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1、硅片制备-多晶硅铸锭炉和单晶炉.txt 你不能让所有人满意，因为不是所有的人都是人成 功人士是在牛 B 的路上，一路勃起你以为我会眼睁睁看着你去送死吗？我会闭上眼睛的 本文由 hlconsulting 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第二节 硅片制备中的热工设备 -单晶炉和多晶硅铸锭炉一、 单晶炉目前在所有安装的太阳电池中，超过 90%以上的是 晶体硅太阳电池，因此位于产业链 前端的硅锭/片 的生产对整个太阳电池产业有着很重要的作用。 ? 太阳电池硅锭主要有单 晶硅锭和多晶硅锭，这两 种硅锭。单晶硅做成的电池效率高，但硅锭生产效率
2、低，能耗 大； 多晶硅电池效率比单晶 硅低一些，但硅锭生产效率高， 在规模化生产上较有优势。目前国际上以多晶硅硅锭生产为主，而国内由于 人工成本低，国产单晶炉价格低，因 此国内单晶 硅硅锭的产能比多晶硅大得多。1 太阳电池单晶硅锭生产技术1.1 切克劳斯基法（Czochralsik： CZ 法） 1917 年由切克斯基建立的一种晶体生长 方法 现成为制备单晶硅的主要方法。 ? 把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内 熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔 体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上 拉籽晶 ，晶体便在籽晶下端生长。 CZ 法是利用旋转着 的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备 出单晶
3、的方法， 又称直拉法直拉单晶炉及其基本原理多晶硅硅料置于坩埚中经加 热熔化，待温度合适后，经 过将籽晶浸入、熔接、引晶、 放肩、转肩等径、收尾等步 骤，完成一根单晶硅锭的拉 制。 ? 炉内的传热、传质、流体 力 学、化学反应等过程都直接 影响到单晶的生长及生长成 的单晶的质量。 ? 拉晶过程中 可直接控制的参 数有温度场、籽晶的晶向、 坩埚和生长成的单晶的旋转 及提升速率，炉 内保护气体 的种类、流向、流速、压力 等。优缺点直拉法设备和工艺比较简单 设备和工艺比较简单，容易实现自 设备和工艺比较简单 动控制；生产效率高，易于制备大直径单 晶；容易控制单晶中杂质浓度，可以制备 低阻单 晶。 ?
4、但用此法制单晶硅时，原料易被坩埚污染 易被坩埚污染， 易被坩埚污染 硅单晶纯 度降低，拉制的硅单晶电阻率大 于 50 欧姆厘米，质量很难控制。1.2 悬浮区熔法（区熔法或 FZ 法）悬浮区熔法比直拉法出现晚， WGPfann 1952 年提出， PHkeck 等人 1953 年用 来提 纯半导体硅。 ? 悬浮区熔法是将多晶硅棒用 卡具卡住上端，下端对准籽 晶，高频电 流通过线圈与多 晶硅棒耦合，产生涡流，使 多晶棒部分熔化，接好籽晶 ，自下而上使硅 棒熔化和进 行单晶生长，用此法制得的 硅单晶叫区熔单晶。区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗 提纯及生长锗单晶，硅单晶的生长则 主要采用悬
5、浮区熔法，生长过程中不使用坩埚，熔区悬浮于 多晶硅棒和下方生长出的单晶 之间 ? 区熔法不使用坩埚，污染少 不使用坩埚， 不使用坩埚 污染少，经区熔提纯后生长 的硅单晶纯度较高，含氧量和含碳量低。高阻硅 单晶一般用此法生长。 ? 目前区熔单晶应 用范围比较窄，不及直拉工艺成 不 成 结构缺陷没有解决。 结构缺陷没有解决 熟，单晶 中一些结构缺陷没有解决1.3 基座法基座法是既象区熔法又象直拉法的一种拉 制单晶方法。用卡具将多晶棒下端卡住， 高频线圈在多晶硅棒上端产生熔区，由上 方插入籽晶，将籽晶慢慢向上提起，生长 出单晶。 ? 基座法制备的单晶纯度高，生长速度快， 污染小能较好的控制电阻率。但
