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1、单晶事业部新员工学习资料精华版硅 silicon：硅呈灰色金属光泽，性质较脆，切割时易碎裂。硅的密度较小，硬度较大。在液态时，其表面张力较大，从液态凝成固态时，体积膨胀较多。元素符号Si熔点 1420原子量28.086固态密度2.33g/cm3液态密度 2.54g/cm3晶格结构为金刚石结构硅是 4 价元素，容易和卤族元素进行反应。硅和氧可以在400、和氮可以在1000进行反应。硅在高温液态时，具有较大的化学活性，几乎没有哪一种物质不与熔硅反应的，即使石英也不例外。硅在常温下不容易同氢氟酸、盐酸发生反应，但是，硅可以在氧化剂的作用下与氢氟酸的混合物发生反应。硅的原子价分二价和四价两种，因而化合
2、物也有二价化合物和四价化合物两种，以四价化合物比较稳定。硅的氧化物有 SiO2和 SiO。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸与硝酸混的合液及碱。酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式：SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2O SI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2硅的原子序数为14，核外有14 个电子。电子在原子核外，按能级由低到高，由里到外，层层环绕，这称为电子的壳层结构。硅原子的核外电子第一层有2 个电子，第二层有8 个电子，达到稳定态。最外层有 4 个电子即为价电子，它对硅原子的导电性等方面起着主导作用。最外层的4 个价电
3、子让硅原子处于亚稳定结构， 这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度；硅晶体中没有明显的自由电子能导电，其导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。型号：单晶硅的型号（导电类型）是一个重要的电学参数，单晶硅分N 型和 P 型两大类。 N 型单晶硅的多数载流子是电子，主要依靠电子导电；P 型单晶硅的多数载流子是空穴，主要依靠空穴导电。型号的测量使用冷热探针法，热探针以电阻丝加热，冷探针保持室温，冷热探针保持3045oC的温差。载流子热运动的速度与温度有关，对于N 型单晶硅，热端电子的运动速度比冷端大，由热端流向冷端的电子比冷端流向热端的多。这样
4、，一部分电子从热端流向了冷端。热端的电子浓度低于平衡浓度，带正电; 冷端则有多余电子，带负电。结果冷热两端产生电势差，称为温差电动势。P型单晶硅产生的温差电动势相反。对于P型单晶硅，多数载流子是空穴，热端空穴的热运动速度大，冷端空穴的热运动速度小，一部分空穴从热端流向到了冷端。热端空穴浓度低于平衡浓度，带负电；冷端的空穴浓度高于平衡浓度，带正电。使用冷热探针，根据温差电动势和温差电流的方向，可以测出单晶硅的型号。电阻率：（resistivity）是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制成的长1 米、横截面积是 1 平方毫米的在常温下（20时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。国际单位制中
5、，电阻率的单位是欧姆米 ( m或 ohmm) ，常用单位是欧姆毫米和欧姆厘米。单晶硅电阻率的测量通常我们采用四探针法，四探针适用于外形不规则的材料，而且，设备简单、操作方便，所以适合生产中使用。四探针法测量电阻率是用四根排成直线的探针，垂直地压在样品表面上。外部的两个探针通以电流。当电流I 通过样品时，在样品中就产生一个电位降。这样，内部的两个探针之间就存在一个电位差，在通过内部计算测得电阻率。寿命：单晶硅中的非平衡少数载流子寿命（少子寿命）与其所含重金属杂质和晶格结构的完整性有直接关系，它是反映硅单晶质量的一个重要物理参数，它的大小直接影响半导体器件及太阳能电池的性能，如：三极管的放大倍数值
6、，开关管的开关速度、太阳能电池的转化效率。少子寿命值越小，太阳能电池的转化效率越低。半导体材料在一定的外界条件作用下（如光注入或电注入） ，会产生一些比热平衡状态时多出来的“电子空穴对” ，这些多出来的“电子空穴对”称为非平衡载流子。在外界条件取消后，这些非平衡载流子又会通过复合而逐渐消失，使材料的载流子数量又重新恢复到平衡状态时的数值。非平衡少数载流子的寿命是指：非平衡少数载流子（如N 型硅中注入的空穴） ，在外界条件取消后，能存在的平均时间。少子寿命的测量方法采用光电导衰减法，光电导衰减法是指当脉冲光照射到单晶硅样品上时，便产生光激发的非平衡载流子，从而使样品的附加电导增加。当光照停止后，
7、非平衡少数载流子便通过复合而逐渐消失，使电导按指数衰减，因而样品两端的电压降也按指数衰减，衰减过程的时间常数 即为寿命值。半导体 semiconductor电阻率介于导体 (conductor)与绝缘体 (insulator)之间，其范围为10-4.cm108.cm 的一种固体物质。电流是由带正电的空穴和带负电的电子的定向传输实现的。半导体按其结构可分为：单晶体、多晶体和非晶体态等。晶体：晶体是由原子、 分子或离子等在空间按一定规律排列组成的。这些粒子在空间排列具有周期性、对称性。 单晶 monocrystalline结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，整个晶体中质点在空间的排
