石墨制(zhi)品(pin)及制(zhi)品(pin)在(zai)半導(dao)體(ti)工(gong)業、光伏產(chan)業中(zhong)的(de)應(ying)用情況(kuang)3.2等靜(jing)壓(ya)石墨的(de)特(te)性(xing)

3.2.1各(ge)向同性(xing)

石墨壓(ya)制(zhi)前(qian)的(de)物料，無(wu)論(lun)是(shi)糊(hu)料(liao)，還(hai)是(shi)粉末，物料的(de)顆(ke)粒(li)排(pai)列(lie)是無(wu)序(xu)的(de)，在(zai)壓(ya)力作(zuo)用下(xia)，粉末(mo)顆粒(li)發生位移和變形(xing)，顆(ke)粒(li)間(jian)的(de)接觸表面(mian)因(yin)塑性(xing)變形(xing)而(er)增大(da)，發生機(ji)械(xie)的(de)咬合(he)和交織，使物料被壓實。物料中(zhong)的(de)炭(tan)質(zhi)顆(ke)粒(li)，用顯微(wei)鏡觀察(cha)，可(ke)以(yi)看到(dao)，他們(men)既(ji)非圓形(xing)，也(ye)非(fei)方(fang)形(xing)。屬不(bu)規則(ze)形(xing)狀。即長(chang)、寬(kuan)比不(bu)同。在(zai)擠(ji)壓和(he)模壓(ya)的情況(kuang)下(xia)，受單(dan)方(fang)向壓力(li)和模(mo)具(ju)摩擦(ca)作用，這些(xie)炭質(zhi)顆粒(li)將作有(you)序(xu)排(pai)列(lie)。這便(bian)造(zao)成最(zui)終(zhong)產(chan)品性(xing)能上(shang)的(de)差(cha)異(yi)，如(ru)電(dian)氣、機(ji)械(xie)、熱(re)性能等。即垂直於壓力面(mian)的(de)方(fang)向與水平(ping)於壓力面(mian)的(de)方(fang)向性能不(bu)同，人們(men)稱(cheng)其(qi)為(wei)“各(ge)向異性(xing)”。在(zai)許(xu)多(duo)使用的場合(he)，不(bu)需(xu)要石墨的(de)“各(ge)向異性(xing)”，而(er)需(xu)要它(ta)的(de)“各(ge)向同性(xing)”。

等靜(jing)壓(ya)成型(xing)改(gai)物料的(de)單(dan)方(fang)向（或雙方(fang)向）受壓(ya)為多(duo)方(fang)向（全方(fang)位(wei)）受(shou)壓(ya)，碳素顆(ke)粒(li)始(shi)終(zhong)處(chu)於無序(xu)狀態。從而(er)使最終產(chan)品沒有(you)或很(hen)少有(you)性能上(shang)的(de)差(cha)異(yi)。方(fang)向上(shang)的(de)性能比不(bu)大(da)於111。人們(men)稱(cheng)其(qi)為(wei)：“各(ge)向同性(xing)”。當然(ran)，為了(le)進壹(yi)步(bu)縮小(xiao)性能上(shang)的(de)差(cha)異(yi)，除關鍵的(de)等靜(jing)壓(ya)機(ji)成型(xing)外，尚需(xu)在(zai)炭(tan)質顆(ke)粒(li)結構和工(gong)藝(yi)上(shang)進壹(yi)步(bu)調(tiao)整。

各(ge)向同性(xing)石墨材料(liao)的最大(da)特征，是石墨各(ge)方(fang)向測定(ding)的性(xing)能都(dou)是等同(tong)性(xing)的(de)（異方(fang)性(xing)）。它(ta)的(de)異方(fang)向性為(wei)1.0-1.1，壹(yi)般(ban)為(wei)1.02-1.06。此(ci)外，各(ge)向同性(xing)石墨的(de)體(ti)積密(mi)度、機(ji)械(xie)強(qiang)度等與(yu)普(pu)通(tong)石墨相(xiang)比，其性能要高(gao)壹(yi)個(ge)檔(dang)次，如(ru)體(ti)積密(mi)度為(wei)1.70-1.90g/cm3（普(pu)通(tong)石墨為(wei)1.60-1.80 g/cm3 ），抗(kang)折(zhe)強度(du)為35-90MPa（普(pu)通石墨為(wei)25-45MPa）等。

3.2.2體(ti)積密(mi)度的(de)均壹(yi)性(xing)

為(wei)制(zhi)造(zao)細(xi)結構，質地(di)致(zhi)密(mi)，組(zu)織均勻的石墨制(zhi)品(pin)，采用粉末(mo)壓(ya)制(zhi)（而(er)非糊(hu)料(liao)）是(shi)唯壹(yi)的(de)方(fang)法(fa)。而(er)用粉末(mo)壓(ya)制(zhi)只(zhi)有(you)采用模壓(ya)方(fang)法(fa)和等靜(jing)壓(ya)方(fang)法(fa)。在(zai)采用模壓(ya)成型(xing)時，無論(lun)是(shi)單(dan)面(mian)壓(ya)制(zhi)或(huo)雙面(mian)壓(ya)制(zhi)，受(shou)摩擦(ca)力（炭(tan)質顆粒(li)間(jian)和(he)制(zhi)品(pin)與模(mo)具(ju)間(jian)）的(de)影響，壓力的(de)傳遞(di)將逐漸降低(di)，從(cong)而(er)造(zao)成體(ti)積密(mi)度的(de)不(bu)均勻。這種(zhong)差(cha)異(yi)，隨(sui)制(zhi)品(pin)的高(gao)度(du)增(zeng)加而(er)加大(da)。

