单晶硅材料的制备与加工.docx

单晶硅太阳能电池的生产与检测光予小组制作2014/5/25，、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，直拉单晶硅的相关知识硅单品是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直 拉方法获得硅单品的一门科学，它研究的主要内容：硅单品 生长的一般原理，宜拉硅单品生长工艺过程，改善直拉硅单 品性能的工艺方法。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品的 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品一种常用的重要 方法。目前一些重要的半导体材料，如硅单品，锗单品，红 宝石等大部分是用直拉法生长的。宜拉锗单品首先登上大规 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，锗单品有不可克服的缺点：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品，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，硅单品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品 硅，石英坩埚直径为40毫米到60毫米，拉制单品长度只有 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，单品直径可达150毫米，单品长度 近2米，单品炉籽品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4X4毫米或4X6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，对硅单品材 料质量要求很高：硅单品要有合适的电阻率和良好的电阻率 均匀性，完美的品体结构，良好的电学性能。因此，硅单品 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品工艺尽管种类繁多，但大体可分为：真 空工艺、气氛工艺和减压拉品工艺。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 空情况下拉制硅单品。低真空工艺单晶炉膛内真空度保持 10-110-2乇，高真空工艺单品炉膛保持10-3乇或更高的 真空度。硅单品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。在拉制硅单品时一次充入单品炉膛内0.20.4kg压 强高纯氩气（表压），称为不流动气氛;拉制硅单品时，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品 工艺。减压拉品是在单晶硅拉制过程中，连续向单品炉膛充 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 被普遍米用。（二），各项工艺步骤的特点图u 11 直拉箪晶硅和相度 生长部位的示意图1. 单晶硅的装料和熔化的La.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°C2. 种晶先将籽品降至液而数毫米处暂停片刻，使籽品温度尽量接 近熔硅温度，然后将籽品浸入熔硅，使头部熔解，接着籽品 上升，生长单晶硅3. 缩颈将籽品快速提升，缩小结品直径4. 放肩放慢生长速度，品体硅直径增大5. 等径等径 /稳定生长速度，使品体硅直径保持不变6. 收尾加快提升速度，同时升高熔硅温度，使品体硅直径不断缩 小，形成一个圆锥形，最终离开液而三，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品的生长技术与工艺。它与集 成电路级直拉硅单品生长技术与工艺，既有共同点，而又有 较大的差异。太阳电池级直拉硅的质量，主要以提高少于寿命保证光电 转换效率为前提。因此在拉品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，降低少于寿命。太阳电池级直拉硅单品同样要大直径化.目前的直径正在 由 6 （135 mmX 135 mm 方片）向 8 （155 mmX 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。但如果采用磁场拉品技术，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 硅单品直径得进一步增大，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品的原料的需求量很大，是目前发展 太阳电池的重大障碍。使用三级多品料不但成本上升，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。如何通过硅单品生长 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。