《硅材料與硅》課件

硅材料與硅片的生產(chǎn)SolarfunContents多晶硅的合成一多晶硅錠的生產(chǎn)過程二單晶硅的生產(chǎn)過程三硅片加工四Solarfun小結(jié)五

硅半導(dǎo)體的生產(chǎn)主要分為多晶硅的合成及生長、單晶硅的生長和硅晶片加工這三個步驟。其中，多晶硅合成主要是應(yīng)用化學(xué)方法，通過一系列的化學(xué)反應(yīng)完成多晶硅的提純生長過程，得到高純硅；太陽電池多晶硅錠主要采用定向凝固的方法生產(chǎn)的；單晶硅的生長是將已生產(chǎn)的高純多晶硅制備為單晶硅，這一過程是通過物理方法實(shí)現(xiàn)的，主要介紹提拉(CZ)和區(qū)熔(FZ)兩種單晶生長方法；硅片加工主要是機(jī)械加工的過程，包括硅片的定向、切割、打磨、拋光等過程。下面分別介紹多晶硅合成及生長，單晶硅生長和硅片加工這幾個工藝步驟。

SolarfunSolarfun一多晶硅的合成

多晶硅是由硅純度較低的冶金級硅提煉而來，由于各多晶硅生產(chǎn)工廠所用主輔原料不盡相同，因此生產(chǎn)工藝技術(shù)不同；進(jìn)而對應(yīng)的多晶硅產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、用途、產(chǎn)品檢測方法、過程安全等方面也存在差異，各有技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)秘密，總的來說，目前國際上多晶硅生產(chǎn)主要的傳統(tǒng)工藝有：改良西門子法、硅烷法和硫化床法。改良西門子法是目前主流的生產(chǎn)方法，采用此方法生產(chǎn)的多晶硅約占多晶硅全球總產(chǎn)量的85％。但這種提煉技術(shù)的核心工藝僅僅掌握在美、德、日等7家主要硅料廠商手中。這些公司的產(chǎn)品占全球多晶硅總產(chǎn)量的90%，它們形成的企業(yè)聯(lián)盟實(shí)行技術(shù)封鎖，嚴(yán)禁技術(shù)轉(zhuǎn)讓。短期內(nèi)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)壟斷封鎖的局面不會改變。

SolarfunSolarfun一多晶硅的合成

從上世紀(jì)五，六十年代至今，高純多晶硅生產(chǎn)廣泛采用氫氣還原三氯氫硅，即西門子法。回首過去，傳統(tǒng)西門子法在我國的應(yīng)用也有幾十年了，但無論是生產(chǎn)規(guī)模，能耗，環(huán)保，以及副產(chǎn)物的綜合利用與國外的技術(shù)相差都很大。

改良西門子法主要優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)能降耗顯著、成本低、質(zhì)量高，采用綜合利用技術(shù)，對環(huán)境產(chǎn)生污染小。其主要技術(shù)是:大直徑對多對棒節(jié)能型還原爐技術(shù)、導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻硅還原爐系統(tǒng)技術(shù)、還原爐尾氣封閉式干法回收技術(shù)以及副產(chǎn)品SiCl4氫化生成SiHCl3技術(shù)。

SolarfunSolarfun(一)改良西門子法的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

1大型多對棒節(jié)能型還原爐多晶硅還原爐，出于節(jié)能降耗的考慮，必須大型化，與之相適應(yīng)的電器也必須大型配套。大型節(jié)能還原爐有幾項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù):

(1)爐內(nèi)可同時加熱許多根金屬絲，以減少爐壁輻射所造成的熱損失；

(2)爐的內(nèi)壁加工成鏡面，使輻射熱能反射，以減少散熱損失熱能；

(3)提高爐內(nèi)壓力，加大供氣量，以提高反應(yīng)速度，加快硅的沉積生成速度采用這種改進(jìn)的大型還原爐之后，其爐產(chǎn)量可以從改良前的每爐次100-200公斤提高到每爐次5-6噸。這種大型還原爐的顯著特點(diǎn)是:能耗低、產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定。

目前，國外大型還原爐的硅棒的總數(shù)大多在100根以上，硅棒長度在1.5米以上，棒直徑達(dá)到200毫米以上，每爐產(chǎn)量可達(dá)5^6噸，電耗則大幅度下降，達(dá)到每公斤多晶硅耗電80kW/h.