這種(zhong)毛坯(pi)整體(ti)上(shang)的(de)密(mi)度不(bu)均勻，不(bu)僅(jin)為以後工(gong)序(xu)——焙(bei)燒帶(dai)來(lai)隱患，亦將造(zao)成毛坯(pi)加工(gong)成品(pin)部(bu)件(jian)時，帶(dai)來(lai)單個(ge)產(chan)品的(de)性能差(cha)異(yi)，是(shi)十分有(you)害(hai)的。

采用等靜(jing)壓(ya)機(ji)成型(xing)時，產(chan)品各(ge)方(fang)位(wei)受(shou)力(li)均勻，體(ti)積密(mi)度比較均壹(yi)，且(qie)不(bu)受產(chan)品高(gao)度(du)的(de)限(xian)制(zhi)。

3.2.3可(ke)以(yi)制(zhi)造(zao)大(da)規格制(zhi)品(pin)

由於信息(xi)產(chan)業的(de)飛速發展，單晶矽的直徑(jing)不(bu)斷向大(da)直徑(jing)方(fang)向延(yan)伸(shen)，已(yi)由(you)原(yuan)來(lai)的75-100mm，發展到(dao)150-200mm，而(er)且(qie)正(zheng)向250mm、300mm發展。需(xu)要石墨材料(liao)的直徑(jing)也隨(sui)之(zhi)增加。此(ci)外電火花加工(gong)用石墨、連(lian)鑄(zhu)石墨、核(he)反(fan)應(ying)堆(dui)用石墨亦(yi)需(xu)大(da)規格制(zhi)品(pin)，如(ru)當(dang)今商品(pin)市場上(shang)已(yi)出現?1500×2000mm的(de)石墨制(zhi)品(pin)。而(er)采用模壓(ya)方(fang)法(fa)是無(wu)法(fa)完成的(de)。這是因(yin)為(wei)它(ta)受(shou)到(dao)下(xia)列(lie)制(zhi)約(yue)：

（1）壓機(ji)噸(dun)位(wei)的限(xian)制(zhi)

以(yi)產(chan)品直徑(jing)1500mm為例，假如(ru)壓(ya)制(zhi)單(dan)位壓(ya)力為(wei)100MPa，則(ze)壓制(zhi)的(de)使用壓力(li)將為：17，662.5t，設計(ji)的噸(dun)位將更高(gao)。雖(sui)然(ran)當今(jin)制(zhi)造(zao)這樣高(gao)噸(dun)位(wei)的壓(ya)機(ji)，並不(bu)困(kun)難(nan)，但(dan)是(shi)假(jia)如(ru)制(zhi)品(pin)長(chang)度(du)加大(da)，則(ze)此(ci)壓(ya)機(ji)將是壹(yi)個(ge)龐(pang)然(ran)大(da)物。造(zao)價(jia)亦(yi)十分可(ke)觀(guan)。

（2）產(chan)品高(gao)度(du)的(de)限(xian)制(zhi)

目(mu)前(qian)采用雙面(mian)壓(ya)制(zhi)模(mo)壓產(chan)品的(de)高(gao)度(du)，也(ye)只(zhi)能在(zai)300-400mm之(zhi)間(jian)，假(jia)如(ru)制(zhi)品(pin)高(gao)度(du)為(wei)2，000mm，在(zai)通(tong)常情況(kuang)下(xia)，上(shang)滑塊與壓機(ji)床(chuang)面(mian)高(gao)度(du)與(yu)制(zhi)品(pin)高(gao)度(du)比是4：1，那麽(me)壓機(ji)的(de)空(kong)間(jian)距(ju)離(li)將達(da)到(dao)8000mm。雖然(ran)對壓(ya)機(ji)和(he)模(mo)具(ju)進行(xing)結構改變(bian)，有(you)望降低(di)壹(yi)些(xie)高(gao)度(du)，但(dan)壓機(ji)的(de)設計(ji)與制(zhi)造(zao)上(shang)將遇到(dao)很(hen)大(da)的困(kun)難(nan)。更何(he)況(kuang)如(ru)此(ci)高(gao)的(de)產(chan)品，其(qi)體(ti)積密(mi)度上(shang)的(de)差(cha)異(yi)，將十分明(ming)顯。甚(shen)至造(zao)成中(zhong)間(jian)部(bu)位無法(fa)成型(xing)的(de)狀態。





（3）焙(bei)燒的限(xian)制(zhi)

統計數(shu)據表(biao)明(ming)，炭(tan)石墨制(zhi)品(pin)的生產(chan)廢品(pin)，70%以上(shang)是(shi)焙(bei)燒工(gong)序(xu)造(zao)成的(de)，廢(fei)品的(de)主要形(xing)式(shi)是產(chan)品的(de)內(nei)、外部裂紋。造(zao)成焙(bei)燒產(chan)品開(kai)裂的原(yuan)因(yin)很(hen)多(duo)，諸如(ru)配方(fang)的(de)合(he)理(li)性、粘(zhan)結劑(ji)的加入量多(duo)少、單(dan)位(wei)壓(ya)力的(de)大(da)小(xiao)、焙(bei)燒曲線的(de)快(kuai)慢、產(chan)品受(shou)熱(re)的均勻程度(du)、焙(bei)燒低溫過(guo)程的(de)“浸氧(yang)”、填充料(liao)的性(xing)質等等，但(dan)不(bu)可(ke)否(fou)認，制(zhi)品(pin)體(ti)積密(mi)度的(de)不(bu)均勻，是產(chan)品內(nei)部結構缺(que)欠所(suo)造(zao)成焙(bei)燒開裂(lie)的主要元(yuan)兇(xiong)之(zhi)壹(yi)。這是因(yin)為(wei)體(ti)積密(mi)度的(de)不(bu)同，膨(peng)脹系(xi)數(shu)便(bian)有(you)差(cha)異(yi)，在(zai)焙(bei)燒過程中(zhong)，將產(chan)生不(bu)均衡的(de)內(nei)應(ying)力。當(dang)這種(zhong)內(nei)應(ying)力超(chao)過制(zhi)品(pin)本(ben)身強度(du)時，便(bian)因內(nei)應(ying)力釋放而(er)開裂。這種(zhong)開(kai)裂(lie)不(bu)僅(jin)在(zai)焙(bei)燒過程中(zhong)產(chan)生，在(zai)冷卻過程也(ye)易於產(chan)生。

