硅片制備-多晶硅鑄錠爐和單晶爐課件

第二節(jié)硅片制備中的熱工設備

--單晶爐和多晶硅鑄錠爐一、單晶爐目前在所有安裝的太陽電池中，超過90%以上的是晶體硅太陽電池，因此位于產業(yè)鏈前端的硅錠/片的生產對整個太陽電池產業(yè)有著很重要的作用。太陽電池硅錠主要有單晶硅錠和多晶硅錠，這兩種硅錠。單晶硅做成的電池效率高，但硅錠生產效率低，能耗大；多晶硅電池效率比單晶硅低一些，但硅錠生產效率高，在規(guī)模化生產上較有優(yōu)勢。目前國際上以多晶硅硅錠生產為主，而國內由于人工成本低，國產單晶爐價格低，因此國內單晶硅硅錠的產能比多晶硅大得多。1.1切克勞斯基法（Czochralsik：CZ法）

1917年由切克斯基建立的一種晶體生長方法現(xiàn)成為制備單晶硅的主要方法。把高純多晶硅放入高純石英坩堝，在硅單晶爐內熔化；然后用一根固定在籽晶軸上的籽晶插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便在籽晶下端生長。CZ法是利用旋轉著的籽晶從坩堝中的熔體中提拉制備出單晶的方法，又稱直拉法1太陽電池單晶硅錠生產技術優(yōu)缺點直拉法設備和工藝比較簡單，容易實現(xiàn)自動控制；生產效率高，易于制備大直徑單晶；容易控制單晶中雜質濃度，可以制備低阻單晶。但用此法制單晶硅時，原料易被坩堝污染，硅單晶純度降低，拉制的硅單晶電阻率大于50歐姆·厘米，質量很難控制。1.2懸浮區(qū)熔法（區(qū)熔法或FZ法）懸浮區(qū)熔法比直拉法出現(xiàn)晚，W·G·Pfann1952年提出，P·H·keck等人1953年用來提純半導體硅。懸浮區(qū)熔法是將多晶硅棒用卡具卡住上端，下端對準籽晶，高頻電流通過線圈與多晶硅棒耦合，產生渦流，使多晶棒部分熔化，接好籽晶，自下而上使硅棒熔化和進行單晶生長，用此法制得的硅單晶叫區(qū)熔單晶。區(qū)熔法有水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔，前者主要用于鍺提純及生長鍺單晶，硅單晶的生長則主要采用懸浮區(qū)熔法，生長過程中不使用坩堝，熔區(qū)懸浮于多晶硅棒和下方生長出的單晶之間區(qū)熔法不使用坩堝，污染少，經區(qū)熔提純后生長的硅單晶純度較高，含氧量和含碳量低。高阻硅單晶一般用此法生長。目前區(qū)熔單晶應用范圍比較窄，不及直拉工藝成熟，單晶中一些結構缺陷沒有解決。1.4片狀單晶生長法（EFG法）片狀單晶生長法是近幾年發(fā)展的一種單晶生長技術。將多晶硅放入石英坩堝中，經石墨加熱器加熱熔化，將用石墨或者石英制成的有狹縫的模具浸在熔硅中，熔硅依靠毛細管作用，沿狹縫升到模具表面和籽晶融合，用很快的速度拉出。生長片狀單晶拉速可達50毫米/分。片狀單晶生長法現(xiàn)在多采用橫向拉制。將有一平缺口的石英坩堝裝滿熔硅，用片狀籽晶在坩堝出口處橫向引晶，快速拉出片狀單晶。片狀單晶橫向拉制時結晶性能好，生產連續(xù)，拉速快，可達20厘米/分片狀單晶表面完整，不須加工或少許加工就可制做器件；省掉部分切磨拋工藝，大大提高了材料的利用率。片狀單晶拉制工藝技術高，難度大，溫度控制非常精確，片狀單晶工藝技術目前處于研究階段。