6、此法工艺 不成熟， 很难生长大直径硅单晶 很难生长大直径硅单晶。 不成熟 很难生长大直径硅单晶1.4 片状单晶生长法（EFG 法）片状单晶生长法是近几年发展的一种单晶生长技术。 将多晶硅放入石英坩埚中，经石 墨加热器加热熔化， 将用石墨或者石英制成的有狭缝的模具浸在熔硅中， 熔硅依靠毛细管 作用，沿狭缝升到模具表面和籽晶 融合，用很快的速度拉出。生长片状单晶拉速可达 50 毫米/分。 ? 片状单晶生长法现在多采用横向拉制。将有一平缺 口的石英坩埚装满熔硅， 用片状籽晶在坩埚出口处 横向引晶，快速拉出片状单晶。片状单晶横向拉制 时结晶性能好， 生产连续，拉速快，可达 20 厘米/ 分 ? 片状单
7、晶表面完整，不须加工或少许加工就可制做 器件；省掉部分切磨抛工艺，大大提高了材料的利 用率。 ? 片状单晶拉制工艺技术高，难 度大，温度控制非常 精确，片状单晶工艺技术目前处于研究阶段 处于研究阶段。 处于研 究阶段1.5 气相生长法气相法生长单晶和三氯氢硅氢还原生长多晶相似。 在适当温度下，三氯氢硅和氢气作 用，在单晶籽 晶上逐渐生长出单晶。气相生长法工艺流程简单， 污染少，单晶纯度较高， 但是生长速度慢，周期 长，生长条件不易控制，生长的单晶质量较差。 1.6 铸锭法 ? 用 铸锭法生长单晶是国外近几年发展的一种生长 硅单晶方法。它象金铸锭一样生长硅单晶， 此法 生长硅单晶虽然工艺程流程简
8、单，生长速度快， 成本低，但是生长单晶质量差 单晶 质量差。一般用于制造太 单晶质量差 阳能电池器件。1.7 液相外延生长法用外延法生长单晶，有气相外延和液相外延两种 方法。它们都是在一定条件下，在经 过仔细加工 的单晶片衬底上，生长一层具有一定厚度，一定 电阻率和一定型号的完整单晶 层，这种单晶生长 过程叫外延。 ? 通过气相在衬底上生长外延层叫气相外延，通过 液相 在衬底上生长外延层叫液相外延。外延生长 可以改善单晶衬底表面性能，提高单晶电子特 性。 外延生长速度一般很慢 速度一般很慢。 速度一般很慢硅单晶的生产方法以直拉法和区熔法为主 直拉法和区熔法为主， 直拉法和区熔法为主 世界硅单晶
9、产量，其中 7080% 是直拉法 生产，2030%是区熔和其它方法生产的。 ? 我 国目前生产的直拉硅单晶直径普遍水平 4050 毫米，75 毫米直拉单晶也能生 产， 但比较少，国外一般直拉硅单晶直径 为 75100 毫米，特殊的生长 220 毫米 长 1.5 米的单晶。2 直拉单晶炉结构直拉单晶炉型式尽管 不同，总的说来，主 要由炉体、电器部分、 热系统、水冷系统、真空系统和氩气装置 五大部分组成。2.1 炉体炉体由炉座、炉膛、炉顶盖、坩埚 炉座、炉膛、炉顶盖、 炉座 下轴） 、籽晶轴（上轴） 、 ） 、籽晶轴 ） 、光 轴（下轴） 、籽晶轴（上轴） 、光 学等直径监测器等部件组成。 学等
10、直径监测器等 ? 炉座一般由铸铁制成，支撑整个炉 体重量。 ? 炉膛的样式比较多，大体 上分侧开 门和钟罩式两种形式。侧开门式又 有锥顶、圆弧顶和平顶之分；钟罩 式又有单 纯钟罩式和有主室和付室 中间夹有隔离阀的钟罩式。不管样 式千差万别，炉膛总有炉室、 观察 窗、紫铜电极、炉门（钟罩式无 有） 、热电偶侧温孔、光学等径监 测孔；外接真空管 道和惰性气体进 口等几部分。坩埚轴和籽晶轴从炉 膛中心穿过并能上、下运动。炉膛 一 般由 4-5 毫米两层不锈钢板制成， 中间通水。炉顶盖：炉顶盖样式也比较多，一般由铸铁制成，主要支撑籽晶轴的 提拉和旋转，装有标尺，显示籽晶轴的提拉位置和提拉长度。 ? 坩
11、埚轴（下轴）由不锈钢制成，由双层管 组成，通流动水冷却。它通 过托杆、托碗支撑石英坩埚中的多晶硅，并且通过旋转、上升 和下降 调节热系统中坩埚内熔硅的位置使拉晶能顺利进行。 ? 籽晶轴也由不锈钢制成，能 够旋转、上升和下降。它的结构和坩埚轴 相同，但比坩埚轴长。它主要通过籽晶卡头装卡 籽晶，并且边旋转， 边向上运动，完成提拉单晶过程。随着单晶炉大型化，提拉行程的增 长，近些年出现了以钢丝或铰链做籽晶轴的软轴，这是直拉单晶炉的 一项重大改革，使直 拉单晶炉结构简单，操作简便，高度降低，籽晶 轴行程增长，使直拉单晶炉生产效率大大 提高。 ? 光学等直径监测器 光学等直径监测器装在炉膛的光学等直径监
