《硅材料与硅》PPT课件.ppt

CompanyLOGO 硅 材 料 与 硅 片 的 生 产 Solarfun Contents多 晶 硅 的 合 成一 多 晶 硅 锭 的 生 产 过 程二 单 晶 硅 的 生 产 过 程三 硅 片 加 工四 Solarfun小 结五 硅 半 导 体 的 生 产 主 要 分 为 多 晶 硅 的 合 成 及 生长 、 单 晶 硅 的 生 长 和 硅 晶 片 加 工 这 三 个 步 骤 。 其 中 ，多 晶 硅 合 成 主 要 是 应 用 化 学 方 法 ， 通 过 一 系 列 的 化学 反 应 完 成 多 晶 硅 的 提 纯 生 长 过 程 ， 得 到 高 纯 硅 ；太 阳 电 池 多 晶 硅 锭 主 要 采 用 定 向 凝 固 的 方 法 生 产 的 ；单 晶 硅 的 生 长 是 将 已 生 产 的 高 纯 多 晶 硅 制 备 为 单 晶硅 ， 这 一 过 程 是 通 过 物 理 方 法 实 现 的 ， 主 要 介 绍 提拉 (CZ)和 区 熔 (FZ)两 种 单 晶 生 长 方 法 ； 硅 片 加 工 主要 是 机 械 加 工 的 过 程 ， 包 括 硅 片 的 定 向 、 切 割 、 打磨 、 抛 光 等 过 程 。 下 面 分 别 介 绍 多 晶 硅 合 成 及 生 长 ，单 晶 硅 生 长 和 硅 片 加 工 这 几 个 工 艺 步 骤 。 Solarfun Solarfun 一 多 晶 硅 的 合 成 多 晶 硅 是 由 硅 纯 度 较 低 的 冶 金 级 硅 提 炼 而 来 ， 由 于 各多 晶 硅 生 产 工 厂 所 用 主 辅 原 料 不 尽 相 同 ， 因 此 生 产 工 艺 技术 不 同 ； 进 而 对 应 的 多 晶 硅 产 品 技 术 经 济 指 标 、 产 品 质 量指 标 、 用 途 、 产 品 检 测 方 法 、 过 程 安 全 等 方 面 也 存 在 差 异 ，各 有 技 术 特 点 和 技 术 秘 密 ， 总 的 来 说 ， 目 前 国 际 上 多 晶 硅生 产 主 要 的 传 统 工 艺 有 ： 改 良 西 门 子 法 、 硅 烷 法 和 硫 化 床法 。 改 良 西 门 子 法 是 目 前 主 流 的 生 产 方 法 ， 采 用 此 方 法 生产 的 多 晶 硅 约 占 多 晶 硅 全 球 总 产 量 的 85 。 但 这 种 提 炼 技术 的 核 心 工 艺 仅 仅 掌 握 在 美 、 德 、 日 等 7家 主 要 硅 料 厂 商 手中 。 这 些 公 司 的 产 品 占 全 球 多 晶 硅 总 产 量 的 90%， 它 们 形 成的 企 业 联 盟 实 行 技 术 封 锁 ， 严 禁 技 术 转 让 。 短 期 内 产 业 化技 术 垄 断 封 锁 的 局 面 不 会 改 变 。 Solarfun Solarfun 一 多 晶 硅 的 合 成 从 上 世 纪 五 ， 六 十 年 代 至 今 ， 高 纯 多 晶 硅 生 产 广 泛 采用 氢 气 还 原 三 氯 氢 硅 ， 即 西 门 子 法 。 回 首 过 去 ， 传 统 西 门子 法 在 我 国 的 应 用 也 有 几 十 年 了 ， 但 无 论 是 生 产 规 模 ， 能耗 ， 环 保 ， 以 及 副 产 物 的 综 合 利 用 与 国 外 的 技 术 相 差 都 很大 。 改 良 西 门 子 法 主 要 优 点 是 ： 节 能 降 耗 显 著 、 成 本 低 、 质量 高 ， 采 用 综 合 利 用 技 术 ， 对 环 境 产 生 污 染 小 。 其 主 要 技术 是 :大 直 径 对 多 对 棒 节 能 型 还 原 炉 技 术 、 导 热 油 循 环 冷 却硅 还 原 炉 系 统 技 术 、 还 原 炉 尾 气 封 闭 式 干 法 回 收 技 术 以 及副 产 品 SiCl 4氢 化 生 成 SiHCl3技 术 。 Solarfun Solarfun (一 ) 改 良 西 门 子 法 的 几 项 关 键 技 术 1 大 型 多 对 棒 节 能 型 还 原 炉 多 晶 硅 还 原 炉 ， 出 于 节 能 降 耗 的 考 虑 ， 必 须 大 型 化 ， 与 之 相 适 应 的电 器 也 必 须 大 型 配 套 。 大 型 节 能 还 原 炉 有 几 项 关 键 的 技 术 : (1)炉 内 可 同 时 加 热 许 多 根 金 属 丝 ， 以 减 少 炉 壁 辐 射 所 造 成 的 热 损 失 ；(2)炉 的 内 壁 加 工 成 镜 面 ， 使 辐 射 热 能 反 射 ， 以 减 少 散 热 损 失 热 能 ； (3)提 高 炉 内 压 力 ， 加 大 供 气 量 ， 以 提 高 反 应 速 度 ， 加 快 硅 的 沉 积 生 成 速 度 采 用 这 种 改 进 的 大 型 还 原 炉 之 后 ， 其 炉 产 量 可 以 从 改 良 前 的 每 炉次 100-200公 斤 提 高 到 每 炉 次 5-6吨 。 这 种 大 型 还 原 炉 的 显 著 特 点 是 :能 耗低 、 产 量 高 、 质 量 稳 定 。 