單晶硅材料的制備與加工

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1、單晶硅太陽能電池的生產(chǎn)與檢測光予小組制作2014/5/25一、直拉單晶硅的相關(guān)知識(shí)二、直拉單晶硅的制備工藝（一）工藝概述（二）各項(xiàng)工藝步驟的特點(diǎn)三、直拉單晶硅的發(fā)展前景一，直拉單晶硅的相關(guān)知識(shí)硅單晶是一種半導(dǎo)體材料。直拉單晶硅工藝學(xué)是研究用直拉方法獲得硅單晶的一門科學(xué)，它研究的主要內(nèi)容：硅單晶生長的一般原理，直拉硅單晶生長工藝過程，改善直拉硅單晶性能的工藝方法。直拉單晶硅工藝學(xué)象其他科學(xué)一樣，隨著社會(huì)的需要和生產(chǎn)的發(fā)展逐漸發(fā)展起來。十九世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)某些礦物，如硫化鋅、氧化銅具有單向?qū)щ娦阅埽⒂盟龀烧髌骷?，顯示出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使半導(dǎo)體材料得到初步應(yīng)用。后來，人

2、們經(jīng)過深入研究，制造出多種半導(dǎo)體材料。1918年，切克勞斯基(JCzochralski)發(fā)表了用直拉法從熔體中生長單晶的論文，為用直拉法生長半導(dǎo)體材料奠定了理論基礎(chǔ)，從此，直拉法飛速發(fā)展，成為從熔體中獲得單晶一種常用的重要方法。目前一些重要的半導(dǎo)體材料，如硅單晶，鍺單晶，紅寶石等大部分是用直拉法生長的。直拉鍺單晶首先登上大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的舞臺(tái)，它工藝簡單，生產(chǎn)效率高，成本低，發(fā)展迅速;但是，鍺單晶有不可克服的缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，電學(xué)性能較低，原料來源少，應(yīng)用和生產(chǎn)都受到一定限制。六十年代，人們發(fā)展了半導(dǎo)體材料硅單晶，它一登上半導(dǎo)體材料舞臺(tái)，就顯示了獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：硬度大，電

3、學(xué)熱穩(wěn)定性好，能在較高和較低溫度下穩(wěn)定工作，原料來源豐富。地球上25.8%是硅，是地球上鍺的四萬倍，真是取之不盡，用之不竭。因此，硅單晶制備工藝發(fā)展非常迅速，產(chǎn)量成倍增加，1964年所有資本主義國家生產(chǎn)的單為晶硅50-60噸，70年為300-350噸，76年就達(dá)到1200噸。其中60%以上是用直拉法生產(chǎn)的。隨著單晶硅生長技術(shù)的發(fā)展，單晶硅生長設(shè)備也相應(yīng)發(fā)展起來，以直拉單晶硅為例，最初的直拉爐只能裝百十克多晶硅，石英坩堝直徑為40毫米到60毫米，拉制單晶長度只有幾厘米，十幾厘米，現(xiàn)在直拉單晶爐裝多晶硅達(dá)40斤，石英坩堝直徑達(dá)350毫米，單晶直徑可達(dá)150毫米，單晶長

4、度近2米，單晶爐籽晶軸由硬構(gòu)件發(fā)展成軟構(gòu)件，由手工操作發(fā)展成自動(dòng)操作，并進(jìn)一步發(fā)展成計(jì)算機(jī)操作，單晶爐幾乎每三年更新一次。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，給電子工業(yè)帶來一場新的革命，也給半導(dǎo)體材料單晶硅帶來新的課題。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路在部分用直拉單晶硅制造，制造集成電路的硅片上，各種電路密度大集成度高，要求單晶硅有良好的均勻性和高度的完美性。以4k位集成電路為例，在4×4毫米或4×6毫米的硅片上，做四萬多個(gè)元件，還要制出各元件之間的連線，經(jīng)過幾十道工序，很多次熱處理。元件的高密度，復(fù)雜的制備工藝，要保證每個(gè)元件性能穩(wěn)定，除制作集成電路工藝成熟外，對硅單晶材料

5、質(zhì)量要求很高：硅單晶要有合適的電阻率和良好的電阻率均勻性，完美的晶體結(jié)構(gòu)，良好的電學(xué)性能。因此，硅單晶生長技術(shù)要更成熟、更精細(xì)、更完善，才能滿足集成電路的要求。直拉單晶硅工藝?yán)碚搼?yīng)不斷地向前發(fā)展。二，直拉單晶硅的制備工藝(一)，工藝概述直拉法生產(chǎn)硅單晶工藝盡管種類繁多，但大體可分為：真空工藝、氣氛工藝和減壓拉晶工藝。真空工藝又分低真空工藝和高真空工藝。真空工藝的特點(diǎn)是在單晶爐膛內(nèi)保持真空情況下拉制硅單晶。低真空工藝單晶爐膛內(nèi)真空度保持10-1～10-2乇，高真空工藝單晶爐膛保持10-3乇或更高的真空度。硅單晶拉制過程中單晶爐膛內(nèi)充高純氬氣做保護(hù)氣體，稱為氣氛工藝。

6、氣氛工藝中又有流動(dòng)氣氛和不流動(dòng)氣氛兩種。在拉制硅單晶時(shí)一次充入單晶爐膛內(nèi)0.2～0.4kg壓強(qiáng)高純氬氣(表壓)，稱為不流動(dòng)氣氛;拉制硅單晶時(shí)，連續(xù)不斷地向單晶爐膛內(nèi)充入高純氬，保護(hù)爐膛內(nèi)氣體是正壓(表壓)，同時(shí)又使部分氬氣沿管道向外溢出，這種工藝稱為流動(dòng)氣氛。近幾年又出現(xiàn)了介于真空工藝和氣氛工藝之間減壓拉晶工藝。減壓拉晶是在單晶硅拉制過程中，連續(xù)向單晶爐膛充入等量的高純氬氣，同時(shí)真空泵不斷地從爐膛內(nèi)向外抽氣，保持爐膛內(nèi)穩(wěn)定在10乇～20乇真空內(nèi)，這種工藝既有真空工藝的特點(diǎn)(爐膛內(nèi)保持負(fù)壓)，又有流動(dòng)氣氛的特點(diǎn)(不斷充氣，不斷排氣)，減壓工藝在目前直拉單晶硅生產(chǎn)過程

7、中被普遍采用。(二)，各項(xiàng)工藝步驟的特點(diǎn)1.單晶硅的裝料和熔化a.粉碎至適當(dāng)大小b.裝料時(shí)，底部不能有過多的空隙，不能碰到坩堝上邊沿c.抽真空，充入保護(hù)氣d.加熱溫度高于1412℃2.種晶先將籽晶降至液面數(shù)毫米處暫停片刻，使籽晶溫度盡量接近熔硅溫度，然后將籽晶浸入熔硅，使頭部熔解，接著籽晶上升，生長單晶硅3.縮頸將籽晶快速提升，縮小結(jié)晶直徑4.放肩放慢生長速度，晶體硅直徑增大5.等徑穩(wěn)定生長速度，使晶體硅直徑保持不變6.收尾加快提升速度，同時(shí)升高熔硅溫度，使晶體硅直徑不斷縮小，形成一個(gè)圓錐形，最終離開液面三，直拉單晶硅的發(fā)展前景(一)，太陽能硅電池目前，單晶硅的直

8、拉生長法已