直拉硅单晶的氧和碳
直拉硅单晶中的氧和碳是一类很重要的杂质，氧和碳在直拉单晶中，可能形成微沉淀，可能在微沉淀基础上形成微缺陷，严重影响单晶质量，影响大规模集成电路性能和制造。
氧原子在硅单晶中大部以间隙原子状态存在，成Si-O-Si状态或SiO
2和SiO
4
状态，熔点
时，氧在固态硅的溶解度为(2.75±0.15)×1018/cm3，在熔硅中的溶解度为（2.20±0.15)×
1018/cm3。直拉硅单晶的氧主要来源于多晶硅，它的含氧量一般为1016/cm3~1017/cm3数量级，而直拉单晶硅中的氧含量一般在6×1017/cm3~2×1018/cm3，可见，单晶生长过程中有大量的氧进入。
石英坩埚对硅单晶的氧沾污非常严重，在1420℃以上高温下，硅熔体和石英坩埚进行化学反应：
Si(熔体)+SiO
2
(固体)=2SiO
反应结果，石英坩埚上生成一层固体一氧化硅，并不断溶解于熔硅中，生成一氧化硅气体也会溶解于熔硅，使熔硅氧浓度增高。
氩气氛下拉晶时，氩气中的氧会以不同形成溶入熔硅中，使硅单晶氧浓度增高。
直拉硅单晶一般单晶并没有部氧浓度高，尾部氧浓度低，单晶新面中心氧浓度高，边缘氧浓度低。硅单晶的这种氧浓度分布既受坩埚污染影响，也受拉晶时氧蒸发和氧分凝效应影响。坩埚中熔硅虽然离坩埚壁越近氧浓度越高，但在拉晶过程中，被单晶覆盖的熔硅氧不能蒸发，其余部分氧蒸发较快，在熔硅对流作用下，形成单晶中氧含量边缘高中心低的现象。氧在硅中的平衡分凝系数一般认为是1.25，这很容易解释硅单晶头部含氧高尾部含氧低的事实。但是，从硅氧二元相图看，氧在硅中的平衡分凝系数应该小于1，这和一般认为氧在硅中平衡分凝系数等于1.25相矛盾。氧在单晶中分布呈并没有部高尾部低现象可以这样解释：
由于多晶硅熔化时温度高，硅和石英坩埚（SiO
2
）反应激烈，大量的硅氧物进入熔硅，它们比重小，浮于熔硅上部，使得生长的单晶氧含量头部高，单晶在以后生长中，虽然硅和石英坩埚继续反应生成硅氧物进入熔硅，但由于温度较低反应缓慢，而且由于晶体和坩埚转动搅拌熔体中氧蒸发作用增强，使单晶尾部氧含量降低。另外由于目前都是测量硅中的间隙氧，不是全部氧，因此也会出现差异。总之，氧在硅单晶中行为复杂，一些现象还不甚清楚。目前对硅单晶中氧的作用认为既有害，也有利。氧在硅单晶中形成氧沉淀，产生微缺陷和氧条纹，影响单晶质量也可以利用硅单晶含氧高的特点制造某些大规模集成电路，化害为利。
碳原子在硅单晶中处于替位状态，直拉硅单晶碳浓度在5×1016个/厘米3至3×1017个/厘米3，碳的来源有三个：多晶硅含碳量一般为1×1016个/厘米3至3×1016个/厘米3，单晶炉热系统的石墨器件和保护气氛（氩气）中残留的氧在高温下进行化学反应。
C+O
2=2CO C+O
2
=CO
2
2CO+O
2=2CO
2
2CO=CO
2
+C
石英坩埚在高温下和石墨反应
SiO
2+2C=SiC+CO
2
SiO
2
+2C=SiC+CO
在高温下主要要以一氧化碳形成存在，一氧化碳溶入硅中使硅单晶中的氧含量增高。
CO和CO
2
在不同温度下的平衡组成
碳在硅中的分凝系数很小，一般认为是0.07，使单晶尾部含碳量增高。
直拉硅单晶工艺中，经常采用下列措施降低单晶中的氧碳含量：
一、选用含氧、碳较低的多晶硅原料，多晶硅熔化时温度不要太高，尽量降低多晶硅和坩埚的反应，减少一氧化碳和一氧化硅的生成。
二、在真空下生长的硅单晶一般氧碳含量较低，在氩气下拉晶时，氩气中含氧、碳和水份通过氩气带出炉外，降低单晶炉内一氧化碳和一氧化硅的分压，减少它们溶入熔硅的量；减压法拉晶既使单晶炉保持低的压强，又使炉内氩气交换迅速，可以降低硅单晶的氧碳含量。
