单晶硅材料的制备和加工.docx
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单晶硅材料的制备和加工
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(JCzochralski)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%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~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〞(135mm×135mm方片)向8〞(155mm×155mm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。
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