166mm的大尺寸直拉單晶硅片 真有那么容易實現(xiàn)嗎？

:一、引言——簡單地做大一點

多年前在iphone4發(fā)布的時候，喬幫主曾說，大屏手機都是異類，眾多果粉有種打臉其他大屏幕手機的驕傲感，紛紛掏錢買3.5寸的蘋果4。但客戶的需求，市場的發(fā)展，有時就這么簡單粗暴。如今小屏幕（<4寸）手機淪落市場邊沿，更大屏幕、更大屏占比，這些簡單的直觀改善，毫無疑問已成為市場和手機廠家的追逐方向，包括蘋果自己。喬布斯如果還活著，不知他當如何收回那句話?

（來源：微信公眾號“光伏新聞” ID:pv-news）

因簡單而不屑，是很多耿直技術男的傲骨，但這種傲氣應拿來去開發(fā)“更高難度”的技術，而不該憑著這股勁去批評其他人的工作。比如最近光伏業(yè)內(nèi)盛傳的“166硅片”事情，不少人就認為鑄錠單晶因為效率做不過直拉單晶，是簡單粗暴的“比大小”，不屑一顧。

更有甚者，一篇《大尺寸硅片，單晶更容易實現(xiàn)！》的文章，博得很多人眼球，以為166mm硅片只是鑄錠技術的垂死掙扎。即便成功，也止于為直拉單晶技術發(fā)展做嫁衣，鑄錠單晶166mm硅片終將是曇花一現(xiàn)，競爭不過直拉單晶。那么，事實真的是這樣嗎？

筆者才疏學淺，從事直拉硅單晶行業(yè)十余載，雖不能相比于業(yè)內(nèi)諸多專家能一語道破機關、提醒眾人，但對于這樣罔顧事實的言論，卻也忍不住要說幾句，稍許以正視聽。

二、拉制大直徑硅單晶（光伏）的技術難點

但凡有過拉晶經(jīng)驗的人都知道，引晶不易斷線，足以說明小直徑ф（5mm）的單晶太容易拉了。這就是一個簡單的例子。另外，眾所周知，8寸晶圓技術國內(nèi)已基本掌握，而12寸晶圓卻基本是一片空白。這也說明，越大的單晶越不好拉。

那么從技術上講，難度在哪里呢？根本問題還在于熱場溫度分布，長晶區(qū)間的溫度梯度。

熟知單晶工藝原理的人都知道，單晶硅棒的拉制，縱向溫度梯度要大，這是單晶生長的驅動力，所以我們用高保溫的材料做熱屏，還加水冷屏；而徑向溫度梯度dT/dr要稍微小一些，即長晶界面的溫度平坦。因為徑向溫差ΔT是熱應力來源，增殖位錯，造成單晶失敗，斷線。

ΔT=∫f(r)/dr

徑向溫差是溫度梯度在晶體半徑上的積分，同樣的熱場，溫度梯度不變，但拉晶的直徑越大，徑向溫差就越大，拉晶越難。再舉一下那個例子，如單晶引晶的（5mm左右）直徑，徑向溫差很小，拉制過程中不會增殖位錯，反而能慢慢讓位錯滑移到表面即排除位錯，一定長度的引晶后，實現(xiàn)無位錯單晶。

我們知道166mm對邊寬的單晶圓棒直徑規(guī)格要求接近240mm，相對于目前普遍的M2規(guī)格ф215mm單晶棒，直徑大出11%，面積大約25%。按照常識，顯然難度是會增加的。但也有可能增加并不會太多，并不需要一個非常大的技術突破才能做。不過，經(jīng)與一些行業(yè)內(nèi)專家溝通，單晶廠家也不是“只需做微小調整（改造費用極?。本涂蓪崿F(xiàn)改造的，主要是熱屏和水冷屏內(nèi)徑要加大。

對于216mm單晶，行業(yè)普遍采用的熱屏內(nèi)徑是270mm，計算可知，晶棒與其間距為（270-216）/2有27mm；而如果不改動熱屏，直接拉240mm單晶，則該間距僅15mm。考慮實際過程中：熱場對中偏差（±5mm）、晶體直徑偏差（±2mm）、晶體晃動（±10mm）、扭曲等方面的異常，15mm是明顯不夠的，而且熱屏太近會導致PL黑角問題。實際熱屏內(nèi)徑需要增加到290mm以上。因此只有少部分爐子可以改造。

這里可能有人要問，為什么現(xiàn)在熱屏內(nèi)徑是270mm而不是更大一些。原因就是上面提到的縱向溫度梯度的需要，如果放大到290mm或更大，熱屏內(nèi)徑增大而外徑受熱場大小局限，其壁厚變薄，保溫性能差，導致拉晶的溫度梯度變小。所以一般來講，熱屏設計會按晶棒直徑的需要，最小化設計。

所以，熱屏內(nèi)徑增大后，一個理所當然的變化是，縱向溫度梯度隨即變小，直接影響晶體生長的拉速，即產(chǎn)出效率與制造成本。

而對于鑄造多晶或者鑄造單晶則不存在這個問題?，F(xiàn)有爐臺，不需要動隔熱籠的情況下，只需要更換加熱器和護板，就可以兼容166硅片。目前在協(xié)鑫已經(jīng)有100多臺，阿特斯改造有50臺，賽維有少量爐子改造了。電池方面阿特斯已經(jīng)改造了900MW的166電池產(chǎn)線，據(jù)悉鹽城工廠將全部改造為166尺寸。天合也在計劃改造. 此外使用166類單晶72片組件將達到440瓦。鑄造單晶還可以G7開G6,尺寸可以輕松變?yōu)?85mmⅹ185mm.進一步增大尺寸，到這步恐怕絕大部分單晶爐要報廢了。可能大家會說，166mm跟現(xiàn)有電池產(chǎn)線不匹配。但是根據(jù)半導體和面板行業(yè)的發(fā)展趨勢，大尺寸一定是發(fā)展的趨勢。對于新的電池組件投資者一定不是考慮跟你兼容，而是怎么擴大自己的優(yōu)勢,淘汰舊產(chǎn)能，歷史更替,滾滾車輪,生生不息。