1.5氣相生長法氣相法生長單晶和三氯氫硅氫還原生長多晶相似。在適當溫度下，三氯氫硅和氫氣作用，在單晶籽晶上逐漸生長出單晶。氣相生長法工藝流程簡單，污染少，單晶純度較高，但是生長速度慢，周期長，生長條件不易控制，生長的單晶質量較差。1.6鑄錠法用鑄錠法生長單晶是國外近幾年發(fā)展的一種生長硅單晶方法。它象金鑄錠一樣生長硅單晶，此法生長硅單晶雖然工藝程流程簡單，生長速度快，成本低，但是生長單晶質量差。一般用于制造太陽能電池器件。1.7液相外延生長法用外延法生長單晶，有氣相外延和液相外延兩種方法。它們都是在一定條件下，在經過仔細加工的單晶片襯底上，生長一層具有一定厚度，一定電阻率和一定型號的完整單晶層，這種單晶生長過程叫外延。通過氣相在襯底上生長外延層叫氣相外延，通過液相在襯底上生長外延層叫液相外延。外延生長可以改善單晶襯底表面性能，提高單晶電子特性。外延生長速度一般很慢。2直拉單晶爐結構直拉單晶爐型式盡管不同，總的說來，主要由爐體、電器部分、熱系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和氬氣裝置五大部分組成。2.1爐體爐體由爐座、爐膛、爐頂蓋、坩堝軸（下軸）、籽晶軸（上軸）、光學等直徑監(jiān)測器等部件組成。爐座一般由鑄鐵制成，支撐整個爐體重量。爐膛的樣式比較多，大體上分側開門和鐘罩式兩種形式。側開門式又有錐頂、圓弧頂和平頂之分；鐘罩式又有單純鐘罩式和有主室和付室中間夾有隔離閥的鐘罩式。不管樣式千差萬別，爐膛總有爐室、觀察窗、紫銅電極、爐門（鐘罩式無有）、熱電偶側溫孔、光學等徑監(jiān)測孔；外接真空管道和惰性氣體進口等幾部分。坩堝軸和籽晶軸從爐膛中心穿過并能上、下運動。爐膛一般由4-5毫米兩層不銹鋼板制成，中間通水。爐頂蓋：爐頂蓋樣式也比較多，一般由鑄鐵制成，主要支撐籽晶軸的提拉和旋轉，裝有標尺，顯示籽晶軸的提拉位置和提拉長度。坩堝軸（下軸）由不銹鋼制成，由雙層管組成，通流動水冷卻。它通過托桿、托碗支撐石英坩堝中的多晶硅，并且通過旋轉、上升和下降調節(jié)熱系統(tǒng)中坩堝內熔硅的位置使拉晶能順利進行。籽晶軸也由不銹鋼制成，能夠旋轉、上升和下降。它的結構和坩堝軸相同，但比坩堝軸長。它主要通過籽晶卡頭裝卡籽晶，并且邊旋轉，邊向上運動，完成提拉單晶過程。隨著單晶爐大型化，提拉行程的增長，近些年出現(xiàn)了以鋼絲或鉸鏈做籽晶軸的軟軸，這是直拉單晶爐的一項重大改革，使直拉單晶爐結構簡單，操作簡便，高度降低，籽晶軸行程增長，使直拉單晶爐生產效率大大提高。光學等直徑監(jiān)測器裝在爐膛的光學等直徑監(jiān)測孔上，它象照象機，一組光學鏡頭對準坩堝中心，硅單晶通過鏡頭將硅單晶橫斷面直徑的正面影象反射在毛玻璃屏幕上，屏幕上有一個光敏二極管，影象變化作用在光敏二極管上，產生電信號，經過放大分壓（或分流）處理，控制提拉或加熱功率，保證硅單晶等徑生長，通過調節(jié)光敏二極管位置可以控制生長硅單晶的粗細。觀察窗裝在直拉單晶爐膛上，由兩層石英玻璃（或厚玻璃）組成，兩層玻璃中間通水，它是觀察拉硅單晶過程中各種情況的窗口。熱電偶裝在直拉單晶爐膛的測溫孔上，正對加熱器中部。為了使便于測量和測量靈敏準確，一般通過聚光鏡，將光聚集于熱電偶堆上。