4、硅錠裂紋

生產上，常常有些硅錠出爐以后，外觀上看雖然沒有異常，但經過紅外探傷檢測，可能會發現一些裂紋，輕微些的幾個厘米長度，偶爾出現在其中一個小方錠中，重則是貫穿性裂紋，一半以上的小方錠出現報廢，嚴重影響鑄錠收率。產生隱裂可能是以下幾個方面的原因。

1)鑄錠過程中異物掉入。熱場材料長時間使用會產生老化，螺栓螺母等一些石墨或C/C復合材料容易脫落掉入坩堝內，另外，測量長晶用的石英棒有可能被粘在硅錠內部。因為熱膨脹系數不同，掉入異物的硅錠，會在后續降溫冷卻過程中發生開裂。生產過程中為趕產量，常常采用每生產幾爐，才入爐檢查一次的方式。上一個硅錠剛出爐，爐溫還有幾百攝氏度，下一爐硅料就投了進去。每爐鑄錠完成后進入熱場內部檢查，能夠大大避免該現象的發生。

2)出爐溫度過高。一般硅錠鑄造完成以后，爐溫降低到400℃以下，方可以開爐取錠，如果取錠過早，爐溫過高，硅錠出爐后因為與環境溫差較大，特別是在寒冬季節，硅錠內部熱應力來不及釋放，導致硅錠產生隱裂。

3)工藝設置不合理。定向生長完成后，因為硅錠底部與頂部溫差較大，需要關閉鋼籠，爐溫保持1300℃左右進行退火，如果退火時間過短，硅錠內部存在較大熱應力得不到有效釋放，后續冷卻過程中可能產生內部裂紋。另外，對于較大投料量的硅錠來講，過快的冷卻工藝設置也容易導致隱裂的產生。

4)高溫硅錠與金屬接觸。硅錠出爐以后，其表面溫度還有幾百攝氏度，一般等溫度冷卻到100℃左右開始拆除坩堝，使硅錠脫模，然后將硅錠轉移到下一個噴砂工序。在這一過程中，避免不了用到工裝夾具與硅錠接觸，如果此時硅錠溫度仍較高，熱傳導率較高的金屬與硅錠接觸，也可能會誘發硅錠隱裂。因此，硅錠出爐以后盡量避免“高溫作業”，特別是在寒冬季節，能夠有效減少硅錠隱裂的產生，對于后續切片硅片碎片率的降低也是有益的。

5)粘堝隱裂。粘堝是導致硅錠裂紋最多、最常見的原因，即使有些硅錠雖然出現很輕微的粘堝，外觀上表現為有幾個厘米甚至更小的坩堝片粘連在硅錠上，但硅錠仍然出現裂紋，特別是粘堝位置出現在硅錠底部及側下部時，出現概率最大。另外，生長大晶粒硅錠(類單晶硅錠)時，粘堝所致裂錠的問題更加容易發生，而且硅錠常常是貫穿性開裂。

圖3、裂錠的貫穿性裂紋

5、紅外探傷出現陰影以及硬質夾雜等

硅錠開方成小硅塊以后，要經紅外探傷儀檢測硅錠的缺陷情況。紅外探傷的原理是，經特定光源發出的紅外光線能夠穿透200mm深度的硅塊，然后被紅外探測器捕捉成像。純多晶硅晶體幾乎不吸收這個波段的波長，但是，如果硅塊里面有微晶、雜質團、硬質夾雜、隱裂等缺陷，這些缺陷將吸收紅外光，并將在成像系統中呈現暗區，其中一些呈現條帶狀、團狀或彌撒的點狀的暗區通常被稱作陰影。陰影的形成大概有以下幾個方面的因素導致。

1)長晶速度過快產生微晶陰影。定向凝固開始以后，如果溫度過低或者縱向溫度梯度過大形成大量形核中心，硅錠迅速生長，進而產生微晶，紅外成像上表現為大面積條帶狀陰影。生產上最普遍的陰影往往出現在靠硅錠中央的硅塊中，縱向位置在硅方的中下部最常見，正是因為該位置是平均長晶速度最快的地方。