由於等靜(jing)壓(ya)機(ji)成型(xing)的(de)產(chan)品，如(ru)上(shang)所(suo)述(shu)，在(zai)很(hen)大(da)程度(du)上(shang)，克服了(le)體(ti)積密(mi)度的(de)不(bu)均勻性，不(bu)僅(jin)在(zai)產(chan)品規格相同(tong)的情況(kuang)下(xia)，產(chan)品開(kai)裂的可(ke)能性(xing)大(da)幅度(du)降低(di)，而(er)且(qie)使生產(chan)大(da)規模(mo)產(chan)品成為(wei)可(ke)能。除上(shang)述(shu)之(zhi)外，采用等靜(jing)壓(ya)機(ji)成型(xing)的(de)等靜(jing)壓(ya)石墨，除圓形(xing)和(he)板材之(zhi)外，還可(ke)以(yi)制(zhi)造(zao)異(yi)形(xing)產(chan)品。更重要的(de)是(shi)，產(chan)品性(xing)能與(yu)產(chan)品的(de)規格大(da)小(xiao)無關(guan)。



3.2.4各(ge)向同性(xing)石墨與(yu)各(ge)向異性(xing)石墨的(de)性(xing)能比較

各(ge)向同性(xing)石墨與(yu)各(ge)向異性(xing)石墨的(de)性(xing)能比較見表(biao)3-1

表3-1 各(ge)向同性(xing)石墨與(yu)各(ge)向異性(xing)石墨的(de)特(te)性(xing)比較

對比項目(mu)

各(ge)向同性(xing)石墨

各(ge)向異性(xing)石墨

各(ge)向異性(xing)比

1.0-1.1

大(da)於1.1

平(ping)均焦炭顆(ke)粒(li)直徑(jing)/?m

1-10

10-100

體(ti)積密(mi)度/（g/cm3）

1.7-2.0

1.6-1.8

抗(kang)折(zhe)強度(du)/MPa

39.2-98

29.4-58.8

毛坯(pi)尺(chi)寸(cun)/mm





最大(da)直徑(jing)-圓筒(tong)形(xing)

1500

500

最(zui)大(da)直徑(jing)-圓柱(zhu)形(xing)

1100

500

最(zui)大(da)長(chang)度(du)

2500

500

毛坯(pi)形(xing)狀

可(ke)以(yi)制(zhi)造(zao)長(chang)尺(chi)寸(cun)和異(yi)形(xing)材料(liao)

不(bu)能制(zhi)造(zao)長(chang)尺(chi)寸(cun)和異(yi)形(xing)制(zhi)品(pin)

毛坯(pi)尺(chi)寸(cun)與特(te)性

特(te)性(xing)與毛坯(pi)形(xing)狀尺(chi)寸(cun)無關(guan)

根據(ju)毛坯(pi)形(xing)狀、尺(chi)寸(cun)大(da)小(xiao)特性(xing)不(bu)同

毛坯(pi)尺(chi)寸(cun)精(jing)度(du)

精(jing)度(du)不(bu)好

精(jing)度(du)較好(hao)

毛坯(pi)內(nei)離(li)散(san)程度(du)體(ti)積密(mi)度的(de)R值(zhi)

與(yu)毛坯(pi)內(nei)部位(wei)置(zhi)無(wu)關，特性(xing)離(li)散(san)小(xiao)，0.03以內(nei)

中(zhong)心部位與周邊部位特性有(you)差(cha)異(yi)，0.06左右

體(ti)積密(mi)度LOT間(jian)的(de)離(li)散(san)

±0.03

±0.6



4.石墨制(zhi)品(pin)及制(zhi)品(pin)在(zai)半導(dao)體(ti)工(gong)業、光伏產(chan)業中(zhong)的(de)應(ying)用情況(kuang)

