浅析单晶硅的生产现状

摘要：本文综述了制造光伏电池和集成电路用单晶硅的特点，对直拉法生长单晶硅的基本原理及生产工艺进行论述，并且分析了直拉法单晶生长过程中的主要杂质及其来源。

关键词：单晶硅 直拉法 生产工艺

前言

单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。应用于制作晶体管、微处理器、存储器、模拟电路等，其中90%的半导体器件和集成电路都是用硅单晶制作的。目前，单晶硅在太阳能光伏电池和集成电路中的应用最为广泛。

随着电子通讯行业和太阳能光伏产业的快速发展，半导体工业也随之迅猛发展。到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在硅材料基础之上的，以硅材料为主的半导体专用材料在国民经济、军事工业中的地位非常重要，全世界的半导体器件中有95 % 以上是用硅材料制成。其中单晶硅则是半导体器件的核心材料，单晶硅属于立方晶系，具有类似金刚石的结构，硬度大，在较宽的温度范围内，都能够稳定地工作，其热稳定性和电学性能非常好。硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。因此，单晶硅制备工艺发展迅速，产量大幅增加。 1单晶硅生产工艺

当前制备单晶硅主要有两种技术，根据晶体生长方式不同，可分为悬浮区熔法和直拉法。这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域，区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面，而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。

区熔法：在整个制备单晶硅的过程中，不需要使用石英坩埚支撑，高温的硅并没有和任何其它物质接触，因而很容易保持高纯度。这种方法制备的单晶硅氧含量低，但是不容易生长出较大直径的硅单晶。

直拉法：也被简称为CZ 法，现已成为制备单晶硅材料最为重要的方法之一。CZ法是将原料装在一个石英坩埚中，外面用石墨加热器进行加热，当原料被加热器熔化后，将籽晶插入熔体之中，在合适的温度下，边转动边提拉，即可获得所需单晶。直拉法的优点是：可以方便地观察晶体生长过程、晶体生长时内部热应力小、可以方便地使用“缩颈”工艺，降低位错密度，成品率高、方便的控制温度梯度、有较快的生长效率。

直拉法生长单晶的具体工艺过程包括装料、化料、熔接、引晶、放肩、转肩、等径生长和收尾这几个阶段：

1.装料：根据所设计的投料量，将块状多晶硅料装入石英坩埚内并放入到单晶炉中。在此阶段有两个问题需要特别注意: 投料量和熔料温度，避免在化料过程中产生不利的问题，例如挂边、破裂。

2.抽真空：将单晶炉内的空气抽出，真空合格后充入保护气体氩气。

3.化料：打开功率进行加热，使炉体上升到1500℃左右。熔硅时，应注意炉内真空度的变化，一般来说，在流动气氛下或在减压下熔硅比较稳定。熔硅温度升到1000℃时应转动坩埚，使坩埚各部受热均匀。

4.熔接：当硅料全部溶化，调整加热功率以控制熔体的温度。待熔体稳定后，

降下籽晶至离液面3-5mm 距离，使籽晶预热，以减少籽晶与溶硅的温度差，从而减少籽晶与溶硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热充分后的籽晶则可以继续下降与液面进行熔接，同时籽晶保持一定的旋转速度。

5.引晶：为排除籽晶在熔接时由于受热冲击而产生的位错延伸到晶体中，需要控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，在引晶过程中需注意两个关键因素：坩埚的位置和液面温度。

6.放肩：为使得晶体直径达到制备要求的尺寸，进行放肩。引晶完成后，将拉速降低，同时降低功率开始放肩。放肩角一般控制在140°至160°之间，需适当调整放肩速度，保持圆滑光亮的放肩表面。放肩过程可通过降低拉速或者降低温度实现。

7.转肩：当放肩过程达到目标直径时，要对它的生长进行控制，通过提高拉晶速度进行转肩，使肩近似直角，进入等直径的纵向生长。

8.等径：当晶棒长到一定长度，就可以对其直径进行等径控制，以确保单晶棒直径的上下一致。等径过程在整个拉晶工艺中占用时间最多也是最重的阶段，这个阶段的工艺直接决定了单晶硅棒的质量。不仅要控制好晶体的直径，更为重要的是保持晶体的无错位生长。

9.收尾：在晶体生长接近尾声时，生长速度再次加快，同时升高硅熔体的温度，使得晶体的直径不断缩小，形成一个圆锥形，最终晶体离开液面，单晶硅生长完成。收尾的作用是防止位错反延。

10.停炉：当单晶硅与液面脱离后，不能立刻把晶棒升高，而是缓慢降低加热器功率直至为零，仍保持氩气的正常流通直至完全冷却，以防止空气对单晶硅表面的氧化。

2直拉单晶中存在的主要杂质

目前，在直拉单晶硅中，主要杂质是氧和碳。 （1）单晶硅中的氧杂质

在CZ法生长中，氧是直拉单晶硅中的主要杂质，氧不可避免地掺入硅单晶。其途径是在硅的熔点（1420℃）附近，熔硅与石英坩埚作用，生成sio进入硅熔体，溶解的氧经由熔体的对流和扩散传输到晶体和熔体的界面或自由表面。熔体中的部分氧在熔体自由表面蒸发，而余下的氧则通过晶体和熔体界面分凝而渗入晶体内。在实际直拉单晶硅中，氧浓度的表现为头部高、尾部低，在收尾处氧浓度有所上升，同时，氧浓度从单晶硅的中心部位到边缘是逐渐降低的。这是受晶体生长工艺变化的影响。 (2)单晶中的碳杂质

碳的污染途径主要有：第一，原始多晶中的碳；第二，化硅过程中石墨坩埚托和石英坩埚之间的反应以及高温石英坩埚与石墨加热器件之间的反应，生成的CO进入晶体生长区；第三，密闭性差而漏气导致石墨氧化成CO进入熔硅；第四，在直拉单晶硅生长时，其中的co 气体不易挥发，大多进入硅熔体与熔硅反应，产生单质碳和sio，而sio大部分从熔体表面挥发，碳则留在熔硅中，最终进入晶体硅。

直拉单晶生长时，熔体中碳含量逐渐增加，晶体中沿轴向长度碳是不均匀分布的，头部低，尾部高。 与氧浓度的分布相反，碳浓度在晶体头部很低，而在晶体尾部则很高。 3结论

本文介绍了单晶硅的发展现状，分析了直拉法单晶生长工艺及其存在的主要

杂质。对于太阳能电池来说，单晶中的碳使其漏电性能变坏，还会促使氧的沉淀，过量的氧沉淀会引起大的应力，将导致硅片翘曲，诱生位错、层错等缺陷，对硅光电池的光电转换效果影响也很大。通过采用大尺寸的石英坩埚，采取精细的工艺，改进晶体生长工艺和生长热场来获得预测最佳的氧、碳含量及其分布，进而提高单晶硅的成品率。 参考文献

[1]加万里，王勇，袁振邦.单晶硅性能能的实验研究［J］.价值工程，2016，21（35）：98-99.

[2]黄有志.直拉单晶硅工艺技术[M].北京化学工业出版社，2017. [3]康自卫，王丽.硅片加工技术[M].北京化学工业出版社，2017. [4]王泽来.高阻单晶硅太阳电池关键工艺研究[D].渤海大学，2017.

[5]刘寄声.单晶硅与多晶硅生产技术问答[M].北京化学工业出版社，2012.

作者简介：高磊，（1992年12月—），男，汉族，就读于郑州大学，研究方向为机械工程。 刘佳佳，（1990年11月—），男，汉族，就读于郑州大学，研究方向为机械工程。