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1 硅的简介

1.1半导体材料

材料按其电阻率可分为超导体材料、导体材料、半导体材料和绝缘材料.半导体材料的电阻率一般介于导体和绝缘体之间,数值一般在10-4-108之间.

半导体的电阻率有如下特点:

(1)杂质对半导体电阻率的影响很显著,微量的杂质就能引起较大的变化.

(2)温度能引起电阻率较大的变化,一般金属材料的电阻率随温度的上升而增大.

半导体材料种类很多,最常见的是硅、锗、硒、砷化镓等.

半导体又分为本征半导体和杂质半导体.

1.2硅的物理性质及提炼过程

硅,又叫做矽,化学符号Si,熔点1412℃,固体密度(20℃)2.33g/cm3,液体密度(1420℃) 2.5g/cm3.硅原子按照一定的顺序排列就形成单晶硅,而局部有规则排列总体却无规则排列的是多晶硅.单晶硅是金刚石结构,具有很高的硬度,脆性高,经不起冲击.

硅是地壳中含量第二的元素,约占地壳的26%.

多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级：

（1）冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si 为90 - 95% 以上，高达99.8% 以上。

（2）太阳能级硅(SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含Si在99.99 %– 99.9999%（4～6个9）。

（3）电子级硅（EG）：一般要求含Si > 99.9999 %以上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～11个9）。其导电性介于10-4– 1010欧厘米。

将石英砂用焦碳在碳电极的电弧炉中还原可制取金属硅,其反应式为:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

2SiC + SiO2 = 3Si + 2CO

金属硅的纯度一般小于98%,用西门子法可制得半导体级硅(99.999999999%),用西门子法也能制得99.9999%的太阳能级硅.西门子法制得的硅通过单晶炉提拉成单晶硅.

另外还有SiHCl3氢还原法(国内主要用此提炼法)、流化床法提炼硅.

太阳能级单晶硅经过切断、切方滚圆、切片、扩散、丝网印刷等工序就可制成电池片,然后进行封装、组件。

2 单晶炉的结构

DRJL—85/95型单晶炉,是在惰性气体环境中以石墨电阻加热将硅熔化,用软轴直拉法生长无位错单晶的专用设备。该设备使用石墨热系统投料85-130kg,生长直径150~200mm用于生产大规模集成电路所需要的高质量单晶材料。

2.1 主要技术规范:

参考炉子上出厂的标示

2.2 运动参数:

晶体拉速范围0·1~10mm/min

晶体转速范围1~50r/min

晶体快速≥400mm/min

坩埚升速范围0·02~2·5mm/min

坩埚转速范围1~30r/min

2.3结构组成及机械传动简述

DRJL—85/95型单晶炉主要由底座及立柱、坩埚传动部件、主炉室、副炉室、籽晶旋转及升降部件、主副液压升降部件、真空及充气系统、电控部分等组成。传动原理详见图1。

图1 单晶炉的构造图

坩埚升降机构:坩埚升降机构的铅垂运动采用双导柱直线轴承结构,由稀土永磁直流电机组通过齿形带、谐波减速器带动滚珠丝杆丝母副来完成,并使坩埚杆、双导柱、滚动丝杆之间的布置更加合理,使传动部件的刚性更好,传动更平稳、更精确。坩埚旋转电机同样采用了稀土永磁直流电机组,通过多楔带传动实现坩埚旋转,这样传递扭矩大,且减少了齿形带的振动,提高了传动稳定性。旋转密封采用磁流体密封,铅垂运动密封采用不锈钢波纹管实现之。与坩埚升降丝杆同轴安装的光电编码器精确显示坩埚位置。籽晶升降机构:籽晶升降机构中装有一个可以作水平随动的软轴卷扬轮。稀土永磁直流电机经过具有精密的大减速比减速箱带动滚动花键副,从而实现软轴卷扬轮的水平随动及旋转提升运动。并设置有卷轮水平随动限位功能,实现籽晶升降范围调整及籽晶升降机构的极限保护限位。整个提拉机构随一空心轴旋转,本机构经过平衡调整,使提拉机构在运动过程中避免振动。与卷扬轮同轴安装有精密的光电编码器,可给计算机提供精确的提升数量值,以便对其进行精确控制。旋转电机通过多楔带实现旋转运动,旋转密封采用磁流体密封。经过优化设计后的电刷部件安装在籽晶旋转支座的外侧,便于安装调试,新型电刷架的碳刷具有弹性补偿功能,保证了信号的精密传输。

2.4机械结构特点

DRJL—85/95型单晶炉的总体结构设计借鉴美国、德国等先进国家的先进单晶炉炉型,

并结合我校单晶炉的成熟经验设计而成。首先在整体造形上,各部分的布局及操作等方面进行了优化设计。其次针对以前的单晶炉中存在的一些结构不合理的地方进行了改进,进一步提高了整机的稳定性、可靠性。