SolarfunSolarfun(一)改良西門子法的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

2導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻還原爐工藝技術(shù)

在多晶硅生產(chǎn)過程中，還原爐是高耗能設(shè)各，硅棒的沉積需要電能加熱并維持溫度在高溫狀態(tài)，而爐筒、電極和爐底盤則需要冷卻。冷卻過程會帶走大量熱能，使還原爐內(nèi)多晶硅棒的熱能損失。這種熱能損失大部分是高溫硅棒傳向低溫爐壁的熱輻射而損失的，其次是氣體被加熱后而排出還原爐帶走了部分熱量。要想提高爐筒壁的溫度，就要設(shè)法提高爐筒壁冷卻介質(zhì)的溫度。以前傳統(tǒng)的冷卻介質(zhì)是水，因水的沸點(diǎn)在100℃,故出口溫度不能高于100℃，而實(shí)際工藝過程中未能達(dá)到這種較高溫度，一般都在50℃左右。人們通過探討，采用了導(dǎo)熱油作為還原爐的冷卻介質(zhì)，因油的成本遠(yuǎn)比水高，所以采用了循環(huán)冷卻方式，因此，便產(chǎn)生了導(dǎo)熱油循環(huán)冷卻還原爐的工藝。這種工藝可使直接電耗降低約30%，還可綜合利用余熱.

SolarfunSolarfun(一)改良西門子法的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

3.還原尾氣的干法回收技術(shù)

在還原生長多晶硅之后，還有部分還原尾氣。如果尾氣放空排放，不僅浪費(fèi)了能源和原材料，還會對環(huán)境造成污染。

多晶硅還原爐尾氣中的氫、氯化氫、三氯氫硅、四氯化硅等成分，經(jīng)過加工和冷卻達(dá)到一定的條件之后，其中的二氯氫硅和四氯化硅被冷凝分離出來，然后把分離出的三氯氫硅直接送到還原爐，以生產(chǎn)多晶硅，而把四氯化硅送到氫化工序，經(jīng)氫化后，部分轉(zhuǎn)化成三氯氫硅，把氫化后的氣體再經(jīng)分離塔分離出二氯氫硅和四氯化硅，再分別把三氯氫硅送到還原系統(tǒng)，再把四氯化硅送到氫化工序，這樣連續(xù)不斷地循環(huán)進(jìn)行下去。另外，經(jīng)加壓和冷卻后的不凝氣體，主要是氫和氯化氫，它們在加壓和低溫條件下，通過特殊的分離工藝，使氫和氯化氫分離出來，把沒有雜質(zhì)和水分的純氫送往氯化氫合成工序或還原工序利用，而氯化氫則送到三氯氫硅的合成工序。還原尾氣干法回收的整套工藝都不接觸水分，只是把尾氣中各種成分逐一分離，并且不受污染地回收，再送回相適應(yīng)的工序重復(fù)利用，實(shí)行閉路循環(huán)式工作。

SolarfunSolarfun(一)改良西門子法的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

4四氯化硅(SiCl4)氫化反應(yīng)技術(shù)

用西門子法生產(chǎn)多晶硅時在氯化工序和還原工序都要產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物—SiC14·大量的SiC14生成，不但增加了多晶硅生產(chǎn)的單耗，而且該物很難處理，對環(huán)境造成污染。為此，大阪鈦公司、聯(lián)合碳化物等公司很早就致力于開展SiC14轉(zhuǎn)化成SiHCl3,的研究工作。世界各大型多晶硅生產(chǎn)廠，也都進(jìn)行了這方面的研究，使生產(chǎn)多晶硅僅需補(bǔ)充純硅和少量H2作原料成為可能.