電極裝在爐膛底部，它的作用是支撐加熱器（石墨）和保溫系統(tǒng)（或通過石墨電極支撐），把強大的電流傳給加熱器，使加熱器產生高溫，熔化多晶硅。電極一般由紫銅制成，兩層銅管成環(huán)狀，內部通水。2.2電器電器由配電盤、控制柜、變壓器三部分組成。配電盤是整個直拉單晶爐的總電源，通過它把電流輸送給控制機械?？刂乒窨刂普麄€直拉單晶爐安全正常運轉，真空測量和加熱功率的變化。加熱電源通過控制柜后進入變壓器把220伏（或380伏）電壓變成0～50伏，送入直拉單晶爐的紫銅電極。2.3熱系統(tǒng)直拉單晶爐熱系統(tǒng)由加熱器、保溫罩、石墨電極、石墨托碗、石墨托桿組成。保溫罩一般用高純石墨、鉬片或碳氈制成。強大電流通過加熱器，產生高溫，由保溫罩保溫，形成熱場。石墨加熱器單晶爐加熱器2.4水冷系統(tǒng)和真空系統(tǒng)用直拉單晶爐拉制硅單晶是在高溫下進行的，因此，爐膛、觀察窗、籽晶軸、坩堝軸、紫銅電極等于必須進行水冷。直拉單晶爐都有龐大的水冷系統(tǒng)，它由進水管道、水閥、水壓繼電器、分水箱、各冷卻部分水網、回水箱和排水管等組成水系。真空系統(tǒng)使直拉單晶爐獲得真空并測量真空度高低，包括真空機組、真空測量儀表（真空計）和熱偶規(guī)管二大部分。3.直拉單晶爐熱場直拉單晶爐熱系統(tǒng)由加熱器、保溫系統(tǒng)、支持機構、托桿、托碗等組成。加熱器是熱系統(tǒng)的主體。用高純石墨制成。保溫系統(tǒng)用石墨制成，也有碳素纖維、碳氈、高純石英鉬片和高純石墨其中幾種材料混合組成。熱系統(tǒng)的大小、高矮、厚薄不同，溫度的變化不同。用溫度梯度從數(shù)量上描述溫度分布情況。單晶爐的熱場在整個拉晶過程中是變化的，因此上面所說的熱場，包括靜態(tài)熱場和動態(tài)熱場兩種形態(tài)。靜態(tài)熱場指多晶硅熔化后，引晶時的溫度分布狀況，由加熱器、保溫系統(tǒng)、坩堝位置及周圍環(huán)境決定。動態(tài)熱場指拉晶時的熱場。拉晶時，由于晶體生長放出潛熱，影響溫度分布，熔體液面下降，使溫度分布發(fā)生變化。這種不斷變化的熱場稱為動態(tài)熱場。動態(tài)熱場是晶體生長時的實際熱場，它是在靜態(tài)熱場的基礎上補充變化而來，我們主要研究討論靜態(tài)熱場。單晶硅是在熱場中進行拉制的，熱場的優(yōu)劣對單晶硅質量有很大影響。單晶硅生長過程中，好的熱場，能生產出高質量的單晶。不好的熱場容易使單晶變成多晶，甚至根本引不出單晶。有的熱場雖然能生長單晶，但質量較差，有位錯和其他結構缺陷。因此，找到較好的熱場條件，配置最佳熱場，是非常主要的直拉單晶工藝技術。單晶硅生長時，熱場中存在著固體（晶體），熔體兩種形態(tài)，溫度梯度也有兩種。晶體中的縱向溫度梯度(dT/dy)s和徑向溫度梯度(dT/dx)s。熔體中的縱向溫度梯度(dT/dy)L和徑向溫度梯度(dT/dx)L。是兩種完全不同的溫度分布。最能影響結晶狀態(tài)是生長界面處的溫度梯度(dT/dy)s-L，(dT/dx)s-L，它是晶體、熔體、環(huán)境三者的傳熱、放熱、散熱綜合影響的結果，在一定程度上決定看單晶質量。晶體生長時單晶硅的溫度梯度粗略的講：離結晶界面越遠，溫度越低。