目 前 ， 国 外 大 型 还 原 炉 的 硅 棒 的 总 数 大 多 在 100根 以 上 ， 硅 棒 长 度 在1.5米 以 上 ， 棒 直 径 达 到 200毫 米 以 上 ， 每 炉 产 量 可 达 56吨 ， 电 耗 则 大 幅 度 下 降 ， 达 到 每 公 斤 多 晶 硅 耗 电 80kW/h. Solarfun Solarfun (一 ) 改 良 西 门 子 法 的 几 项 关 键 技 术2 导 热 油 循 环 冷 却 还 原 炉 工 艺 技 术 在 多 晶 硅 生 产 过 程 中 ， 还 原 炉 是 高 耗 能 设 各 ， 硅 棒 的 沉 积 需 要 电 能加 热 并 维 持 温 度 在 高 温 状 态 ， 而 炉 筒 、 电 极 和 炉 底 盘 则 需 要 冷 却 。 冷却 过 程 会 带 走 大 量 热 能 ， 使 还 原 炉 内 多 晶 硅 棒 的 热 能 损 失 。 这 种 热 能损 失 大 部 分 是 高 温 硅 棒 传 向 低 温 炉 壁 的 热 辐 射 而 损 失 的 ， 其 次 是 气 体被 加 热 后 而 排 出 还 原 炉 带 走 了 部 分 热 量 。 要 想 提 高 炉 筒 壁 的 温 度 ， 就要 设 法 提 高 炉 筒 壁 冷 却 介 质 的 温 度 。 以 前 传 统 的 冷 却 介 质 是 水 ， 因 水的 沸 点 在 100 ,故 出 口 温 度 不 能 高 于 100 ， 而 实 际 工 艺 过 程 中 未 能 达到 这 种 较 高 温 度 ， 一 般 都 在 50 左 右 。 人 们 通 过 探 讨 ， 采 用 了 导 热 油作 为 还 原 炉 的 冷 却 介 质 ， 因 油 的 成 本 远 比 水 高 ， 所 以 采 用 了 循 环 冷 却方 式 ， 因 此 ， 便 产 生 了 导 热 油 循 环 冷 却 还 原 炉 的 工 艺 。 这 种 工 艺 可 使 直 接 电 耗 降 低 约 30%， 还 可 综 合 利 用 余 热 . Solarfun Solarfun (一 ) 改 良 西 门 子 法 的 几 项 关 键 技 术3. 还 原 尾 气 的 干 法 回 收 技 术 在 还 原 生 长 多 晶 硅 之 后 ， 还 有 部 分 还 原 尾 气 。 如 果 尾 气 放 空 排 放 ， 不仅 浪 费 了 能 源 和 原 材 料 ， 还 会 对 环 境 造 成 污 染 。 多 晶 硅 还 原 炉 尾 气 中 的 氢 、 氯 化 氢 、 三 氯 氢 硅 、 四 氯 化 硅 等 成 分 ， 经 过加 工 和 冷 却 达 到 一 定 的 条 件 之 后 ， 其 中 的 二 氯 氢 硅 和 四 氯 化 硅 被 冷 凝 分 离出 来 ， 然 后 把 分 离 出 的 三 氯 氢 硅 直 接 送 到 还 原 炉 ， 以 生 产 多 晶 硅 ， 而 把 四氯 化 硅 送 到 氢 化 工 序 ， 经 氢 化 后 ， 部 分 转 化 成 三 氯 氢 硅 ， 把 氢 化 后 的 气 体再 经 分 离 塔 分 离 出 二 氯 氢 硅 和 四 氯 化 硅 ， 再 分 别 把 三 氯 氢 硅 送 到 还 原 系 统， 再 把 四 氯 化 硅 送 到 氢 化 工 序 ， 这 样 连 续 不 断 地 循 环 进 行 下 去 。 另 外 ，经 加 压 和 冷 却 后 的 不 凝 气 体 ， 主 要 是 氢 和 氯 化 氢 ， 它 们 在 加 压 和 低 温 条 件下 ， 通 过 特 殊 的 分 离 工 艺 ， 使 氢 和 氯 化 氢 分 离 出 来 ， 把 没 有 杂 质 和 水 分 的 纯 氢 送 往 氯 化 氢 合 成 工 序 或 还 原 工 序 利 用 ， 而 氯 化 氢 则 送 到 三 氯 氢 硅 的 合成 工 序 。 还 原 尾 气 干 法 回 收 的 整 套 工 艺 都 不 接 触 水 分 ， 只 是 把 尾 气 中 各 种成 分 逐 一 分 离 ， 并 且 不 受 污 染 地 回 收 ， 再 送 回 相 适 应 的 工 序 重 复 利 用 ， 实行 闭 路 循 环 式 工 作 。 Solarfun Solarfun (一 ) 改 良 西 门 子 法 的 几 项 关 键 技 术4 四 氯 化 硅 (SiCl4)氢 化 反 应 技 术 用 西 门 子 法 生 产 多 晶 硅 时 在 氯 化 工 序 和 还 原 工 序 都 要 产 生大 量 的 副 产 物 SiC14 大 量 的 SiC14生 成 ， 不 但 增 加 了 多 晶 硅生 产 的 单 耗 ， 而 且 该 物 很 难 处 理 ， 对 环 境 造 成 污 染 。 为 此 ， 大阪 钛 公 司 、 联 合 碳 化 物 等 公 司 很 早 就 致 力 于 开 展 SiC14转 化 成SiHCl3,的 研 究 工 作 。 世 界 各 大 型 多 晶 硅 生 产 厂 ， 也 都 进 行 了 这方 面 的 研 究 ， 使 生 产 多 晶 硅 仅 需 补 充 纯 硅 和 少 量 H 2作 原 料 成 为可 能 . Solarfun Solarfun （ 二 ） 改 良 西 门 子 法 生 产 工 艺 流 程 Solarfun Solarfun改 良 西 门 子 法 示 意 图 改 良 西 门 子 工 艺 法 生 产 多 晶 硅 所 用 设 备 主 要 有 ： 氯 化氢 合 成 炉 ， 三 氯 氢 硅 沸 腾 床 加 压 合 成 炉 ， 三 氯 氢 硅 水 解 凝胶 处 理 系 统 ， 三 氯 氢 硅 精 馏 、 精 馏 塔 提 纯 系 统 ， 硅 芯 炉 ，节 电 还 原 炉 ， 磷 检 炉 ， 硅 棒 切 断 机 ， 腐 蚀 、 清 洗 、 干 燥 、包 装 系 统 装 置 ， 还 原 尾 气 干 法 回 收 装 置 ； 其 他 包 括 分 析 、检 测 仪 器 ， 控 制 仪 表 ， 热 能 转 换 站 ， 压 缩 空 气 站 ， 循 环 水站 ， 变 配 电 站 ， 净 化 厂 房 等 。 