1、摘 要單晶硅可以用于二極管級、整流器件級、電路級以及太陽能電池級單晶產品的生產和深加工制造，其后續產品集成電路和半導體別離器件已廣泛應用于各個領域，在軍事電子設備中也占有重要地位。 在光伏技術和微小型半導體逆變器技術飛速開展的今天，利用硅單晶所生產的太陽能電池可以直接把太陽能轉化為光能，實現了邁向綠色能源革命的開始。北京 2021 年奧運會將把“綠色奧運做為重要展示面向全世界展現，單晶硅的利用在其中將是非常重要的一環。現在，國外的太陽能光伏電站已經到了理論成熟階段，正在向實際應用階段過渡，太陽能硅單晶的利用將是普及到全世界范圍，市場需求量不言而喻。單晶硅產品包括 3”-6”單晶硅圓形棒、片及方

2、形棒、片，適合各種半導體、電子類產品的生產需要，其產品質量經過當前世界上最先進的檢測儀器進行檢驗，到達世界先進水平。本次畢業設計是對單晶硅的生產工藝和單晶硅的應用領域及應用前景做相應的研究。本文首先對單晶硅的加工方法、加工工藝做了詳細的介紹，然后對以單晶硅為原產品加工出來的不同產品的應用做了具體的分析。關鍵詞：單晶硅 生產工藝 應用領域 應用前景 目 錄摘要. .-1-緒論.-3- 一單晶硅概述.-4-1. 根本概念.-5- 2. 單晶硅的物理性質.-5- 3. 單晶硅的主要用途.-5-4. 單晶硅研究前景 .-5- 5. 單晶硅市場開展概況 .-7-二單晶硅的生產工藝.-7-(一) 多晶硅制

3、作單晶硅的料.-7- 二 單晶硅的制造過程.-8-三直拉法單晶硅工藝. -8- 1制造設備.- 8- 2.原理簡介.- 9- 3.直拉法單晶硅工藝過程. .- 9- 4.改進后的直拉.- 11 (四)懸浮區熔法. -11 三 單晶硅的應用.-12 - 一單晶硅的應用前景. - 12- 二 單晶硅太陽能電池 .- 12- 1. 根本結構.-12- 2. 太陽能電池片制作工藝流程.- 16- 參考文獻.-18- 致謝.-19- 緒 論單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面

4、取向相同的晶粒，那么這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。單晶硅棒是生產單晶硅片的原材料，隨著國內和國際市場對單晶硅片需求量的快速增加，單晶硅棒的市場需求也呈快速增長的趨勢。單晶硅圓片按其直徑分為 6 英寸、8 英寸、12 英寸300 毫米及 18 英寸450 毫米等。直徑越大的圓片，芯片的本錢也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術的要求也越高。單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法CZ、區熔法FZ和外延法。直拉法、區熔法生長單晶硅棒材，外延法生長單晶硅薄膜。直拉法生長的單晶硅主要用于半導體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控制在 38 英寸。區熔法單晶主要用于高壓大功率可控整

5、流器件領域，廣泛用于大功率輸變電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節能燈、電視機等系列產品。目前晶體直徑可控制在 36 英寸。外延片主要用于集成電路領域。單晶硅也稱硅單晶，是電子信息材料和光伏行業中最根底性材料，屬半導體材料類。單晶硅已滲透到國民經濟和國防科技中各個領域。 硅片直徑越大，技術要求越高，越有市場前景，價值也就越高。日本、美國和德國是主要的硅材料生產國。中國硅材料工業與日本同時起步，但總體而言，生產技術水平仍然相對較低，而且大局部為 2.5、3、4、5 英寸硅錠和小直徑硅片。中國消耗的大局部集成電路及其硅片仍然依賴進口。但我國科技人員正迎頭趕上，于 1998年成功地制造出了 12

6、 英寸單晶硅，標志著我國單晶硅生產進入了新的開展時期。目前，全世界單晶硅的產能為 1 萬噸/年，年消耗量約為 6000 噸7000 噸。未來幾年中，世界單晶硅材料開展將呈現以下開展趨勢：1 單晶硅產品向 300mm 過渡，大直徑化趨勢明顯隨著半導體材料技術的開展，對硅片的規格和質量也提出更高的要求，適合加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大。目前，硅片主流產品是 200mm，逐漸向300mm 過渡，研制水平到達 400mm450mm。據統計，200mm 硅片的全球用量占 60左右，150mm 占 20左右，其余占 20左右。Gartner 發布的對硅片需求的 5 年預測說明，全球 300

7、mm 硅片將從 2000 年的 1.3增加到 2006 年的21.1。日、美、韓等國家都已經在 1999 年開始逐步擴大 300mm 硅片產量。據不完全統計，全球目前已建、在建和方案建的 300mm 硅器件生產線約有 40 余條，主要分布在美國和我國臺灣等，僅我國臺灣就有 20多條生產線，其次是日、韓、新及歐洲。世界半導體設備及材料協會SEMI的調查顯示，2004 年和 2005 年，在所有的硅片生產設備中，投資在 300mm 生產線上的比例將分別為 55和 62，投資額也分別到達 130.3億美元和 184.1 億美元，開展十分迅猛。而在 1996 年時，這一比重還僅僅是零。2、硅材料工業開