即(dT/dy)s>0。只有(dT/dy)s足夠大時，才能單晶硅生長產生的結晶潛熱及時傳走，散掉，保持結晶界面溫度穩(wěn)定。若(dT/dy)s較小，晶體生長產生的結晶潛熱不能及時散掉，單晶硅溫度會增高，結晶界面溫度隨著增高，熔體表面的過冷度減小，單晶硅的正常生長就會受到影響。(dT/dy)s過大，結晶潛熱隨著及時散掉，但是，由于晶體散熱快，熔體表面一部分熱量也散掉，結晶界面溫度會降低，表面過冷度增大，可能產生新的不規(guī)則的晶核，使晶體變成多晶，同時，熔體表面過冷度增大，單晶可能產生大量結構缺陷?？傊w的縱向溫度梯度(dT/dy)s要足夠大，但不能過大。晶體生長時熔體的溫度梯度概概括地說，離液面越遠溫度越高，(dT/dy)L>0。溫度梯度(dT/dy)L較大時，離開液面越遠溫度越高。即使有較小的溫度降低，生長界面以下熔體溫度高于結晶溫度，不會使晶體局部生長較快，生長界面較平坦的，晶體生長是穩(wěn)定的。溫度梯度(dT/dy)L較小時，結晶界面以下熔體溫度與結晶溫度相差較少。熔體溫度波動時可能生成新晶核，凝結在單晶硅界面使單晶硅發(fā)生晶變。晶體生長不穩(wěn)定。當熔體表面較厚的一層處于實際結晶溫度（低于熔點溫度），單晶硅生長更不穩(wěn)定。特殊情況下，(dT/dy)L是負值，即離開結晶界面越遠，溫度越低，熔體內部溫度低于結晶溫度，單晶硅會長入熔體，無法得到單晶。合理的熱場結晶界面縱向溫度梯度可以大一點，才能使單晶生長有足夠的動力，(dT/dy)s-L不能很大，既能使單晶良好生長，又不使單晶產生結構產生結構缺陷，盡量使縱向溫度梯度變化緩慢，不形成溫度突變，使單晶受到較大的熱沖擊。徑向溫度梯度盡量接近于零，即(dT/dx)s-L=0，保證結晶界面平坦。熱場配制和調試熱場配置是將加熱器、保溫罩、保溫蓋、石墨托碗等組成一些幾何形式，改變單晶爐內的溫度分布狀況。主要改變熔硅和熔硅上部空間的溫度分布狀況.好的熱場下拉晶過程順利，拉出的單晶電阻率均勻性好，結構缺陷少，質量高。不好的熱場下拉晶操作復雜，拉出的單晶電阻率均勻性差，結構缺陷較多，質量較差。在不好的熱場下拉晶，還很不容易成單晶或在拉晶中途產生大量結構缺陷或變成多晶。這都是由于熱場縱向梯度過小造成的。增大生長界面縱向溫度梯度最簡便的辦法是提高坩堝位置，或者適當降低保溫罩的高度。加大蓋板孔或縮小蓋板孔（看實際情況而定）。當然，石墨器件在長時間生產中會老化，性能有所變化，也會使縱向溫度梯度降低。由熱系統(tǒng)組成的熱場是一個有機的整體，調整縱向溫度梯度時，徑向溫度梯度也會變化。同樣的熱場，在不同拉晶條件下縱向溫度梯度也不相同；真空條件下，縱向溫度梯度較小的熱場，氣氛條件下縱向溫度梯可能很大，流動氣氛下更大。總之，熱場溫度梯度大小不但決定于熱系統(tǒng)影響，還決定于拉晶條件。晶向影響：直拉法生長單晶硅的熱場，沿[111]晶向生長的縱向溫度梯度大于沿[110]晶向生長的縱向溫度梯度，沿[100]晶向生長的縱向溫度梯度最小。3拉晶過程3.1裝爐前的準備在高純工作室內，戴上清潔處理過的薄膜手套，將清潔處理好的定量多晶硅，放入潔凈的坩堝內，還可以用四氟塑料包裹的不銹鋼鑷子把清潔處理好的多晶硅夾入潔凈的坩堝內，坩堝內的多晶硅堆成饅頭形。