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光伏裝備
太陽能電池片科普系列——單晶硅篇
2017-12-05 16:38:55 來源:北極星太陽能光伏網(獨家) 作者: 陳雪松 【 】 瀏覽:1258次 評論:0

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試問2017年光伏圈什么最火——單多晶之爭,無論是上游單晶占比,還是光伏電站建設的選擇,單多晶大戰都呈現出越來越激烈的態勢,不禁讓人感嘆,本是同根生,相煎何太急啊,不過也正是由于這個原因,想通過單多晶之爭來大幅拉低市場價格的機遇黨還是不要再等了吧。

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小編認為,單多晶之爭實際上是技術、成本和效益之間的競爭,更多是原材料之爭,給了你單晶我多晶產線自然就少了一點,而單晶和多晶,原本就像是一家人,很多的生產工序是可以共用的(不過需要匹配不同的相應的工藝)。而這篇文章筆者將主要帶你了解單晶硅錠的生產制造過程。

一、單晶硅制備原理

1、直拉法

直拉法是目前國內大面積使用較多的單晶硅制備技術,又稱切克勞斯基法(Czoalsik:CZ法)是1917年由切克斯基建立的一種晶體生長方法,現成為制備單晶硅的主要方法。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。目前國內太陽電池單晶硅硅片生產廠家大多采用這種技術。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。其基本原理如圖所示。多晶硅硅料置于坩堝中經加熱熔化,待溫度合適后,經過將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉肩、等徑、收尾等步驟,完成一根單晶硅錠的拉制。爐內的傳熱、傳質、流體力學、化學反應等過程都直接影響到單晶的生長及生長成的單晶的質量,拉晶過程中可直接控制的參數有溫度場、籽晶的晶向、坩堝和生長成的單晶的旋轉及提升速率,爐內保護氣體的種類、流向、流速、壓力等。CZ法是將硅料全部熔化后,由一點開始結晶,通常這樣的提純只能進行一次。

2、直拉法的優缺點

設備和工藝比較簡單,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,可以制備低阻單晶。

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。

3、區熔法

懸浮區熔法比直拉法出現晚,由W˙G˙Pfann 1952年提出,P˙H˙keck等人1953年用來提純半導體硅。懸浮區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熔單晶。區熔法有水平區熔和懸浮區熔,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熔法,生長過程中不使用坩堝,熔區懸浮于多晶硅棒和下方生長出的單晶之間,區熔法不使用坩堝,污染少,經區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。

二、工藝流程

1、直拉法

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CZ法主要設備:CZ生長爐

CZ法生長爐的組成元件可分成四部分

(1)爐體:包括石英坩堝,石墨坩堝,加熱及絕熱元件,爐壁

(2)晶棒及坩堝拉升旋轉機構:包括籽晶夾頭,吊線及拉升旋轉元件

(3)氣氛壓力控制:包括氣體流量控制,真空系統及壓力控制閥

(4)控制系統:包括偵測感應器及電腦控制系統

工藝流程:加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長

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(1)加料:將多晶硅原料及雜質放入石英坩堝內,雜質的種類依電阻的N或P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,然后打開石墨加熱器電源,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勁生長使之消失掉。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(4-6mm)由于位錯線與生長軸成一個交角,只要縮頸夠長,位錯便能長出晶體表面,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2mm之間,這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。

(6)尾部生長:在長完等徑部分之后,如果立刻將晶棒與液面分開,那么效應力將使得晶棒出現位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發生,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。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出,即完成一次生長周期。

2、區熔法

Fz法的基本設備

Fz硅單晶,是在惰性氣體保護下,用射頻加熱制取的,它的基本設備由機械結構、電力供應及輔助設施構成。機械設備包括:晶體旋轉及升降機構,高頻線圈與晶棒相對移動的機構,硅棒料的夾持機構等。電力供應包括:高頻電源及其傳送電路,各機械運行的控制電路。高頻電源的頻率為2~4MHz。輔助設施包括:水冷系統和保護氣體供應與控制系統、真空排氣系統等。區熔硅單晶的生長

原料的準備:將高質量的多晶硅棒料的表面打磨光滑,然后將一端切磨成錐形,再將打磨好的硅料進行腐蝕清洗,除去加工時的表面污染。

裝爐:將腐蝕清洗后的硅棒料安裝在射頻線圈的上邊。將準備好的籽晶裝在射頻線圈的下邊。

關上爐門,用真空泵排除空氣后,向爐內充入情性氣體(氮氣或氫與氮的混合氣等),使爐內壓力略高于大氣壓力。

給射頻圈送上高頻電力加熱,使硅棒底端開始熔化,將棒料下降與籽晶熔接。當溶液與籽晶充分熔接后,使射頻線圈和棒料快速上升,以拉出一細長的晶頸,消除位錯。

晶頸拉完后,慢慢地讓單晶直徑增大到目標大小,此階段稱為放肩。放肩完成后,便轉入等徑生長,直到結束。如圖所示

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縱觀國內,雖然已經過了那個只能做高耗能的工業級硅,提純完全靠進口的年代的時代,但是就目前而言,中國的硅產業依舊沒有太多技術上的優勢(相對而言),中國光伏行業的大力發展,也促進了硅產業的發展。太陽能發電以目前的技術看,遠遠沒有發揮出硅材料的能力,未來,希望能有更多的人、更多的企業能夠致力于技術上的創新,讓中國的硅產業走向新的高度,讓中國也能夠做出世界級的芯片級硅。(來源:北極星太陽能光伏網(獨家) 陳雪松)


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