8、展日趨國際化、集團化、生產高度集中化 研發及建廠本錢的日漸增高，加上現有行銷與品牌的優勢，使得硅材料產業形成“大者恒大的局面，少數集約化的大型集團公司壟斷材料市場。上世紀 90 年代末，日本、德國和韓國主要是日、德兩國資本控制的 8 大硅片公司的銷量占世界硅片銷量的 90以上。根據 SEMI 提供的 2002 年世界硅材料生產商的市場份額顯示，Shiners、SUMCO、Wackier、MEMC、Komatsu 等 5 家公司占市場總額的比重到達 89，壟斷地位已經形成。3、硅基材料成為硅材料工業開展的重要方向 隨著光電子和通信產業的開展，硅基材料成為硅材料工業開展的重要方向。硅基材料是在常規

9、硅材料上制作的，是常規硅材料的開展和延續，其器件工藝與硅工藝相容。主要的硅基材料包括 SOI絕緣體上硅、Gesso 和 應力硅。目前 SOI 技術已開始在世界上被廣 SOI泛使用， 材料約占整個半導體材料市場的 30左右，2021 年占到 50左右的市場。 Suites公司世界最大的 SOI 生產商的 2000 年2021 年 SOI 市場預測以及 2005 年各尺寸 SOI硅片比重預測了產業的開展前景。 4、硅片制造技術進一步升級半導體芯片集成電路設計幅員芯片制造工藝 目前世界普遍采用先進的切、 拋和潔凈封裝工藝， 磨、 使制片技術取得明顯進展。在日本，200mm硅片已有 50采用線切割機進

10、行切片，不但能提高硅片質量，而且可使切割損失減少 10。日本大型半導體廠家已經向 300mm 硅片轉型，并向 0.13m 以下的微細化開展。另外，最新尖端技術的導入，SOI 等高功能晶片的試制開發也進入批量生產階段。對此，硅片生產廠家也增加了對 300mm 硅片的設備投資，針對設計規那么的進一步微細化，還開發了高平坦度硅片和無缺陷硅片等，并對設備進行了改進。 一 單晶硅概述(一)根本概念 單晶硅是硅的單晶體，是具有根本完整的結構的點陣晶體。不同的方向具有不同的性質，是一種良好的半導材料。純度要求到達 99.9999，甚至到達 99.9999999以上。 單晶硅晶體硬而脆具有金屬光澤，能導電，但

11、導電率不及金屬，局部隨溫度升高而增加，具有半導體性質。單晶硅是重要的半導體材料，在單晶硅中摻入微量的 IIIA族元素，形成 P 型半導體。摻入微量的第 vat 族元素，形成 N 型半導體。形成 N 型和 P 型導體結合在一起，就可以做成太陽能電池，將輻射能轉變為電能，在開發電能方面是一種很有前途的材料。(二)單晶硅的物理性質 硅是地球上儲藏最豐富的材料之一，從 19 世紀科學家們發現了晶體硅的半導體特性后，它幾乎改變了一切，甚至人類的思維。直到上世紀 60 年代開始，硅材料就取代了原有鍺材料。硅材料因其具有耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件的特性而成為應用最多的一種半導體材料，目前

12、的集成電路大多數是用硅材料制造的。 熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，那么這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅。單晶硅具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其電導率隨溫度的升高而增加，有顯著的半導電性。超純的單晶硅是本征半導體。在超純單晶硅中摻入微量的A 族元素，如硼可提高其導電的程度，而形成 p 型硅半導體；如摻入微量的A 族元素，如磷或砷也可提高導電程度，形成 n 型硅半導體。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。(三)單晶硅的主要用途 在日常生活里，單晶硅可以說無處不在，電視、電腦

13、、冰箱、 、手表、汽車，處處都離不開單晶硅材料，單晶硅作為科技應用普及材料之一，已經滲透到人們生活中各個角落。 人類在征服宇宙的征途上，所取得的每一步進步，都有著單晶硅的身影。航天飛機、宇宙飛船、人造衛星都要以單晶硅作為必不可少的原材料。 直拉單晶硅產品，可以用于二極管級、整流器件級、電路級以及太陽能電池級單晶產品的生產和深加工制造，其后續產品集成電路和半導體別離器件已廣泛應用于各個領域，在軍事電子設備中也占有重要地位 (四)單晶硅研究前景 日本、美國和德國是主要的硅材料生產國。中國硅材料工業與日本同時起步，但總體而言，生產技術水平仍然相對較低，而且大局部為 2.5、3、4、5 英寸硅錠和小直

14、徑硅片。中國消耗的大局部集成電路及其硅片仍然依賴進口。但我國科技人員正迎頭趕上，于 1998 年成功地制造出了 12 英寸單晶硅，標志著我國單晶硅生產進入了新的開展時期。目前，全世界單晶硅的產能為 1 萬噸/年，年消耗量約為 6000 噸7000噸。未來幾年中，世界單晶硅材料開展將呈現以下開展趨勢： 1.微型化 隨著半導體材料技術的開展，對硅片的規格和質量也提出更高的要求，適合微細加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大。目前，硅片主流產品是 200mm，逐漸向 300mm 過渡，研制水平到達 400mm450mm。據統計，200mm 硅片的全球用量占 60左右，150mm 占 20左右，