4.1石墨材料(liao)在(zai)鑄(zhu)錠多(duo)晶矽制(zhi)造(zao)中(zhong)的(de)應(ying)用

4.1.1鑄錠多(duo)晶矽

2007年在(zai)全(quan)球半導(dao)體(ti)產(chan)業低(di)速增長(chang)的(de)情況(kuang)下(xia)，中(zhong)國(guo)的(de)半導(dao)體(ti)產(chan)業持(chi)續發展，比2006年增長(chang)了(le)20.8%，隨(sui)著各(ge)國(guo)對可(ke)再(zai)生能源(yuan)的重視(shi)，以(yi)及太陽能電(dian)池轉換(huan)效率(lv)不(bu)斷提(ti)高(gao)，產(chan)品成本(ben)不(bu)斷下(xia)降，太陽能電(dian)池產(chan)量快(kuai)速增長(chang)。自(zi)2000年以來(lai)光伏市(shi)場的發展超過(guo)了(le)工(gong)業歷(li)史(shi)上(shang)的(de)任何(he)壹(yi)次(ci)飛(fei)躍(yue)。2007年全球太陽能電(dian)池產(chan)量達(da)到(dao)4000MW，較2006年增長(chang)了(le)56%，中(zhong)國(guo)2007年太陽能電(dian)池產(chan)量達(da)到(dao)1088MW，同比增長(chang)148%，市(shi)場占(zhan)有(you)率由2006年的17%提(ti)升(sheng)到(dao)27%。光伏發電的前(qian)景已(yi)經被越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的國(guo)家(jia)和(he)金(jin)融界認識，多(duo)晶矽材料(liao)不(bu)僅(jin)用於半導(dao)體(ti)集(ji)成電(dian)路(lu)單晶矽的生產(chan)，同時還大(da)量用於光伏太陽能電(dian)池產(chan)業，特(te)別是用多(duo)晶矽生產(chan)的單(dan)晶矽制(zhi)造(zao)的(de)太陽能電(dian)池片其轉化(hua)效率高(gao)﹙13%-18%﹚。

矽(gui)太陽能電(dian)池所(suo)用的單(dan)晶矽片，主要來(lai)自(zi)兩(liang)種(zhong)工(gong)藝(yi)渠(qu)道(dao)生產(chan)、供應(ying)的。壹(yi)類是(shi)通過直拉單晶矽，生產(chan)出單(dan)晶矽棒(bang)，經切(qie)割(ge)等制(zhi)成晶圓。另(ling)外壹(yi)類是(shi)以多(duo)晶矽為原(yuan)料(liao)，通過鑄(zhu)錠方(fang)法(fa)制(zhi)成鑄(zhu)錠多(duo)晶矽塊，再(zai)利用線切(qie)割(ge)機(ji)加工(gong)制(zhi)成晶圓。

在(zai)太陽能電(dian)池制(zhi)造(zao)的(de)工(gong)藝(yi)流(liu)程中(zhong)，可(ke)以(yi)看出，多(duo)晶矽鑄錠是(shi)整個(ge)光伏產(chan)業鏈(lian)中(zhong)的(de)壹(yi)個(ge)非(fei)常(chang)重要的(de)基(ji)礎工(gong)序(xu)。利用鑄造(zao)技(ji)術(shu)制(zhi)備(bei)矽多(duo)晶體(ti)，稱(cheng)為(wei)鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽或鑄錠多(duo)晶矽﹙multicrystalline silicon,mc-Si﹚。鑄造(zao)多(duo)晶矽雖然(ran)含有(you)大(da)量的(de)晶粒(li)、晶界、位錯(cuo)和雜質，但(dan)由於省(sheng)去了(le)高(gao)費(fei)用的晶體(ti)拉制(zhi)過(guo)程，所(suo)以(yi)相(xiang)對成本(ben)較低(di)，而(er)且(qie)能耗也較(jiao)低，在(zai)國(guo)際上(shang)得到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)應(ying)用。

與直拉單晶矽相比，鑄造(zao)多(duo)晶矽的主要優(you)勢(shi)是(shi)①材料(liao)利用率高(gao)、能耗小(xiao)、制(zhi)備(bei)成本(ben)低，而(er)且(qie)其晶體(ti)生長(chang)簡(jian)便(bian)，易於大(da)尺(chi)寸(cun)生長(chang)；②可(ke)直接(jie)得到(dao)方(fang)錠，與(yu)拉制(zhi)單(dan)晶圓棒(bang)相(xiang)比，在(zai)切(qie)割制(zhi)備(bei)矽片的過程中(zhong)比較省(sheng)料，提(ti)高(gao)了(le)矽料的(de)利用率，且(qie)方(fang)形(xing)較(jiao)圓(yuan)形(xing)易(yi)於提(ti)高(gao)電(dian)池(chi)模塊的包裝密(mi)度。但(dan)是(shi)，其(qi)缺(que)點是(shi)含有(you)晶界、高(gao)密(mi)度的(de)位(wei)錯(cuo)、微(wei)缺(que)陷和(he)相(xiang)對較(jiao)高(gao)的(de)雜質濃度，其(qi)晶體(ti)的質(zhi)量明(ming)顯低(di)於單晶矽，從而(er)降低了(le)太陽能電(dian)池的光電轉換(huan)效率(lv)。

目(mu)前(qian)，太陽能用於多(duo)晶矽片主要采用鑄造(zao)多(duo)晶矽，多(duo)晶片的制(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)是(shi)壹(yi)個(ge)鑄(zhu)造(zao)過(guo)程，在(zai)這個過(guo)程中(zhong)，熔(rong)化(hua)的(de)矽(gui)被傾倒到(dao)壹(yi)個(ge)模(mo)子裏並且(qie)被定型，然(ran)後它(ta)被切成薄(bo)片(pian)。因為(wei)多(duo)晶片是通過(guo)模鑄(zhu)被制(zhi)作(zuo)出來(lai)的，由(you)於鑄造(zao)過(guo)程的(de)晶體(ti)結構上(shang)的(de)不(bu)完整，鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽太陽能電(dian)池的效率低於單晶矽電池，但(dan)是由(you)於生產(chan)工(gong)藝(yi)簡(jian)單，所(suo)以(yi)他們(men)能夠(gou)更加便(bian)宜的被生產(chan)，具(ju)有(you)廣(guang)闊的(de)市場前(qian)景。

