太阳能电池片科普系列——单晶硅篇

:试问2017年光伏圈什么最火——单多晶之争，无论是上游单晶占比，还是光伏电站建设的选择，单多晶大战都呈现出越来越激烈的态势，不禁让人感叹，本是同根生，相煎何太急啊，不过也正是由于这个原因，想通过单多晶之争来大幅拉低市场价格的机遇党还是不要再等了吧。

小编认为，单多晶之争实际上是技术、成本和效益之间的竞争，更多是原材料之争，给了你单晶我多晶产线自然就少了一点，而单晶和多晶，原本就像是一家人，很多的生产工序是可以共用的（不过需要匹配不同的相应的工艺）。而这篇文章笔者将主要带你了解单晶硅锭的生产制造过程。

一、单晶硅制备原理

1、直拉法

直拉法是目前国内大面积使用较多的单晶硅制备技术，又称切克劳斯基法（Czoalsik： CZ 法）是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。利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法。目前国内太阳电池单晶硅硅片生产厂家大多采用这种技术。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。 其基本原理如图所示。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。CZ法是将硅料全部熔化后，由一点开始结晶，通常这样的提纯只能进行一次。

2、直拉法的优缺点

设备和工艺比较简单，容易实现自动控制；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。

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。

3、区熔法

悬浮区熔法比直拉法出现晚，由W˙G˙Pfann 1952年提出，P˙H˙keck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，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，不及直拉工艺成熟，单晶中一些结构缺陷没有解决。

二、工艺流程

1、直拉法法

CZ法主要设备：CZ生长炉

CZ法生长炉的组成元件可分成四部分

（1）炉体：包括石英坩埚，石墨坩埚，加热及绝热元件，炉壁

（2）晶棒及坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头，吊线及拉升旋转元件

（3）气氛压力控制：包括气体流量控制，真空系统及压力控制阀

（4）控制系统：包括侦测感应器及电脑控制系统

工艺流程：加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长

（1）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的N或P型而定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。

（2）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅原料熔化。

（3）缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。

（4）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。

（5）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。

（6）尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

2、区熔法

Fz法的基本设备

Fz硅单晶，是在惰性气体保护下，用射频加热制取的，它的基本设备由机械结构、电力供应及辅助设施构成。机械设备包括:晶体旋转及升降机构，高频线圈与晶棒相对移动的机构，硅棒料的夹持机构等。电力供应包括:高频电源及其传送电路，各机械运行的控制电路。高频电源的频率为2~4MHz。辅助设施包括:水冷系统和保护气体供应与控制系统、真空排气系统等。区熔硅单晶的生长

原料的准备:将高质量的多晶硅棒料的表面打磨光滑，然后将一端切磨成锥形，再将打磨好的硅料进行腐蚀清洗，除去加工时的表面污染。

装炉:将腐蚀清洗后的硅棒料安装在射频线圈的上边。将准备好的籽晶装在射频线圈的下边。

关上炉门，用真空泵排除空气后，向炉内充入情性气体 (氮气或氢与氮的混合气等)，使炉内压力略高于大气压力。

给射频圈送上高频电力加热，使硅棒底端开始熔化，将棒料下降与籽晶熔接。当溶液与籽晶充分熔接后，使射频线圈和棒料快速上升，以拉出一细长的晶颈，消除位错。

晶颈拉完后，慢慢地让单晶直径增大到目标大小，此阶段称为放肩。放肩完成后，便转入等径生长，直到结束。如图所示

纵观国内，虽然已经过了那个只能做高耗能的工业级硅，提纯完全靠进口的年代的时代，但是就目前而言，中国的硅产业依旧没有太多技术上的优势（相对而言），中国光伏行业的大力发展，也促进了硅产业的发展。太阳能发电以目前的技术看，远远没有发挥出硅材料的能力，未来，希望能有更多的人、更多的企业能够致力于技术上的创新，让中国的硅产业走向新的高度，让中国也能够做出世界级的芯片级硅。

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原创：北极星（每天不定量更新）