15、其余占 20左右。Gartner 發布的對硅片需求的5 年預測說明，全球 300mm 硅片將從 2000 年的 1.3增加到 2006 年的 21.1。日、美、韓等國家都已經在 1999 年開始逐步擴大 300mm 硅片產量。據不完全統計，全球目前已建、在建和方案建的 300mm 硅器件生產線約有 40 余條，主要分布在美國和我國臺灣等，僅我國臺灣就有 20 多條生產線，其次是日、韓、新及歐洲。 世界半導體設備及材料協會SEMI的調查顯示，2004 年和 2005 年，在所有的硅片生產設備中，投資在 300mm 生產線上的比例將分別為 55和 62，投資額也分別到達 130.3 億美元和 18

16、4.1 億美元，開展十分迅猛。而在 1996 年時，這一比重還僅僅是零。 2.國際化、集團化、集中化 研發及建廠本錢的日漸增高，加上現有行銷與品牌的優勢，使得硅材料產業形成“大者恒大的局面，少數集約化的大型集團公司壟斷材料市場。上世紀 90 年代末，日本、德國和韓國主要是日、德兩國資本控制的 8 大硅片公司的銷量占世界硅片銷量的 90以上。根據 SEMI 提供的 2002 年世界硅材料生產商的市場份額顯示，Shiners、SUMCO、Wackier、MEMC、Komatsu 等 5 家公司占市場總額的比重到達89，壟斷地位已經形成。 3.硅基材料 隨著光電子和通信產業的開展，硅基材料成為硅材料

17、工業開展的重要方向。硅基材料是在常規硅材料上制作的，是常規硅材料的開展和延續，其器件工藝與硅工藝相容。主要的硅基材料包括 SOI、Gesso 和應力硅。目前 SOI 技術已開始在世界上被廣泛使用，SOI 材料約占整個半導體材料市場的 30左右，預計到 2021 年將占到 50左右的市場。Suites 公司世界最大的 SOI 生產商的 2000 年2021 年 SOI 市場預測以及 2005 年各尺寸 SOI 硅片比重預測了產業的開展前景。 4.硅片制造技術進一步升級 半導體芯片集成電路設計幅員芯片制造工藝目前世界普遍采用先進的切、磨、拋和潔凈封裝工藝，使制片技術取得明顯進展。在日本，200mm

18、 硅片已有 50采用線切割機進行切片，不但能提高硅片質量，而且可使切割損失減少 10。日本大型半導體廠家已經向 300mm 硅片轉型，并向 0.13m 以下的微細化開展。另外，最新尖端技術的導入，SOI 等高功能晶片的試制開發也進入批量生產階段。對此，硅片生產廠家也增加了對 300mm 硅片的設備投資，針對設計規那么的進一步微細化，還開發了高平坦度硅片和無缺陷硅片等，并對設備進行了改進。 硅是地殼中賦存最高的固態元素，其含量為地殼的四分之一，但在自然界不存在單體硅，多呈氧化物或硅酸鹽狀態。硅的原子價主要為 4 價，其次為 2 價；在常溫下它的化學性質穩定，不溶于單一的強酸，易溶于堿；在高溫下化

19、學性質活潑，能與許多元素化合。 硅材料資源豐富，又是無毒的單質半導體材料，較易制作大直徑無位錯卑微缺陷單晶。晶體力學性能優越，易于實現產業化，仍將成為半導體的主體材料。 多晶硅材料是以工業硅為原料經一系列的物理化學反響提純后到達一定純度的電子材料，是硅產品產業鏈中的一個極為重要的中間產品，是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅制品的主要原料，是信息產業和新能源產業最根底的原材料。(五) 單晶硅市場開展概況 2007 年，中國市場上有各類硅單晶生長設備 1500 余臺，分布在 70 余家生產企業。2007 年 5 月 24 日，國家“863”方案超大規模集成電路IC配套材料重大專項總體組在北京組織專

20、家對西安理工大學和北京有色金屬研究總院承當的“TDR-150 型單晶爐12 英寸 MCZ 綜合系統完成了驗收。這標志著擁有蜘蛛知識產權的大尺寸集成電路與太陽能用硅單晶生長設備，在我國首次研制成功。這項產品使中國能夠開發具有自主知識產權的關鍵制造技術與單晶爐生產設備，填補了國內空白，初步改變了在晶體生長設備領域研發制造受制于人的局面。 硅材料市場前景廣闊，中國硅單晶的產量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的硅片生產已成為國際公認的事實，為世界和中國集成電路、半導體分立器件和光伏太陽能電池產業的開展做出了較大的奉獻。二 單晶硅的生產工藝一多晶硅制作單晶硅的原料 單晶硅的制法通常是先制得多晶硅

21、或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。多晶硅材料是制備單晶硅的唯一原料和生產太陽能電池的原料，是以工業硅為原料經一系列的物理化學反響提純后到達一定純度的電子材料，是硅產品產業鏈中的一個極為重要的中間產品，是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅制品的主要原料，是信息產業和新能源產業最根底的原材料。 多晶硅按純度分類可以分為冶金級工業硅、太陽能級、電子級。 (1)冶金級硅MG：是硅的氧化物在電弧爐中被碳復原而成。一般含 Si 為 90 - 95以上，高達 99.8 以上。 (2)太陽級硅 SG：純度介于冶金級硅與電子級硅之間，至今未有明確界定。一般認為含 Si 在 99.99