Solarfun Solarfun 1 合 成 HCl Solarfun Solarfun 生 成 三 氯 氢 硅 所 需 的 HCl是 由 工 厂 自 行 合 成 的 ， 其装 置 如 图 一 所 示 。经 干 燥 的 氢 气 和 氯 气 通入 反 应 炉 中 的 燃 烧 室 中 燃烧 ， 生 成 的 HCl经 冷 却 后 成为 液 态 ， 经 管 道 储 存 备 用。 图 一 2 合 成 SiHCl3（ 三 氯 氢 硅 ） Solarfun Solarfun 三 氯 氢 硅 的 合 成 是 在 沸 腾 炉 中完 成 的 ， 反 应 式 如 下 ：这 一 反 应 过 程 是 可 逆 的 ， 在280 320 下 正 向 反 应 系 数 较大 ， 三 氯 化 硅 的 产 率 较 高 ， 其要 含 量 大 于 83%， 才 能 进 入 下一 步 。 沸 腾 炉 的 结 构 如 图 二 。C 3 2H C l+Si SiH C l +H 图 二 经 干 燥 的 硅 粉 由 沸 腾 炉 中 上 部 注 入 到 炉 中 ， 与 由 下 部注 入 的 HCl(g)在 反 应 炉 中 部 反 应 ， 生 成 的 SiHCl3、 H2以 及 未 反 应 的 Si(s)、 HCl等 由 沸 腾 炉 的 上 部 排 出 ， 经除 尘 （ 主 要 是 Si中 的 金 属 杂 质 和 未 反 应 物 质 ） 冷 却 后 ，在 经 进 一 步 深 冷 ， 得 到 含 杂 质 较 多 的 液 态 三 氯 氢 硅 ，进 入 下 一 步 提 纯 工 序 。 Si中 主 要 含 金 属 杂 质 ， 氢 气 和氯 气 中 主 要 含 非 金 属 杂 质 ， Si与 HCl反 应 生 成 三 氯 氢硅 后 ， 其 杂 质 被 大 大 除 去 ， 纯 度 得 到 大 大 提 高 。 这 一反 应 中 还 有 一 些 副 反 应 ， 再 加 上 反 应 不 完 全 等 原 因 ，会 生 成 很 多 的 副 产 物 。 生 成 的 所 有 产 物 都 将 进 入 到 提纯 工 序 中 。 3 三 氯 氢 硅 的 提 纯 Solarfun Solarfun 三 氯 氢 硅 的 提 纯 过 程 是 一 个 物理 过 程 ， 这 一 过 程 是 在 精 馏 塔中 进 行 的 ， 其 结 构 见 图 三如 图 所 示 ， 在 精 馏 塔 内 部 有 很 多 层 带 孔 的 筛 板 ， 合成 的 三 氯 氢 硅 通 入 塔 釜 ， 经 加 热 后 进 入 到 精 馏 塔 内 ， 加热 挥 发 成 气 态 的 SiHCl3在 塔 内 向 上 挥 发 ， 逐 步 变 冷 ， 凝结 成 液 态 。 注 入 的 原 料 中 相 对 于 三 氯 氢 硅 为 高 沸 点 的 物质 首 先 凝 结 为 液 态 ， 流 入 塔 的 下 部 ， 而 相 对 于 三 氯 氢 硅为 低 沸 点 的 物 质 将 挥 发 到 他 的 上 部 ， 这 样 就 将 高 沸 点 和低 沸 点 的 杂 质 赶 到 塔 的 两 端 ， 从 塔 的 中 部 适 当 位 置 可 以提 取 纯 的 三 氯 氢 硅 。 由 塔 顶 部 挥 发 的 三 氯 氢 硅 以 及 杂 质可 经 冷 却 后 再 进 入 到 塔 内 再 提 纯 ， 如 此 循 环 ， 不 仅 使 三氯 氢 硅 的 纯 度 不 断 提 高 ， 而 且 可 分 离 杂 质 用 于 其 他 用 途 。 提 出 的 三 氯 氢 硅 可 进 入 到 下 一 级 提 纯 塔 再 提 纯 ， 最 终可 以 得 到 PPB达 10-9的 三 氯 化 硅 .这 种 连 续 精 馏 提 纯 塔 采 用 耐 腐 蚀 的 碳 素 钢 制 成 ， 高20多 米 ， 直 径 40 50厘 米 ， 每 日 处 理 量 可 达 六 万 立 升 。 4 三 氯 氢 硅 的 还 原 Solarfun Solarfun 我 们 最 终 所 需 的 是 高 纯 多 晶 硅 ， 这 就 需 要 将三 氯 氢 硅 还 原 成 硅 ， 其 反 应 如 下 ： 该 还 原 炉 加 热 系 统 采 用 导 热 油 循 环 完 成 ， 液 态 的 导热 油 可 以 携 带 大 量 的 热 量 循 环 释 放 到 室 内 ， 为 室 内 提 供稳 定 的 热 源 。 还 原 炉 外 部 有 硅 酸 钙 保 温 层 ， 导 热 油 和 保温 层 使 炉 内 的 温 度 保 持 在 1080 1100 范 围 内 。 H 2和 被加 热 挥 发 的 SiHCl3(g)注 入 到 炉 内 ， SiHCl3被 还 原 ， 还 原出 的 Si(s)在 炉 内 的 籽 晶 棒 上 沉 积 ,得 到 多 晶 硅 棒 的 同 时 三氯 化 硅 还 发 生 分 解 反 应 ， 同 样 可 以 分 解 出 Si， 但 这 一 反应 相 对 产 率 较 小 。 