早在(zai)1975年，德國的(de)瓦(wa)克﹙Wacker﹚公(gong)司(si)在(zai)國(guo)際上(shang)首(shou)先(xian)利用澆鑄(zhu)法(fa)制(zhi)備(bei)多(duo)晶矽材料(liao)﹙SILSO﹚制(zhi)造(zao)太陽能電(dian)池。幾(ji)乎(hu)同(tong)時，其他研究小(xiao)組(zu)也(ye)提(ti)出了(le)不(bu)同的(de)鑄造(zao)工(gong)藝(yi)來(lai)制(zhi)各(ge)多(duo)晶矽材料(liao)如(ru)美(mei)國Solarex公(gong)司(si)的(de)結晶法(fa)、美國(guo)晶體(ti)系(xi)統公(gong)司(si)的(de)熱(re)交換(huan)法(fa)、日(ri)本(ben)電氣(qi)公(gong)司(si)和(he)大(da)阪鈦(tai)公(gong)司(si)的(de)模具(ju)釋放鑄錠法(fa)等。以(yi)此(ci)為(wei)開(kai)端，鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽產(chan)品走(zou)入人們(men)的視(shi)線(xian)。

自(zi)從鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽發明(ming)以(yi)後(hou)，技(ji)術(shu)不(bu)斷改(gai)進，質量不(bu)斷提(ti)高(gao)，應(ying)用也不(bu)斷廣(guang)泛(fan)。在(zai)材料(liao)制(zhi)備(bei)方(fang)面(mian)，平(ping)面(mian)固液(ye)界面(mian)技(ji)術(shu)和(he)氮(dan)化矽塗(tu)層(ceng)技(ji)術(shu)等技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用、材料(liao)尺(chi)寸(cun)的不(bu)斷加大(da)；在(zai)電(dian)池方(fang)面(mian)，SiN減(jian)反(fan)射層技(ji)術(shu)、氫鈍(dun)化技(ji)術(shu)、吸(xi)雜技(ji)術(shu)的(de)開(kai)發和應(ying)用，使得鑄造(zao)多(duo)晶矽材料(liao)的電學(xue)性(xing)能有(you)了(le)明(ming)顯改(gai)善(shan)，其太陽能電(dian)池的光電轉換(huan)效率(lv)也得到(dao)了(le)迅速提(ti)高(gao)，實驗(yan)室(shi)中(zhong)的(de)效(xiao)率(lv)從(cong)1976年的12.5%提(ti)高(gao)到(dao)21世紀(ji)初(chu)的(de)19.8%。近年來(lai)更達(da)到(dao)20.3%。而(er)在(zai)實際生產(chan)中(zhong)的(de)鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽太陽能電(dian)池效率也已(yi)達(da)到(dao)15%-16%左右。

由(you)於鑄造(zao)多(duo)晶矽的優(you)勢(shi)，包(bao)括(kuo)中(zhong)國(guo)在(zai)內(nei)的世(shi)界各(ge)主(zhu)要太陽能生產(chan)國都(dou)在(zai)努力發展其工(gong)業規模(mo)。自(zi)20世紀(ji)90年代以來(lai)，國際(ji)上(shang)新建(jian)的(de)太陽能電(dian)池和材料(liao)的生產(chan)線大(da)部分是鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽生產(chan)線，並且(qie)隨(sui)著產(chan)業規模(mo)和技(ji)術(shu)的(de)提(ti)升(sheng)，更多(duo)的鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽材料(liao)和電池生產(chan)線投(tou)入應(ying)用。目(mu)前(qian)，鑄(zhu)造(zao)多(duo)晶矽已(yi)占(zhan)太陽能電(dian)池材料(liao)的55%以上(shang)，稱(cheng)為(wei)最(zui)主要的(de)太陽能電(dian)池材料(liao)。

鑄造(zao)多(duo)晶矽片加工(gong)流程是(shi)由鑄(zhu)錠開(kai)始(shi)，到(dao)多(duo)晶矽矽片的(de)加工(gong)而(er)完成。它(ta)的(de)完整工(gong)藝(yi)流(liu)程參(can)見(jian)下(xia)圖(tu)。



裝料(liao)

→

熔(rong)化(hua)

→

定(ding)向生長(chang)

→

冷卻凝固



↓



矽(gui)片清洗(xi)

←

多(duo)線切(qie)割(ge)

←

破錠

←

矽(gui)錠出爐


↓

包裝(zhuang)

→

出廠(chang)



多(duo)晶矽片的典(dian)型(xing)生產(chan)工(gong)藝(yi)如(ru)下(xia)：

（1）裝料(liao)：將清洗(xi)後(hou)的或免洗(xi)的(de)51料裝入噴(pen)有(you)氮化矽(gui)的塗(tu)層(ceng)的石英(ying)坩堝內(nei)，整體(ti)放置(zhi)在(zai)定(ding)向凝固塊上(shang)，下(xia)爐罩上(shang)升(sheng)與上(shang)爐罩合(he)攏，抽真空(kong)，並通入(ru)氬氣作(zuo)為(wei)保護(hu)氣體(ti)，爐內(nei)壓力(li)大(da)致(zhi)保(bao)持(chi)在(zai)4×104-6×104Pa左右；

（2）加熱(re)：利用均布(bu)於四周的石墨加熱(re)器(qi)按(an)設定(ding)的速率緩慢(man)加熱(re)，去除爐內(nei)設施及矽料(liao)表(biao)面(mian)吸(xi)附的(de)濕(shi)氣等；

