单晶硅材料的制备与加工

单晶硅太阳能电池的生

产与检测

光予小组制作

2014/5/25

一、直拉单晶硅的相关知识

二、直拉单晶硅的制备工艺

（一）工艺概述

（二）各项工艺步骤的特点

三、直拉单晶硅的发展前景

一，直拉单晶硅的相关知识

硅单晶是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直拉方法获得硅单晶的一门科学，它研究的主要内容：硅单晶生长的一般原理，直拉硅单晶生长工艺过程，改善直拉硅单晶性能的工艺方法。

直拉单晶硅工艺学象其他科学一样，随着社会的需要和生产的发展逐渐发展起来。十九世纪，人们发现某些矿物，如硫化锌、氧化铜具有单向导电性能， 并用它做成整流器件，显示出独特的优点，使半导体材料得到初步应用。后来，人们经过深入研究，制造出多种半导体材料。1918年，切克劳斯基(J Czochralski)发表了用直拉法从熔体中生长单晶的论文，为用直拉法生长半导体材料奠定了理论基础，从此，直拉法飞速发展，成为从熔体中获得单晶 一种常用的重要方法。目前一些重要的半导体材料，如硅单晶，锗单晶，红宝石等大部分是用直拉法生长的。直拉锗单晶首先登上大规模工业生产的舞台，它工艺简 单，生产效率高，成本低，发展迅速;但是，锗单晶有不可克服的缺点：热稳定性差，电学性能较低，原料来源少，应用和生产都受到一定限制。六十年代，人们发 展了半导体材料硅单晶，它一登上半导

体材料舞台，就显示了独特优点：硬度大，电学热稳定性好，能在较高和较低温度下稳定工作，原料来源丰富。地球上 25.8%是硅，是地球上锗的四万倍，真是取之不尽，用之不竭。因此，硅单晶制备工艺发展非常迅速，产量成倍增加，1964 年所有资本主义国家生产的单为晶硅 50-60 吨，70年为300-350 吨，76年就达到1200吨。其中60%以上是用直拉法生产的。

随着单晶硅生长技术的发展，单晶硅生长设备也相应发展起来，以直拉单晶硅为例，最初的直拉炉只能装百十克多晶硅，石英坩埚直径为40毫米到60 毫米，拉制单晶长度只有几厘米，十几厘米，现在直拉单晶炉装多晶硅达40 斤，石英坩埚直径达350毫米，单晶直径可达150毫米，单晶长度近2米，单晶炉籽晶轴由硬构件发展成软构件，由手工操作发展成自动操作，并进一步发展成 计算机操作，单晶炉几乎每三年更新一次。 大规模和超大规模集成电路的发展，给电子工业带来一场新的革命，也给半导体材料单晶硅带来新的课题。大规模和超大规模集成电路在部分用直拉单晶硅制造，制 造集成电路的硅片上，各种电路密度大集成度高，要求单晶硅有良好的均匀性和高度的完美性。以 4k 位集成电路为例，在 4×4 毫米或 4×6 毫米的硅片上，做四万多个元件，还要制出各元件之间的连线，经过几十道工序，很多次热处理。元件的高密度，复杂的制备工艺，要保证每个

元件性能稳定，除制 作集成电路工艺成熟外，对硅单晶材料质量要求很高：硅单晶要有合适的电阻率和良好的电阻率均匀性，完美的晶体结构，良好的电学性能。因此，硅单晶生长技术 要更成熟、更精细、更完善，才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应不断地向前发展。 二，直拉单晶硅的制备工艺

(一)，工艺概述

直拉法生产硅单晶工艺尽管种类繁多，但大体可分为：真空工艺、气氛工艺和减压拉晶工艺。真空工艺又分低真空工艺和高真空工艺。真空工艺的特点是 在单晶炉膛内保持真空情况下拉制硅单晶。低真空工艺单晶炉膛内真空度保持10-1～10-2乇，高真空工艺单晶炉膛保持 10-3乇或更高的真空度。硅单晶拉制过程中单晶炉膛内充高纯氩气做保护气体，称为气氛工艺。气氛工艺中又有流动气氛和不流动气氛两种。在拉制硅单晶时一 次充入单晶炉膛内0.2～0.4kg压强高纯氩气(表压) ，称为不流动气氛;拉制硅单晶时，连续不断地向单晶炉膛内充入高纯氩，保护炉膛内气体是正压(表压)，同时又使部分氩气沿管道向外溢出，这种工艺称为流动 气氛。

