166mm的大尺寸直拉单晶硅片 真有那么容易实现吗？

　　一、引言——简单地做大一点

 

　　多年前在iphone4发布的时候，乔帮主曾说，大屏手机都是异类，众多果粉有种打脸其他大屏幕手机的骄傲感，纷纷掏钱买3.5寸的苹果4。但客户的需求，市场的发展，有时就这么简单粗暴。如今小屏幕（<4寸）手机沦落市场边沿，更大屏幕、更大屏占比，这些简单的直观改善，毫无疑问已成为市场和手机厂家的追逐方向，包括苹果自己。乔布斯如果还活着，不知他当如何收回那句话?

 

（来源：微信公众号“光伏新闻” ID:pv-news）

 

　　因简单而不屑，是很多耿直技术男的傲骨，但这种傲气应拿来去开发“更高难度”的技术，而不该凭着这股劲去批评其他人的工作。比如最近光伏业内盛传的“166硅片”事情，不少人就认为铸锭单晶因为效率做不过直拉单晶，是简单粗暴的“比大小”，不屑一顾。

 

　　更有甚者，一篇《大尺寸硅片，单晶更容易实现！》的文章，博得很多人眼球，以为166mm硅片只是铸锭技术的垂死挣扎。即便成功，也止于为直拉单晶技术发展做嫁衣，铸锭单晶166mm硅片终将是昙花一现，竞争不过直拉单晶。那么，事实真的是这样吗？

 

　　笔者才疏学浅，从事直拉硅单晶行业十余载，虽不能相比于业内诸多专家能一语道破机关、提醒众人，但对于这样罔顾事实的言论，却也忍不住要说几句，稍许以正视听。

 

　　二、拉制大直径硅单晶（光伏）的技术难点

 

　　但凡有过拉晶经验的人都知道，引晶不易断线，足以说明小直径ф（5mm）的单晶太容易拉了。这就是一个简单的例子。另外，众所周知，8寸晶圆技术国内已基本掌握，而12寸晶圆却基本是一片空白。这也说明，越大的单晶越不好拉。

 

　　那么从技术上讲，难度在哪里呢？根本问题还在于热场温度分布，长晶区间的温度梯度。

 

 

　　熟知单晶工艺原理的人都知道，单晶硅棒的拉制，纵向温度梯度要大，这是单晶生长的驱动力，所以我们用高保温的材料做热屏，还加水冷屏；而径向温度梯度dT/dr要稍微小一些，即长晶界面的温度平坦。因为径向温差ΔT是热应力来源，增殖位错，造成单晶失败，断线。

 

ΔT=∫f(r)/dr

 

　　径向温差是温度梯度在晶体半径上的积分，同样的热场，温度梯度不变，但拉晶的直径越大，径向温差就越大，拉晶越难。再举一下那个例子，如单晶引晶的（5mm左右）直径，径向温差很小，拉制过程中不会增殖位错，反而能慢慢让位错滑移到表面即排除位错，一定长度的引晶后，实现无位错单晶。

 

　　我们知道166mm对边宽的单晶圆棒直径规格要求接近240mm，相对于目前普遍的M2规格ф215mm单晶棒，直径大出11%，面积大约25%。按照常识，显然难度是会增加的。但也有可能增加并不会太多，并不需要一个非常大的技术突破才能做。不过，经与一些行业内专家沟通，单晶厂家也不是“只需做微小调整（改造费用极小）”就可实现改造的，主要是热屏和水冷屏内径要加大。

 

　　对于216mm单晶，行业普遍采用的热屏内径是270mm，计算可知，晶棒与其间距为（270-216）/2有27mm；而如果不改动热屏，直接拉240mm单晶，则该间距仅15mm。考虑实际过程中：热场对中偏差（±5mm）、晶体直径偏差（±2mm）、晶体晃动（±10mm）、扭曲等方面的异常，15mm是明显不够的，而且热屏太近会导致PL黑角问题。实际热屏内径需要增加到290mm以上。因此只有少部分炉子可以改造。

 

　　这里可能有人要问，为什么现在热屏内径是270mm而不是更大一些。原因就是上面提到的纵向温度梯度的需要，如果放大到290mm或更大，热屏内径增大而外径受热场大小局限，其壁厚变薄，保温性能差，导致拉晶的温度梯度变小。所以一般来讲，热屏设计会按晶棒直径的需要，最小化设计。

 

　　所以，热屏内径增大后，一个理所当然的变化是，纵向温度梯度随即变小，直接影响晶体生长的拉速，即产出效率与制造成本。

 

 

　　而对于铸造多晶或者铸造单晶则不存在这个问题。现有炉台，不需要动隔热笼的情况下，只需要更换加热器和护板，就可以兼容166硅片。目前在协鑫已经有100多台，阿特斯改造有50台，赛维有少量炉子改造了。电池方面阿特斯已经改造了900MW的166电池产线，据悉盐城工厂将全部改造为166尺寸。天合也在计划改造. 此外使用166类单晶72片组件将达到440瓦。铸造单晶还可以G7开G6,尺寸可以轻松变为185mmⅹ185mm.进一步增大尺寸，到这步恐怕绝大部分单晶炉要报废了。可能大家会说，166mm跟现有电池产线不匹配。但是根据半导体和面板行业的发展趋势，大尺寸一定是发展的趋势。对于新的电池组件投资者一定不是考虑跟你兼容，而是怎么扩大自己的优势,淘汰旧产能，历史更替,滚滚车轮,生生不息。