22、99.999946 個 9。 (3) 電 子 級 硅 EG ： 一 般 要 求 含 Si got 99.9999 以 上 ， 超 高 純 達 到99.999999999.999999999911 個 9。其導電性介于 1041010 歐厘米。 多晶硅是半導體工業、電子信息產業、太陽能光伏電池產業的最主要、最根底的功能性材料。主要用做半導體的原料，是制做單晶硅的主要原料，可作各種晶體管、整流二極管、可控硅、太陽能電池、集成電路、電子計算機芯片以及紅外探測器等。 多晶硅生產技術主要有：改進西門子法、硅烷法和流化床法。正在研發的還有冶金法、氣液沉積法、重摻硅廢料法等制造低本錢多晶硅的新工藝。世界上

23、85的多晶硅是采用改進西門子法生產的，其余方法生產的多晶硅僅占 15。西門子法三氯氫硅復原法是以 Hall或 Cl2、H2和冶金級工業硅為原料，將粗硅工業硅粉與 Hall 在高溫下合成為 SiHCl3，然后對 SiHCl3 進行化學精制提純，接著對 SiHCL3 進行多級精餾，使其純度到達 9 個 9 以上，其中金屬雜質總含量應降到 0.1ppba以下，最后在復原爐中 在 1050的硅芯上用超高純的氫氣對 SiHCL3 進行復原而長成高純多晶硅棒。 二單晶硅的制造過程單晶硅的生產過程包括以下幾個步驟：加料熔化縮頸生長放肩生長等徑生長尾部生長 1加料：將多晶硅原料及雜質放入石英坩堝內，雜質依電阻

24、的或型而定。雜質種類有硼，磷，銻，砷。 2熔化：加完多晶硅原料于石英堝內后，長晶爐必須關閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內，然后翻開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度1420以上，將多晶硅原料熔化。 3縮頸生長：當硅熔體的溫度穩定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場接觸時的熱應力，會使籽晶產生位錯，這些位錯必須利用縮頸生長使之消失掉。縮頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小46mm由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體外表，產生零位錯的晶體。 4放肩生長：長完細頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。 5等

25、徑生長：長完細頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調整，可使晶棒直徑維持在正負之間，這段直徑固定的局部即稱為等徑局部。單晶硅片取自于等徑局部。 6尾部生長：在長完等徑局部之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么熱應力將使得晶棒出現位錯與滑移線。于是為了防止此問題的發生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。 (三)直拉法單晶硅工藝 直拉法也叫切克勞斯基(J.Czochralski)方法。此法早在1917年由切克勞斯基建立的一種晶體生長方法，用直拉發生長單晶的設備和工藝比擬簡單，容易實現自動控制，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，可以制備低電

26、阻率單晶。據統計，世界上硅單晶的產量中70%80%是用直拉法生產的。 1.制造設備 單晶硅生長爐是通過直拉法生產單晶硅的制造設備。主要由主機、加熱電源和計算機控制系統三大局部組成。在國內，單晶硅生長爐主要有江南電力光伏科技生產的單晶硅生長爐(TDR85/95/105-JN)，上虞晶盛機電工程生產的IJS系列TDR80A，TDR80B ，TDR85A ，TDR95A型全自動晶體生長爐，中國西安理工大學研究所生產的主要產品有TDR-62B、TDR-70B、TDR-80。 (1)主機局部 機架，雙立柱 雙層水冷式結構爐體 水冷式閥座 晶體提升及旋轉機構 坩堝提升及旋轉機構 氬氣系統 真空及自動爐壓檢

27、測控制 水冷系統及多種平安保障裝置 留有二次加聊口 2加熱器電源 全水冷電源裝置采用專利電源或原裝進口IGBT及超快恢復二極管等功率器件。配以特效高頻變壓器，構成新一代高頻開關電源。采用移相全橋軟開關(IVS)及CPU獨立控制技術，提高了電能轉換效率，不需要功率因數補償裝置。 3計算機控制系統 采用PLC和上位工業平板電腦PC機，配置大屏幕觸摸式HMI人機界面、高像素CCD測徑ADC系統和具有獨立知識產權的“全自動CZ法晶體生長SCADA監控系統，可實現從抽真空檢漏爐壓控制熔料穩定溶接引晶放肩轉肩等徑收尾停爐全過程自動控制。 2.原理簡介 首先，把高純度的原料多晶硅放入高純石英坩堝，通過石墨加

28、熱器產生的高溫將其熔化。然后，對熔化的硅液稍做降溫，使之產生一定的過冷度，再用一根固定在籽晶軸上的硅單晶體(稱作籽晶)插入熔體外表，待籽晶與熔體熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶體便會在籽晶下端生長。接著，控制籽晶生長出一段100mm左右、直徑為35mm的細頸，用于消除高溫溶液對籽晶的強烈熱沖擊而產生的原子排列的位錯，這個過程就是引晶；隨后，放大晶體直徑到工藝要求的大小，一般為75300mm,這個過程稱為放肩。接著，突然提高拉速進行轉肩操作，使肩部近似直角；然后進入等徑工藝，通過控制熱場溫度和晶體提升速度，生長出一定直徑規格大小的單晶柱體。最后，待大局部硅溶液都已經完成結晶時，再將晶體逐漸縮小而形成一

29、個尾形錐體，稱為收尾工藝。這樣一個單晶拉制過程就根本完成，進行一定的保溫冷卻后就可以取出。 3.直拉法單晶硅工藝過程 1工藝過程 引晶：通過電阻加熱，將裝在石英坩堝中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔點的溫度，將籽晶浸入熔體，然后以一定速度向上提拉籽晶并同時旋轉引出晶體； 縮頸：生長一定長度的縮小的細長頸的晶體，以防止籽晶中的位錯延伸到晶體中； 放肩：將晶體控制到所需直徑； 等徑生長：根據熔體和單晶爐情況，控制晶體等徑生長到所需長度； 收尾：直徑逐漸縮小，離開熔體； 降溫：降低溫度，取出晶體，待后續加工。 2生產過程中要注意的幾個根本問題 a.最大生長速度晶體生長最大速度與晶體中的縱向溫度梯度、晶