SolarfunSolarfun（二）改良西門子法生產(chǎn)工藝流程SolarfunSolarfun改良西門子法示意圖

改良西門子工藝法生產(chǎn)多晶硅所用設(shè)備主要有：氯化氫合成爐，三氯氫硅沸騰床加壓合成爐，三氯氫硅水解凝膠處理系統(tǒng)，三氯氫硅精餾、精餾塔提純系統(tǒng)，硅芯爐，節(jié)電還原爐，磷檢爐，硅棒切斷機(jī)，腐蝕、清洗、干燥、包裝系統(tǒng)裝置，還原尾氣干法回收裝置；其他包括分析、檢測儀器，控制儀表，熱能轉(zhuǎn)換站，壓縮空氣站，循環(huán)水站，變配電站，凈化廠房等。

SolarfunSolarfun1合成HCl

SolarfunSolarfun生成三氯氫硅所需的HCl是由工廠自行合成的，其裝置如圖一所示。經(jīng)干燥的氫氣和氯氣通入反應(yīng)爐中的燃燒室中燃燒，生成的HCl經(jīng)冷卻后成為液態(tài)，經(jīng)管道儲存?zhèn)溆谩?/p>

圖一2合成SiHCl3（三氯氫硅）

SolarfunSolarfun三氯氫硅的合成是在沸騰爐中完成的，反應(yīng)式如下：這一反應(yīng)過程是可逆的，在280—320℃下正向反應(yīng)系數(shù)較大，三氯化硅的產(chǎn)率較高，其要含量大于83%，才能進(jìn)入下一步。沸騰爐的結(jié)構(gòu)如圖二。

圖二經(jīng)干燥的硅粉由沸騰爐中上部注入到爐中，與由下部注入的HCl(g)在反應(yīng)爐中部反應(yīng)，生成的SiHCl3、H2以及未反應(yīng)的Si(s)、HCl等由沸騰爐的上部排出，經(jīng)除塵（主要是Si中的金屬雜質(zhì)和未反應(yīng)物質(zhì)）冷卻后，在經(jīng)進(jìn)一步深冷，得到含雜質(zhì)較多的液態(tài)三氯氫硅，進(jìn)入下一步提純工序。Si中主要含金屬雜質(zhì)，氫氣和氯氣中主要含非金屬雜質(zhì)，Si與HCl反應(yīng)生成三氯氫硅后，其雜質(zhì)被大大除去，純度得到大大提高。這一反應(yīng)中還有一些副反應(yīng)，再加上反應(yīng)不完全等原因，會生成很多的副產(chǎn)物。生成的所有產(chǎn)物都將進(jìn)入到提純工序中。3三氯氫硅的提純

SolarfunSolarfun三氯氫硅的提純過程是一個物理過程，這一過程是在精餾塔中進(jìn)行的，其結(jié)構(gòu)見圖三如圖所示，在精餾塔內(nèi)部有很多層帶孔的篩板，合成的三氯氫硅通入塔釜，經(jīng)加熱后進(jìn)入到精餾塔內(nèi)，加熱揮發(fā)成氣態(tài)的SiHCl3在塔內(nèi)向上揮發(fā)，逐步變冷，凝結(jié)成液態(tài)。注入的原料中相對于三氯氫硅為高沸點(diǎn)的物質(zhì)首先凝結(jié)為液態(tài)，流入塔的下部，而相對于三氯氫硅為低沸點(diǎn)的物質(zhì)將揮發(fā)到他的上部，這樣就將高沸點(diǎn)和低沸點(diǎn)的雜質(zhì)趕到塔的兩端，從塔的中部適當(dāng)位置可以提取純的三氯氫硅。由塔頂部揮發(fā)的三氯氫硅以及雜質(zhì)可經(jīng)冷卻后再進(jìn)入到塔內(nèi)再提純，如此循環(huán)，不僅使三氯氫硅的純度不斷提高，而且可分離雜質(zhì)用于其他用途。提出的三氯氫硅可進(jìn)入到下一級提純塔再提純，最終可以得到PPB達(dá)10-9的三氯化硅.這種連續(xù)精餾提純塔采用耐腐蝕的碳素鋼制成，高20多米，直徑40—50厘米，每日處理量可達(dá)六萬立升。4三氯氫硅的還原