在 还 原 反 应 过 程 中 只 有 2%的 氢 气 被利 用 ， 98%的 氢 气 从 废 气 口 排 出 ， 排 出 的 氢 气 竟 会 被 提纯 后 重 复 利 用 。 10803 2 ( ) ( )CSiHCl H Si s HCl g 3 4 2SiHCl Si SiCl H 加 热这 一 反 映 是 在 还 原 炉 中 进 行 的 ， 如 左 图 所 示。 5 尾 气 回 收 系 统 Solarfun Solarfun SiHCl3,， SiCl4， H2,HCl放 入 还 原 炉 中 ， 通 过 闭 路 循 环 ， 对 原 料 而言 可 以 降 低 成 本 ， 对 环 境 而 言 可 以 保 护 环 境 。对 不 同 的 物 质 处 理 方 法 不 同 ：SiHCl3可 进 行 提 纯 、 H2压 缩 净 化 处 理 、 HCl压 缩 脱 吸 、 ， SiCl4冷凝 提 纯 可 做 为 光 纤 或 其 他 有 机 物 质 的 制 备 。 经 过 回 收 系 统 ，90%的 原 料 都 能 完 全 利 用 。 若 没 有 回 收 系 统 ， H2只 能 利 用 2%，这 样 就 造 成 大 量 的 资 源 浪 费 。 6 分 析 Solarfun Solarfun 主 要 分 析 SiHCl3的 百 分 含 量 （ %） 以 及 Fe、 Al、 P、 B等 杂 质 的 含 量 （ ppb） 。 二 多 晶 硅 锭 的 生 长 过 程v 根 据 生 长 方 法 的 不 同 ， 多 晶 硅 可 分 为 等 轴 晶 、 柱 状 晶 。 通常 在 热 过 冷 及 自 由 凝 固 的 情 况 下 会 形 成 等 轴 晶 ， 其 特 点 是 晶粒 细 ， 机 械 物 理 性 能 各 向 同 性 。v 如 果 在 凝 固 过 程 中 控 制 液 固 界 面 的 温 度 梯 度 ， 形 成 单 方向 热 流 ， 实 行 可 控 的 定 向 凝 固 ， 则 可 形 成 物 理 机 械 性 能 各 向 异性 的 多 晶 柱 状 晶 ， 太 阳 电 池 多 晶 硅 锭 就 是 采 用 这 种 定 向 凝 固的 方 法 生 产 的 。v 在 实 际 生 产 中 ， 太 阳 电 池 多 晶 硅 锭 的 定 向 凝 固 生 长 方 法主 要 有 浇 铸 法 、 热 交 换 法 （ H E M ） 、 布 里 曼 （ B ridgem an） 法 、 电 磁 铸 锭 法 ， 其 中 热 交 换 法 与 布 里 曼 法 通 常 结 合 在 一 起 。Solarfun Solarfun （ 一 ） 浇 铸 法 Solarfun Solarfun 浇 铸 法 将 熔 炼 及 凝 固 分 开 ，熔 炼 在 一 个 石 英 砂 炉 衬 的 感 应 炉中 进 行 ， 熔 融 的 硅 液 浇 入 一 个 石墨 模 型 中 ， 石 墨 模 型 置 于 一 个 升降 台 上 ， 周 围 用 电 阻 加 热 ， 然 后 以1m m /m in 的 速 度 下 降 （ 见 左 图 ） 。其 特 点 是 熔 化 和 结 晶 在 两 个 不 同的 坩 埚 中 进 行 ， 从 图 中 可 以 看 出 ，这 种 生 产 方 法 可 以 实 现 半 连 续 化生 产 ， 其 熔 化 、 结 晶 、 冷 却 分 别 位 于不 同 的 地 方 ， 可 以 有 效 提 高 生 产 效率 ， 降 低 能 源 消 耗 。 缺 点 是 因 为 熔融 和 结 晶 使 用 不 同 的 坩 埚 ， 会 导 致二 次 污 染 ， 此 外 因 为 有 坩 埚 翻 转 机 构及 引 锭 机 构 ， 使 得 其 结 构相 对 较 复 杂 。 （ 二 ） 热 交 换 法 及 布 里 曼 法 Solarfun Solarfun 热 交 换 法 及 布 里 曼 法 都 是 把 熔 化 及 凝 固 置于 同 一 坩 埚 中 （ 避 免 了 二 次 污 染 ） ， 其中 热 交 换 法 是 将 硅 料 在 坩 埚 中 熔 化 后 ， 在坩 埚 底 部 通 冷 却 水 或 冷 气 体 ， 在 底 部 进 行热 量 交 换 ， 形 成 温 度 梯 度 ， 促 使 晶 体 定 向生 长 。 左 图 为 一 个 使 用 热 交 换 法 的 结 晶炉 示 意 图 。 该 炉 型 采 用 顶 底 加 热 ， 在 熔 化过 程 中 ， 底 部 用 一 个 可 移 动 的 热 开 关 绝 热 ，结 晶 时 则 将 它 移 开 以 便 将 坩 埚 底 部 的 热 量通 过 冷 却 台 带 走 ， 从 而 形 成 温 度 梯 度 。布 里 曼 法 则 是 在 硅 料 熔 化 后 ， 将 坩 埚 或 加 热元 件 移 动 使 结 晶 好 的 晶 体 离 开 加 热 区 ， 而 液硅 仍 然 处 于 加 热 区 ， 这 样 在 结 晶 过 程 中 液 固界 面 形 成 比 较 稳 定 的 温 度 梯 度 ， 有 利 于 晶 体的 生 长 。 其 特 点 是 液 相 温 度 梯 度 dT/dX 接近 常 数 ， 生 长 速 度 受 工 作 台 下 移 速 度 及 冷 却水 流 量 控 制 趋 近 于 常 数 ， 生 长 速 度 可 以 调 节 。