第五章单晶硅的制备及其缺陷和杂质要点.pptVIP

1.1 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 1.2 太阳电池单晶硅锭生产技术 1.3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、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。 1.4 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。 1.5 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·Pfann 1952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。 1.6 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。 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毫米直拉单晶也能生产，但比较少，国外一般直拉硅单晶直径为Φ75～Φ100毫米，特殊的生长Φ220毫米长1.5米的单晶。 2.1直拉单晶炉结构 直拉单晶炉型式尽管不同，总的说来，主要由炉体、电器部分、热系统、水冷系统、真空系统和氩气装置五大部分组成。 2.2 炉体 炉体由炉座、炉膛、炉顶盖、坩埚轴（下轴）、籽晶轴（上轴）、光学等直径监测器等部件组成。 炉座一般由铸铁制成，支撑整个炉体重量。 炉膛的样式比较多，大体上分侧开门和钟罩式两种形式。侧开门式又有锥顶、圆弧顶和平顶之分；钟罩式又有单纯钟罩式和有主室和付室中间夹有隔离阀的钟罩式。不管样式千差万别，炉膛总有炉室、观察窗、紫铜电极、炉门（钟罩式无有）、热电偶侧温孔、光学等径监测孔；外接真空管道和惰性气体进口等几部分。坩埚轴和籽晶轴从炉膛中心穿过并能上、下运动。炉膛一般由4-5毫米两层不锈钢板制成，中间通水。 炉顶盖：炉顶盖样式也比较多，一般由铸铁制成，主要支撑籽晶轴的提拉和旋转，装有标尺，显示籽晶轴的提拉位置和提拉长度。 坩埚轴（下轴）由不锈钢制成，由双层管组成，通流动