直拉单晶硅的工艺流程.docx

能源系12级光伏班工艺手册编制 丁旭桓 校队 丁旭桓 审核 颜鲁新 第四小组：逐日者组长 ：丁旭桓组员 ：杨家荣 李彦平 曹佰顺 梁园园 漆丽选目录第一章 绪论41.1 单晶硅的制备方法41.1.1 区熔法41.1.2 直拉法41.2直拉单晶硅特点5第二章 直拉单晶硅的工艺流程与常见故障处理62.1 直拉单晶硅的一般工艺流程62.2 拉晶过程中的异常情况及其处理14 2.2.1 熔硅过程中的异常情况及其处理14 2.2.2 硅跳14 2.2.3 突然停电及熔硅时未通水15第三章 新能源市场重燃，看好光伏发电15 3.1 国家新政重燃绿色能源激情15 3.2 新能源发电看好光伏产业 1618第一章 绪论1.1 单晶硅的制备方法 为了制备性能良好的单晶硅，在生产实践中，人们通过不断探索，发现和完善了单晶硅生长技术。从熔体中生长单晶所用直拉法和区熔法，是当前生产单晶硅的主要方法。1.1.1 区熔法 区熔法又称Fz法，即悬浮区熔法悬浮区熔法比直拉法出现晚，WGPfann1952年提，PHkeck等人1953年用来提纯半导体硅，现在，区熔法正发展成为单晶硅生产的一种重要方法。 炫悬浮区熔法是将多晶硅棒用卡具卡住上端，下端对准籽晶，高频电流通过线圈与多晶硅棒耦合，产生涡流，使多晶棒部分熔化，接好籽晶，自下而上使硅棒熔化和进行单晶生长，用此法制得的硅单晶叫区熔单晶。区熔法不使用坩埚，污染少，经区熔提纯后生长的硅单晶纯度较高，含氧量和含碳量低。高阻硅单晶一般用此法生长。目前区熔单晶应用范围较窄，不及直拉工艺成熟，单晶中一些结构缺陷没有解决。1.1.2直拉法直拉法，也叫切克劳斯基（Czochralsik）方法，此法早在1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法，后来经过很多的人的改进，成为现在制备单晶硅的主要方法。用直拉法制备单晶硅时，把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。直拉法设备和工艺比较简单，容易实现自动控制；生产效率高，易于制备大直径单晶；容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低阻单晶。但用此法制单晶时，原料易被坩埚污染，硅单晶纯度降低，拉制的硅单晶电阻率大于50欧姆厘米，质量很难控制。1.2 直拉单晶硅的特点单晶硅生产方法以直拉法和区熔法为主，世界单晶硅产量，其中 7080%是直拉法生产,2030%是区熔法和其他方法生产的。直拉法仍是生产单晶硅的主要方法，它工艺成熟，便于控制晶体的外形和电学参数，容易拉制大直径无位错单晶。对直拉法该法简单描述为：原料装在一个坩锅中，坩埚上方有一个可旋转和升降的籽晶杆，杆的下端有一夹头，其上捆上一根籽晶。原料被加热器融化后，将籽晶插入熔体之后，控制合适的温度，边转动变提拉，即可获得所需单晶。根据生长晶体不同的需求，加热方式用高频度频感应加热或电阻加热法。直拉单晶硅生长的优点：1、可以方便观察晶体生长过程。2、和自由表面处生长，面与坩埚接触，可以减少热应力。3、可以方便的使用定向籽晶和籽晶细颈，以减少晶体重点缺陷，得到所需取向的晶体。