SolarfunSolarfun我們最終所需的是高純多晶硅，這就需要將三氯氫硅還原成硅，其反應(yīng)如下：該還原爐加熱系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油循環(huán)完成，液態(tài)的導(dǎo)熱油可以攜帶大量的熱量循環(huán)釋放到室內(nèi)，為室內(nèi)提供穩(wěn)定的熱源。還原爐外部有硅酸鈣保溫層，導(dǎo)熱油和保溫層使?fàn)t內(nèi)的溫度保持在1080—1100℃范圍內(nèi)。H2和被加熱揮發(fā)的SiHCl3(g)注入到爐內(nèi)，SiHCl3被還原，還原出的Si(s)在爐內(nèi)的籽晶棒上沉積,得到多晶硅棒的同時三氯化硅還發(fā)生分解反應(yīng)，同樣可以分解出Si，但這一反應(yīng)相對產(chǎn)率較小。在還原反應(yīng)過程中只有2%的氫氣被利用，98%的氫氣從廢氣口排出，排出的氫氣竟會被提純后重復(fù)利用。這一反映是在還原爐中進(jìn)行的，如左圖所示。5尾氣回收系統(tǒng)

SolarfunSolarfunSiHCl3,，SiCl4，H2,HCl放入還原爐中，通過閉路循環(huán)，對原料而言可以降低成本，對環(huán)境而言可以保護(hù)環(huán)境。對不同的物質(zhì)處理方法不同：SiHCl3可進(jìn)行提純、H2壓縮凈化處理、HCl壓縮脫吸、，SiCl4冷凝提純可做為光纖或其他有機(jī)物質(zhì)的制備。經(jīng)過回收系統(tǒng)，90%的原料都能完全利用。若沒有回收系統(tǒng)，H2只能利用2%，這樣就造成大量的資源浪費(fèi)。6分析

SolarfunSolarfun主要分析SiHCl3的百分含量（%）以及Fe、Al、P、B等雜質(zhì)的含量（ppb）。二多晶硅錠的生長過程根據(jù)生長方法的不同，多晶硅可分為等軸晶、柱狀晶。通

常在熱過冷及自由凝固的情況下會形成等軸晶，其特點(diǎn)是晶

粒細(xì)，機(jī)械物理性能各向同性。

如果在凝固過程中控制液固界面的溫度梯度，形成單方

向熱流，實(shí)行可控的定向凝固，則可形成物理機(jī)械性能各向異

性的多晶柱狀晶，太陽電池多晶硅錠就是采用這種定向凝固

的方法生產(chǎn)的。

在實(shí)際生產(chǎn)中，太陽電池多晶硅錠的定向凝固生長方法

主要有澆鑄法、熱交換法（HEM）、布里曼（Bridgeman）法、

電磁鑄錠法，其中熱交換法與布里曼法通常結(jié)合在一起。SolarfunSolarfun（一）澆鑄法

SolarfunSolarfun澆鑄法將熔煉及凝固分開，

熔煉在一個石英砂爐襯的感應(yīng)爐

中進(jìn)行，熔融的硅液澆入一個石

墨模型中，石墨模型置于一個升

降臺上，周圍用電阻加熱，然后以

1mm/min的速度下降（見左圖）。

其特點(diǎn)是熔化和結(jié)晶在兩個不同

的坩堝中進(jìn)行，從圖中可以看出，

這種生產(chǎn)方法可以實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化

生產(chǎn)，其熔化、結(jié)晶、冷卻分別位于

不同的地方，可以有效提高生產(chǎn)效

率，降低能源消耗。缺點(diǎn)是因?yàn)槿?/p>

融和結(jié)晶使用不同的坩堝，會導(dǎo)致

二次污染，此外因?yàn)橛雄釄宸D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及引錠機(jī)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)