三、166mm直拉單晶硅的成本增加

與鑄錠技術相比，166mm硅片直拉法做大直徑單晶最關鍵的問題還是成本。對成本的影響，主要在圓棒良率、產(chǎn)出效率以及圓轉方良率等三方面。

1、圓棒良率

166mm對邊寬的硅片，晶棒直徑240mm，頭尾料相比215mm晶棒至少（僅正比于面積來算）多出25%；如遇到單晶斷線，位錯部分應反切直徑更粗、長度更長的圓棒，大約重量為8kg，多出近40%。

以普通28寸單晶爐，平均投料1000kg，216mm單晶平均良率為86%，計算有堝底和廢料+頭尾料+斷線料約140kg，其中大約包含頭尾40kg，斷線料80kg，堝底等其他20kg（這部分不變）。如改為拉制240mm晶棒，頭尾料增加到50kg，斷線料增加為112kg，總不良為182kg。簡單除一下，良率即變?yōu)?1.8%。

2、產(chǎn)出效率

對產(chǎn)出效率的負面影響主要兩個方面：一是產(chǎn)出晶棒變短，二是拉速降低。

我們知道，同等長度的240mm晶棒相比216mm增加約25%，對于普通單晶爐，坩堝裝料量是固定的，所以最大長度的單晶長度至少（240晶棒頭尾料更多，實際更短）少了25%。那對28寸熱場，本來拉4200mm晶棒，現(xiàn)在只能拉最多3150mm晶棒。這是什么概念呢？我們知道很多單晶廠家為增加產(chǎn)出，都不惜成本把原26寸熱場改大到28寸，目的就是為了把原來只能拉3米長棒子的熱場改到能拉4米多長?，F(xiàn)在好了，一夜回到解放前……

另外就是拉速，166方單晶，面積比M2增加了25%.拉晶過程是熱平衡過程,Q1=ΔH+Q2, 如果按照同樣的水冷屏帶走的熱量，那么拉速要下降25%，即1.2 的拉速,當然可以通過工藝調整拉速保持在1.3~1.4左右。如果為了多帶走熱量,水冷屏強行增加水壓和出水溫度,則安全性是個大問題.如果小爐子尺寸小則水冷瓶減薄，單位時間帶走的熱量更少，從而縱向溫度梯度也會降低，晶體拉速進一步降低，。縱向梯度低帶來另一個問題，生長界面凹，容易產(chǎn)生斷棱，增加引放次數(shù)，生產(chǎn)效率進一步降低。

得出這樣一個結論，相比215mm單晶，240mm大直徑的產(chǎn)出并不會因為直徑增加而增加，反而受熱屏保溫性能的降低而受到較大的影響。

3、圓轉方良率

相比于215mm圓棒開157對邊寬的硅片，240mm開方成166的利用率明顯低很多。簡單的幾何題，稍微對比可以看出：

即便產(chǎn)出圓棒效率相近，轉換到方棒上的利用率卻從66.6%降低到60.9%。

綜合以上，假定每爐投料量保持在1000kg，假定216圓棒良率86%，理論上能產(chǎn)出的方棒量的與240mm晶棒的對比：

顯然，240mm單晶方棒的加工成本高出近10元/公斤，產(chǎn)出量減少約15%。

而對于鑄造單晶來說，通過簡單的改造，鑄錠成本幾乎沒有增加。因此在大尺寸上，未來更有優(yōu)勢。

四、166mm直拉單晶硅品質影響

從品質上分析，166mm對邊寬的硅片，240mm直徑硅棒的拉制，最大的潛在風險

是氧含量增加。下圖為單晶硅間隙氧來源的示意圖，從坩堝中溶解的氧，絕大部分99%從硅溶液的自由表面揮發(fā)，少部分在結晶界面處分凝進入晶體中。進入晶體中的氧，與晶棒截面積呈正相關。

據(jù)分析，相同熱場條件，晶體直徑由215mm增加到240mm，氧含量預計增加1-2ppma。大家都知道，單晶中氧含量的增加對效率的影響，肯定是負面的。

五、總結

回到我們最初的問題，166mm直拉單晶真的那么容易嗎？我想在武斷下結論之前，應該先解決幾個問題：

首先，熱場的改造，分為兩方面。第一，如何加大熱屏內(nèi)徑而不至于過多影響溫度梯度，這里主要集中在熱屏的結構設計；至少要淘汰部分爐子.第二，如何保證氧含量不因晶體直徑增加，而過多影響電池效率。氧含量的改進，不僅需在加熱器上做文章，如何匹配工藝參數(shù)，更是值得深究的命題。

其次，方棒成本的增加還是很明顯的。以目前主流單晶制造工藝來分析，預計方棒成本（加工成本）增加幅度為16%左右。這里就應該考慮到最終對客戶端發(fā)電能力的影響，是否合算。

而對于鑄造多晶或者鑄造單晶利用現(xiàn)有爐臺，不需要動隔熱籠的情況下，只需要更換加熱器和護板，就可以兼容166硅片。166多晶硅片比預想的來得快。根據(jù)半導體和面板行業(yè)的發(fā)展趨勢，大尺寸一定是發(fā)展的趨勢。在可以預見的未來，新的產(chǎn)線會往166mm鑄造單晶方向走。

原標題:166mm的大尺寸直拉單晶硅片，真有那么容易實現(xiàn)嗎？