裝料較多的單晶爐（投料量大于2公斤），一般把坩堝放入經過清潔處理的單晶爐后，再裝多晶硅。用萬分之一光學天平稱好摻雜劑，放入清潔的小塑料袋內。打開爐門，取出上次拉的硅單晶，卸下籽晶夾，取出用過的石英坩堝，取出保溫罩和石墨托碗，用毛刷把上面的附著物刷干凈。用尼龍布（也可用毛巾）沾無水乙醇擦干凈爐壁、坩堝軸和籽晶軸。擦完后，把籽晶軸、坩堝軸升到較高位置，最后用高壓空氣吹洗保溫罩、加熱器、石墨托碗。值得指出的是，熱系統(tǒng)中如果換有新石墨器件，必須在調溫伉真空下煅燒一小時，除去石墨中的一些雜質和揮發(fā)物。3.2裝爐腐蝕好的籽晶裝入籽晶夾頭。籽晶夾頭有卡瓣式和捆扎式，無論采用哪種結形式，籽晶一定要裝正、裝牢。否則，晶體生長方向會偏離要求晶向，也可能拉晶時籽晶脫落、發(fā)生事故。將清理干凈的石墨器件裝入單晶爐，調整石墨器件位置，使加熱器、保溫罩、石墨托碗保持同心，調節(jié)石墨托碗，使它與加熱器上緣水平，記下位置，然后把裝好的籽晶夾頭和防渣罩一起裝在籽晶軸上。將稱好的摻雜劑放入裝有多晶硅石英坩堝中（每次放法要一樣），再將石英坩堝放在石墨托碗里。在單晶爐內裝多晶硅時，先將石英坩堝放入托碗，然后可按裝多晶步驟往石英坩堝內放多晶塊，多晶硅裝完后，用塑料布將坩堝蓋好，再把防渣罩和裝好籽晶的夾頭裝在籽晶軸上。轉動坩堝軸，檢查坩堝是否放正，多晶硅塊放的是否牢固，一切正常后，坩堝降到熔硅位置。拉制摻雜劑是純元素銻、磷、砷易揮發(fā)金屬的單晶硅，不能將摻雜劑預先放入石英坩堝，必須放在摻雜勺內，才能保證摻雜準確。一切工作準確無誤后，關好爐門，開動機械泵和低真空閥門抽真空，爐內真空達5×10-1乇時，打開冷卻水，開啟擴散泵，打開高真空閥。爐內真空升到1×10-3乇時，即可加熱熔硅。在流動氣氛下和減壓下熔硅，單晶爐內真空達到10-1乇時關閉真空泵，通入高純氬氣10分鐘，或者一邊通入高純氬氣，一邊抽空10分鐘，即可加熱熔硅。3.3熔硅開啟加熱功率按鈕，使加熱功率分2-3次（大約半小時）升到熔硅的最高溫度（約1500℃）熔硅時，特別注意真空度的高低，真空低于10-2乇時，應暫時停止加溫，待真空回升后，再繼續(xù)緩慢加溫；多晶硅塊附在坩堝邊時應進行處理；多晶硅塊大部分熔化后，硅熔液有激烈波動時必須立刻降溫。一般說來，在流動氣氛下或在減壓下熔硅比較穩(wěn)定。熔硅溫度升到1000℃時應轉動坩堝，使坩堝各部受熱均勻。當剩一塊直徑約Φ20毫米的硅塊時，逐漸降溫，升高坩堝，較快降到引晶功率。多晶硅全部熔完后，將坩堝升到引晶位置，同時關閉擴散泵和高真空閥門，只開機械泵保持低真空，轉動籽晶軸，下降籽晶至熔硅液面3-5毫米處。減壓下拉晶，關閉高真空后以一定流量通入高純氬氣，同時調整低真空閥門使爐膛保持恒定真空。流動氬氣下拉晶，硅熔化完后，同時關閉機械泵、擴散泵、高真空和低真空閥門，以一定流量通入高純氬氣，調整排氣閥門，使爐膛保持一定的正壓強，轉動籽晶軸，降下籽晶。如果用摻雜勺摻雜，關閉真空泵、擴散泵、真空閥門后，通入爐膛高純氬氣，到達0.3-0.4kg壓強，把摻雜勺移到坩堝中心，將摻雜劑倒入坩堝，移回摻雜勺，使籽晶轉動下降。3.4引晶多晶硅全部熔完后，籽晶下降到距離熔硅3-5毫米處烘烤兩三分鐘，使籽晶溫度接近熔硅溫度，籽晶再下降與熔硅接觸，通常稱此過程為“下種”。