相對較復(fù)雜。

（二）熱交換法及布里曼法

SolarfunSolarfun熱交換法及布里曼法都是把熔化及凝固置于同一坩堝中（避免了二次污染），其中熱交換法是將硅料在坩堝中熔化后，在坩堝底部通冷卻水或冷氣體，在底部進(jìn)行熱量交換，形成溫度梯度，促使晶體定向生長。左圖為一個使用熱交換法的結(jié)晶爐示意圖。該爐型采用頂?shù)准訜?，在熔化過程中，底部用一個可移動的熱開關(guān)絕熱，結(jié)晶時則將它移開以便將坩堝底部的熱量通過冷卻臺帶走，從而形成溫度梯度。布里曼法則是在硅料熔化后，將坩堝或加熱元件移動使結(jié)晶好的晶體離開加熱區(qū)，而液硅仍然處于加熱區(qū)，這樣在結(jié)晶過程中液固界面形成比較穩(wěn)定的溫度梯度，有利于晶體的生長。其特點(diǎn)是液相溫度梯度dT/dX接近常數(shù)，生長速度受工作臺下移速度及冷卻水流量控制趨近于常數(shù)，生長速度可以調(diào)節(jié)。實(shí)際生產(chǎn)所用結(jié)晶爐大都是采用熱交換與布里曼相結(jié)合的技術(shù)。

SolarfunSolarfun左圖為一個熱交換法與布里曼法相結(jié)合的結(jié)晶爐示意圖。圖中，工作臺通冷卻水，上置一個熱開關(guān)，坩堝則位于熱開關(guān)上。硅料熔融時，熱開關(guān)關(guān)閉，結(jié)晶時打開，將坩堝底部的熱量通過工作臺內(nèi)的冷卻水帶走，形成溫度梯度。同時坩堝工作臺緩慢下降，使凝固好的硅錠離開加熱區(qū)，維持固液界面有一個比較穩(wěn)定的溫度梯度，在這個過程中，要求工作臺下降非常

平穩(wěn)，以保證獲得平面前沿定向凝固。熱交換法與布里曼法結(jié)合示意圖(坩堝移動)

SolarfunSolarfun左圖為另一類型的熱交換法與布里曼法結(jié)合的爐子，這種類型的結(jié)晶爐加熱時保溫框和底部的隔熱板緊密結(jié)合，保證熱量不外泄。開始結(jié)晶時，坩堝不動，將石墨加熱元件及保溫框往上慢慢移動。坩堝底部的熱量通過保溫框和隔熱板間的空隙散發(fā)出去，形成溫度梯度。HEM+Bridgeman法示意圖(熱源及保溫框移動)

（三）電磁鑄錠法SolarfunSolarfun這種方法的特點(diǎn)是不使用坩堝，硅料通過加料裝置進(jìn)入加熱區(qū)，通過感應(yīng)加熱使硅料熔融，當(dāng)硅液向下移離開加熱區(qū)后，結(jié)晶生長，如此通過不斷加料，不斷將結(jié)晶好的硅錠往下移，就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生長，錠子高度可達(dá)1～2m。但用這種方法生產(chǎn)的硅錠晶粒尺寸小，橫截面小，因此容量也不大，如左圖所示。

電池鑄造法示意圖

三單晶硅的生產(chǎn)過程

單晶硅是以高純多晶硅為原料，采用提拉（CZ）、區(qū)熔（FZ）等生長方法實(shí)現(xiàn)的，這一過程是物理方法，下面分別介紹提拉和區(qū)熔兩種晶體生長方法。

SolarfunSolarfun（一）提拉法

提拉法的原理：材料在一個坩堝中，被加熱到它的熔點(diǎn)以上。坩堝上方有一根可以旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿，桿的下端有一個夾頭，其上裝有一根籽晶。降低提拉桿，使籽晶插入熔體之中，只要熔體的溫度適中，籽晶既不熔掉，也不長大，然后緩慢向上提拉和轉(zhuǎn)動籽晶桿，同時緩慢降低加熱功率，就能得到所需直徑的晶體。

SolarfunSolarfun

SolarfunSolarfun提拉爐的結(jié)構(gòu)如圖四所示提拉爐由基座、主室、副室、旋轉(zhuǎn)提拉頭等幾部分組成?；兄饕芹釄逍D(zhuǎn)裝置和坩堝加熱裝置以及抽真空裝置。主室中裝有石英坩堝，由外層的石墨坩堝托碗托住。硅的熔點(diǎn)在1420℃左右，在此溫度下石英坩堝會變軟，將無法承受坩堝內(nèi)熔融的硅，所以在其外部放置石墨坩堝托碗，以承受熔融的硅。石墨坩堝托碗的外部裝有石墨加熱圓管提拉爐主室的側(cè)壁還裝有保溫石墨纖維氈，厚度在60—100cm，加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)為單晶硅的生長提供良好的溫場分布。主室以上是副室，其高度180cm左右，直徑十幾英寸，由主室提拉的硅單晶錠到副室，生長完成后，可將副室從主室上方移開，以便取出單晶（見圖片）。提拉爐上部的提拉頭和下部的坩堝均有旋轉(zhuǎn)設(shè)備，使晶體相對于液面旋轉(zhuǎn)，以減小熱流的影響。提拉爐內(nèi)通入氬氣用于保護(hù)，同時用真空泵進(jìn)行抽真空，使室內(nèi)保持低壓氛圍（30~70托）。