实 际 生 产 所 用 结 晶 炉 大 都 是 采 用 热 交 换 与 布里 曼 相 结 合 的 技 术 。 Solarfun Solarfun 左 图 为 一 个 热 交 换 法 与 布 里 曼 法 相 结合 的 结 晶 炉 示 意 图 。 图 中 ， 工 作 台 通冷 却 水 ， 上 置 一 个 热 开 关 ， 坩 埚 则 位于 热 开 关 上 。 硅 料 熔 融 时 ， 热 开 关 关闭 ， 结 晶 时 打 开 ， 将 坩 埚 底 部 的 热 量通 过 工 作 台 内 的 冷 却 水 带 走 ， 形 成 温度 梯 度 。 同 时 坩 埚 工 作 台 缓 慢 下 降 ，使 凝 固 好 的 硅 锭 离 开 加 热 区 ， 维 持 固液 界 面 有 一 个 比 较 稳 定 的 温 度 梯 度 ，在 这 个 过 程 中 ， 要 求 工 作 台 下 降 非 常平 稳 ， 以 保 证 获 得 平 面 前 沿 定 向 凝 固 。热 交 换 法 与 布 里 曼 法 结 合 示 意 图 ( 坩 埚 移 动 ) Solarfun Solarfun 左 图 为 另 一 类 型 的 热 交 换 法 与 布 里 曼法 结 合 的 炉 子 ， 这 种 类 型 的 结 晶 炉 加热 时 保 温 框 和 底 部 的 隔 热 板 紧 密 结 合 ，保 证 热 量 不 外 泄 。 开 始 结 晶 时 ， 坩 埚不 动 ， 将 石 墨 加 热 元 件 及 保 温 框 往 上慢 慢 移 动 。 坩 埚 底 部 的 热 量 通 过 保 温框 和 隔 热 板 间 的 空 隙 散 发 出 去 ， 形 成温 度 梯 度 。H E M + B ridgem an 法 示 意 图 ( 热 源 及 保温 框 移 动 ) （ 三 ） 电 磁 铸 锭 法 Solarfun Solarfun 这 种 方 法 的 特 点 是 不 使 用 坩 埚 ， 硅 料 通过 加 料 装 置 进 入 加 热 区 ， 通 过 感 应 加 热使 硅 料 熔 融 ， 当 硅 液 向 下 移 离 开 加 热 区后 ， 结 晶 生 长 ， 如 此 通 过 不 断 加 料 ， 不断 将 结 晶 好 的 硅 锭 往 下 移 ， 就 可 以 实 现连 续 生 长 ， 锭 子 高 度 可 达 1 2m 。 但 用这 种 方 法 生 产 的 硅 锭 晶 粒 尺 寸 小 ， 横 截面 小 ， 因 此 容 量 也 不 大 ， 如 左 图 所 示 。 电 池 铸 造 法 示 意 图 三 单 晶 硅 的 生 产 过 程 单 晶 硅 是 以 高 纯 多 晶 硅 为 原 料 ， 采 用 提 拉 （ CZ）、 区 熔 （ FZ） 等 生 长 方 法 实 现 的 ， 这 一 过 程 是 物 理方 法 ， 下 面 分 别 介 绍 提 拉 和 区 熔 两 种 晶 体 生 长 方 法。 Solarfun Solarfun （ 一 ） 提 拉 法v 提 拉 法 的 原 理 ： 材 料 在 一 个 坩 埚 中 ， 被 加 热 到 它的 熔 点 以 上 。 坩 埚 上 方 有 一 根 可 以 旋 转 和 升 降 的 提拉 杆 ， 杆 的 下 端 有 一 个 夹 头 ， 其 上 装 有 一 根 籽 晶 。降 低 提 拉 杆 ， 使 籽 晶 插 入 熔 体 之 中 ， 只 要 熔 体 的 温度 适 中 ， 籽 晶 既 不 熔 掉 ， 也 不 长 大 ， 然 后 缓 慢 向 上提 拉 和 转 动 籽 晶 杆 ， 同 时 缓 慢 降 低 加 热 功 率 ， 就 能得 到 所 需 直 径 的 晶 体 。 Solarfun Solarfun Solarfun Solarfun 提 拉 炉 的 结 构 如 图 四 所 示提 拉 炉 由 基 座 、 主 室 、 副 室 、 旋 转 提拉 头 等 几 部 分 组 成 。 基 座 中 主 要 是 坩埚 旋 转 装 置 和 坩 埚 加 热 装 置 以 及 抽 真空 装 置 。 主 室 中 装 有 石 英 坩 埚 ， 由 外层 的 石 墨 坩 埚 托 碗 托 住 。 硅 的 熔 点 在1420 左 右 ， 在 此 温 度 下 石 英 坩 埚 会变 软 ， 将 无 法 承 受 坩 埚 内 熔 融 的 硅 ，所 以 在 其 外 部 放 置 石 墨 坩 埚 托 碗 ， 以承 受 熔 融 的 硅 。 石 墨 坩 埚 托 碗 的 外 部装 有 石 墨 加 热 圆 管 提 拉 炉 主 室 的 侧 壁 还 装 有 保 温 石 墨 纤 维 毡 ，厚 度 在 60 100cm， 加 热 系 统 和 保 温 系统 为 单 晶 硅 的 生 长 提 供 良 好 的 温 场 分 布。 主 室 以 上 是 副 室 ， 其 高 度 180cm左 右， 直 径 十 几 英 寸 ， 由 主 室 提 拉 的 硅 单 晶锭 到 副 室 ， 生 长 完 成 后 ， 可 将 副 室 从 主室 上 方 移 开 ， 以 便 取 出 单 晶 （ 见 图 片 ）。 提 拉 炉 上 部 的 提 拉 头 和 下 部 的 坩 埚 均有 旋 转 设 备 ， 使 晶 体 相 对 于 液 面 旋 转 ，以 减 小 热 流 的 影 响 。 提 拉 炉 内 通 入 氩 气用 于 保 护 ， 同 时 用 真 空 泵 进 行 抽 真 空 ，使 室 内 保 持 低 压 氛 围 （ 3070托 ） 。 