30、體的熱導率、晶體密度有關。提高晶體中的溫度梯度，可以提高晶體生長速度；但溫度梯度太大，將在晶體中產生較大的熱應力，會導致位錯等晶體缺陷的形成，甚至會使晶體產生裂紋。為了降低位錯密度、晶體實際生長速度往往低于最大生長速度。 b.熔體中的對流相互相反旋轉的晶體(順時針)和坩堝所產生的強制對流是由離心力和向心力，最終由熔體外表張力梯度所驅動的。所生長的晶體的直徑越大(坩堝越大)，對流就越強烈，會造成熔體中溫度波動和晶體局部回熔，從而導致晶體中的雜質分布不均勻等。實際生產中，晶體的轉動速度一般比坩堝快13倍，晶體和坩堝彼此的相互反向運動導致熔體中心區與外圍區發生相對運動，有利于在固液界面下方形成一個相

31、對穩定的區域，有利于晶體穩定生長。 c.生長界面形狀(固液界面)固液界面形狀對單晶均勻性、完整性有重要影響，正常情況下，固液界面的宏觀形狀應該與熱場所確定的熔體等溫面相吻合。在引晶、放肩階段，固液界面凹向熔體，單晶等徑生長后，界面先變平后再凸向熔體。通過調整拉晶速度，晶體轉動和坩堝轉動速度就可以調整固液界面形狀。d.生長過程中各階段的差異直拉法的引晶階段的熔體高度最高，裸露坩堝壁的高度最小，在晶體生長過程直到收尾階段，裸露坩堝壁的高度不斷增大，這樣造成生長條件不斷變化(熔體的對流、熱傳輸、固液界面形狀等)，即整個晶錠從頭到尾經歷不同的熱歷史；頭部受熱時間最長，尾部最短，這樣會造成晶體軸向、徑向

32、雜質分布不均勻。 4.改進后的直拉 改進的直拉技術主要有磁控直拉技術、連續生長技術、液體覆蓋直拉技術。 1磁控直拉技術 在直拉法中，氧含量及其分布是非常重要又難于控制的參數，主要是熔體中的熱對流加劇了熔融硅與石英坩堝的作用，即坩堝中的氧、硼、鋁等雜質易于進入熔體和晶體。熱對流還會引起熔體中的溫度波動，導致晶體中形成雜質條紋和旋渦缺陷。 半導體熔體都是良導體，對熔體施加磁場，熔體會受到與其運動方向相反的洛倫磁力作用，可以阻礙熔體中的對流，這相當于增大了熔體中的粘滯性。在生產中通常采用水平磁場、垂直磁場等技術。 磁控直拉技術于直拉法相比所具有的優點在于減少了熔體中的溫度波動。一般直拉法中固液界面附

33、近熔體中的溫度波動達10C以上，而施加0.2T的磁場，其溫度波動小于1C。這樣可明顯提高晶體中雜質分布的均勻性，晶體的徑向電阻分布均勻性也可以得到提高；降低了單晶中的缺陷密度；減少了雜質的進入，提高了晶體的純度。這是由于在磁場作用下，熔融硅坩堝的作用減弱，使坩堝中的雜質較少進入熔體和晶體。將磁場技術與晶體轉動、坩堝轉動等工藝參數結合起來，可有效控制晶體中氧濃度的變化；由于磁粘滯性，使擴散層厚度增大，可提高雜質縱向分布均勻性：有利于提高生產率。采用磁控直拉技術，如用水平磁場，當生長速度為一般直拉法兩倍時，仍可得到質量較高的晶體。 磁控直拉技術主要用于制造電荷耦合(CCD )器件和一些功率器件的硅

34、單晶。也可用于GaAs、GaSb等化合物半導體單晶的生長。 2為了提高生產率，節約石英坩堝(在晶體生產中占相當比例)，開展了連續直拉生長技術，主要是重新裝料和連續加料兩種技術： 重新加料直拉生長技術：可節約大量時間(生長完畢后的降溫、開爐、裝爐等)，一個坩堝可用屢次。連續加料直拉生長技術：除了具有重新裝料的優點外，還可保持整個生長過程中熔體的體積恒定，提高根本穩定的生長條件，因而可得到電阻率縱向分布均勻的單晶。連續加料直拉生長技術有兩種加料法：連續固體送料和連續體送料法。 3液體覆蓋直拉技術 液體覆蓋直拉技術是對直拉法的一個重大改進，用此法可以制備多種含有揮發性組元的化合物半導體單晶。 主要原

35、理：用一種惰性液體(覆蓋劑)覆蓋被拉制材料的熔體，在晶體生長室內充入惰性氣體，使其壓力大于熔體的分解壓力，以抑制熔體中揮發性租元的蒸發損失，這樣就可按通常的直拉技術進行單晶生長。 對惰性液體(覆蓋劑)的要求：密度小于所拉制的材料，既能浮在熔體外表之上； 對熔體和坩堝在化學上必須是惰性的，也不能與熔體混合，但要能浸晶體和坩堝；熔點要低于被拉制的材料且蒸汽壓很低； 有較高的純度，熔融狀態下透明。廣泛使用的覆蓋劑為三氧化二硼，密度/立方厘米，軟化溫度450C,在1300C時蒸汽壓僅為13Pa，透明性好，粘滯性也好。此種技術可用于生長GaAs 、InP、GaP和InAs單晶。 四懸浮區熔法 懸浮區熔法