SolarfunSolarfun如上所述的提拉系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)，現(xiàn)有一種熱場——熱屏（導(dǎo)流筒），如下圖所示在原有的開口系統(tǒng)中增加熱屏，如圖中所示，熱屏的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

●相對于開口系統(tǒng)，熱屏系統(tǒng)節(jié)省了很大的電力，如表中所示：熱屏的安裝改善了爐內(nèi)的保溫效果和溫場，更加有利于硅單晶的生長。

●安裝熱屏后使提拉爐內(nèi)的熱流得到了很大的改善，氬氣流在熱屏引導(dǎo)下流經(jīng)液態(tài)硅表面，不僅帶走了揮發(fā)出的硅，還使?fàn)t內(nèi)的熱場趨于穩(wěn)定。

●由于溫場和熱流的改善，使單晶的質(zhì)量得到了很大的提高，其中的漩渦缺陷減小了很多

SolarfunSolarfun單晶頭部

單晶尾部12英寸單晶無熱屏54KW68KW

有熱屏44KW48KW18英寸單晶

無熱屏88KW105KW

有熱屏56KW60KW

提拉法生長單晶硅的工藝流程SolarfunSolarfun備料：將多晶硅棒破碎為直徑小于100mm的碎塊，便于融化。腐蝕、清洗、烘干：用HF：H2NO3=1：3的溶液腐蝕表面，再用高純水清洗烘干待用。摻雜，送料：N型摻雜：摻PP型摻雜：摻B可根據(jù)客戶需要進(jìn)行不同種類和不同程度的摻雜抽真空、驗(yàn)漏：將提拉爐抽真空，然后關(guān)上閥門，檢驗(yàn)是否漏氣（每五分鐘泄漏小于0.5帕）。通氣：向爐內(nèi)通入保護(hù)氬氣。加熱化料：加熱坩堝使坩堝內(nèi)的多晶料熔化，這一過程大約需要4—5小時。引晶：將籽晶下降到液面引出一條直徑4—5厘米，長120—200mm左右的細(xì)晶柱。這一過程中所選用籽晶有兩種，方形籽晶尺寸為9Χ9Χ120mm，圓形籽晶尺寸為10Χ120mm。引晶這一過程可以消除晶體中的位錯，見下圖

提拉法生長單晶硅的工藝流程SolarfunSolarfun放肩：控制晶體的生長，使其直徑達(dá)到所需尺寸。轉(zhuǎn)肩：按一定的速度轉(zhuǎn)動晶柱，使晶柱均勻生長。等徑生長：所有準(zhǔn)備工作就緒，單晶硅進(jìn)入均勻生長階段。一般等徑生長時轉(zhuǎn)速控制在8-15轉(zhuǎn)/分鐘，在磁場作用下，轉(zhuǎn)速可以減小到2轉(zhuǎn)/分鐘。收尾：尾部形成一45度的斜角，以減小應(yīng)力的沖擊。與晶錠連接引出的細(xì)晶柱

提拉法生長單晶硅的工藝流程SolarfunSolarfun提拉完畢后單晶的尾部提拉出的完整單晶錠

（二）區(qū)熔法生長單晶流程SolarfunSolarfun區(qū)熔法原理：

固體材料中只有一段區(qū)域處于熔態(tài)，材料體系由晶體、熔體和多晶原料三部分所組成。體系中存在著兩個固--液界面，一個界面上發(fā)生結(jié)晶過程，而另一個界面上發(fā)生多晶原料方向的熔化過程，熔區(qū)向多晶原料方向移動。盡管熔區(qū)的體積不變，實(shí)際上是不斷的向熔區(qū)中添加材料。生長過程將以晶體的長大和多晶原料的耗盡而告終。如下圖所示，高頻感應(yīng)線圈上部是多晶硅原料，經(jīng)高頻線圈加熱熔化，流向下方，凝結(jié)成單晶硅。線圈下部是單晶硅生長的空間，與直拉法相似，區(qū)熔法中也要經(jīng)過引晶，收肩，放肩等一系列流程。隨高頻感應(yīng)線圈的不斷向上移動，單晶硅棒也不斷長大。區(qū)熔法示意圖如下：