近几年又出现了介于真空工艺和气氛工艺之间减压拉晶工艺。减压拉晶是在单晶硅拉制过程中，连续向单晶炉膛充入等量的高纯氩气，同时真空泵不断地 从炉膛内向外抽气，

保持炉膛内稳定在10乇～20乇真空内，这种工艺既有真空工艺的特点(炉膛内保持负压)，又有流动气氛的特点(不断充气，不断排气) ，减压工艺在目前直拉单晶硅生产过程中被普遍采用。

(二)，各项工艺步骤的特点

1.单晶硅的装料和熔化

a.粉碎至适当大小 b.装料时，底部不能有过多的空隙，不能碰到坩埚上边沿

c.抽真空，充入保护气

d.加热温度高于1412℃

2.种晶

先将籽晶降至液面数毫米处暂停片刻，使籽晶温度尽量接近熔硅温度，然后将籽晶浸入熔硅，使头部熔解，接着籽晶上升，生长单晶硅

3.缩颈

将籽晶快速提升，缩小结晶直径

4.放肩

放慢生长速度，晶体硅直径增大

5.等径

稳定生长速度，使晶体硅直径保持不变

6.收尾

加快提升速度，同时升高熔硅温度，使晶体硅直径不断缩小，形成一个圆锥形，最终离开液面

三，直拉单晶硅的发展前景

(一)，太阳能硅电池

目前，单晶硅的直拉生长法已经是单晶硅制备的主要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。

绿色能源、可再生能源是人类寻求的目标。煤和油发电受到资源的限制，而且破坏环境。有人预言燃煤发电如不淘汰，则人类和资源将同时在地球消失，核电有核安全、核泄漏和核废料问题， 西方国家也在逐步淘汰。

太阳能以其广泛存在.数量巨大、自由索取、清洁安全、对生态无害而成为首选开发领域。太阳电池是利用光生伏特效应，把太阳能直接转换成电能的半 导体器件.以半导体硅片为衬底的太阳电池，目前已广泛应用于航天、农业、交通、通讯、电视、广播和国防等领域，是太阳能开发的主导技术。

地球荒漠化面积的 1/4 如果被太阳能硅片覆盖，其发电量就相当于全世界发电量的总和。

硅太阳电池科技攻关，主要围绕以下两个方面进行：1)提高太阳光辐照能转化为电能的光电转换效率;2)大幅度降低单瓦发电成本。当然，提高光电转换效率本身也是降低成本.一个值得注意的事

实是衬底硅片的成本，要占到芯片制造成本的 50%以上。于是围绕提高太阳电池衬底的硅片质量和降低生产成本，形成了一整套太阳电池直拉硅单晶的生长技术与工艺。它与集成电路级直拉硅单晶生长技术与工艺，既有共同点，而又有较大的差异。

太阳电池级直拉硅的质量，主要以提高少子寿命保证光电转换效率为前提。因此在拉晶中要尽量降低硅中氧碳含量和重金属杂质含量。因为重金属杂质、氧沉淀及诱生缺陷、硼氧复合体等均会引入复合中心，降低少子寿命。

太阳电池级直拉硅单晶同样要大直径化.目前的直径正在由 6〞(135 mm×135 mm方片)向 8〞(155 mm×155 mm方片)转化。大直径生长，大投料、大熔体体积同样有抑制强烈热对流问题。但如果采用磁场拉晶技术，则硅片成本势必会有大幅度提高，对推广应用单晶硅太 阳电池不利。为了减少热对流，太阳电池级直拉硅生长，仅采用了矮加热器和双加热器技术，厚的热屏蔽技术和精确的氩气导流技术。但随着

硅单晶直径得进一步增 大，上述措施与技术也很难满足要求，还应当研究在不增加硅片生产成本的前提下，抑制强烈热对流的技术与工艺。

太阳电池级直拉硅单晶的原料的需求量很大，是目前发展太阳电池的重大障碍。使用三级多晶料不但成本上升，而且也满足不了要求。使用电路级直拉硅 的头尾料和锅底料应该是最合理的，但碳含量过高是关键。如何通过硅单晶生长降低碳含量是重要的研究课题。降碳机制不但具有学术意义，其技术具有重大经济效益。