根據我們的生產經驗，典型的長晶速度趨勢是，開始一兩個時，鋼籠剛剛打開，長晶速度往往在1cm/h以下，隨后的幾個小時最快，達到1.7 cm/h-1.9 cm/h，甚至超過2cm/h，到長晶中期以后逐漸平穩到1.1 cm/h-1.5 cm/h。整個長晶過程平均速度在1.2cm/h-1.3 cm/h左右。如果長時間生長速度超過2 cm/h，很容易在該區域形成微晶陰影。在長晶的前期，固液界面往往會有一個由微凹到微凸的轉變過程，在這一過程中，長晶速度一般較快的階段，比較容易產生陰影，特別是雜質含量較高的情況下，雜質未有效分凝產生眾多形核中心，從而形成微晶。因此，設置合理的配方工藝，控制合理的長晶速度，對減少陰影的產生比例非常必要。

2)硅熔體中雜質過多，或不能充分排雜，產生雜質型陰影及硬質夾雜。如果原料中雜質過多，例如，投料使用大量的頭尾邊皮等回收下角料等，鑄錠開方以后，檢測發現陰影比例明顯增加，該類型陰影以團簇狀最常見。另外，如果使用分辨率較高的紅外探傷儀器，還可以在小方錠中部檢測到一些彌散的點狀陰影，顏色較淡。一般直徑一個到幾個毫米大小。小方錠拋光以后，再進行紅外探傷，這些點狀陰影更加清楚，還能夠另外發現一些幾百微米甚至更加細小的點狀陰影。

圖4、陰影和硬質夾雜物

將這些團簇狀陰影部分用強酸溶解后，很容易會得到一些不容物，這些不容物或是呈現黑色塊狀，或是桿狀黃色透明，兩者常常在共生存在，這些通常都被稱作硬質夾雜(inclusions)。有研究表明這些黑色塊狀為夾雜相為β-SiC，黃色透明桿狀夾雜相為β-Si3N4。

團簇狀陰影部分作為不合格品在后續加工中被切除，然而，那些點狀的顆粒較小的硬質夾雜往往會檢測不到，或者被有意或無意忽略。硅的莫氏硬度為6.5，而β-SiC與β-Si3N4兩種夾雜相的莫氏硬度分別為9.2和9.0，明顯高于硅。這兩種夾雜相對后續切片造成嚴重危害，特別是SiC夾雜相，因為切割使用的磨料同樣為SiC。如果夾雜相粒度大于切割線直徑，很容易在切片過程中造成斷線，即使不斷線，也有可能在硅片上產生明顯線痕，嚴重影響優級品產出。那些更為細小的硬質夾雜相，即使切片過程表現正常，但硅片在制成電池以后會因這些硬質夾雜產生嚴重漏電，降低光電轉化效率。

硅錠中碳的主要來源是高溫過程中C或CO蒸汽與硅液反應形成，而氮的來源主要是受坩堝內壁氮化硅脫模劑或因脫落進入硅液，或受硅液侵蝕溶解入硅溶液，然后在幾十個小時的高溫過程中發生相變和晶體生長。在一些提純過的硅錠頂部硅料里，經常容易發現很多肉眼可見的針狀或桿狀β-Si3N4。因此，控制碳和氮的來源，是有效減少陰影或硬質夾雜的有效方法，例如，在坩堝頂部加復合材料蓋板，合理設計氣流通路，使CO蒸汽盡快排出，能夠減少與硅液的反應，有效抑制整個硅錠中的碳含量。在氮化硅漿料里面添加一定比例的硅溶膠高溫粘接劑，能夠增強氮化硅涂層的附著力，有效減少涂層脫落和進入硅液的氮含量。

另外，鑄錠完成以后，絕大多數硬質夾雜相在硅錠頂部10mm范圍內或者邊皮料里面，但是這部分硅料在切除以后經過噴砂酸洗等工序處理以后，重新回收利用，如此不斷循環，這些回收下角料里面的夾雜相不斷增多，導致化料以后硅液中夾雜物濃度升高，硅錠生長過程中，一些夾雜不可避免因對流或沉降來到硅錠中間，形成硬質夾雜。因此，配料中當適量控制邊皮等下角料的比例能夠有效減少硬質夾雜的產生。

6、結束語

多晶硅錠鑄造是光伏太陽能制造領域的一項重要環節，本文介紹了多晶硅錠生產過程中遇到的一些常見的異常或缺陷情況，分析這些異常產生的原因，提出了一些相關的預防及改善措施，對于實際生產具有一定的指導意義。