2.4.1主炉室结构

主炉室由炉底、上下炉筒及炉盖组成,均为双层螺旋水冷不锈钢(304L不锈钢)焊接结构,内壁采用双面焊,并经加热去应力处理,提高其抗腐蚀性能。炉底与下炉筒,下炉筒与上炉筒,上炉筒与炉盖之间均设有定位止口,以保证每次合炉的准确性。炉底上设有4个电极接口,安装4个电极,以满足工艺厂家进行两段式加热。下炉筒上有两个左右对称布置的真空抽口,真空管道通过两个侧管道汇合于主机后面与真空机组联接。这样就保证了拉晶过程中炉内气流的均匀流动,更有利于单晶生长。为改善炉盖的受力、热变形及冷却等情况,将炉盖设计为拱形结构。为减少尖角应力,提高使用寿命,主观察孔设计为田径跑道式,取信号孔及辅助观察孔均为圆形孔。

2.4.2副炉室结构

副炉室为开门式、圆筒造形、双层水冷结构、副室炉门的关闭和开启采用联动机构,由一个操作手柄完成操作,以便快速准确地关闭炉门。副炉室内设有隔离阀。副炉室上设有观察孔、气孔、掺杂孔及一个副室抽空孔,以满足不同的工艺需要。为维护炉室中的局部压力和温度设置了隔离阀。关闭此阀以后,可以打开副炉室,从而接近籽晶或单晶。此阀改变了传统结构形式,增加了浮动环节(浮动式翻板阀),操作灵活轻便,密封效果好。为了方便地调整籽晶轴的铅垂以及与坩埚轴的对中,在副炉室上部增加了过渡副室(如图2),通过水平调整螺母调整上传动部件的水平,从而消除因加工误差所造成的上下轴不对中的现象,提高其使用精度。

图2 副炉室结构

另外,主副炉室的提升均采用液压油缸提升结构。副炉室提升支臂与副室之间采用浮动的联接方式,可以消除副室、支臂与提升缸之间的干涉,更有利于整机的工作精度。主炉室与副炉室被提起后,副炉室向左旋出。主炉室向右旋出,主副炉室对称旋出,保证主机稳定可靠。为了维修方便、专门设计了一个操作维修平台,便于维护和修理。

2.4.3 电器控制

晶升、晶转、埚升、埚转4个速度控制器采用了标准化、全隔离设计方法以提高控制及抗干扰能力,每个速度的控制精度以及埚、晶随动精度都能满足 150~ 200mm晶体生长的需要。温度控制单元采用欧陆818作主控制器,对加热温度进行高精度控制,主回路采用三相全桥以减小纹波并提高控制精度。计算机测控单元是单晶炉自动控制的主要部分,为保证高质量、高可靠的控制性能,我们选用台湾研华AWS—822工业级一体化工作站作为控制主机,配备全隔离A/D、D/A接口组成计算机控制单元。控温精度为±0·5℃,控径精度为±1mm,计算机软件功能完善,汉化的计算机控制界面友好。

3 石墨热场

热场的部件主要包括石墨加热器、三瓣坩埚、导流筒、保温筒、埚托、坩埚轴、炉底护盘等等，各生产家在设计过程中会略有不同，主要构成如图3和图4：

图3 热场内部结构

图4 热场的组成

4 拉晶的过程

装料→化料→稳定温度→引晶(Neck)→放肩(Crown)→转肩(S houloer)→等径(Body)→收尾→冷却→清炉

如图5：

图5 直拉单晶的工艺步骤

引晶缩颈的目的: 排除位错①

5 安全

电：380V（工厂），炉子60V的直流电，电流为2000A，空开水：管道堵塞水流不畅通或停水会导致严重的事故

气（真空）：大量气体流入，高温水沸腾

火灾：严禁吸烟：油品、减少灰尘

吊车：上面禁止有人，下面禁止有人

6 晶体生长的原理

6.1 晶体：原子排列整齐硅的熔点1412℃凝固-熔化平衡原理

6.2 晶体的形态：

图6 硅的原子排列

图7 硅的金刚石结构

硅的晶向有[100]、[110] 、[111]三种，我们目前拉制的是[100]。[100]晶向的单晶硅有四条棱线。所拉制的单晶晶向有籽晶的晶向决定。

图8 完整的[100]单晶晶体

图9 [100]晶向的单晶肩部

6.3 单晶硅的导电类型

单晶硅导电类型有P型和N型两种。P型单晶硅的搀杂元素是硼（B），是通过空穴定向流动从而导电；N型单晶硅的搀杂元素很多，一般有磷、砷、锑等元素。

6.4 单晶硅的几个生产技术指标

⑴电阻率：1Ω·cm-3Ω·cm

⑵直径：6.5寸：168-172mm、8寸：203-207mm

⑶ C、O含量

⑷少子寿命

6.5 单晶硅棒中杂质的浓度分布

由两种或两种以上组元组成的材料，熔体的结晶过程较单一组元构成的材料复杂得多，它们与对应的相图有直接关系，平衡时固相成分与液相成分不同，在形核时不仅需要过冷、相起伏和能量起伏，而且还需要成分起伏。所谓成分起伏是指材料内微区中因原子的热运动引起瞬间偏离熔液的平均成分，出现时起时伏、此起彼伏状态的现象。并且在晶体长大过程中伴随原子扩散过程。下面以二元系为例讨论凝固过程及其规律。6.5.1 固溶体的平衡凝固

