单晶硅材料研14

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1、单晶硅生长技术的研究与发展摘要：综述了硅的应用和单晶硅生长技术的研究现状。对直拉法和悬浮区熔法制备单晶硅进行了概述，关键词：单晶硅；m—i—一、刖吕单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。自上世纪40年代起开始使用多晶硅至今，硅材料的牛:长技术己趋于完善，并广泛的应用于红外光谱频率光学元件、红外及射线探测器、集成电路、太阳能电池等。此外，硅没有毒性，口它的原材料石英(S102)构成了大约60%的地壳成分，其原料供给对得到充分保障。硅材料的优点及用途决定了它是冃前最重要、产量最大、发展最快、用途最

2、广泛的一种半导体材料。到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在硅材料基础之上的，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用单品硅制造的。其中单品硅太阳能电池是最早被研究和应用的，至今它仍是太阳能电池的最主要材料Z-o单品硅完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定、光电转换效率高、使用寿命反，是制备太阳能电池的理想材料。因此备受世界各国研究者的重视和青睐，其市场占冇率为太阳能电池总份额中的40%左右。随着对单晶硅太阳能电池需求的不断增加，单晶硅市场竞争日趋激烈，要在这单晶硅市场上占据重耍地位，应在以F两个方面实现突

3、破，一是不断降低成本。为此，必须扩大晶体直径，加大投料量，并月•提高拉速。二是提高光电转换效率。为此，要在晶体生长工艺上搞突破，减低硅中氧碳含fio因此，对单晶硅的生产和研究提出了新的要求。了解单晶生长条件、生长缺陷以及它们对器件性能的影响ZI'可的关系，对提高品体质量是很重要的。本文釆用直拉法生长了6英寸优质单品硅，并对其电阻率、杂质含量及位错进行了测试，获得了最佳的生长工艺参数,分析了杂质引入机制及减少杂质的措施。硅材料是信息技术，电子技术和光伏技术最重要的基础材料，从某种意义上讲,Si不仅是高技术和门J再生能

4、源，更是影响国家耒来在高新技术和能源领域实力的战略资源。作为一种功能材料，其性能应该是各向异性的，因此半导体硅人都应该制备成硅单晶，并加工成抛光片，方可制造1C器件，超过98%的电子元件都足使川硅单晶。单晶硅已渗透到国民经济和国防科技小各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场屮95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。生产单晶硅的原料主要包括：半导体单品硅碎片，半导体单晶硅切割剩余的头尾料、边丿支料等。目前，单晶硅的牛长技术主要有直拉法(CZ)和悬浮区熔法(FZ)。在单晶硅的制备过程小还可根

5、据需要进行掺杂，以控制材料的电阻率，掺杂元索一般为111或『主族元素.生长制备示的单晶硅棒还需经过切片、打磨、腐蚀、抛光等工序深加工示方可制成用作半导体材料的单晶硅片。随着单晶硅生长及加匸处理技术的进步，单晶硅正朝着人肓径化(300ram以上)、低的杂质及缺陷含晕、更均匀的分布以及牛产成本低、效率高的方向发展。二、单晶硅的生长原理当前制备单品硅主要有两种技术，根据品体牛.长方式不同，可分为悬浮区熔法(FloatZoneMethod)和直拉法(CzochralskiMethod)。这两种方法制备的单品硅具有不同的特

6、性和不同的器件应用领域，区熔单品硅主要应用于大功率器件方面，而直拉单品硅主耍应用于微电子集成电路和太阳能电池方而，是单晶硅的主体。随着熔场温度的下降，将发生山液态转变到固态的相变化。对于发纶在等温、等压条件下的相变化，不同相Z间的相对稳定性町由吉布斯口由能判定。AG可以视为结晶驱动力。AG=AH—TAS(1)在平衡的熔化温度瓦时，固液两相的自由能是相等的，即AG二0,因此AG=AH■瓦XAS—0(2)所以，AS二AH/T二(3)其中，AH即为结晶潜热。将式(3)代入式⑴可得AG=bHg-T)=hShT由式(4)可以

7、看出，由于AS是一个负值常数，所以△兀即过冷度)可被视为结晶的唯一•驱动力。以典型的CZ长品法为例，加热器的作用在于提供系统热量，以使熔硅维持在高于熔点的温度。如果在液面浸入一品种，在品种与熔硅达到热平衡时，液面会靠着表面张力的支撑吸附在晶种下方。若此时将晶种往上提升，这些被吸附的液体也会跟着晶种往上运动，而形成过冷状态。这节过冷的液体由于过冷度产生的驱动力而结晶，并随着晶种方向长成单晶棒。在凝固结品过程中，所释放出的潜热是一个间接的热量来源，潜热将借着传导作用而沿着品林传输。同时，品棒表而也会借着热辐射与热对■流

8、将热量散失到外围，另外熔场表而也会将热量散失掉。于是，在一个固定的条件下，进入系统的热能将等于系统输出的热能陟。三、硅单晶生长方法1直拉(CZ)法肓拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括：多晶硅的装料和熔化、引晶、缩颈、放肩、等颈和收。肓拉法的生产过程简单来说就是利用旋转的籽晶从熔硅屮提拉制备单晶硅。此法产量大、成木低，国内外大多数太阳能单晶硅片厂家多采用这种技术