下種前，必須確定熔硅溫度是否合適，初次引晶，應逐漸分段少許降溫，待坩堝邊上剛剛出現(xiàn)結晶，再稍許升溫使結晶熔化，此時溫度就是合適的引晶溫度；也可以觀察坩堝邊效應，確定引晶溫度，所謂坩堝邊效應，就是坩堝壁上熔硅的液面起伏現(xiàn)象，溫度高時，坩堝與熔硅反應，生成一氧化硅氣體逸出熔硅液面，帶動坩堝邊的熔硅起伏，溫度越高，硅與二氧化硅反應越激烈，起伏越厲害。SiO2+Si---高溫2SiO↑通過觀察坩堝邊液面的起伏情況，可以判斷熔體溫度的高低，熔硅沿坩堝壁上爬，頂端出現(xiàn)隱隱約約的小黑點或細黑絲時的溫度基本上就是引晶溫度。用觀察坩堝邊效應的方法確定引晶溫度，必須有較豐富的拉晶經驗，一般不采用準確的引晶溫度必須用籽晶試驗才能確定。下種后籽晶周圍馬上出現(xiàn)一片白色結晶，而且越來越大，熔硅溫度偏低，應立即升溫。下種后籽晶周圍馬上出現(xiàn)光圈，而且籽晶與熔硅接觸面越來越小，光圈抖動厲害，表示溫度偏高，應立刻降溫，否則會熔斷。這種情況有兩種可能：一是實際加熱功率偏高，應適當降低功率，隔幾分鐘再下種；一是由于熔硅和加熱器保溫系統(tǒng)熱惰性引起的，說明硅熔完后下種過急，溫度沒有穩(wěn)定，應穩(wěn)定幾分鐘后再下種。合適的引晶溫度是籽晶和熔硅接觸后，籽晶周圍逐漸出現(xiàn)光圈，最后光圈變圓。若籽晶是方形，籽晶和熔硅接觸的四條棱變成針狀，面上呈圓弧形，圓弧直徑略小于籽晶斷面的棱長。溫度合適后，提拉籽晶，開始提拉緩慢，籽晶上出現(xiàn)三個均勻分布的白點（<111>晶抽的單晶），或者四個對稱分布的白點（<100>晶向單晶），或者兩對稱分布的白點（<110>晶向單晶），引出的晶體是單晶，引晶過程結束。引晶時的籽晶相當于在硅熔體中加入一個定向晶核，使晶體按晶核方向定向生長，制得所需要晶向的單晶，同時晶核使晶體能在過冷度小的熔體中生長，自發(fā)成核困難，容易長成單晶。

3.5縮頸引出單晶后，開始縮頸?？s頸是為了排除引出單晶中的位錯。下種時，由于籽晶和熔硅溫差大，高溫的熔硅對籽晶造成強烈的熱沖擊，籽晶頭部產生大量位錯，通過縮頸，使晶體在生長中將位錯“縮掉”，成為無位錯單晶?？s頸方法有兩種：快縮頸和慢縮頸。慢縮頸熔體溫度較高，主要控制溫度，生長速度一般為0.8～2毫米/分?？炜s頸熔體溫度較低，主要控制生長速度，生長速度一般為2～6毫米/分。沿<111>方向生長的硅單晶，細頸的長度等于細頸直徑的4～5倍。3.6放肩和轉肩細頸達到規(guī)定長度后，如果晶棱不斷，立刻降溫，降拉速，使細頸逐漸長大到規(guī)定的直徑，此過程稱為放肩。放肩有慢放肩和放平肩兩種方法。慢放肩主要調整熔硅溫度，緩慢降溫，細頸逐漸長大，晶體將要長到規(guī)定直徑時開始升溫，緩慢提高拉速，使單晶平滑緩慢達到規(guī)定直徑，進入等直徑生長。慢放肩主要通過觀察光圈的變化確定熔硅溫度的高低?？s頸—放肩—等直徑，光圈的變化為：閉合—開口—開口增大—開口不變—開口縮小—開口閉合。熔硅溫度低，單晶生長快，光圈開口大；熔硅溫度高，單晶生長慢，光圈開口小。放平肩的特點主要控制單晶生長速度，熔體溫度較低（和慢放肩相比）。放肩時，拉速很慢，拉速可以是零，當單晶將要長大到規(guī)定直徑時升