固溶体凝固的特征为平衡的液相和固相之间有成分差别，在凝固时要发生溶质的重新分布。在—定温度下，固—液两平衡相中溶质浓度的比值k0称为溶质的偏析系数。即：

k0=C S/C L

式中C S，C L分别为固、液相的平衡浓度，如果假定液相线和固相线均为直线，则k0为常数。

如果随溶质浓度增加，液相线和固相线下降，如图10（a）所示，则k0＜1；反之如图10(b)所示，则k0＞1。以下以k0＜l的相图为例进行讨论。

图10 k0＜1及k0＞1的相图

为了便于研究，假定水平圆棒自左端向右端逐渐凝固，并假设固—液界面保持平面。冷却极为缓慢，达到了平衡凝固状态，即在凝固过程中，在每个温度下，液体和固体中的溶质原子都能充分混合均匀，虽然先后凝固出来的固体成分不同，但凝固完毕后，固体中各处的成分均变为原合金成分C0，不存在溶质的偏析。

6.5.2 稳态凝固

实际上要达到平衡凝固是极困难的，特别是在固相中，成分的均匀是靠原子扩散来

完成，所以溶质在大范围内是不可能达到均匀的，在讨论实际凝固问题时，把凝固过程中析出的固相成分看作不再变化，仅讨论液相中溶质原子混合均匀程度的问题，液相中溶质原子混合均匀有两种机制：扩散和液体的流动(自然对流或搅拌)。通常称这样的凝固过程为稳态凝固过程，又称为正常凝固过程。合金的稳态凝固大致可归纳为以下几种情况：

（1）凝固速度非常缓慢

视液体中溶质完全混合均匀。凝固后溶质分布曲线如图6—18b线所示。这种情况下，在圆棒的一端和另一端产生显著的浓度差异，通常把这种宏观范围的浓度不均匀性称为宏观偏析。当k0＜l时，k0越小则凝固后溶质原子宏观偏析的程度越严重；当k0＞1时，k0越大则凝固后溶质原子宏观偏析的程度越严重。

（2）凝固速度很大

则液体中溶质仅有通过扩散来混合，且无对流和搅拌作用。凝固后溶质分布曲线如图6—18c线所示。这种情况下，凝固后溶质的宏观偏析程度比第一种轻微。

（3）一般条件下，凝固速度介于以上二者之间

这时依靠扩散和对流作用只能达到部分均匀。凝固完毕后溶质分布曲线示于图10（b）。这种情况下，凝固后溶质的宏观偏析程度介于前两者之间。

6.5.3 区域熔炼

如前所述，对于k0＜l的情况，合金铸锭凝固后，溶质富集于右端，因此左端得以纯化。人们应用这个原理发展了区域熔炼技术，获得了极好的提纯效果。区域熔炼不是把材料的棒料全部熔化，而是将棒料从一端顺序地进行局部熔化，例如用感应圈使合金棒加热熔化一段并从左端逐步向右端移动，凝固过程也随之顺序地进行。当熔化区走完一遍之后，对于k0＜1的材料，溶质杂质富集到右端，如图11所示。

图11 晶体中杂质浓度示意图

区域熔炼一次的效果虽然比正常凝固的效果为小，但是可以反复进行多次，最后可以获得很高纯度的材料。例如，对k0＜0.1的杂质，只需反复进行五次区域熔炼，即可

将棒的前半部分中的杂质平均含量降低约1000倍，区域熔炼对去除k0＜0.5的杂质元素非常有效，已广泛应用于需要高纯度的半导体、金属、金属化合物及有机物等的提纯。

尾

头

图12 单晶硅头部和尾部的杂质浓度示意图

6.6 拉晶参数设置

单晶炉一般有PID及拉速、温校、埚升（埚跟比）、晶转、埚转等设置。简单来讲，PID是设置等径时晶体的直径均匀程度的，拉速、温校、埚升（埚跟比）、晶转、埚转是通过控制速度和温度系统对晶体的直径和熔体温度进行控制：增大埚转会使埚内熔体温度降低，减小埚转会使埚内熔体温度升高；增大拉速会使晶体直径减小，降低拉速会使晶体直径变大；升高温度会使晶体直径减小，降低温度会使晶体直径变大。

7 单晶硅太阳能电池的制作原理简介

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如图13：

图13 半导体结构图

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成

可以参照图14：

图14半导体结构图

图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如图15：

图15半导体结构图

N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结，如图16

图16 PN结示意图

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到

N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的―内电场‖，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。如图17所示

图17 PN结形成电源

由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结（如图梳状电极），以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图），将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

附：以上数字性的参数仅供参考，请大家根据实际数据进行考证，理论性的东西传阅时要联系实际。希望大家能共同进步，相互学习，一起提高。

河南欧美亚单晶部

2011-4-17