SolarfunSolarfun新型區(qū)熔爐區(qū)熔示意圖

直拉法與區(qū)熔法相比較，各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下表：沾污

直徑

缺陷

溫梯

成本

用途區(qū)熔法FZ無（高純）受限，一般5英寸

多？

大

高電力器件太陽能電池提拉法CZ

有不受限，直徑可做很大

少

小

低

集成電路（IC)太陽能電池如表中所述，由于提拉法要用到坩堝，坩堝中含有SiO2，B，O等雜質(zhì)，高溫下這些雜質(zhì)會與硅發(fā)生反應(yīng)，影響單晶硅純度。而區(qū)熔法沒有坩堝，原料不與器皿接觸，所以純度很高。由于高頻感應(yīng)線圈尺寸的限制，用區(qū)熔法生長硅單晶的最大尺寸為8英寸，一般穩(wěn)定情況下生長為5英寸。區(qū)熔法中原料只有部分熔化，由液態(tài)到單晶形成過程很快，其溫梯較大，生成硅單晶中缺陷較多。而直拉法在提拉爐中進(jìn)行，原料全部熔化，不再后續(xù)加入，提拉爐具有很好的保溫效果，再加上新型熱頻的應(yīng)用，使晶體生長的溫度梯度合理，所生長出的單晶缺陷較少。由于提拉單晶和區(qū)熔單晶性質(zhì)的差異，提拉法生長的單晶多用來制造IC電路，而區(qū)熔法制備的單晶多用作其他電力用途。SolarfunSolarfun

單晶和多晶硅錠的生長方法比較：總體來說，單晶和多晶硅錠的生長方法各有所長，單晶的轉(zhuǎn)換效率高，但產(chǎn)能低、能耗大；多晶的轉(zhuǎn)換效率相對較低，但能耗低、產(chǎn)能大，適合于規(guī)模化生產(chǎn)。單晶的FZ及CZ方法與多晶定向凝固生長方法的比較如表1所示。SolarfunSolarfun序號單晶多晶1原材料純度要求高可用單晶硅頭尾料，單晶硅等外品2每公斤硅錠能耗高能耗低3生產(chǎn)率低生產(chǎn)率高4提純效果穩(wěn)定，高提純效果視熱場而定，各種爐型提純效果不同，有的甚至很低5轉(zhuǎn)換效率高比單晶硅低約1.5%-2%6圓形需切割成準(zhǔn)方形方形7錠子高度和現(xiàn)行線切割機(jī)線網(wǎng)寬度配合程度好和現(xiàn)行切割機(jī)線網(wǎng)寬度不配合，未充分發(fā)揮線切割機(jī)功效

四硅片加工SolarfunSolarfun

硅片加工使用設(shè)備、儀器、裝置將單晶硅錠切割打磨等工序制作成用于器件生產(chǎn)的硅片。工藝流程如下所示：滾磨：用滾磨機(jī)將多晶硅錠外沿整形，使其成為等徑圓柱狀，以便于以后晶片的加工，并添加定位面，以便給晶片定向。定向：因單晶具有各向異性、解理性。沿不同方向，晶體的物理化學(xué)性質(zhì)不同，要在某方向上得到所需的物理化學(xué)性質(zhì)，就必須對晶體進(jìn)行定向。一般的定向方法有光譜法和XRD法兩種，前者比較直觀，其原理是用激光照射晶面，得到反射圖像，根據(jù)反射圖像的形狀和位置的不同，確定晶面方向