三、坩埚和单晶直径比例要适当，硅单晶生长过程中，石英坩埚中的熔硅表面是低氧区，熔硅和坩埚接触部分是高氧区，中部熔硅为过渡区，坩埚和单晶直径比例适当，一方面使一氧化碳和一氧化硅挥发快，溶入熔硅量减少；另一方面单晶无离坩埚壁附近的高氧区，单晶氧碳含量自然减少。
晶体和坩埚旋转严重影响单晶中的氧含量。晶体和坩埚旋转，使熔硅的搅拌作用增强，高氧区熔硅和低氧区熔硅混合，从而使单晶中氧含量增加。如果晶体和坩埚旋转产生的强迫对流刚好抑制熔硅产生的自然对流，单晶中的氧含量不但不会增加，反而减少。在一定的硅单晶生长条件下，合适的晶体和坩埚旋转速非常重要。
拉晶速度增加，单晶硅中氧含量一般说来增加，当位速度大于一定值后，单晶中氧反而
降低。拉晶速度大时，单晶生长速度快，熔硅表面一氧化硅蒸发时间短。导致单晶氧含量增加，拉速很大时，影响熔硅流动，熔体表面低氧区中的熔硅很容易对流到生长界面处，使硅单晶中含氧量降低。偏心法拉晶可以降低单晶中的氧含量。偏心拉晶时，单晶的生长界面不断地经过熔硅表面低氧区，熔硅表面被单晶永远覆盖区大大减小，一氧化硅和一氧化碳蒸发量增大，单昌中氧含量减少。
单晶中氧含量自然减少，是直拉硅单晶生产中一个比较重要的问题。氧在单晶中作用虽然看法不同，但氧在单晶中的均匀生产中比较重视。碳在硅单晶形成SiC沉淀，容易诱生微缺陷，使单晶性能变差，在单晶拉制过程中尽量减少碳进入单晶硅。
九、直拉硅单晶的旋涡条纹
直拉单晶硅中，除线缺陷、面缺陷，析出和杂质条纹外，在无错单晶中，又发现一种旋涡条纹（微缺陷），它严重影响大规模集成电路性能和成品率。大规模集成电路元件尺寸（线宽为2-5微米），深度浅（一般小于1微米）；集成度高，器件生产工序多，经过若干次热处理。硅单晶中旋涡条纹形成位错环、沉淀物、聚集物，容易损坏大规模集成电路。
直拉单晶硅中的旋涡条纹，经过热处理——也可以不经过热处理——经过化学处理，择优腐蚀，出现密度较高，大多数呈圆环状排列的浅底腐蚀坑，也有的呈雾状和云状。所谓旋涡条纹，实际上是无位错硅单晶中过剩的热点缺陷凝聚形成的原生小位错回线或回线集团，而热点缺陷是空隙或自由间隙原子。直拉硅单晶的旋涡缺陷大多数在单晶的并没有部或晶体的边缘部分出现，它们的面积大小不同，纵剖面是层状分布，一般与生长条纹相符合，符合公式：
d=f/w
旋涡缺陷的形成，有几种不同说法。最初认为漩涡是空位和氧的络合物，显然，它的形成与硅中氧浓度大小有关，氧在硅单晶中呈间隙状态，形成硅氧沉淀，产生微缺陷，较小的微缺陷B团是自由间隙原子的聚集物，可以由B团发展较大的微缺陷B团。它虽然能解释单晶并没有部容易产生微缺陷，尾部不容易产生微缺陷现象，但不能解释单晶中心含氧量高边缘含氧量低，而漩涡多出现于单晶边缘现象。后来研究结果表明，硅单晶中氧和漩涡没有对应关系，而碳却与漩涡有对应关系。换而言之，硅单晶中漩涡是由碳引起的。但此观点和事实也有矛盾，它不能解释直拉硅单晶尾部含碳量高头部含碳量低而漩涡多数出现在单晶头部的现象，比较合理的解释是，碳在漩涡形成中起一定作用，但不是决定因素。氧、碳、自间隙原子或自间隙原子聚集物只能是漩涡形成的诱发因素。硅单晶中能否形成漩涡和它生长的历史有关，决定于它的生长过程的温度变化和界面处的晶体内可能产生液滴，由于硅的液态密度大于固态密度，液滴凝固时何种缩小，杂质原子插入硅晶格，成为自间隙原子，形成自间隙位错环，产生漩涡缺陷。另一观点认为硅单昌中有自间隙原子的液滴，根据液滴大小不同存在稳定区，只有液滴尺寸超过一定值，自间隙原子在液滴处才能形成位微缺陷，并在一定温度下B团才能崩塌成A团。