36、是在20世紀50年代提出并很快被拉應用到晶體制備技術中，主要于提純和生長硅單晶。 根本原理：依靠熔體的說明張力，使熔區懸浮于多晶硅棒與下方生長出的單晶之間，通過熔區向上移動而進行提純和生長單晶。不使用坩堝，單晶生長過程不會被坩堝材料污染，由于雜質分凝和蒸汽效應，可以生長出高電阻率硅單晶。在懸浮區熔法中，使圓柱形硅棒固定于垂直上方，用高頻感應線圈在氬氣氣氛中加熱，使棒的底部和在其下部靠近的同軸固定的單晶籽晶間形成熔滴，這兩個棒朝相反方向旋轉。然后將在多晶棒與籽晶間只靠外表張力形成的熔區沿棒長逐步向上移動，將其轉換成單晶。 懸浮區熔法制備的單晶硅氧含量和雜質含量很低，經過屢次區熔提煉，可得到低氧高

37、阻的單晶硅。如果把這種單晶硅放入核反響堆，由中子嬗變慘雜法對這種單晶硅進行慘雜，那么雜質將分布得非常均勻。這種方法制備的單晶硅的電阻率非常高，特別適合制作電力電子器件。目前懸浮區熔法制備的單晶硅僅占有很小市場份額。三單晶硅的應用(一) 單晶硅的應用前景 單晶硅建設工程具有巨大的市場和廣闊的開展空間。在地殼中含量達25.8%的硅元素，為單晶硅的生產提供了取之不盡的源泉。 近年來，各種晶體材料，等特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關高科技產業的開展，成為當代信息技術產業的支柱，并使信息技術產業成為全球經濟開展中增長最快的先導產業。單晶硅作為一種極具潛能，亟待開發利用的高科技資源，正引起越

38、來越多的關注和重視。 與此同時，鑒于常規供應的能源有限性和環保壓力的增加，世界上許多國家正掀起開發利用太陽能的熱潮并成為各國制定可連續開展戰略的重要內容。 在跨入21世紀門檻后，世界大多數國家踴躍參與，以致在全球范圍掀起了太陽能開發利用的“綠色能源熱，一個廣泛的大規模的利用太陽能的時代正在來臨，太陽能級單晶硅產品也將因此炙手可熱。 此外，包括我國在內的各國政府也出臺了一系列“陽光產業的優惠政策，給予相關行業重點扶持，單晶硅產業呈現出美好的開展前景。 二單晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能電池是當前開發得最快的一種太陽電池，它的構成和生產工藝已定型，產品已廣泛用于宇宙空間和地面設施。這種太陽電池以高純

39、的單晶硅棒，材料性指標有所放寬。有的也可使用半導體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經過拉制成太陽電池專用的單晶硅棒。將單晶硅棒切成片，一般片厚度約0.3毫米。硅片經過成形、拋磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。 1.根本結構生產電池片的工藝比擬復雜，一般要經過硅片檢測、外表制絨、擴散制結、去磷硅玻璃、等離子刻蝕、鍍減反射膜、絲網印刷、快速燒結和檢測分裝等主要步驟。 1硅片檢測 硅片是太陽能電池片的載體，硅片質量的好壞直接決定了太陽能電池轉換效率的上下，因此需要對料硅片進行檢測。該工序主要用來對硅片的一些技術參數進行在線測量，這些參數主要包括硅片外表不平整度、少子壽命、電阻率、P/N型和微裂

40、紋等。該組設備分自動上下料、硅片傳輸、系統整合局部和四個檢測模塊。其中，光伏硅片檢測儀對硅片外表不平整度進行檢測；同時檢測硅片的尺寸和對角線等外觀參數；微裂紋檢測模塊用來檢測硅片的內部微裂紋；另外還有兩個檢測模組，其中一個在線測試模組主要測試硅片體電阻率硅片類型；另一個模塊用于檢測硅片的少子壽命。在進行少子壽命和電阻率檢測之前，需要先對硅片的對角線、微裂紋進行檢測，并自動剔除破損硅片。硅片檢測設備能夠自動裝片和卸片，并且能夠將不合格品放到固定位置，從而提高檢測精度和效率。2外表制絨 單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每平方厘米硅外表形成幾百萬個四面方錐體也即金字塔結構。由于入射光在外表

41、的屢次反射和折射，增加了光的吸收，提高了電池的短路電流和轉換效率。硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，可用的堿有氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。大多使用廉價的濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來制備絨面硅，腐蝕溫度為7085C，為了獲得均勻的絨面還應在溶液中酌量添加醇類如乙醇和異丙醇等作為洛合劑，以加快硅的腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約2025um，在腐蝕絨面后，進行一般的化學清洗。經過外表準備的硅片都不宜在水中久存，以防玷污，應盡快擴散制結。 3擴散制結 太陽能電池需要一個大面積的PN結以實現光能到電能的轉換，而擴散爐即為制造太陽能電池PN結的專用設備。管式擴散爐主要由石英舟的上下載局部

