个/cm3，是正常料硼含量的20倍，如果重掺料的电阻更低，其硼含量是正常料硼含量的数十倍、数百倍，甚至更高，如果对重参料的电阻率和重量不知情的情况下，铸锭使用的母合金重量m母合金会比需要值偏大。因此，如果有重掺料存在，即使其比例极小，但如将其忽视，会使硅料中硼含量严重超过计算值，使铸锭所得的硅锭电阻率降低，严重影响多晶硅锭整体的电阻率。

针对原料中重掺料存在的现象，需要原料分别测试、分辨，检验出重掺料并将重掺料剔除出原料，使所用原料电阻值都在正常值范围内（正常值1～3Ω·cm）。

1.2 重掺料在生产中的影响

随机抽取一次投炉的硅料进行检测，使用硅料电阻测试仪对硅料逐一进行鉴别和测试，最终发现一次性投炉的500kg硅料中含有少量的重掺料。

由于原料中有重掺的存在，硅料中硼的含量超过计算值，铸锭所得的硅锭电阻率降低，影响了硅锭的质量。对一次所用料进行检测后，将检测出的重掺料称重结果有38.2g，去掉纸张重量0.2g，重掺料共计38g，约占整个投炉硅料重量的0.007 6%。

对检测出来的重掺料使用四探针电阻率测试仪进行检测，大多数的重掺硅料的电阻率约为0.003～0006Ω·cm。

重掺料的硼含量要比正常料的硼含量高得多，正常料的电阻为1～3Ω·cm，以中心电阻率数值2Ω·cm为例，则正常料的硼含量 N正常值=6.38×1014个/cm3；以电阻率0.005Ω·cm的重掺料为例，其硼含量N重掺值=2.55×1017个/cm3，其硼含量大约为正常料硼含量的3 000倍。这就使硅料的中硼含量远超预期计算值。

实际生产中，由于检测设备未能及时购买使用，几次铸锭中将未经过重掺检测的原料进行铸锭，硅锭开方检测后的结果如表1所示。

表1 含有重掺料的硅料铸锭后的参数

从表1可以看出，含重掺料铸锭后电阻率严重低于正常值（正常值为1～3Ω·cm），比正常值低0.4～0.6Ω·cm，甚至有的整块硅锭电阻率都小于1Ω·cm，只有0.7～0.9Ω·cm，最终导致硅锭的收益率为0（收益率=合格硅块的重量/整锭重量）。虽然铸锭中掺入0.003～0.006Ω·cm重掺料的重量只占原料总重的0.0076%，但其依旧能降低硅锭电阻率。

如表2所示，对去除重掺的原料进行铸锭，硅锭开方检测后，硅锭的电阻率都处于正常值范围（正常值为1～3Ω·cm），多晶硅锭的收益率都在62%以上（收益率=合格硅块的重量/整锭重量），符合客户和市场的质量要求。

表2 去除重掺的硅料铸锭后的参数

经过实践生产经验，含有重掺料的原料在铸锭中会使多晶硅锭的整体电阻率降低，在硅料使用之前必须经过严格筛选，去除其中的重掺料。

2 结论

本文通过实践生产得出：硅料中的重掺料会降低铸锭的电阻率，电阻率0.003～0.006Ω·cm的重掺料即使只占铸锭原料重量的0.007 6%，但其依旧能使整个多晶硅锭电阻率降低0.4～0.6Ω·cm，如果将重掺料检测出并去除，便能够将多晶硅锭电阻率按生产要求控制在1～3Ω·cm。

［1］刘超，黄杰.对多品硅铸锭炉生产工艺控制技术的研究［J］.科技创新与应用，2012（26）：137.

［2］唐中华.多晶硅半熔铸锭工艺研究［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

唐中华（1988-），男，硕士，工程师，研究方向：多晶硅铸锭技术的开发与研究。

陈声斌（1963-），男，中专，中级工程师，研究方向：多晶硅铸锭技术的开发与研究。