（3）熔(rong)化(hua)：增(zeng)大(da)加熱(re)功率(lv)，使爐內(nei)溫度(du)達(da)到(dao)1540℃左右的(de)矽料(liao)熔(rong)化(hua)溫度(du)並壹(yi)直保(bao)持直至(zhi)矽料(liao)完全(quan)熔(rong)化(hua)；

（4）長(chang)晶：Si料熔(rong)化(hua)結束(shu)後(hou)，適當減小(xiao)加熱(re)功率(lv)，工(gong)作區(qu)溫度(du)降至1430℃左右的(de)矽的(de)熔(rong)點(dian)，緩慢(man)提(ti)升(sheng)隔熱(re)籠，使石英(ying)坩堝底(di)部(bu)的(de)定向凝固塊慢慢露出加熱(re)區(qu)，形(xing)成垂直方(fang)向的大(da)於0℃的溫度(du)梯度，坩(gan)堝中(zhong)矽(gui)料(liao)的(de)溫度(du)自(zi)底部(bu)開始(shi)降(jiang)低(di)並形(xing)成固液(ye)界面(mian)，多(duo)晶開始(shi)在(zai)底(di)部形(xing)成，隨(sui)著隔(ge)熱(re)籠的(de)提(ti)升(sheng)，水平(ping)的(de)固液(ye)界面(mian)也(ye)逐(zhu)漸(jian)上(shang)升(sheng)，多(duo)晶矽呈(cheng)柱(zhu)狀向上(shang)生長(chang)，生長(chang)過(guo)程中(zhong)需(xu)要盡(jin)量保(bao)持水平(ping)方(fang)向的零溫度(du)梯度，直至(zhi)晶體(ti)生長(chang)完(wan)成，該(gai)過(guo)程視(shi)裝(zhuang)料的多(duo)少而(er)定，約(yue)需(xu)要20-30h；

（5）退(tui)火：長(chang)晶完成後(hou)，由(you)於坩堝中(zhong)51料(liao)的(de)上(shang)部(bu)和下(xia)部存(cun)在(zai)較(jiao)大(da)的溫差(cha)，這時的多(duo)晶矽錠會(hui)存(cun)在(zai)壹(yi)定(ding)的(de)熱(re)應(ying)力，容易在(zai)後(hou)道(dao)剖(pou)錠、切(qie)片(pian)和電(dian)池制(zhi)造(zao)過(guo)程中(zhong)碎裂(lie)，因此(ci)，長(chang)晶後應(ying)保溫在(zai)矽(gui)熔(rong)點(dian)附近(jin)壹(yi)段(duan)時間(jian)以(yi)使整個(ge)晶錠的(de)溫度(du)逐漸均勻，減少(shao)或(huo)消(xiao)除熱(re)應(ying)力；

（6）冷卻：退(tui)火後，加熱(re)器(qi)停(ting)止(zhi)加熱(re)，並通入(ru)大(da)流量氬氣，使爐內(nei)溫度(du)逐漸降(jiang)低，氣(qi)壓(ya)逐(zhu)漸回升(sheng)，直至(zhi)達(da)到(dao)大(da)氣壓(ya)及容許(xu)的出錠溫度(du)。

（7）出錠：降(jiang)低(di)下(xia)爐罩，露(lu)出固定(ding)器(qi)上(shang)的(de)坩堝(guo)，用專(zhuan)用的裝(zhuang)卸(xie)料叉車(che)將坩堝叉出；

（8）破錠：利用剖錠機(ji)將多(duo)晶矽錠上(shang)易(yi)吸收(shou)雜質的(de)上(shang)下(xia)表面(mian)及周邊切除，按(an)所(suo)需(xu)矽片(pian)尺(chi)寸(cun)﹙如(ru)125mm×125mm規格或156mm×156mm規格﹚切割(ge)成均勻的方(fang)形(xing)矽(gui)柱(zhu)；

（9）切(qie)片：用多(duo)線切(qie)割(ge)機(ji)將方(fang)形(xing)Si柱(zhu)切(qie)割(ge)成厚(hou)度(du)為220?m左右的(de)多(duo)晶矽片；（10）清洗(xi)、包(bao)裝：清洗(xi)切(qie)好的矽片(pian)以(yi)去(qu)除切削液及表面(mian)的(de)其(qi)他殘余物，烘幹(gan)後(hou)包裝待用，工(gong)藝(yi)結束(shu)。



4.1.2多(duo)晶矽鑄錠爐的結構組(zu)成

根(gen)據(ju)多(duo)晶矽片的生產(chan)工(gong)藝(yi)可(ke)以(yi)得知其(qi)核(he)心設備(bei)為大(da)容量多(duo)晶矽鑄錠爐。它(ta)是(shi)將矽料高(gao)溫熔(rong)融後通(tong)過定(ding)向冷卻冷凝結晶，使其形(xing)成晶向壹(yi)致(zhi)的(de)矽(gui)錠，從(cong)而(er)達(da)到(dao)太陽能電(dian)池生產(chan)對矽(gui)片(pian)品質(zhi)的要求(qiu)。多(duo)晶矽鑄錠爐是多(duo)晶矽制(zhi)造(zao)的(de)關(guan)鍵(jian)設備(bei)之(zhi)壹(yi)，其(qi)工(gong)藝(yi)流(liu)程的(de)穩定性(xing)、設備(bei)控制(zhi)的(de)穩定性(xing)和先(xian)進性直接(jie)關系(xi)到(dao)是否(fou)生成出合(he)格的矽(gui)錠，而(er)合(he)格的矽(gui)錠直接(jie)決(jue)定著矽(gui)片(pian)制(zhi)成的(de)電(dian)池的(de)光電轉換(huan)效率(lv)。