12、测孔上，它象照象 机，一 组光学镜头对准坩埚中心，硅单晶通过镜头将硅单晶横断面直径的正 面影象反射在 毛玻璃屏幕上，屏幕上有一个光敏二极管，影象变化作 用在光敏二极管上，产生电信号， 经过放大分压（或分流）处理，控 制提拉或加热功率，保证硅单晶等径生长，通过调节光 敏二极管位置 可以控制生长硅单晶的粗细。 ? 观察窗 观察窗装在直拉单晶炉膛上，由两 层石英玻璃（或厚玻璃）组成，两 层玻璃中间通水，它是观察拉硅单晶过程中各种情况的 窗口。 ? 热电偶 热电偶装在直拉单晶炉膛的测温孔上，正对加热器中部。为了使便于 测 量和测量灵敏准确，一般通过聚光镜，将光聚集于热电偶堆上。 ? 电极 电极装在炉膛
13、底部， 它的作用是支撑加热器（石墨）和保温系统（或 通过石墨电极支撑） ，把强大的电流传给加 热器，使加热器产生高温， 熔化多晶硅。电极一般由紫铜制成，两层铜管成环状，内部通 水。单晶炉的机械传动部分，包括籽晶轴（上 轴） 、坩埚轴和驱动它们上升、下降或旋 转 的电机。 ? 籽晶轴和坩埚轴的旋转 籽晶轴和坩埚轴的旋转由力矩电机（或直 流电机）分 别经过皮带（或齿轮）变速后 带动抱轮使其旋转。 ? 籽晶轴和坩埚轴的上升或下降 籽晶 轴和坩埚轴的上升或下降通过通过两 个力矩电机（或直流电机）驱动螺纹旋转 完成。 ? 这四个运动各自独立，互不干扰，不同的 是坩埚轴比籽晶轴有更缓慢上升或下降速 度。2
14、.2 电器电器由配电盘、控制柜、 变压器三部分组成。 ? 配电盘是整个直拉单晶炉 的总电源， 通过它把电流 输送给控制机械。控制柜 控制整个直拉单晶炉安全 正常运转，真空测量和 加 热功率的变化。加热电源 通过控制柜后进入变压器 把 220 伏（或 380 伏）电压 变成 050 伏，送入直拉单 晶炉的紫铜电极。2.3 热系统直拉单晶炉热系统 由加热器 保温罩、 加热器、保温罩 加热器 保温罩、 石墨电极、 石墨托 石墨电极 石墨托 石墨托杆组成。 碗、石墨托杆 石墨托杆 保温罩一般用高纯 石 墨、钼片或碳毡 制成。强大电流通 过加热器，产生高 温，由保温罩保温， 形成热场。石墨加热器 单晶炉
15、加热器2.4 水冷系统和真空系统用直拉单晶炉拉制硅单晶是在高温下进行 的，因此，炉膛、观察窗、籽晶轴、坩埚 轴、 紫铜电极等于必须进行水冷。直拉单 晶炉都有庞大的水冷系统，它由进水管道、 水阀、水 压继电器、分水箱、各冷却部分 水网、回水箱和排水管等组成水系。 ? 真空系统使直拉单 晶炉获得真空并测量真 空度高低，包括真空机组、真空测量仪表 （真空计）和热偶规管二 大部分。2.5 直拉单晶炉氩气净化装置直拉单晶炉拉制单晶过程中，一般用氩气做保护 气氛。 ? 市场上出售的氩气有液态氩 和瓶装气态氩。液态 氩气储在液氩罐内，液氩罐是双层的，中间抽成 真空。一般说来液态 氩气纯度较高，能满足拉制 硅
16、单晶的要求。但液态氩在通入单晶炉前要经过 气化，经过缓 冲罐进入单晶炉，这样可以使气流 稳定。 ? 瓶装氩气虽然充瓶时纯度较高，但由于钢瓶污染， 纯度大大降低，一般充入单晶炉前经过净化。常 用氩气净化方法：锆铝 16 净化法， 海绵钛净化法 和银分子筛净化法三种。3.直拉单晶炉热场直拉单晶炉热系统由加热器、保温系统、 支持机构、托杆、托碗等组成。加热器是 热 系统的主体。用高纯石墨制成。保温系 统用石墨制成，也有碳素纤维、碳毡、高 纯石英钼 片和高纯石墨其中几种材料混合 组成。 ? 热系统的大小、高矮、厚薄不同，温度的 变化 不同。用温度梯度从数量上描述温度 分布情况。单晶炉的热场在整个拉晶过程中是变化的，因此 上面所说的热场，包括静态热场和动 态热场两种 形态。 ? 静态热场 静态热场指多晶硅熔化后，引晶时的温度分布状 况，由加 热器、保温系统、坩埚位置及周围环境 决定。 ? 动态热场 动态热场指拉晶时的热场。拉 晶时，由于晶体生 长放出潜热，影响温度分布，熔体液面下降，使 温度分布发生变化。这 种不断变化的热场称为