直拉硅单晶在熔硅和晶体旋转中生长，一般说来，生长界面呈台阶状，台阶各部分杂质不均，结晶温度产生差别，因而各处的微观生长速度不同，各处杂质的微分凝也不相等，生
长界面容易形成环形液滴，使微缺陷呈旋涡状。
硅单晶中旋涡腐蚀分布图样很多，但基本上可分为二大类：圆状分布和云状分布。这些分布都由硅单晶的生长条件决定。虽然对形成漩涡条纹机理看法很多，但在直拉硅单晶生长中，消除旋涡条纹的方法是相同的。
一、热场尽量对称，热场中心与晶体旋转中心尽量重合，晶体中心与籽晶中心尽量重合，否则，硅单晶生长时，旋转的生长界面扫过不同温度的溶硅，容易产生回熔，生成旋涡条纹。
二、保持硅单晶生长时温度稳定是生长无旋涡条纹单晶的必要条件只有温度稳定才能避免回熔现象产生。
三、尽量减少单晶中氧和碳的含量，减少碳对熔硅的沾污。
四、热场配剂尽量采用较大的纵向温度梯度，较快的生长速度，实践证明，较快的拉晶速度，对降低或消除硅单晶中旋涡条纹较明显。
五、控制熔硅的自然对流和强迫对流，实践证明，合适的单晶和坩埚旋转速度对由于浮力千万的自然对流进行抑制，使熔硅各处温度稳定，这是目前工艺上消除旋涡条纹的一种重要手段。使用直径大，高度小的坩埚，对减少自然对流，消除微缺陷有利；采用减压顶吹法拉晶，也有得消除旋涡条纹。在强磁场作用下拉制硅单晶，也能大大降低旋涡条纹。最近盖在宇宙空间实验上无策略影响下拉制硅单晶，消除了旋涡条纹。
十硅单晶非平衡少数载流子寿命
单晶硅中非平衡少数载流子寿命（简称寿命）是硅单晶的一个重要参数。它不是单晶结构缺陷，便和单晶结构缺陷有关。影响硅单晶寿命的主要是单晶中存在深能级杂质，如铁、镍、钼、铜、铬、镒等。这些杂质的存在使单晶寿命大大降低。单晶的结构缺陷做为“陷井”俘获非平衡少数载流子的电子和空穴，使单晶寿命减少，硅单晶中的氧和硅形成复杂化合物成为施主，使单晶寿命增高，但这是一种假象，热处理后寿命下降。
提高硅单晶寿命主要是拉晶过程中防止深厚感情能级杂质污染，避免铜、铁等金属和多晶硅接触，尽量不采用钼保温罩，多晶硅和石英坩埚含深能级杂质尽量少。拉晶的保护气氛的纯度尽量高，这样都能提高硅单晶寿命。
消除单晶的结构缺陷，无位错单晶尽量消除杂质条纹和旋涡条纹，消除单晶中陷井。总之，只要单晶中深能级杂质少，无旋涡条纹和杂质条纹，结构完整，硅单晶寿命是较高的。
金属1001 覃文远3080702014 单晶硅制备方法 我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。 单晶硅，英文，Monocrystallinesilicon。是硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。 用途：单晶硅具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随着温度升高而增加，具有半导体性质。单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型，N型和P型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。 单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。在开发能源方面是一种很有前途的材料。 单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。 直拉法 直拉法又称乔赫拉尔基斯法（Caochralski）法，简称CZ法。