多(duo)晶矽鑄錠爐由罐(guan)狀爐體(ti)、加熱(re)器(qi)、裝(zhuang)載(zai)及隔熱(re)籠升(sheng)降(jiang)機(ji)構(gou)、送(song)氣及水冷系(xi)統、控制(zhi)系(xi)統和安(an)全(quan)保(bao)護(hu)系(xi)統組(zu)成。多(duo)晶矽片質量的(de)好壞(huai)主(zhu)要取決(jue)於多(duo)晶矽在(zai)多(duo)晶矽鑄錠爐中(zhong)的(de)定(ding)向生長(chang)。

為(wei)了(le)完成上(shang)述(shu)連續(xu)的工(gong)藝(yi)過(guo)程，全(quan)自(zi)動多(duo)晶矽鑄錠爐設計(ji)由下(xia)面(mian)的(de)幾(ji)大(da)工(gong)作系(xi)統組(zu)成。它(ta)們(men)分別為(wei)抽真(zhen)空(kong)系(xi)統、加熱(re)系(xi)統、測溫系(xi)統、保溫層(ceng)升降系(xi)統、壓力控制(zhi)系(xi)統及其他輔(fu)助系(xi)統。

（1）抽真空(kong)系(xi)統

抽真空(kong)系(xi)統是保持矽錠在(zai)真(zhen)空(kong)下(xia)進行(xing)壹(yi)系(xi)列(lie)處理(li)，要求(qiu)在(zai)不(bu)同的(de)狀態下(xia)，保持(chi)爐內(nei)真空(kong)壓力控(kong)制(zhi)在(zai)壹(yi)定(ding)範圍(wei)內(nei)。這就(jiu)要求(qiu)真(zhen)空(kong)系(xi)統既(ji)有(you)抽真空(kong)設備(bei)，同時還有(you)很(hen)靈敏的壓(ya)力(li)檢(jian)測控制(zhi)裝(zhuang)置(zhi)。保(bao)證(zheng)矽(gui)錠在(zai)生長(chang)過(guo)程中(zhong)，處(chu)於良好的(de)氣氛(fen)中(zhong)。抽(chou)真(zhen)空(kong)系(xi)統由機(ji)械(xie)泵(beng)和(he)羅茨(ci)泵(beng)、比例閥旁(pang)路抽(chou)氣(qi)系(xi)統組(zu)成。

（2）加熱(re)系(xi)統

加熱(re)系(xi)統是保持工(gong)藝(yi)要求(qiu)的(de)關鍵(jian)，采用發熱(re)體(ti)加熱(re)，由中(zhong)央(yang)控(kong)制(zhi)器(qi)控(kong)制(zhi)發熱(re)體(ti)，並可(ke)保(bao)證(zheng)恒(heng)定(ding)溫場內(nei)溫度(du)可(ke)按(an)設定(ding)值(zhi)變(bian)化(hua)；同時控制(zhi)溫度(du)在(zai)壹(yi)精(jing)度(du)範圍(wei)內(nei)。完成矽(gui)錠在(zai)長(chang)晶過程中(zhong)對溫度(du)的精(jing)確要求(qiu)。

（3） 測(ce)溫系(xi)統

測溫系(xi)統是檢(jian)測爐內(nei)矽錠在(zai)長(chang)晶過程中(zhong)溫度(du)的變化(hua)，給矽(gui)錠長(chang)晶狀況實時分析判(pan)斷系(xi)統提(ti)供(gong)數(shu)據，以(yi)便(bian)使長(chang)晶狀況實時分析判(pan)斷系(xi)統隨(sui)時調(tiao)整長(chang)晶參(can)數(shu)，使這壹(yi)過(guo)程處(chu)於良好狀態。

（4）保溫層(ceng)升降系(xi)統

保溫層(ceng)升降系(xi)統機(ji)構(gou)是(shi)保證(zheng)矽(gui)錠在(zai)長(chang)晶過程中(zhong)，保(bao)持(chi)良好的(de)長(chang)晶速度，它(ta)是(shi)通過精(jing)密(mi)機(ji)械(xie)升(sheng)降系(xi)統，並配備(bei)精(jing)確的位置(zhi)、速度控(kong)制(zhi)系(xi)統來(lai)實現。保(bao)證(zheng)矽(gui)錠晶核形(xing)成的(de)優(you)良性，保(bao)證(zheng)光電轉化(hua)的高(gao)效(xiao)性(xing)。

（5）壓力(li)控制(zhi)系(xi)統

壓力控制(zhi)系(xi)統主要保(bao)證(zheng)爐內(nei)矽錠在(zai)生長(chang)過(guo)程中(zhong)，在(zai)壹(yi)特(te)定(ding)時間(jian)段(duan)內(nei)，壓力(li)根據(ju)工(gong)藝(yi)要求(qiu)保(bao)持在(zai)壹(yi)壓(ya)力(li)下(xia)。它(ta)由(you)長(chang)晶狀況實時分析判(pan)斷系(xi)統來(lai)控制(zhi)。