硅片加工SolarfunSolarfun圖中分別為硅單晶<111><100><110>三個晶面族的激光反射圖像，根據(jù)圖像偏離照射中心的位置的不同，可用測角儀測量出晶向。XRD法雖不直觀，但是其準(zhǔn)確行較高，用布拉格方程：2dSinθ=nλ可精確測定晶面方向。定向后，將會為晶片添加主定位面和次定位面，不同類型晶片劃片方位不同，如下圖所示：第一片為P型硅片<111>面，只有主定位面，沒有次定位面；第二片為P型<100>面，主定位面和次定位面成45度角；第三片N型<111>面，主定位面和次定位面成45度角；第四片為N型<100>面，主定位面和次定位面成180度角。

硅片加工SolarfunSolarfun切割：硅單晶晶片的切割采用內(nèi)圓切割刀片進(jìn)行機(jī)械切割。切割前按晶面定向方向?qū)尉уV粘結(jié)在石墨條上，在將其固定在夾具上進(jìn)行切割。切割后進(jìn)行清洗，進(jìn)入下一道工序，進(jìn)行倒角。經(jīng)過倒角，可以減小晶片上的應(yīng)力分布，使鏡片不易損壞。倒角工序?qū)崿F(xiàn)了自動化處理，倒角后，順便對晶片的各種參數(shù)進(jìn)行檢測，并根據(jù)監(jiān)測參數(shù)對晶片進(jìn)行分類。通常檢測的參數(shù)有：TTV（兩面厚度之差）、BOW（彎曲度）、Warp（翹曲度）等。

切割晶片

倒角

硅片加工SolarfunSolarfun研磨：研磨工序是對晶片表面進(jìn)行粗糙處理，使其表面盡可能平整。研磨機(jī)示意圖如下：

如圖中所示，研磨機(jī)由旋轉(zhuǎn)的下磨盤和與之聯(lián)動旋轉(zhuǎn)的載體組成。載體中的凹槽內(nèi)放置晶片，由上磨盤的管道向晶片表面注入研磨液。經(jīng)過研磨后的晶片的平整度得到了很大的改善，將更有利于拋光工序的處理。研磨后鏡片還需經(jīng)過熱處理，在氮?dú)夥罩屑訜岬?50℃左右，持續(xù)三十分鐘，經(jīng)過熱處理后可以消除提拉法生產(chǎn)的晶片中的施主氧效應(yīng)，避免其中氧離子對電阻的影響，得到真實(shí)電阻率。

硅片加工SolarfunSolarfun拋光：通過拋光可以使晶片表面光滑平整，達(dá)到器件所需的工業(yè)要求。拋光分為化學(xué)減薄和機(jī)械拋光兩部分。化學(xué)減薄是用酸進(jìn)行腐蝕，也可以用堿進(jìn)行腐蝕。通過化學(xué)減薄后，可以控制晶片厚度，減小研磨工序中引入的損傷。還有，大部分晶片只是進(jìn)行單面拋光，通過化學(xué)減薄后，使晶片背面擁有較好的物理形狀?；瘜W(xué)減薄后經(jīng)進(jìn)行機(jī)械拋光，機(jī)械拋光的裝置與研磨機(jī)大體相同，見下圖：

硅片加工SolarfunSolarfun與研磨機(jī)不同的是在下磨盤上沾有拋光布。機(jī)械拋光分為有蠟和無蠟兩種，有蠟拋光是將晶片用石蠟粘貼在棧板上再進(jìn)行拋光，無蠟拋光則不需要粘貼。拋光完畢后的晶片經(jīng)過清洗和檢測流水線的監(jiān)測和分類后，就可以包裝出廠了。檢測工序包括對晶片有無沾污，色斑，氧化，蝕坑，劃刻，平整度等參數(shù)進(jìn)行檢測，對檢測不合格的晶片需進(jìn)行返工等加工處理合格后方能出廠。

拋光機(jī)

粘片

將粘好的晶片裝在拋光機(jī)上

包裝五小結(jié)

綜上所述，硅多晶，單晶的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，每一道工序都必須精密完成，否則都會導(dǎo)致產(chǎn)品的不合格，在每道工序中實(shí)時地實(shí)施應(yīng)有的監(jiān)測工序是非常必要的。SolarfunSolarfunCompanyLogoDiagramGuildDesign

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