Solarfun Solarfun 如 上 所 述 的 提 拉 系 统 称 为 开 口 系 统 ， 现 有 一 种 热 场 热 屏（ 导 流 筒 ） ， 如 下 图 所 示 在 原 有 的 开 口 系 统 中 增 加 热 屏 ， 如 图 中 所 示 ， 热 屏 的 优 点 有 以 下 几 点 ： 相 对 于 开 口 系 统 ， 热 屏 系 统 节 省 了 很 大 的 电 力 ， 如 表 中 所 示 ： 热 屏 的 安 装 改善 了 炉 内 的 保 温 效 果 和 温 场 ， 更 加 有 利 于 硅 单 晶 的 生 长 。 安 装 热 屏 后 使 提 拉 炉 内 的 热 流 得 到 了 很 大 的 改 善 ， 氩 气 流 在 热 屏 引 导 下 流 经液 态 硅 表 面 ， 不 仅 带 走 了 挥 发 出 的 硅 ， 还 使 炉 内 的 热 场 趋 于 稳 定 。 由 于 温 场 和 热 流 的 改 善 ， 使 单 晶 的 质 量 得 到 了 很 大 的 提 高 ， 其 中 的 漩 涡 缺 陷减 小 了 很 多 Solarfun Solarfun 单 晶 头 部 单 晶 尾 部12英 寸 单 晶 无 热 屏 54KW 68KW 有 热 屏 44KW 48KW18英 寸 单 晶 无 热 屏 88KW 105KW 有 热 屏 56KW 60KW 提 拉 法 生 长 单 晶 硅 的 工 艺 流 程 Solarfun Solarfun 备 料 ： 将 多 晶 硅 棒 破 碎 为 直 径 小 于 100mm的 碎 块 ， 便 于 融 化 。腐 蚀 、 清 洗 、 烘 干 ： 用 HF： H2NO3=1： 3的 溶 液 腐 蚀 表 面 ， 再 用 高 纯 水 清 洗 烘 干 待 用 。掺 杂 ， 送 料 ： N型 掺 杂 ： 掺 P P型 掺 杂 ： 掺 B 可 根 据 客 户 需 要 进 行 不 同 种 类 和 不 同 程 度 的 掺 杂抽 真 空 、 验 漏 ： 将 提 拉 炉 抽 真 空 ， 然 后 关 上 阀 门 ， 检 验 是 否 漏 气 （ 每 五 分 钟 泄 漏 小 于 0.5帕 ） 。通 气 ： 向 炉 内 通 入 保 护 氩 气 。加 热 化 料 ： 加 热 坩 埚 使 坩 埚 内 的 多 晶 料 熔 化 ， 这 一 过 程 大 约 需 要 4 5小 时 。引 晶 ： 将 籽 晶 下 降 到 液 面 引 出 一 条 直 径 4 5厘 米 ， 长 120 200mm左 右 的 细 晶 柱 。 这 一 过程 中 所 选 用 籽 晶 有 两 种 ， 方 形 籽 晶 尺 寸 为 99120mm， 圆 形 籽 晶 尺 寸 为 10120mm。 引 晶这 一 过 程 可 以 消 除 晶 体 中 的 位 错 ， 见 下 图 提 拉 法 生 长 单 晶 硅 的 工 艺 流 程 Solarfun Solarfun 放 肩 ： 控 制 晶 体 的 生 长 ， 使 其 直 径 达 到 所 需 尺 寸 。转 肩 ： 按 一 定 的 速 度 转 动 晶 柱 ， 使 晶 柱 均 匀 生 长 。等 径 生 长 ： 所 有 准 备 工 作 就 绪 ， 单 晶 硅 进 入 均 匀 生 长 阶 段 。 一 般 等 径 生 长 时转 速 控 制 在 8-15转 /分 钟 ， 在 磁 场 作 用 下 ， 转 速 可 以 减 小 到 2转 /分 钟 。收 尾 ： 尾 部 形 成 一 45度 的 斜 角 ， 以 减 小 应 力 的 冲 击 。与 晶 锭 连 接 引 出 的 细 晶 柱 提 拉 法 生 长 单 晶 硅 的 工 艺 流 程 Solarfun Solarfun 提 拉 完 毕 后 单 晶 的 尾 部 提 拉 出 的 完 整 单 晶 锭 （ 二 ） 区 熔 法 生 长 单 晶 流 程 Solarfun Solarfun v 区 熔 法 原 理 ：固 体 材 料 中 只 有 一 段 区 域 处 于 熔 态 ， 材 料 体 系 由 晶 体 、 熔 体 和 多 晶 原 料 三 部分 所 组 成 。 体 系 中 存 在 着 两 个 固 -液 界 面 ， 一 个 界 面 上 发 生 结 晶 过 程 ， 而 另 一个 界 面 上 发 生 多 晶 原 料 方 向 的 熔 化 过 程 ， 熔 区 向 多 晶 原 料 方 向 移 动 。 尽 管 熔区 的 体 积 不 变 ， 实 际 上 是 不 断 的 向 熔 区 中 添 加 材 料 。 生 长 过 程 将 以 晶 体 的 长大 和 多 晶 原 料 的 耗 尽 而 告 终 。v 如 下 图 所 示 ， 高 频 感 应 线 圈 上 部 是 多 晶 硅 原 料 ， 经 高 频 线 圈 加 热 熔 化 ， 流 向下 方 ， 凝 结 成 单 晶 硅 。 线 圈 下 部 是 单 晶 硅 生 长 的 空 间 ， 与 直 拉 法 相 似 ， 区 熔法 中 也 要 经 过 引 晶 ， 收 肩 ， 放 肩 等 一 系 列 流 程 。 随 高 频 感 应 线 圈 的 不 断 向 上移 动 ， 单 晶 硅 棒 也 不 断 长 大 。v 区 熔 法 示 意 图 如 下 ： Solarfun Solarfun新 型 区 熔 炉区 熔 示 意 图 直 拉 法 与 区 熔 法 相 比 较 ， 各 自 的 优 缺 点 如 下 表 ： 沾 污 直 径 缺 陷 温 梯 成 本 用 途区 熔 法 FZ 无（ 高 纯 ） 受 限 ， 一 般 5英 寸 多 ？ 