（6）其(qi)他輔(fu)助系(xi)統

多(duo)晶矽鑄錠爐的工(gong)作原(yuan)理(li)：將多(duo)晶矽料裝入(ru)有(you)塗(tu)層(ceng)的坩堝內(nei)後放(fang)在(zai)定(ding)向凝固塊上(shang)，關(guan)閉爐膛(tang)後抽(chou)真空(kong)，加熱(re)待矽(gui)料完全熔(rong)化(hua)後(hou)，隔(ge)熱(re)籠緩慢(man)往(wang)上(shang)提(ti)升(sheng)，通過定向凝固塊將矽料結晶時釋放的熱(re)量輻射(she)到(dao)下(xia)爐腔內(nei)壁上(shang)，坩(gan)堝底(di)部(bu)的(de)定向凝固塊單向散(san)熱(re)，在(zai)矽(gui)料液(ye)固界(jie)面(mian)處(chu)形(xing)成豎(shu)直的(de)、大(da)於0℃的溫度(du)梯度，進行(xing)柱狀結晶生長(chang)。矽(gui)料(liao)凝固後(hou)，矽錠經過(guo)退(tui)火、冷卻後出爐即完(wan)成整個(ge)鑄(zhu)錠過(guo)程。



4.1.3石墨材料(liao)在(zai)多(duo)晶矽鑄錠爐中(zhong)的(de)應(ying)用

多(duo)晶矽鑄錠爐中(zhong)，多(duo)個組(zu)件(jian)是需(xu)要石墨材料(liao)。特別是加熱(re)器(qi)中(zhong)使用的加熱(re)材料(liao)-高(gao)純石墨，以(yi)及加熱(re)器(qi)中(zhong)使用的隔(ge)熱(re)材料(liao)-高(gao)純碳氈隔熱(re)材料(liao)，是目(mu)前(qian)重要的(de)配套(tao)材料(liao)。

﹙1﹚ 加熱(re)器(qi)中(zhong)使用的加熱(re)材料(liao)-高(gao)純石墨材料(liao)

在(zai)多(duo)晶矽鑄錠爐設計(ji)上(shang)，為(wei)使矽料熔(rong)融，必(bi)須(xu)采用合(he)適的加熱(re)方(fang)式(shi)。從加熱(re)的效(xiao)果(guo)而(er)言，感應(ying)加熱(re)和輻射(she)加熱(re)均可(ke)以(yi)達(da)到(dao)所(suo)需(xu)的溫度(du)。壹(yi)般(ban)多(duo)采用輻射(she)加熱(re)方(fang)式(shi)。它(ta)可(ke)以(yi)對結晶過程的(de)熱(re)量傳(chuan)遞(di)進行(xing)精(jing)確控制(zhi)，易(yi)於在(zai)坩(gan)堝內(nei)部形(xing)成垂直的(de)溫度(du)梯度。

加熱(re)器(qi)的(de)加熱(re)能力(li)必(bi)須(xu)超過1650℃，同時其材料(liao)不(bu)能與(yu)矽料反(fan)應(ying)，不(bu)對矽(gui)料(liao)造(zao)成汙(wu)染，能在(zai)真(zhen)空(kong)及惰性(xing)氣(qi)氛中(zhong)長(chang)期使用。符合(he)使用條件(jian)可(ke)供(gong)選(xuan)擇(ze)的(de)加熱(re)器(qi)有(you)金(jin)屬鎢(wu)、鉬和(he)非金(jin)屬石墨等。由(you)於鎢(wu)、鉬價(jia)格昂(ang)貴(gui)，加工(gong)困(kun)難(nan)，而(er)石墨來(lai)源廣(guang)泛(fan)，可(ke)加工(gong)成各(ge)種(zhong)形(xing)狀。另(ling)外，石墨具(ju)有(you)熱(re)慣性(xing)小(xiao)、可(ke)以(yi)快速加熱(re)，耐(nai)高(gao)溫、耐(nai)熱(re)沖擊性好(hao)，輻射(she)面(mian)積(ji)大(da)、加熱(re)效率(lv)高(gao)、且(qie)基本(ben)性能穩定等特(te)點(dian)。

﹙2﹚ 加熱(re)器(qi)中(zhong)使用的隔(ge)熱(re)材料(liao)-高(gao)純碳氈隔熱(re)材料(liao)

對於鑄錠工(gong)藝(yi)而(er)言，為了(le)提(ti)高(gao)生產(chan)效率(lv)，要求(qiu)設備(bei)的升溫速度盡(jin)可(ke)能快(kuai)；由於采用真空(kong)工(gong)藝(yi)，要求(qiu)爐內(nei)材料(liao)的放氣量應(ying)盡可(ke)能少(shao)，縮短(duan)真空(kong)排(pai)氣的時間(jian)；同(tong)時矽料(liao)中(zhong)溫度(du)梯度的(de)形(xing)成還(hai)需(xu)要隔(ge)熱(re)層的(de)精(jing)確提(ti)升(sheng)實現，隔(ge)熱(re)層的(de)質(zhi)量要盡(jin)可(ke)能輕，以減少升(sheng)降(jiang)時的慣性(xing)而(er)影響控制(zhi)精(jing)度(du)。綜(zong)上(shang)所(suo)述(shu)對於隔熱(re)材料(liao)的選(xuan)擇(ze)要求(qiu)是(shi)：耐(nai)高(gao)溫、密(mi)度低(di)、導(dao)熱(re)小(xiao)、蓄(xu)熱(re)量少(shao)、隔熱(re)效果(guo)好、放(fang)氣(qi)量少(shao)、重量輕、膨脹系(xi)數(shu)小(xiao)，在(zai)眾(zhong)多(duo)的耐(nai)火保溫材料(liao)中(zhong)，以(yi)高(gao)純碳氈最為(wei)理(li)想。