单晶硅体第二章 直拉单晶硅的工艺流程与常见故障处理2.1 直拉单晶硅的一般工艺流程直拉法生长单晶硅工艺主要包括拆炉、装炉、熔硅、引晶、缩颈，放肩，转肩、等径和收尾。（一）拆炉拆炉的目的是为了取出晶体，清除炉腔内的挥发物，清除电极及加热器、保温罩等石墨件上的附着物、石英碎片、石墨颗粒、石墨毡尘埃等杂物。（二）装炉前的准备在高纯工作室内，戴上清洁处理过的薄膜手套，一般把坩埚放入经过清洁处理的单晶炉后，再装多晶硅。用万分之一光学天平称好掺杂剂，放入清洁的小塑料袋中。打开炉门，取出上次拉的单晶硅，卸下籽晶夹，取出用过的石英坩埚，取出保温罩和石墨托碗，用毛刷把上面的附着物刷干净。用尼龙布（也可以用毛巾）沾无水乙醇擦干净炉壁、坩埚轴和籽晶轴。擦完后，把籽晶轴、坩埚轴升到较高位置，最后用高压空气吹洗保温罩、加热器、石墨托碗。值得指出的是，热系统中如果换有新石墨器件，必须在调温伉真空下煅烧一小时，除去石墨中的一一些杂质和挥发物。（三）装炉腐蚀好的籽晶装入籽晶夹头。籽晶一定要装正，装牢。否则，晶体生长方向会偏离要求晶向，也可能拉晶时籽晶脱落、发生事故。将清理干净的石墨器件装入单晶炉，调整石墨器件位置，使加热器、保温罩、石墨托碗保持同心，调节石墨托碗，使它与加热器上缘水平，记下位置，然后把装好的籽晶夹头和防渣罩一起装在籽晶轴上。将称好的掺杂剂放入装有多晶硅石英坩埚中（每次放法要一样），再将石英坩埚放在石墨托碗里。在单晶炉内装多晶硅时，先将石英坩埚放入托碗，然后可按装多晶步骤往石英坩埚内放多晶块，多晶硅装完后，用塑料布将坩埚盖好，再把防渣罩和装好籽晶的夹头装在籽晶轴上。转动坩埚轴，检查坩埚是否放正，单晶硅块放的是否牢固，一切正常后，干过降到熔硅位置。拉制掺杂剂是纯元素锑、磷、砷易挥发金属的单晶硅，不能将掺杂剂预先放入石英坩埚，必须放在掺杂勺内，才能保证掺杂准确。一切工作准确无误后，关好炉门，开动机械泵和低真空阀门抽真空，炉内真空5X10-1乇时，打开冷却水，开启扩散泵，打开高真空阀。炉内真空升到1X10-3乇时，即可加热熔硅。在流动气氛下减压下熔硅，单晶炉内真空达到10-1乇时关闭真空泵，通入高纯氩气10分钟，或者一边通入高纯氩气，一边抽空10分钟，即可加热熔硅。（四）熔硅开启加热功率按钮，使加热功率分2-3次（大约半个小时）升到熔硅的最高温度（约15000C），熔硅时，特别注意真空度的高低，真空低于10-2乇，应暂时停止加温，待真空回升后，再继续缓慢加温；多晶硅块附在坩埚边时应进行处理；多晶硅块大部分熔化后，硅溶液有激烈波动时必须立即降温。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10000C时应转动坩埚，使坩埚各部受热均匀。当剥一块直径约20毫米的硅块时，逐渐降温，升高坩埚，较快降到引晶功率，多晶硅会全部熔完后，将坩埚升到引晶位置，同时关闭扩散泵和高真空阀门，只开机械泵保持低真空，转动籽晶轴，下降籽晶至熔硅液面3-5毫米处。减压下拉晶，关闭高真空后以一定流量通入高纯度氩气，同时调整低真空阀门使保护膛保持恒定真空。流动氩气下拉晶，硅融化后，同时关闭机械泵、扩散泵、高真空和低真空阀门，以一定流量通入高纯度氩气，调整排气阀门，使炉膛保持一定的正压强，转动籽晶轴，降下籽晶。（五）引晶多晶硅全部熔完后，籽晶下降到距离熔硅3-5毫米处烘烤两三分钟，使籽晶温度接近熔硅温度，籽晶在下降与熔硅接触，通常称此过程为“下种”。