资源描述
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. Company Logo Diagram Add Your TextAdd Your Text Add Your Text Add Your Text Company Logo DiagramAdd your textAdd your textAdd your textAdd your text Add your text Company Logo DiagramTitleAdd your textTitle Add your text TitleAdd your textTitleAdd your text Company Logo DiagramConcept Add Your TextTextTextText TextTextText Company Logo Diagram Add Your TextAdd Your Text Add Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your Text Company Logo DiagramAdd Your TextAdd Your Text Add Your Text Company Logo Diagram Text Text Text Company Logo DiagramTextTextText Text Company Logo Diagram Add Your TextAdd Your Text Add Your Text Add Your TextAdd Your TextAdd Your Text Text Company Logo Diagram1ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 2ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 3ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. Company Logo DiagramYour Text Your Text Your TextYour Text Your TextYour Text Your TextYour Text2001 2002 2003 2004 Company Logo Progress DiagramPhase 1 Phase 2 Phase 3 Company Logo 3-D Pie ChartTEXTTEXTTEXTTEXT TEXT TEXT
展开阅读全文