它是生长半导体单晶硅的主要方法。该法是在直拉单晶氯内，向盛有熔硅坩锅中，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制热场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，单晶便在籽晶下按照籽晶的方向长大。拉出的液体固化为单晶，调节加热功率就可以得到所需的单晶棒的直径。其优点是晶体被拉出液面不与器壁接触，不受容器限制，因此晶体中应力小，同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。直拉法是以定向的籽晶为生长晶核，因而可以得到有一定晶向生长的单晶。 直拉法制成的单晶完整性好，直径和长度都可以很大，生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此，一些化学性活泼或熔点极高的材料，由于没有合适的坩埚，而不能用此法制备单晶体，而要改用区熔法晶体生长或其
直拉单晶硅国标相关知识汇总 参考标准： 硅单晶GB/T12962-2005 硅片径向电阻率变化测定方法GB/T11073 硅单晶电阻率的测量GB/T1551-2009 代位碳原子含量红外吸收测量方法GB/T1558-2009 光电衰减法测硅和锗体内少子寿命测定GB/T1553-2009 红外吸收光谱测量硅晶体中间隙氧GB/T1557-2006 非本征半导体材料导电类型测试方法GB/T1550 1. 径向电阻率变化 1）定义：晶片中心点与偏离中心的某一点或若干对称分布的设定点（晶片半径的1/2处或靠晶片边缘处）的电阻率之间的差值。差值与中心值的百分数即为径向电阻率变化。 2）测量方法：GB/T11073规定径向电阻率变化的测量方法为：用四探针法测量硅片中心点和设定点的电阻率。按以下公式计算：RV=（ρM－ρC）/ρM×100% 其中：ρM为硅片中心点处测得的两次电阻率的平均值。 ρC为硅片半径中点或距边缘6mm处，90°间隔4点电阻率的平均值。 3）国标对径向电阻率变化的要求：GB/T12962-2005规定掺杂硼元素的P 型单晶（直径为200mm的）电阻率范围为：0.0025～60Ω·cm。 其径向电阻率变化为：0.0025～0.1Ω·cm ≤12% 0.1～60Ω·cm ≤5% 2. O、C含量 GB/T12962-2005规定直拉硅单晶的间隙氧含量应小于 1.8×1018a/cm3 (36ppma)，具体指标应根据客户要求而定。其测定的依据标准为：GB/T1557-2006。 替位碳含量应小于 5.0×1016a/cm3 (1ppma)，其测定的依据标准为：GB/T1558-2009 利用红外吸收光谱测量间隙氧的有效范围从 1.0×1016a/cm3到硅中间隙氧的最大固溶度。 3．少子寿命 GB/T1553-2009规定用光电导衰减法不能测量硅单晶抛光片的少子寿命。本方法测量硅单晶的少子寿命单个实验室测量的精密度为±20%。 本方法可以测的最低寿命值为10μs,而最高可测寿命值主要取决于试样的尺寸和抛光的表面。所要求的试样尺寸和最高可测寿命值如下：
单晶硅电磁片生产工艺流程 ?1、硅片切割，材料准备： ?工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10~15cm，厚度约200~350um，电阻率约1Ω.cm的p型（掺硼）。 ?2、去除损伤层： ?硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。 ? ? 3、制绒： ?制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1~2%，腐蚀时间约15分钟。对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。 ? 4、扩散制结：