 

　　三、166mm直拉单晶硅的成本增加

 

　　与铸锭技术相比，166mm硅片直拉法做大直径单晶最关键的问题还是成本。对成本的影响，主要在圆棒良率、产出效率以及圆转方良率等三方面。

 

　　1、圆棒良率

 

　　166mm对边宽的硅片，晶棒直径240mm，头尾料相比215mm晶棒至少（仅正比于面积来算）多出25%；如遇到单晶断线，位错部分应反切直径更粗、长度更长的圆棒，大约重量为8kg，多出近40%。

 

　　以普通28寸单晶炉，平均投料1000kg，216mm单晶平均良率为86%，计算有埚底和废料+头尾料+断线料约140kg，其中大约包含头尾40kg，断线料80kg，埚底等其他20kg（这部分不变）。如改为拉制240mm晶棒，头尾料增加到50kg，断线料增加为112kg，总不良为182kg。简单除一下，良率即变为81.8%。

 

　　2、产出效率

 

　　对产出效率的负面影响主要两个方面：一是产出晶棒变短，二是拉速降低。

 

　　我们知道，同等长度的240mm晶棒相比216mm增加约25%，对于普通单晶炉，坩埚装料量是固定的，所以最大长度的单晶长度至少（240晶棒头尾料更多，实际更短）少了25%。那对28寸热场，本来拉4200mm晶棒，现在只能拉最多3150mm晶棒。这是什么概念呢？我们知道很多单晶厂家为增加产出，都不惜成本把原26寸热场改大到28寸，目的就是为了把原来只能拉3米长棒子的热场改到能拉4米多长。现在好了，一夜回到解放前……

 

　　另外就是拉速，166方单晶，面积比M2增加了25%.拉晶过程是热平衡过程,Q1=ΔH+Q2, 如果按照同样的水冷屏带走的热量，那么拉速要下降25%，即1.2 的拉速,当然可以通过工艺调整拉速保持在1.3~1.4左右。如果为了多带走热量,水冷屏强行增加水压和出水温度,则安全性是个大问题.如果小炉子尺寸小则水冷瓶减薄，单位时间带走的热量更少，从而纵向温度梯度也会降低，晶体拉速进一步降低，。纵向梯度低带来另一个问题，生长界面凹，容易产生断棱，增加引放次数，生产效率进一步降低。

 

　　得出这样一个结论，相比215mm单晶，240mm大直径的产出并不会因为直径增加而增加，反而受热屏保温性能的降低而受到较大的影响。

 

　　3、圆转方良率

 

　　相比于215mm圆棒开157对边宽的硅片，240mm开方成166的利用率明显低很多。简单的几何题，稍微对比可以看出：

 

 

　　即便产出圆棒效率相近，转换到方棒上的利用率却从66.6%降低到60.9%。

 

　　综合以上，假定每炉投料量保持在1000kg，假定216圆棒良率86%，理论上能产出的方棒量的与240mm晶棒的对比：

 

 

　　显然，240mm单晶方棒的加工成本高出近10元/公斤，产出量减少约15%。

 

　　而对于铸造单晶来说，通过简单的改造，铸锭成本几乎没有增加。因此在大尺寸上，未来更有优势。

 

　　四、166mm直拉单晶硅品质影响

 

　　从品质上分析，166mm对边宽的硅片，240mm直径硅棒的拉制，最大的潜在风险

 

 

　　是氧含量增加。下图为单晶硅间隙氧来源的示意图，从坩埚中溶解的氧，绝大部分99%从硅溶液的自由表面挥发，少部分在结晶界面处分凝进入晶体中。进入晶体中的氧，与晶棒截面积呈正相关。

 

　　据分析，相同热场条件，晶体直径由215mm增加到240mm，氧含量预计增加1-2ppma。大家都知道，单晶中氧含量的增加对效率的影响，肯定是负面的。

 

　　五、总结

 

　　回到我们最初的问题，166mm直拉单晶真的那么容易吗？我想在武断下结论之前，应该先解决几个问题：

 

　　首先，热场的改造，分为两方面。第一，如何加大热屏内径而不至于过多影响温度梯度，这里主要集中在热屏的结构设计；至少要淘汰部分炉子.第二，如何保证氧含量不因晶体直径增加，而过多影响电池效率。氧含量的改进，不仅需在加热器上做文章，如何匹配工艺参数，更是值得深究的命题。

 

　　其次，方棒成本的增加还是很明显的。以目前主流单晶制造工艺来分析，预计方棒成本（加工成本）增加幅度为16%左右。这里就应该考虑到最终对客户端发电能力的影响，是否合算。

 

　　而对于铸造多晶或者铸造单晶利用现有炉台，不需要动隔热笼的情况下，只需要更换加热器和护板，就可以兼容166硅片。166多晶硅片比预想的来得快。根据半导体和面板行业的发展趋势，大尺寸一定是发展的趋势。在可以预见的未来，新的产线会往166mm铸造单晶方向走。