大 高 电 力 器 件太 阳 能 电 池提 拉 法 CZ 有 不 受 限 ，直 径 可 做 很 大 少 小 低 集 成 电 路 （ IC)太 阳 能 电 池v 如 表 中 所 述 ， 由 于 提 拉 法 要 用 到 坩 埚 ， 坩 埚 中 含 有 SiO 2， B， O等 杂 质 ， 高 温 下这 些 杂 质 会 与 硅 发 生 反 应 ， 影 响 单 晶 硅 纯 度 。 而 区 熔 法 没 有 坩 埚 ， 原 料 不 与 器皿 接 触 ， 所 以 纯 度 很 高 。 由 于 高 频 感 应 线 圈 尺 寸 的 限 制 ， 用 区 熔 法 生 长 硅 单 晶的 最 大 尺 寸 为 8英 寸 ， 一 般 稳 定 情 况 下 生 长 为 5英 寸 。 区 熔 法 中 原 料 只 有 部 分 熔化 ， 由 液 态 到 单 晶 形 成 过 程 很 快 ， 其 温 梯 较 大 ， 生 成 硅 单 晶 中 缺 陷 较 多 。 而 直拉 法 在 提 拉 炉 中 进 行 ， 原 料 全 部 熔 化 ， 不 再 后 续 加 入 ， 提 拉 炉 具 有 很 好 的 保 温效 果 ， 再 加 上 新 型 热 频 的 应 用 ， 使 晶 体 生 长 的 温 度 梯 度 合 理 ， 所 生 长 出 的 单 晶缺 陷 较 少 。 由 于 提 拉 单 晶 和 区 熔 单 晶 性 质 的 差 异 ， 提 拉 法 生 长 的 单 晶 多 用 来 制造 IC电 路 ， 而 区 熔 法 制 备 的 单 晶 多 用 作 其 他 电 力 用 途 。Solarfun Solarfun 单 晶 和 多 晶 硅 锭 的 生 长 方 法 比 较 ： 总 体 来 说 ， 单 晶 和 多 晶 硅 锭 的 生 长 方 法 各 有 所 长 ， 单 晶 的 转 换 效 率 高 ， 但 产 能 低 、能 耗 大 ； 多 晶 的 转 换 效 率 相 对 较 低 ， 但 能 耗 低 、 产 能 大 ， 适 合 于 规 模 化 生 产 。 单晶 的 FZ 及 C Z 方 法 与 多 晶 定 向 凝 固 生 长 方 法 的 比 较 如 表 1 所 示 。Solarfun Solarfun序 号 单 晶 多 晶1 原 材 料 纯 度 要 求 高 可 用 单 晶 硅 头 尾 料 ， 单 晶 硅 等 外 品2 每 公 斤 硅 锭 能 耗 高 能 耗 低3 生 产 率 低 生 产 率 高4 提 纯 效 果 稳 定 ， 高 提 纯 效 果 视 热 场 而 定 ， 各 种 炉 型 提 纯 效 果 不同 ， 有 的 甚 至 很 低5 转 换 效 率 高 比 单 晶 硅 低 约 1.5%-2%6 圆 形 需 切 割 成 准 方 形 方 形7 锭 子 高 度 和 现 行 线 切割 机 线 网 宽 度 配 合 程度 好 和 现 行 切 割 机 线 网 宽 度 不 配 合 ， 未 充 分 发 挥线 切 割 机 功 效 四 硅 片 加 工 Solarfun Solarfun 硅 片 加 工 使 用 设 备 、 仪 器 、 装 置 将 单 晶 硅 锭 切 割 打 磨 等 工 序 制 作成 用 于 器 件 生 产 的 硅 片 。 工 艺 流 程 如 下 所 示 ：v 滚 磨 ： 用 滚 磨 机 将 多 晶 硅 锭 外 沿 整 形 ， 使 其 成 为 等 径 圆 柱 状 ， 以 便 于以 后 晶 片 的 加 工 ， 并 添 加 定 位 面 ， 以 便 给 晶 片 定 向 。v 定 向 ： 因 单 晶 具 有 各 向 异 性 、 解 理 性 。 沿 不 同 方 向 ， 晶 体 的 物 理 化 学性 质 不 同 ， 要 在 某 方 向 上 得 到 所 需 的 物 理 化 学 性 质 ， 就 必 须 对 晶 体 进行 定 向 。 一 般 的 定 向 方 法 有 光 谱 法 和 XRD法 两 种 ， 前 者 比 较 直 观 ， 其原 理 是 用 激 光 照 射 晶 面 ， 得 到 反 射 图 像 ， 根 据 反 射 图 像 的 形 状 和 位 置的 不 同 ， 确 定 晶 面 方 向 硅 片 加 工 Solarfun Solarfun图 中 分 别 为 硅 单 晶 三 个 晶 面 族 的 激 光 反 射 图 像 ， 根 据 图像 偏 离 照 射 中 心 的 位 置 的 不 同 ， 可 用 测 角 仪 测 量 出 晶 向 。XRD法 虽 不 直 观 ， 但 是 其 准 确 行 较 高 ， 用 布 拉 格 方 程 ： 2dSin=n可 精 确测 定 晶 面 方 向 。定 向 后 ， 将 会 为 晶 片 添 加 主 定 位 面 和 次 定 位 面 ， 不 同 类 型 晶 片 划 片 方 位 不同 ， 如 下 图 所 示 ：v 第 一 片 为 P型 硅 片 面 ， 只 有 主 定 位 面 ， 没 有 次 定 位 面 ； 第 二 片 为 P型面 ， 主 定 位 面 和 次 定 位 面 成 45度 角 ； 第 三 片 N型 面 ， 主 定 位 面 和 次定 位 面 成 45度 角 ； 第 四 片 为 N型 面 ， 主 定 位 面 和 次 定 位 面 成 180度 角 。 