?扩散的目的在于形成PN结。普遍采用磷做n型掺杂。由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。 ? 5、边缘刻蚀、清洗： ?扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。 目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。 扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。 ? 6、沉积减反射层： ?沉积减反射层的目的在于减少表面反射，增加折射率。广泛使用PECVD淀积SiN ,由于PECVD淀积SiN时,不光是生长SiN 作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产。 ? 7、丝网印刷上下电极： ?电极的制备是太阳电池制备过程中一个至关重要的步骤，它不仅决定了发射区的结构，而且也决定了电池的串联电阻和电
硅中氧、碳及其含量测定 1.硅晶体中的氧 直拉硅单晶中不可避免地存在氧。尽管氧的含量不高，在百万分之二十（20ppma）左右，相当于硅晶体中直线距离不到40个硅原子有一个氧原子，它们的作用却不可忽视。硅中的氧，取决于它存在的量、分布和存在的方式，对硅中缺陷的形成和晶片的特性有重要的影响。因此，精确地测定和控制硅单晶中的氧含量是硅材料制造和器件加工中必不可少的环节，硅中氧含量是当今硅材料与器件制造业进行验收、工艺监控以及研究开发所必需掌握的关键数据。 直拉硅单晶中的氧是在晶体生长过程中由熔硅进入。而熔硅中的氧主要由石英坩埚的溶解而引入。高温下的熔硅会和它与接触的石英坩埚壁反应，使石英溶解，石英中的氧溶入熔硅。含氧的熔硅被强烈的对流搅拌，带至熔硅上部暴露的表面和生长晶体的界面附近。到达表面的氧以SiO的组成向气氛发散，被气流带走。到达生长界面的氧就进入生长中的晶体。在实际的生长系统中，由石英溶解进来的氧绝大部分被带到暴露的表面挥发走，只有很小部分（大约2%）进入硅晶体。 进入硅晶体的氧含量与上述过程中的每一个环节都有关，因此影响因素较多：原料多晶硅和吹扫气氩气的含氧量，石英坩埚材质和表面涂层，熔硅直径与深度的比例，石墨热场设计所决定的坩埚壁的温度，由坩埚和晶体转动所引起的对流，吹扫气流在炉内（特别是熔硅上部）流动的分布，以及外加磁场的方式，都可能对氧的引入，即晶片中氧的浓度及其分布，产生重要作用。在晶体生长过程中这些因素会发生变化，所以，晶体中不同部位的氧含量也会相应变化。 在高温下引入硅中的氧处于固溶体状态。随着晶体生长后的冷却，这些氧逐渐处于过饱和状态。这时，由于已处于固态，氧原子在硅晶格中的移动受到限制。如果高温下的历程不是太久的话，这些氧原子会保持这种过饱和状态，以填隙原子的形式存在于硅晶格中。通常由直拉法生产的硅晶片中的氧大多都是处于这种状态。 这种过饱和的氧处于一种不稳定的状态。硅晶格中处于填隙位置的氧原子引起临近的局部挤压应力。随着温度的上升，氧原子在硅晶格中的热振动逐渐加强，有了移动趋向增强。氧原子附近的局部应力就成了它们移动的推动力。氧原子的结合有利于缓解这种应力，于是就有了结合的倾向。