硅片制备--多晶硅铸锭炉和单晶炉1

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1、第二节硅片制备中的热工设备--单晶炉和多晶硅铸锭炉一、单晶炉目前在所有安装的太阳电池中，超过90%以上的是晶体硅太阳电池，因此位于产业链前端的硅锭/片的生产对整个太阳电池产业有着很重要的作用。太阳电池硅锭主要有单晶硅锭和多晶硅锭，这两种硅锭。单晶硅做成的电池效率高，但硅锭生产效率低，能耗大；多晶硅电池效率比单晶硅低一些，但硅锭生产效率高，在规模化生产上较有优势。目前国际上以多晶硅硅锭生产为主，而国内由于人工成本低，国产单晶炉价格低，因此国内单晶硅硅锭的产能比多晶硅大得多。1.1切克劳斯基法（Czochralsik：CZ法）1917年由切克斯基建立的一种晶体生

2、长方法现成为制备单晶硅的主要方法。把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。CZ法是利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法1太阳电池单晶硅锭生产技术直拉单晶炉及其基本原理多晶硅硅料置于坩埚中经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩等径、收尾等步骤，完成一根单晶硅锭的拉制。炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长及生长成的单晶的质量。拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、

3、坩埚和生长成的单晶的旋转及提升速率，炉内保护气体的种类、流向、流速、压力等。优缺点直拉法设备和工艺比较简单，容易实现自动控制；生产效率高，易于制备大直径单晶；容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低阻单晶。但用此法制单晶硅时，原料易被坩埚污染，硅单晶纯度降低，拉制的硅单晶电阻率大于50欧姆·厘米，质量很难控制。1.2悬浮区熔法（区熔法或FZ法）悬浮区熔法比直拉法出现晚，W·G·Pfann1952年提出，P·H·keck等人1953年用来提纯半导体硅。悬浮区熔法是将多晶硅棒用卡具卡住上端，下端对准籽晶，高频电流通过线圈与多晶硅棒耦合，产生涡流，使多晶棒部分熔化，接好

4、籽晶，自下而上使硅棒熔化和进行单晶生长，用此法制得的硅单晶叫区熔单晶。区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯及生长锗单晶，硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法，生长过程中不使用坩埚，熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间区熔法不使用坩埚，污染少，经区熔提纯后生长的硅单晶纯度较高，含氧量和含碳量低。高阻硅单晶一般用此法生长。目前区熔单晶应用范围比较窄，不及直拉工艺成熟，单晶中一些结构缺陷没有解决。1.3基座法基座法是既象区熔法又象直拉法的一种拉制单晶方法。用卡具将多晶棒下端卡住，高频线圈在多晶硅棒上端产生熔区，由上方插入籽晶，将籽晶慢慢向上提起，生长出单

5、晶。基座法制备的单晶纯度高，生长速度快，污染小能较好的控制电阻率。但此法工艺不成熟，很难生长大直径硅单晶。1.4片状单晶生长法（EFG法）片状单晶生长法是近几年发展的一种单晶生长技术。将多晶硅放入石英坩埚中，经石墨加热器加热熔化，将用石墨或者石英制成的有狭缝的模具浸在熔硅中，熔硅依靠毛细管作用，沿狭缝升到模具表面和籽晶融合，用很快的速度拉出。生长片状单晶拉速可达50毫米/分。片状单晶生长法现在多采用横向拉制。将有一平缺口的石英坩埚装满熔硅，用片状籽晶在坩埚出口处横向引晶，快速拉出片状单晶。片状单晶横向拉制时结晶性能好，生产连续，拉速快，可达20厘米/分片状单

6、晶表面完整，不须加工或少许加工就可制做器件；省掉部分切磨抛工艺，大大提高了材料的利用率。片状单晶拉制工艺技术高，难度大，温度控制非常精确，片状单晶工艺技术目前处于研究阶段。1.5气相生长法气相法生长单晶和三氯氢硅氢还原生长多晶相似。在适当温度下，三氯氢硅和氢气作用，在单晶籽晶上逐渐生长出单晶。气相生长法工艺流程简单，污染少，单晶纯度较高，但是生长速度慢，周期长，生长条件不易控制，生长的单晶质量较差。1.6铸锭法用铸锭法生长单晶是国外近几年发展的一种生长硅单晶方法。它象金铸锭一样生长硅单晶，此法生长硅单晶虽然工艺程流程简单，生长速度快，成本低，但是生长单晶质量

7、差。一般用于制造太阳能电池器件。1.7液相外延生长法用外延法生长单晶，有气相外延和液相外延两种方法。它们都是在一定条件下，在经过仔细加工的单晶片衬底上，生长一层具有一定厚度，一定电阻率和一定型号的完整单晶层，这种单晶生长过程叫外延。通过气相在衬底上生长外延层叫气相外延，通过液相在衬底上生长外延层叫液相外延。外延生长可以改善单晶衬底表面性能，提高单晶电子特性。外延生长速度一般很慢。硅单晶的生产方法以直拉法和区熔法为主，世界硅单晶产量，其中70～80%是直拉法生产，20～30%是区熔和其它方法生产的。我国目前生产的直拉硅单晶直径普遍水平Φ40～Φ50毫米，Φ75

8、毫米直拉单晶也能生产，但比较少，国外一般直拉硅单晶直