太陽能電池片科普系列——單晶硅篇

:試問2017年光伏圈什么最火——單多晶之爭，無論是上游單晶占比，還是光伏電站建設(shè)的選擇，單多晶大戰(zhàn)都呈現(xiàn)出越來越激烈的態(tài)勢，不禁讓人感嘆，本是同根生，相煎何太急啊，不過也正是由于這個原因，想通過單多晶之爭來大幅拉低市場價格的機遇黨還是不要再等了吧。

小編認(rèn)為，單多晶之爭實際上是技術(shù)、成本和效益之間的競爭，更多是原材料之爭，給了你單晶我多晶產(chǎn)線自然就少了一點，而單晶和多晶，原本就像是一家人，很多的生產(chǎn)工序是可以共用的（不過需要匹配不同的相應(yīng)的工藝）。而這篇文章筆者將主要帶你了解單晶硅錠的生產(chǎn)制造過程。

一、單晶硅制備原理

1、直拉法

直拉法是目前國內(nèi)大面積使用較多的單晶硅制備技術(shù)，又稱切克勞斯基法（Czoalsik： CZ 法）是1917年由切克斯基建立的一種晶體生長方法，現(xiàn)成為制備單晶硅的主要方法。利用旋轉(zhuǎn)著的籽晶從坩堝中的熔體中提拉制備出單晶的方法，又稱直拉法。目前國內(nèi)太陽電池單晶硅硅片生產(chǎn)廠家大多采用這種技術(shù)。把高純多晶硅放入高純石英坩堝，在硅單晶爐內(nèi)熔化；然后用一根固定在籽晶軸上的籽晶插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便在籽晶下端生長。 其基本原理如圖所示。多晶硅硅料置于坩堝中經(jīng)加熱熔化，待溫度合適后，經(jīng)過將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾等步驟，完成一根單晶硅錠的拉制。爐內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等過程都直接影響到單晶的生長及生長成的單晶的質(zhì)量，拉晶過程中可直接控制的參數(shù)有溫度場、籽晶的晶向、坩堝和生長成的單晶的旋轉(zhuǎn)及提升速率，爐內(nèi)保護氣體的種類、流向、流速、壓力等。CZ法是將硅料全部熔化后，由一點開始結(jié)晶，通常這樣的提純只能進行一次。

2、直拉法的優(yōu)缺點

設(shè)備和工藝比較簡單，容易實現(xiàn)自動控制；生產(chǎn)效率高，易于制備大直徑單晶；容易控制單晶中雜質(zhì)濃度，可以制備低阻單晶。

易被坩堝污染，硅單晶純度降低，拉制的硅單晶電阻率大于50歐姆˙厘米，質(zhì)量很難控制。

3、區(qū)熔法

懸浮區(qū)熔法比直拉法出現(xiàn)晚，由W˙G˙Pfann 1952年提出，P˙H˙keck等人1953年用來提純半導(dǎo)體硅。懸浮區(qū)熔法是將多晶硅棒用卡具卡住上端，下端對準(zhǔn)籽晶，高頻電流通過線圈與多晶硅棒耦合，產(chǎn)生渦流，使多晶棒部分熔化，接好籽晶，自下而上使硅棒熔化和進行單晶生長，用此法制得的硅單晶叫區(qū)熔單晶。區(qū)熔法有水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔，前者主要用于鍺提純及生長鍺單晶，硅單晶的生長則主要采用懸浮區(qū)熔法，生長過程中不使用坩堝，熔區(qū)懸浮于多晶硅棒和下方生長出的單晶之間，區(qū)熔法不使用坩堝，污染少，經(jīng)區(qū)熔提純后生長的硅單晶純度較高，含氧量和含碳量低。高阻硅單晶一般用此法生長。 目前區(qū)熔單晶應(yīng)用范圍比較窄，不及直拉工藝成熟，單晶中一些結(jié)構(gòu)缺陷沒有解決。

二、工藝流程

1、直拉法法

CZ法主要設(shè)備：CZ生長爐

CZ法生長爐的組成元件可分成四部分

（1）爐體：包括石英坩堝，石墨坩堝，加熱及絕熱元件，爐壁

（2）晶棒及坩堝拉升旋轉(zhuǎn)機構(gòu)：包括籽晶夾頭，吊線及拉升旋轉(zhuǎn)元件

（3）氣氛壓力控制：包括氣體流量控制，真空系統(tǒng)及壓力控制閥

（4）控制系統(tǒng)：包括偵測感應(yīng)器及電腦控制系統(tǒng)

工藝流程：加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長

（1）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼，磷，銻，砷。

（2）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃）以上，將多晶硅原料熔化。

（3）縮頸生長：當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場接觸時的熱應(yīng)力，會使籽晶產(chǎn)生位錯，這些位錯必須利用縮勁生長使之消失掉?？s頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大?。?-6mm）由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體表面，產(chǎn)生零位錯的晶體。

（4）放肩生長：長完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。

（5）等徑生長：長完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。

（6）尾部生長：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。

2、區(qū)熔法

Fz法的基本設(shè)備

Fz硅單晶，是在惰性氣體保護下，用射頻加熱制取的，它的基本設(shè)備由機械結(jié)構(gòu)、電力供應(yīng)及輔助設(shè)施構(gòu)成。機械設(shè)備包括:晶體旋轉(zhuǎn)及升降機構(gòu)，高頻線圈與晶棒相對移動的機構(gòu)，硅棒料的夾持機構(gòu)等。電力供應(yīng)包括:高頻電源及其傳送電路，各機械運行的控制電路。高頻電源的頻率為2~4MHz。輔助設(shè)施包括:水冷系統(tǒng)和保護氣體供應(yīng)與控制系統(tǒng)、真空排氣系統(tǒng)等。區(qū)熔硅單晶的生長

原料的準(zhǔn)備:將高質(zhì)量的多晶硅棒料的表面打磨光滑，然后將一端切磨成錐形，再將打磨好的硅料進行腐蝕清洗，除去加工時的表面污染。

裝爐:將腐蝕清洗后的硅棒料安裝在射頻線圈的上邊。將準(zhǔn)備好的籽晶裝在射頻線圈的下邊。

關(guān)上爐門，用真空泵排除空氣后，向爐內(nèi)充入情性氣體 (氮氣或氫與氮的混合氣等)，使?fàn)t內(nèi)壓力略高于大氣壓力。

給射頻圈送上高頻電力加熱，使硅棒底端開始熔化，將棒料下降與籽晶熔接。當(dāng)溶液與籽晶充分熔接后，使射頻線圈和棒料快速上升，以拉出一細(xì)長的晶頸，消除位錯。

晶頸拉完后，慢慢地讓單晶直徑增大到目標(biāo)大小，此階段稱為放肩。放肩完成后，便轉(zhuǎn)入等徑生長，直到結(jié)束。如圖所示

縱觀國內(nèi)，雖然已經(jīng)過了那個只能做高耗能的工業(yè)級硅，提純完全靠進口的年代的時代，但是就目前而言，中國的硅產(chǎn)業(yè)依舊沒有太多技術(shù)上的優(yōu)勢（相對而言），中國光伏行業(yè)的大力發(fā)展，也促進了硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。太陽能發(fā)電以目前的技術(shù)看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出硅材料的能力，未來，希望能有更多的人、更多的企業(yè)能夠致力于技術(shù)上的創(chuàng)新，讓中國的硅產(chǎn)業(yè)走向新的高度，讓中國也能夠做出世界級的芯片級硅。

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原創(chuàng)：北極星（每天不定量更新）