硅 片 加 工 Solarfun Solarfun v 切 割 ： 硅 单 晶 晶 片 的 切 割 采 用 内 圆 切 割 刀 片 进 行 机 械 切 割 。 切 割 前 按 晶 面 定 向方 向 将 单 晶 锭 粘 结 在 石 墨 条 上 ， 在 将 其 固 定 在 夹 具 上 进 行 切 割 。 切 割 后 进 行 清洗 ， 进 入 下 一 道 工 序 ， 进 行 倒 角 。 经 过 倒 角 ， 可 以 减 小 晶 片 上 的 应 力 分 布 ， 使镜 片 不 易 损 坏 。 倒 角 工 序 实 现 了 自 动 化 处 理 ， 倒 角 后 ， 顺 便 对 晶 片 的 各 种 参 数进 行 检 测 ， 并 根 据 监 测 参 数 对 晶 片 进 行 分 类 。 通 常 检 测 的 参 数 有 ： TTV（ 两 面厚 度 之 差 ） 、 BOW（ 弯 曲 度 ） 、 Warp（ 翘 曲 度 ） 等 。 切 割 晶 片 倒 角 硅 片 加 工 Solarfun Solarfun v 研 磨 ： 研 磨 工 序 是 对 晶 片 表 面 进 行 粗 糙 处 理 ， 使 其 表 面 尽 可 能 平 整 。 研 磨 机 示意 图 如 下 ： 如 图 中 所 示 ， 研 磨 机 由 旋 转 的 下 磨 盘 和 与 之 联 动 旋 转 的 载 体 组 成 。 载 体 中的 凹 槽 内 放 置 晶 片 ， 由 上 磨 盘 的 管 道 向 晶 片 表 面 注 入 研 磨 液 。 经 过 研 磨 后 的 晶片 的 平 整 度 得 到 了 很 大 的 改 善 ， 将 更 有 利 于 抛 光 工 序 的 处 理 。 研 磨 后 镜 片 还 需经 过 热 处 理 ， 在 氮 气 氛 中 加 热 到 650 左 右 ， 持 续 三 十 分 钟 ， 经 过 热 处 理 后 可 以 消 除 提 拉 法 生 产 的 晶 片 中 的 施 主 氧 效 应 ， 避 免 其 中 氧 离 子 对 电 阻 的 影 响 ， 得到 真 实 电 阻 率 。 硅 片 加 工 Solarfun Solarfun v 抛 光 ： 通 过 抛 光 可 以 使 晶 片 表 面 光 滑 平 整 ， 达 到 器 件 所 需 的 工 业 要 求 。 抛 光 分为 化 学 减 薄 和 机 械 抛 光 两 部 分 。 化 学 减 薄 是 用 酸 进 行 腐 蚀 ， 也 可 以 用 碱 进 行 腐蚀 。 通 过 化 学 减 薄 后 ， 可 以 控 制 晶 片 厚 度 ， 减 小 研 磨 工 序 中 引 入 的 损 伤 。 还 有， 大 部 分 晶 片 只 是 进 行 单 面 抛 光 ， 通 过 化 学 减 薄 后 ， 使 晶 片 背 面 拥 有 较 好 的 物理 形 状 。 化 学 减 薄 后 经 进 行 机 械 抛 光 ， 机 械 抛 光 的 装 置 与 研 磨 机 大 体 相 同 ， 见下 图 ： 硅 片 加 工 Solarfun Solarfun v 与 研 磨 机 不 同 的 是 在 下 磨 盘 上 沾 有 抛 光 布 。 机 械 抛 光 分 为 有 蜡 和 无 蜡 两 种 ， 有 蜡抛 光 是 将 晶 片 用 石 蜡 粘 贴 在 栈 板 上 再 进 行 抛 光 ， 无 蜡 抛 光 则 不 需 要 粘 贴 。v 抛 光 完 毕 后 的 晶 片 经 过 清 洗 和 检 测 流 水 线 的 监 测 和 分 类 后 ， 就 可 以 包 装 出 厂 了 。v 检 测 工 序 包 括 对 晶 片 有 无 沾 污 ， 色 斑 ， 氧 化 ， 蚀 坑 ， 划 刻 ， 平 整 度 等 参 数 进 行 检测 ， 对 检 测 不 合 格 的 晶 片 需 进 行 返 工 等 加 工 处 理 合 格 后 方 能 出 厂 。 抛 光 机 粘 片 将 粘 好 的 晶 片 装 在 抛 光 机 上 包 装 五 小 结 综 上 所 述 ， 硅 多 晶 ， 单 晶 的 生 产 工 艺 比 较 复 杂， 每 一 道 工 序 都 必 须 精 密 完 成 ， 否 则 都 会 导 致 产 品的 不 合 格 ， 在 每 道 工 序 中 实 时 地 实 施 应 有 的 监 测 工序 是 非 常 必 要 的 。 Solarfun Solarfun CompanyLOGO Company Logo Diagram Guild Design is one of aligned company with Microsoft Ltd, and we develop and provide the design templates for Office 97, 2000, and XP.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. TitleAdd your text Company Logo Cycle DiagramText Text Text TextText Cycle nameAdd Your Text Company Logo Diagram ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 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