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。