有关氧原子结合的最早发现的一个现象就是热施主效应：含有氧的硅单晶在350－500℃之间（在450℃时最强）热处理几小时后，可发现n型样品的电阻率降低，p型样品电阻率升高（有时甚至转型），犹如产生了一定数量的施主。这种施主产生的速度和数量取决于晶体中氧的浓度、氧存在的状态、热处理的温度、时间以及处理前晶体的热历史。单晶中氧含量（严格地说应是位溶解的氧）越多，处理时间越久，产生的施主就越多，最多可达5×1016/cm3（对应电阻率0.5 cm ）。这种施主在高温下不太稳定，在500℃以上进一步热处理时会消失。这种因氧而产生的施主叫做热施主。研究表明它们是氧原子聚集的初期，处于络合状态。
直拉硅单晶的氧和碳 直拉硅单晶中的氧和碳是一类很重要的杂质，氧和碳在直拉单晶中，可能形成微沉淀，可能在微沉淀基础上形成微缺陷，严重影响单晶质量，影响大规模集成电路性能和制造。 氧原子在硅单晶中大部以间隙原子状态存在，成Si-O-Si状态或SiO 2和SiO 4 状态，熔点 时，氧在固态硅的溶解度为(2.75±0.15)×1018/cm3，在熔硅中的溶解度为（2.20±0.15)× 1018/cm3。直拉硅单晶的氧主要来源于多晶硅，它的含氧量一般为1016/cm3~1017/cm3数量级，而直拉单晶硅中的氧含量一般在6×1017/cm3~2×1018/cm3，可见，单晶生长过程中有大量的氧进入。 石英坩埚对硅单晶的氧沾污非常严重，在1420℃以上高温下，硅熔体和石英坩埚进行化学反应： Si(熔体)+SiO 2 (固体)=2SiO 反应结果，石英坩埚上生成一层固体一氧化硅，并不断溶解于熔硅中，生成一氧化硅气体也会溶解于熔硅，使熔硅氧浓度增高。 氩气氛下拉晶时，氩气中的氧会以不同形成溶入熔硅中，使硅单晶氧浓度增高。 直拉硅单晶一般单晶并没有部氧浓度高，尾部氧浓度低，单晶新面中心氧浓度高，边缘氧浓度低。硅单晶的这种氧浓度分布既受坩埚污染影响，也受拉晶时氧蒸发和氧分凝效应影响。坩埚中熔硅虽然离坩埚壁越近氧浓度越高，但在拉晶过程中，被单晶覆盖的熔硅氧不能蒸发，其余部分氧蒸发较快，在熔硅对流作用下，形成单晶中氧含量边缘高中心低的现象。氧在硅中的平衡分凝系数一般认为是1.25，这很容易解释硅单晶头部含氧高尾部含氧低的事实。但是，从硅氧二元相图看，氧在硅中的平衡分凝系数应该小于1，这和一般认为氧在硅中平衡分凝系数等于1.25相矛盾。氧在单晶中分布呈并没有部高尾部低现象可以这样解释： 由于多晶硅熔化时温度高，硅和石英坩埚（SiO 2 ）反应激烈，大量的硅氧物进入熔硅，它们比重小，浮于熔硅上部，使得生长的单晶氧含量头部高，单晶在以后生长中，虽然硅和石英坩埚继续反应生成硅氧物进入熔硅，但由于温度较低反应缓慢，而且由于晶体和坩埚转动搅拌熔体中氧蒸发作用增强，使单晶尾部氧含量降低。另外由于目前都是测量硅中的间隙氧，不是全部氧，因此也会出现差异。总之，氧在硅单晶中行为复杂，一些现象还不甚清楚。目前对硅单晶中氧的作用认为既有害，也有利。氧在硅单晶中形成氧沉淀，产生微缺陷和氧条纹，影响单晶质量也可以利用硅单晶含氧高的特点制造某些大规模集成电路，化害为利。