下种前，必须确定熔硅温度是否合适，初次引晶，应逐渐分段少许降温，待坩埚边上刚刚出现结晶，在稍许升温使结晶融化，此时温度就是合适的引晶温度。准确的引晶温度只有籽晶和熔硅接触后才能确定。也就是说，准确的引晶温度必须用籽晶试验才能确定。下种后籽晶周围马上出现光圈，而且籽晶与熔硅接触面越来越小，光圈抖动厉害，表示温度偏高，应及时降温，否则会熔断，这种情况会有两种可能：一是实际加热功率偏高，应适当降低功率，隔几分钟后在下种；二是由于熔硅和加热器保温系统热惰性引起的，说明硅熔完后下种过急，温度没有温度，应稳定几分钟后在下种。合适的引晶温度是籽晶和熔硅接触后，籽晶周围逐渐出现光圈，最后光圈变圆。若籽晶方形，籽晶和熔硅接触的四条棱变成针状，而上呈现弧形，圆弧直径略小于籽晶断面的棱长。温度合适后，提拉籽晶，开始提拉缓慢，籽晶上出现三个均匀分布的白点，或者四个对称分布的白点，或者两对分布的白点，引出的晶体是单晶，引晶结束。引晶时的籽晶相当于在硅熔体中加入一个定向晶核，使晶体按晶核方向定向生长，制的所需要晶向的单晶，同时晶核使晶体能在过冷度小的熔体中生长，自发成核困难，容易长成晶。引晶（六）缩颈引现单晶后，开始缩颈。缩颈是为了排除引出单晶中的错位。下种时，由于籽晶和熔硅温差大，高温的熔硅对籽晶造成强烈的热冲击，籽晶头部产生大量位错，通过缩颈，使晶体在生长中位错“缩掉”，成为无位错单晶。将籽晶快速提升，缩小结晶直径。缩颈方法有两种：快缩颈和慢缩颈。慢缩颈熔体温度较高，主要控制温度，生长速度一般为0.82毫米/分。快缩颈熔体温度较低，主要控制生长速度，生长速度一般为26毫米/分。（七）放肩和转肩细颈达到规定长度后，如果晶棱不断，立刻降温，降拉速，使细颈逐渐长大到规定的直径，此过程为放肩。房间有慢放肩和放平肩两种方法。慢放肩主要调整熔硅温度，缓慢降温，细颈逐渐长大，晶体将要长到规定直径是开始升温，缓慢提高拉速，使单晶平滑缓慢达到规定直径，进入等直径生长。慢放肩主要通过观察光圈的变化确定熔硅温度的高低。缩颈放肩等直径，光圈的变化为：闭合开口开口增大开口不变开口缩小开口闭合。硅熔温度低，单晶生长快，光圈开口大；熔硅温度高，单晶生长慢，光圈开口小。 放平肩的特点主要是控制单晶生长速度，熔体温度较低。放肩时，拉度很慢，拉速可以是零，当单晶将要长大到规定直径时升温，一旦单晶长到规定直径，突然提高拉晶速度进行转肩，使肩近似直角，进入等直径生长。放肩（八）等直径生长和收尾单晶硅等直径生长中，随着单晶长度的不断增加，单晶的散热表面积也越大，散热速度也越快，单晶生长表面熔硅温度降低，单晶直径增加。另一方面，单晶长度的不断增加，熔硅则逐渐减小，坩埚内熔硅液面逐渐下降，熔硅液面越来越接近加热器的高温区，单晶生长界面的温度越来越高，使单晶变细，要想保持单晶等直径生长，加热功率的增加或减少，要看这两个过程的综合效果。为了减少降温幅度或不降温，逐步降低拉速，连续升高坩埚，可达到目的。坩埚升高快慢和拉晶速度降低的多少主要影响热功率的变化，坩埚上升速度快，保持单晶等直径生长，可以减少降温，拉晶速度降低较快，可以不降温甚至可以升温。单晶炉一般都有温度和单晶等直径控制系统。当单晶进入等直径生长后，调整控制等直径生长的光学系统，打开电气自动部分，使其单晶炉自动等直径拉晶。当熔硅较少后，单晶开始收尾。尾部收的好坏对单晶的成晶率有很大影响。