42、、廢氣室、爐體局部和氣柜局部等四大局部組成。擴散一般用三氯氧磷液態源作為擴散源。把P型硅片放在管式擴散爐的石英容器內，在850-900攝氏度高溫下使用氮氣將三氯氧磷帶入石英容器，通過三氯氧磷和硅片進行反響，得到磷原子。經過一定時間，磷原子從四周進入硅片的外表層，并且通過硅原子之間的空隙向硅片內部滲透擴散，形成了N型半導體和P型半導體的交界面，也就是PN結。這種方法制出的PN結均勻性好，方塊電阻的不均勻性小于百分之十，少子壽命可大于10ms。制造PN結是太多電池生產最根本也是最關鍵的工序。因為正是PN結的形成，才使電子和空穴在流動后不再回到原處，這樣就形成了電流，用導線將電流引出，就是直流電。

43、4去磷硅玻璃 該工藝用于太陽能電池片生產制造過程中，通過化學腐蝕法也即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產生化學反響生成可溶性的洛和物云氟硅酸，以去除擴散制結后在硅片外表形成的一層磷硅玻璃。在擴散過程中，三氯氧磷與氧氣反響生產五氧化二磷淀積在硅片外表。五氧化二磷與硅反響又生產二氧化硅和磷原子，這樣就在硅片外表形成一層含有磷元素的二氧化硅，稱之為磷硅玻璃。去磷硅玻璃的設備一般由本體、清洗槽、驅動系統、機械臂、電氣控制系統和自動配酸系統等局部組成，主要動力源有氫氟酸能夠溶解二氧化硅是因為氫氟酸與二氧化硅反響生成易揮發的四氟化硅氣體。假設氫氟酸過量，反響生成的四氟化硅會進一步與氫氟酸反響生成可溶性的洛

44、和物六氟硅酸。5等離子刻蝕 由于在擴散過程，即使采用背靠背擴散，硅片的所有外表包括邊緣都將不可防止地擴散上磷。PN結的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣擴散有磷的區域流到PN結的反面，而造成短路。因此，必須對太陽能電池周邊的慘雜硅進行刻蝕，以去除電池邊緣的PN結。通常采用等離子刻蝕技術完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態下，反響氣體四氟化碳的母體分子在射頻功率的激發下，產生電離并形成等離子體。等離子體是由帶電的電子和離子組成，反響腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團。活性反響基團由于擴散或者在電場作用下到達二氧化硅外表，在那里與被刻蝕材料外表發生化學反響

45、，并形成揮發性的反響生成物脫離被刻蝕物質外表，被真空系統抽出腔體。 6鍍減反射膜 拋光硅外表的反射率為35%，為了減少外表反射，提高電池的轉換效率，需要沉積一層氮化硅減反射膜。現在工業生產中常采用PECVD設備制備減反射膜。PECVD即等離子增強型化學氣相沉積。它的技術原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品開溫到預定的溫度，然后通入適量的反響氣體硅烷和氨氣，氣體經一系列化學反響和等離子體反響，在樣品外表形成固態薄膜即氮化硅薄膜。一般情況下，使用這種等離子增強型化學氣相沉積的方法沉積的薄膜厚度在70nm左右。這樣厚度的薄膜具有光學的功能性。利用薄膜干

46、預原理，可以使光的反射大為減少，電池的短路電流和輸出就有很大增加，效率也有相當的提高。 7絲網印刷 太陽電池經過制絨、擴散及PECVD等工序后，已經制成PN結，可以在光照下產生電流，為了將產生的電流導出；需要在電池外表上制作正、負兩個電極。制造電極的方法很多，而絲網印刷是目前制作太陽電池電極最普遍的一種生產工藝。絲網印刷是采用壓印的方式將預訂的圖形印刷在基板上，該設備由電池反面銀鋁漿印刷、電池反面鋁漿印刷和電池正面銀漿印刷三局部組成。其工作原理為：利用絲網圖形局部網孔透過漿料，用刮刀在絲網的漿料部位施加一定壓力，同時朝絲網另一端移動。油墨在移動中被刮刀從圖形局部的網孔中擠壓到基片上。由于漿料的

47、粘性作用使印跡固著在一定范圍內，印刷中刮極始終與絲網印版和基片呈線性接觸，接觸線隨刮刀移動而移動，從而完成印刷行程。 8快速燒結 經過絲網印刷后的硅片，不能直接使用，需經燒結爐快速燒結，將有機樹脂粘合劑燃燒掉，剩下幾乎純粹的、由于玻璃質作用而密合在硅片上的銀電極。當銀電極和晶體硅在溫度到達共同溫度時，晶體硅原子以一定的比例融入到熔融的銀電極材料中去，從而形成上下電極的歐姆接觸，提高電池片的開路電壓和填充因子兩個關鍵參數，使其具有電阻特性，以提高電池片的轉換效率。 燒結爐分為預燒結、燒結、降溫冷卻三個階段。預燒結階段目的是使漿料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉，此階段溫度慢慢上升；燃燒階段中燒結體內

48、完成各種物理化學反響，形成電阻率結構，使其真正具有電阻特性，該階段溫度到達峰值；降溫冷卻階段，玻璃冷卻硬化并凝固，使電阻膜結構固定地粘附于基片上。 9外圍設備 在電池片生產過程中，還需要供電、動力、給水、排水、暖通、真空、特氣等外圍設施。消防和環保設備對于保證平安和持續開展也顯得尤為重要。一條年產50MW能力的太陽能電池片生產線，僅工藝和動力設備用電功率就在1800KW左右。工藝純水的用量在每小時15噸左右，水質要求到達中國電子級水GB/T11446.1-1997中EW-1級技術標準。工藝冷卻水用量也在每小時15噸左右，水質中微粒粒徑不宜大于10微米，供水溫度宜在1520攝氏度。真空排氣量在3