8、列为长程有序。长程有序指整体性的有序现象。例如在一个单晶体的范围内, 质点的有序分布延伸到整个晶格的全部, 亦即从整个晶体范围来看, 质点的分布都是有序的。多晶 polycrystal多晶是众多取向晶粒的单晶的集合。多晶与单晶内部均以点阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说，两者本质相同。掺杂（doping）是指将特定的杂质加入到半导体中，以控制电阻率等。半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P 型和 N 型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N 型半导体的掺杂元素为磷。P 型半导体主要空穴导电，N 型半导体主要靠电子导电。掺杂剂
9、与母合金：拉制一定型号和一定电阻率的单晶，选择适当的掺杂剂是很重要的。五族元素常用作硅单晶的N型掺杂剂，主要有磷、砷、锑。三族元素常用作硅单晶的P型掺杂剂，主要有硼、铝、镓。拉制硅单晶的电阻率范围不同，掺杂剂的形态也不一样，拉制电阻率低的硅单晶（10-210-3欧姆厘米），一般掺三族或五族纯元素；拉制电阻率较高硅单晶（1102欧姆厘米），采用母合金作掺杂剂。所谓“母合金” ，就是杂质单质元素与硅的合金。多晶硅熔化后放入较多掺杂元素，拉制成晶，然后切片、分级、破碎、清洁处理，制成母合金。常用的母合金有硅磷母合金和硅硼母合金。杂质浓度一般大于1017个原子 / 厘米3（电阻率为10-2 10-3欧
10、姆厘米）。采用母合金作为掺杂剂为了“稀释杂质”使掺杂量更容易控制，更准确。杂质分凝效应：直拉单晶硅的纵向电阻率的分布，往往是头部高些，尾部低些，并且期间的变化时连续的。电阻率的这种差异，实际上反映了单晶硅从头部到尾部杂质含量的差异。这种差异的造成，就是由于杂质分凝的结果。当结晶过程是顺序凝固，并进行的十分缓慢，即近似于固液共存的平衡状态，那么杂质在固态中和液态中的浓度分布是不一样的。熔体各部分杂质浓度相同，进行极其缓慢的所谓平衡冷却。这样固液两相内部杂质原子通过扩散高速它们之间的浓度，但实际中不可能实现平衡冷却而总有一定冷却速度。由于固相中的杂质原子扩散速度很小，浓度高速缓慢，先凝固的与后凝固
11、的固相杂质浓度不同，晶体中各种杂质浓度不再均匀分布，有的地方杂质浓度低，有些地方杂质浓度高，这种由杂质偏析引起的分凝现象叫分凝效应。我们称二元系统固液两相平衡时固相浓度和液相浓度的比为平衡分凝系数。 K0=CS/CL （Cs和 CL为固相和液相的杂质重量百分比浓度。）籽晶是生长晶体的种子，也叫晶种，用籽晶引单晶，就是在将结晶的熔体中加入单晶晶核。籽晶是否是单晶，是生长单晶的关键，用不同晶向的籽晶做晶种，会获得不同晶向的单晶，用晶向的籽晶做晶种，生长的单晶是晶向的单晶；用 晶向的籽晶做晶种，生长的是晶向的单晶。石英坩埚是单晶硅制备过程中熔硅的容器，石英坩埚是用提炼后的石英石（SiO2）制作的。用
12、于单晶硅生长的石英坩埚要求纯度高、壁厚均匀、内表面干净光滑、无气泡、无裂纹、无白点、无黑点、没有崩边，外表面磨削平稳没有忽高忽低的波浪纹，也没有易脱落的石英砂。用天然石英砂制作的石英坩埚，纯度较低，不能满足拉制硅单晶的要求，一般在坩埚内壁喷涂一层人造高纯石英，使坩埚内壁表面二氧化硅纯度大大提高，能够满足高质量单晶硅的要求。重掺料：重掺（重掺杂） 是指原料的电阻率非常低，原料的杂质浓度非常大 （大于 11016） ， P 型 0.0014cm的料（ 0.0014=1.4 10-3即“负 3 的料”） ，其杂质浓度为81019，若拉制晶体头部电阻率为P型 2cm的晶体（一炉按40kg 计算） ，若
13、不慎在配好的原料中混入了10g P 型 0.0014 cm的料那么此炉晶体的头部型号电阻率将变为P0.6 左右，整炉将成为废品！由此可见， 重掺料若疏忽大意混入正常原料中带来的后果是非常可怕的。其实，母合金也属于重掺料。埚底料的电阻率：一般来讲，P 型太阳能级单晶埚底料的电阻率比晶体尾部电阻率略低一些，例如，装料 40kg，埚底料剩余2kg，晶体尾部型号电阻率为P1.0，埚底料电阻率为P0.8；N型半导体级单晶埚底料的电阻率约等于晶体尾部电阻率除以3，例如，装料23kg，埚底料剩余2kg，晶体尾部电阻率为N8.7 埚底料电阻率为N2.9。高纯卫生：单晶的生产要求极高的高纯卫生，需要时刻注意高纯
14、卫生，比如不能用手直接接触物料；进单晶车间要换衣服、鞋、戴帽子、风淋；装多晶料需要使用双层高纯塑料袋，放置拆开的塑料袋有剩余料时需要扎口密封，防止空气中的灰尘污染多晶料；洗料的纯水池不得洗手；可追溯性：对于物料要求具有可追溯性，比如有一炉墩埚料，需要搞清楚是哪个炉台墩埚的，什么原因墩埚的，墩埚料的型号、电阻率是多少，是不是低寿命料，净重多少kg 等信息均需要在料袋外用记号笔标识清楚。对于任何物料均需要明确标识出各种信息，以便于使用。车间的炉台操作人员需对剩料做出明确标识，比如哪个炉子第几炉的剩料，剩的什么料，型号、电阻率，净重等。人身安全：防止硅料尖锐划伤身体，砸埚底料、水爆时佩戴护目镜；防止烫伤；