单晶硅有两种收尾方法：慢收尾和快收尾。慢收尾时要慢升温，缓慢提高拉速或拉速不变，使单晶慢慢长细。完成收尾后，把单晶提离熔体约20毫米。快收尾主要升温快，拉晶速度高，单晶很快收缩变细。完成收尾后，使单晶脱离熔体20毫米。等径（九）停炉单晶提起后，马上停止坩埚转动和籽晶轴转动，加热功率降到零位。停到加热电流，关闭低真空阀门，排气阀门和进气阀门，停止真空泵运转，关闭所有控制开关。晶体冷却6小时候，拆炉取出晶体，送检验部门检验。2.2拉晶过程中的异常情况及其处理2.2.1熔硅时出现的一些异常情况挂边和搭桥。所谓挂边指硅绝大部分熔完后，硅熔体上面坩埚边上粘有硅块的现象。搭桥指硅熔硅熔完时，部分硅块在硅熔体上面形成一座“桥”。产生硅边和搭桥，一是坩埚内单晶硅装的不合格，二是熔硅时坩埚位置太高，过早的提高坩埚位置和过早的降温容易产生挂边和搭桥。出现挂边和搭桥要及时处理，首先降低坩埚位置，快速升高温度，一旦挂边和搭桥消失，快速降温，快速升高坩埚，避免产生硅跳。2.2.2硅跳所谓“硅跳”，指熔硅在坩埚中沸腾现象。厉害的硅跳熔硅跳出坩埚外，飞溅在加热器、保温罩、石墨托碗和单晶炉壁上，使石墨器件损坏，严重硅跳会烧坏单晶炉底。有三种情况会出现硅跳：多晶硅中有氧化夹层或封闭的气泡；坩埚底部有封闭气泡和熔硅时温度过高。多晶硅在高温融化时，坩埚底部的气泡壁破裂或多晶硅的气泡中气体放出。熔硅温度过高，达到硅沸点熔硅沸腾。同时，温度过高，加快熔硅和石英坩埚反应，产生一氧化硅气泡产生硅跳。为避免熔硅时产生硅跳，应仔细挑选多晶硅和石英坩埚，熔硅温度不要太高，一般在15000C16000C，最好在流动气氛下熔硅。处理挂边和搭桥时注意及时降温，防止熔硅温度过高产生硅跳。2.2.3突然停电及熔硅时未通水 熔硅或拉晶时，突然停电，要采取以下措施。在真空下熔硅或拉晶时，首先关闭真空阀门，打开放气阀（电磁阀会自动关闭，同时放气），然后提起单晶，把所有开关、旋钮转到零位。停电时间短，来电后，立即送电，继续加热熔硅，如果拉出了一段单晶，应加温把单晶融化，重新引晶。停电时间较长，要缓慢升高坩埚，防止熔硅凝固时涨坏石墨托碗和加热器。气氛下熔硅或拉晶突然停电后，首先把所有开关旋钮放到零位，以后的处理办法和在真空下相同。第三章 新能源市场重燃，看好光伏发电3.1国家新政重燃绿色能源激情随着传统能源的日益紧缺，新能源的开发与利用得到世界的关注。在全球金融危机下，中国宏观经济发展增速也有所趋缓，传统能源市场受到一定的打击，却给新能源发展带来了新一轮的契机。目前，政府正着力优化能源产业结构，大力发展新能源及可再生能源，抓住时机调整结构。自2010年4月1日，修改后的可再生能源法正式实施，中国将设立可再生能源发展基金，实行对可再生能源发电的全额保障性收购。2010年7月20日，国家能源局规划发展司司长江冰表示，国家能源局正在组织开展“十二五”能源发展规划的编制工作，重点围绕非化石能源比重和减排两个目标展开。“新型能源产业发展规划”计划在2011年至2020年，对新能源预计累计增加投资5万亿元，每年可增加1.5万亿。3.2新能源发电看好光伏产业在核电、风电、太阳能三大新能源发电技术中，太阳能是最具长期发展潜力的方式。核电虽已具有大规模装机能力，但运行安全问题和长期燃料供给仍是影响其发展的症结；风电仍面临着并网难和较高的建设成本等问题，未来