49、00M/H左右。同時，還需要大約氮氣儲罐20立方米，氧氣儲罐10立方米。考慮到特殊氣體如硅烷的平安因素還，還需要單獨設置一個特氣間，以絕對保證生產平安。另外，硅烷燃燒塔、污水處理站等也是電池片生產的必備設施。 組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產中的關鍵步驟，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產不出好的組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強了電池的抗擊強度。產品的高質量和高壽命是贏得客戶滿意的關鍵，所以組件板的封裝質量非常重要。2.太陽電池制作工藝過程 1電池測試：由于電池片制作條件的隨機性，生產出來的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以

50、應根據其性能參數進行分類；電池測試即通過測試電池的輸出參數(電流和電壓)的大小對其進行分類。以提高電池的利用率，做出質量合格的電池組件。 2正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面(負極)的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機可以將焊帶以多點的形式點焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個紅外燈(利用紅外線的熱效應)。焊帶的長度約為電池邊長的反面電極相連。 3反面串接：反面焊接是將36片電池串接在一起形成一個組件串，我們目前采用的工藝是手動的，電池的空位主要靠一個具般，上面有36個放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對應，槽的位置已經設計好，不同規格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫

51、絲將“目前電池的正面電極(負級)焊接到“后面電池的反面電極(正極)上，這樣依次將36片串接在一起并組件串的正負極焊接出引線。 4層壓敷設：反面串接好且經過檢驗合格后，將組件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設好，準備層壓。玻璃事先涂一層試劑(primer)以增加玻璃EVA的粘接強度。敷設時保證電池串與玻璃等材料的相對位置，調整好電池間的距離，為層壓打好根底。(敷設層次：由下向上：玻璃、EVA、電池、EVA、玻璃纖維、背板)。 5組件層壓：將敷設好的電池放入層壓機內，通過抽真空將組件內部的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起，最后冷卻取出組件。層壓工藝

52、是組件生產的關鍵一步，層壓溫度層壓時間根據EVA的性質決定。我們使用快速固化EVA時，層壓循環時間約為25分鐘。固化溫度為150攝氏度。 6修邊：層壓時EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應將其切除。 7裝框：類似與給玻璃裝一個鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強度，進一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充，各邊框間用角鍵鏈接。 8焊接接線盒：在組件反面引線處焊接一個盒子，有利于電池與其他設備或電池間的連接。 9高壓測試：高壓測試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測試組件的耐壓性和絕緣強度，以保證組件在惡劣的自然條件(雷擊等)下不

53、被損壞。 10組件測試：測試的目的是對電池的輸出功率進行標定，測試其輸出特性，確定組件的質量等級。 參 考 文 獻1陳義鏞.功能分子.上海：上海科學技術出版社，19882徐支祥譯.聚合物科學與工程學根本原理.北京：科學出版社，19883朱永群.高分子根底.杭州：浙江教育出版社，19854唐培 .精細有機合成化學及工藝學(第二版).天津：天津大學出版社，19935高鴻賓.有機化學簡明教程.天津：天津大學出版社，20016唐培 .中間體化學及工藝學.北京：化學工藝出版社，19847張鑄勇.精細有機合成反響.上海：華東化工學院出版社，19908何九齡.高等有機化學.北京：化學工業出版社，19879姚

54、蒙正等.精細化工產品合成原理.北京：中國石化出版社，200010陳敏元譯.近代有機電化學的動向和未來，1980致 謝 時間如彈指一揮，在贛西學院的三年生活也快要結束了。畢業論文的設計工作也順利的完成了。在這里我誠摯的感謝我的老師和同學，他們的伴隨是我人生路上最大的幸福。 感謝我的指導老師 對我的親切關心和細心指導。在論文的選題、參考文獻的選取以及內容格式的設計方面，簡老師給了我很多的幫助。在論文的設計過程中，我遇到了好多難題，她總能在第一時間幫助我解決問題，并給我提出啟發性的建議。 感謝我的老師們在學習上對我的諄諄教誨和在生活上給我的鼓勵幫助，是他們把知識一點一點傳授給我，他們對我的關心和教育

55、我會銘記在心里。能在贛西科技職業學院接受他們的教育是我最大的榮幸。 感謝陪伴在我身邊的每一位同學和朋友。不管是在學校還是生活中在我遇到困難時他們總是熱情的幫助。 感謝我的家人，是他們給予了我生命并竭盡全力給予了我接受教育的時機，是他們誠摯的愛和溫馨的鼓勵支持我完成了學業，養育之恩莫齒難忘。畢業論文是一次系統學習的過程，是對自己專業知識水平的一個檢驗。由于專業知識水平還不夠高和時間的倉促，論文中肯定會有一些欠缺和錯誤，很懇請老師多多批評指正。贛西職業技術學院畢 業 論 文單晶硅生產工藝及應用的研究系別名稱： 新能源工程系 專業班級：光伏材料加工與應用學生姓名： 指導教師： 2012年10月15日

56、 內部資料僅供參考9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXp6X4NGpP$vSTT#UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!zn%Mz849

57、GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmUE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!zn%Mz849GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuW

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