李素青

（有色金属技术经济研究院，北京100080）

1 概述

当今，能源日趋紧张，环境压力增大，世界各国都把目光投向了新能源领域，太阳能作为一种重要的可再生能源，其开发和利用已成为各国可持续发展战略的重要组成部分，光伏发电增长速率在世界各种能源增长速率中名列前茅。多晶硅因其原料来源广、生产效率高、生产规模大，已成为太阳能行业中的主导光伏材料。目前市面上的多晶硅大多采用改良西门子法生产的棒状多晶硅为主，以流化床技术生产的粒状多晶硅为辅。国内多晶硅生产采用的主流技术几乎都是改良西门子法，这种方法的优点是节能降耗显著、成本低、质量高，目前已占据了国内市场的80%以上。在改良西门子法生产多晶硅过程中，硅芯是作为还原炉中进行还原反应沉积（CVD）多晶硅的热载体，在还原反应结束后，硅沉积在硅芯周围，硅芯连同硅通过破碎一起作为多晶硅原料使用，因此，硅芯是作为多晶硅生产过程中非常重要的辅材使用和消耗的。

2 硅芯发展历史

还原炉中的硅芯就是“热载体”，也称“发热体”。热载体有两个作用：第一，沉积多晶硅的场所；第二，还原炉的热源，用于控制反应区的温度。也就是说，热载体既是还原反应的场所，又是还原反应所需能源的提供者，多晶硅的纯度与热载体密切相关，没有好的热载体，就不会生产出纯度合格的多晶硅。可以作为热载体的物质有多种，其中有被用于热载体历史的是钼、钨、钽、石墨、硅和石英玻璃六种。各类热载体的物理性能见表1。

表1 各类热载体的物理性能[1]

石墨虽然熔点高，但是结构较为疏松，容易污染硅棒，所以很少被采用。钨、钽价格较高，从经济成本考虑，不适合大量使用。石英玻璃虽然可以沉积硅，但由于其是绝缘材料，不易把电能变为热能，所以也很少被采用。综上所述，只有硅和钼是常用的热载体。由于高温下，钼向硅中扩散，对硅棒有一定的污染，增加了后续处理工艺及成本，而硅作为热载体时可以避免硅棒的污染，因此，硅最适宜作为热载体。

3 硅芯制备工艺

（1）吸管法

吸管法是最原始的硅芯制作方法，它是用细长的薄壁石英管作为模具，利用对石英管内抽真空的方法，将熔硅吸入石英管内，冷却后除去石英管，硅芯就制得。此法简单易行，但由于石英对硅芯有一定的污染，所以用此法制成的硅芯含氧量较高。

（2）区熔法

区熔法首先需要利用还原炉制备一定直径的沉积棒作为原料棒，然后将原料棒通过区熔工艺拉制成一定规格的圆形硅芯。区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。区熔法的原理是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。

（3）切割法

切割硅芯技术是通过切割沉积硅棒或者直拉硅棒获得方硅芯。该法使用专用的硅芯切割机，将高纯的多晶硅棒或单晶硅棒切成一定规格的细长方条，这种细长方条就是方硅芯。国内一般利用直拉炉拉制直拉硅棒，然后切割直拉硅棒获得切割硅芯，该方法制备的硅芯电阻率均匀性较差。目前国内已有硅芯生产厂家通过改进工艺和设备，自主研发了改良西门子法多晶硅用铸锭硅芯，解决了直拉硅芯电阻率头高尾低的问题,更有利于硅芯的击穿及致密料的生长。

4 改良西门子法多晶硅用铸锭硅芯的工艺流程、技术指标及影响因素

（1）工艺流程

图1 改良西门子法多晶硅用铸锭硅芯工艺流程图

方硅芯原料棒在生产过程中，前需要提前对各类配件进行安装和清洁，确保洁净度后，才能进行操作。生产出来的硅芯原料棒经方硅芯切割机切割成细长的方硅芯，方硅芯切割机的主要作用就是通过提前布好的两层线阵，将固定位置的多晶硅圆棒，一次切成一条一条的方硅芯。布置的线阵间距的大小，就决定了所切出的硅芯的尺寸。由于各多晶硅生产商的还原炉大小不一致，所需硅芯的长度及尺寸也不一致。由于硅芯的原料棒是圆形，靠近圆周部分的方硅芯，不完全符合正方形，一般作为边皮部分重新投入铸锭炉，再次生产新的硅芯原料棒。

（2）技术指标

硅芯锥头与横梁孔的配合精度要求较高，防止有电流通过时，接触不好的位置温度偏高，导致硅芯锥头变软甚至熔融，从而直接引起倒炉。由于硅芯尾部以插入石墨夹具的方式安装，一方面要保证硅芯插入夹具底部，与夹具下面的石墨座接触到，另一方面还要保证硅芯与夹具的口部紧密接触，防止因接触不好导致局部温度过高。硅芯安装后是直立于还原炉内，如果弯曲度过大的话，容易出现倒炉。基于上述原因，对改良西门子法多晶硅用铸锭硅芯产品的尺寸外形做了相应的规定。具体见表2。

表2 尺寸及外形

改良西门子法多晶硅用铸锭硅芯电阻率高、均匀性好，单个方锭产出硅芯单点电阻率提升到N型20Ω/cm以上,并且单支硅芯上所有点电阻率均匀性很好,具体电学性能及指标见表3。

表3 电学性能及成分

（3）影响硅芯质量的因素主要有以下几个方面：

①原料成分杂质。原料中三、五价杂质元素偏高是造成硅芯整体电阻率偏低的主要因素之一，通过严格控制原料中施受主杂质浓度，可以提升方锭硅芯电阻率，从而提升产品的质量。

②坩埚低扩散设计。坩埚是铸锭过程中必不可少的辅材之一，在铸锭过程中，熔体与坩埚长时间接触，坩埚中五价磷会扩散到熔融的硅液中，增加了硅芯方锭的杂质含量，降低电阻率。通过在坩埚内壁五面上均匀涂覆高纯度的涂层，形成致密的阻隔层，在铸锭过程中，有助于减少、隔离坩埚中的施主杂质扩散到坩埚中的硅液中，从而有效提高硅芯方锭的电阻率。

③铸锭工艺优化。铸锭过程中各个阶段杂质扩散的程度对硅芯方锭电阻率影响较大，通过优化铸锭过程中融化、长晶工序的时间，可以在保证产品质量的基础上，提升产品产能及电阻率。

④铸锭炉热场气流。通过对热场气流结构进行优化，充分带走硅熔体表面挥发出的杂质，并且实现长晶阶段的平推,提升整体电阻率及分布均匀性。

5 结语

方硅芯出现后，硅芯生产开始独立于多晶硅生产企业之外，国内硅芯生产厂家对硅芯的研究更加的专业化，对国外的空心方硅芯、方硅芯拼接、原生多晶直接切割等新技术也进行了更加深入的研究，硅芯生产技术的不断突破，不仅带动上游原材料行业的发展，也促进下游光伏等行业的技术进步，推动了整体产业的发展，促进了光伏产业的可持续发展。