Dislocation Multiplication Rate (k0/m s)
0.8
2
0.6
Conventional process Improved process
0.4
0.2
0.0 0 200 400 600
Time (min)
预期中常规工艺的“折腾”体现为位错快速增殖，两次， 在改进冷却中得以消除
－生长前沿附近
－生长后方及生长完成之后
原生：就在生长前沿！
OUTLINE
证据之一 Evidence： － highly localized distribution － presence of large amounts of dislocation array
50μm 15 mm
15 mm
- 三点基本共识
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化会有什么后果 ？ - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
报 告 提 纲
一条由底到顶 的多晶硅锭块
化学抛光并刻蚀
六个硅锭中心硅砖的位错密度随高度变化
M
1.00E+06
9.00E+05
8.00E+05
7.00E+05
6.00E+05
5.00E+05
Maximum von Mises stress (MPa)
Conventional cooling process Modified cooling process
Time (min)
计算结果：残余应力
Conventional process
Simplified process
计算结果 冷却全程位错增殖率
4.00E+05
3.00E+05
2.00E+05
1.00E+05
0.00E+00
1 top
mid 2
3 bottom
原因：
1 位错的拓扑性质，单颗晶体之内，位错一旦形 成，一定随生长延续，不会消失
2 生长过程中，已形成的位错会因热应力作用而 增殖 3 生长过程中，会有新位错形核生长
生长中的增殖
B. Ryningen et al
100
Critical shear stress (MPa)
Brittle / Plastic transit： ～750 C
80
60
40
20
0 700
800
900

1000
1100
o
1200
1300
1400
Temperature (C )
－from others’ study
共识 3: 固态增殖是硅锭位错主要来源
- 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 -
-
- 简化冷却会有什么后果 ？
报 告 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补 提 多晶硅锭位错主要在什么时候形成 ？结晶时？冷却时？ 纲
- 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
On completion of solidification, the temperatures of the top and the bottom differ greatly. Development of thermal stress is inevitable in cooling, as the change of temperature can not keep synchronized. ~1410 C
计算结果 冷却全程累积平均位错密度
7 6
Dislocation density (10 k)
3
5 4 3 2 1 0 0 100 200 300 400 500
常规冷却工艺 改进优化冷却工艺
Time (min)
Journal of Crystal Growth, 346（2012）5 Thermal Stress， in press
Acta Materialia 59(2011),7703
分子动力学模拟：[001]生长中一般不会有位错形成，
受应力时会
Z [001]
Y [010] X [100]
能量色标显示
压应变下晶体沿[100]方向生长1800ps时的原子结构 应力作用下会有位错的产生
分子动力学模拟：[112]生长中会有自发形成孪晶
热 － 热传导 ＋ 表面散热
力 － 弹性力场 ＋ 塑性释放
位错增殖 － Hassen模型 及其嵌入耦合 －自行开发
平均等效应力水平
残余水平
计算结果：整锭范围全过程中最大等效应力水平
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
T
~1050 C
在硅锭热过程中 如果我们在750C以上抑制位错形成，则应力释 放亦被抑制，高的残余弹性应力不可避免，导 致裂锭或硅片变形 如果我们想得到尽可能小的残余应力，那就不得 不接受高位错密度
所以，铸锭热过程的优化实际成为位错增殖与应 力残余之间的平衡！
-Dislocations poor PV performance -Excessive residual stress breakage of
实施应用情况
Tc1、Tc2并非直接独立可控，需摸索配套工艺方案。 方案是否到位或过头，将影响实施效果……
－一家企业试行出现锭裂 －三家试行成功，缩短工时150～200分钟，显著节电， 节气。
高效多晶硅锭位错分布 特性
top
mid
bottom
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
10th CSPV
多晶硅锭中的位错与残余应力
－ 计算模拟、实验与检测
周耐根，吴小元，周浪
南昌大学 光伏研究院
万跃鹏 胡动力 张涛
国家光伏工程技术研究中心 / 赛维LDK 2014. 11. 06 南通
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
～750 C
Δρ
ε(elastic residual)
Temperature
An illustration of the effect of temperature on Δρ, and the residual strain (stress)
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
ingot, distorted wafers, or higher breakage rate of wafers
总结
热应变
ε0 = ε(release) + ε(elastic residual)
= c Δρ + ε(elastic residual)
where Δρ is the density of the multiplied dislocation, and c a coeffcient 通过工艺和热场优化减小 ε0 是关键
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化会有什么后果 ？ - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
报 告 提 纲
共识1：位错运动增殖总是伴随屈服变形和 应力释放
反过来说位错运动增殖是晶体屈服变形、释 放应力的微观机制.
共识2：启动位错增殖所需最小应力（屈服应力） 随温度提高急剧下降
120
报 告 提 纲
残余应力有什么影响 ？ 锭裂 硅片翘曲 碎片率提高？ 延期碎片？！
残余应力水平下降
现行一般多晶硅铸锭工艺过程都包含均匀化和退火过程
Tc1
凝 固 开 始
Tc2 凝 固 结 束
隔热笼高度
模拟显示，Tc1基本与 硅锭顶部中心温度同步
优化冷却方案 － 简化
1800
Tc1
1600
Conventional process Simplified process
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化的好处和风险 - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
报 告 提 纲
谢谢关注 THANK YOU FOR YOUR ATTENTION
lzhou@
横向晶界并不可怕，纵向切硅片做电池并没 有更差。
位错是问题，晶界不是问题
铸造多晶硅片位错密度和有效少子寿命分布图
- 三点基本共识 - 热应力 – 位错与残余应力的共同来源 - 位错形成 与 应力残余 – 平衡互补
- 结晶生长：持续柱状生长带来的问题
- 冷却：简化的好处和风险 - 高效多晶硅片 碎片率似相对高，原因 ？
Temperature (K)
1400
Tc2
1200
1000
800
600 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Time (min)
简化冷却过程的优点与风险： － 缩短工时，降低能耗，降低气耗
－ 减少模壁扩散污染
风险：位错密度与残余应力水平 ？ 计算分析
热－力－位错增殖 动态耦合模型
和位错
无外加应力时也会
(1-10)面原子结构示意图
分子动力学模拟：[112]生长中一个位错环的随机形成
0.5ps [1-10]
36.9ps
[112]
113.6ps
1964ps
位错的形核过程
如此，持续生长中位错必定只增不减，持续增加…
--- 必须打断这个过程，宁愿长出新的晶粒， 增加晶界 ！
—— 现行高效多晶硅是个成功的实践