单晶硅生产工艺及应用的研究毕业论文

单晶硅生产工艺及应用的研究毕业论文内容摘要：

界不存在单体硅，多呈氧化物或硅酸盐状态。 硅的原子价主要为 4 价，其次为 2 价；在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱；在高温下化学性质活泼，能与许多元素化合。 硅材料资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，较易制作大直径无位错低微缺陷单晶。 晶体力学性能优越，易于实现产业化，仍将成为半导体的主体材料。 多晶硅材料是以工业硅为原料经一系列 7 的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料，是硅产品产业链 中的一个极为重要的中间产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，是信息产业和新能源产业最基础的原材料。 (五 ) 单晶硅市场发展概况 2020 年，中国市场上有各类硅单晶生长设备 1500 余台，分布在 70 余家生产企业。 2020 年 5 月 24 日，国家 ―863‖计划超大规模集成电路（ IC）配套材料重大专项总体组在北京组织专家对西安理工大学和北京有色金属研究总院承担的―TDR150 型单晶炉（ 12 英寸 MCZ 综合系统） ‖完成了验收。 这标志着拥有蜘蛛知识产权的大尺寸集成电路与太阳能用 硅单晶生长设备，在我国首次研制成功。 这项产品使中国能够开发具有自主知识产权的关键制造技术与单晶炉生产设备，填补了国内空白，初步改变了在晶体生长设备领域研发制造受制于人的局面。 硅材料市场前景广阔，中国硅单晶的产量、销售收入近几年递增较快，以中小尺寸为主的硅片生产已成为国际公认的事实，为世界和中国集成电路、半导体分立器件和光伏太阳能电池产业的发展做出了较大的贡献。 二 单晶硅的生产工艺 （一） 多晶硅 —— 制作单晶硅的原料 单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 晶硅。 多晶硅材料是制备单晶硅的唯一原料和生产太阳能电池的原料，是以工业硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料，是硅产品产业链中的一个极为重要的中间产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，是信息产业和新能源产业最基础的原材料。 多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级。 (1)冶金级硅（ MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。 一般含 Si 为 90 95 以上，高达 以上。 (2)太阳级硅 SG：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今 未有明确界定。 一般认为含 Si 在 – （ 4～ 6 个 9）。 (3) 电 子 级 硅 （ EG ） ： 一 般 要 求 含 Si got 以 上 ， 超 高 纯 达 到 （ 911 个 9）。 其导电性介于 104—1010 欧厘米。 多晶硅是半导体工业、电子信息产业、太阳能光伏电池产业的最主要、最基础的功能性材料。 主要用做半导体的原料，是制做单晶硅的主要原料，可作各种晶体管、整流二极管、可控硅、太阳能电池、集成电路、电 子计算机芯片以及红外探测器等。 多晶硅生产技术主要有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。 正在研发的还有冶金法、气液沉积法、重掺硅废料法等制造低成本多晶硅的新工艺。 8 世界上 85％的多晶硅是采用改良西门子法生产的，其余方法生产的多晶硅仅占 15％。 西门子法（三氯氢硅还原法）是以 Hall（或 Cl H2）和冶金级工业硅为原料，将粗硅（工业硅）粉与 Hall 在高温下合成为 SiHCl3，然后对 SiHCl3 进行化学精制提纯，接着对 SiHCL3 进行多级精馏，使其纯度达到 9 个 9 以上，其中金属杂质总含 量应降到 以下，最后在还原炉中 在 1050℃ 的硅芯上用超高纯的氢气对 SiHCL3 进行还原而长成高纯多晶硅棒。 （二 ） 单晶硅的 制造 过程 单晶硅的生产过程包括以下几个步骤：加料 —→ 熔化 —→ 缩颈生长 —→ 放肩生长 —→ 等径生长 —→ 尾部生长 （ 1） 加料 ：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质依 电 阻的Ｎ或Ｐ型而定。 杂质种类有硼，磷，锑，砷。 （ 2） 熔化 ：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（ 1420℃ ）以上，将多晶硅原料熔化。 （ 3） 缩颈生长 ：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。 由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩颈生长使之消失掉。 缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（ 4—6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。 （ 4） 放肩生长 ：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。 （ 5） 等径生长 ：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负２ｍｍ之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。 单晶硅片取自于等径部分。 （ 6） 尾部生长 ：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线。 于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。 这一过程称之为尾部生长。 (三 )直拉法单晶硅工艺 直拉法也叫切克劳斯基 ()方法。 此法早在 1917 年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，用直拉发生长单晶 的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，可以制备低电阻率单晶。 据统计，世界上硅单晶的产量中 70%—80%是用直拉法生产的。 单晶硅生长炉是通过直拉法生产单晶硅的制造设备。 主要由主 9 机、加热电源和计算机控制系统三大部分组成。 在国内，单晶硅生长炉主要有江南电力光伏科技有限公司生产的单晶硅生长炉(TDR85/95/105JN)，上虞晶盛机电工程有限公司生产的 IJS 系列 TDR80A，TDR80B ， TDR85A ， TDR95A 型全自动晶 体生长炉，中国西安理工大学研究所生产的主要产品有 TDR62B、 TDR70B、 TDR80。 (1)主机部分 机架，双立柱 双层水冷式结构炉体 水冷式阀座 晶体提升及旋转机构 坩埚提升及旋转机构 氩气系统 真空及自动炉压检测控制 水冷系统及多种安全保障装置 留有二次加聊口 （ 2） 加热器电源 全水冷电源装置采用专利电源或原装进口 IGBT 及超快恢复二极管等功率器件。 配以特效高频变压器，构成新一代高频开关电源。 采用移相全桥软开 关 (IVS)及 CPU 独立控制技术，提高了电能转换效率，不需要功率因数补偿装置。 （ 3） 计算机控制系统 采用 PLC 和上位工业平板电脑 PC 机，配置大屏幕触摸式 HMI人机界面、高像素 CCD 测径 ADC 系统和具有独立知识产权的 “全自动 CZ法晶体生长 SCADA 监控系统 ”，可实现从抽真空 —检漏 —炉压控制 —熔料 —稳定—溶接 —引晶 —放肩 —转肩 —等径 —收尾 —停炉全过程自动控制。 首先，把高纯度的原料多晶硅放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化。 然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过 冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体 (称作籽晶 )插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长。 接着，控制籽晶生长出一段100mm 左右、直径为 3—5mm 的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为 75—300mm,这个过程称为放肩。 接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体。 最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺。 这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。 （ 1） 工艺过程 10 —引晶：通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体； —缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中； —放肩：将晶体控制到所需直径； —等径生长：根据熔体和单晶炉情况，控制晶体等径生长到所需长 度； —收尾：直径逐渐缩小，离开熔体； —降温：降低温度，取出晶体，待后续加工。 （ 2） 生产过程中要注意的几个基本问题 晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度有关。 提高晶体中的温度梯度，可以提高晶体生长速度；但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。 为了降低位错密度、晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。 相互相反旋转的晶体 (顺时针 )和坩埚所产生的强制对流是由 离心力和向心力，最终由熔体表面张力梯度所驱动的。 所生长的晶体的直径越大 (坩埚越大 )，对流就越强烈，会造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂质分布不均匀等。 实际生产中，晶体的转动速度一般比坩埚快 1—3 倍，晶体和坩埚彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。 (固液界面 ) 固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响，正常情况下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。