直拉硅单晶生长的现状与发展 摘要：综述了制造集成电路（IC）用直拉硅单晶生长的现状与发展。对大直径生长用磁场拉晶技术，硅片中缺陷的控制与利用（缺陷工程），大直径硅中新型原生空位型缺陷，硅外延片与SOI片，太阳电池级硅单和大直径直拉硅生长的计算机模拟，硅熔体与物性研究等进行了论述。 关键词：直拉硅单晶；扩散控制；等效微重力；空洞型缺陷；光电子转换效率；硅熔体结构 前言 20世纪中叶晶体管、集成电路（IC）、半导体激光器的问世，导致了电子技术、光电子技术的革命，产生了半导体微电子学和半导体光电子学，使得计算机、通讯技术等发生了根本改变，有力地推动了当代信息（IT）产业的发展．应该强调的是这些重大变革都是以半导体硅材料的技术突破为基础的。2003年全世界多晶硅的消耗，达到了19 000 t，但作为一种功能材料，其性能应该是各向异性的．因此半导体硅大都应该制备成硅单晶，并加工成硅抛光片，方可制造I C 器件。 半导体硅片质量的提高，主要是瞄准集成电路制造的需要而进行的。1956年美国仙童公司的“CordonMoore”提出，IC芯片上晶体管的数目每隔18~24个月就要增加一倍，称作“摩尔”定律。30多年来事实证明，IC芯片特征尺寸（光刻线宽）不断缩小，微电子技术一直遵循“摩尔定律”发展。目前，0.25 μm、0.18μm线宽已进入产业化生产。这就意味着IC的集成度已达到108~109量级，可用于制造256MB的DRAM和速度达到1 000MHE的微处理芯片。目前正在研究开发0.12 μm到0.04μm的MOS器件，预计到2030年，将达到0.035μm 水平。微电子芯片技术将从目前器件级，发展到系统级，将一个系统功能集成在单个芯片上，实现片上系统（SOC）。 这样对半导体硅片的高纯度、高完整性、高均匀性以及硅片加工几何尺寸的精度、抛光片的颗粒数和金属杂质的沾污等，提出了愈来愈高的要求。 在IC芯片特征尺寸不断缩小的同时，芯片的几何尺寸却是增加的。为了减少周边损失以降低成本，硅片应向大直径发展。在人工晶体生长中，目前硅单晶尺寸最大。 当代直拉硅单晶正在向着高纯度、高完整性、高均匀性（三高）和大直径（一大）发展。 磁场直拉硅技术 硅单晶向大直径发展，投料量急剧增加。生长φ6″、φ8″、φ12″、φ16″硅单晶，相应的投料量应为60 kg、150 kg、300 kg、500 kg。大熔体严重的热对流，不但影响晶体质量，甚至会破坏单晶生长。热对流驱动力的大小，可用无量纲Raylieh数表征：
直拉法单晶硅生长技术的现状 摘要 综述了制造集成电路（IC）用直拉硅单晶生长的现状与发展。对大直径生长用磁场拉晶技术，硅片中缺陷的控制与利用（缺陷工程），大直径硅中新型原生空位型缺陷，硅外延片与SOI片，太阳电池级硅单和大直径直拉硅生长的计算机模拟，硅熔体与物性研究等进行了论述。 关键词：直拉硅单晶；扩散控制；等效微重力；空洞型缺陷；光电子转换效率；硅熔体结构 一、光伏产业的发展趋势，及对硅材料的前景要求，直拉法单晶硅生长技术是现在主流生长技术之一 光伏产业，是一种利用太阳能电池直接把光能转换为电能的环保型新能源产业。由于从太阳光能转换成电能的光电转换装置，是利用半导体器件的“光生伏打效应”原理进行光电转换的，因此把与太阳能发电系统构成链条关系的产业称为光伏产业。光伏产业的链条，包括：硅矿-硅矿石（石英砂）-工业硅（也称金属硅）-多晶硅、单晶硅-晶圆或多晶硅切片-太阳能电池-组件-发电系统。工业硅的纯度，一般为98-99.99%；太阳能级硅的纯度，一般要求在6N级即99.9999%以上。 与其他常规能源相比，光伏发电具有明显的优越性：一是高度的清洁性，发电过程中无损耗、无废物、无废气、无噪音、无毒害、无污染，不会导致“温室效应”和全球性气候变化；二是绝对的安全性，利用太阳能发电，对人、动物、植物无任何伤害或损害；三是普遍的实用性，不需开采和运输，使用方便，凡是有太阳照射的地方就能实现光伏发电，可广泛用于通信。交通、海事、军事等各个领域，上至航天器，下至家用电器，大到兆瓦级电站，小到玩具，都能运行光
伏发电；四是资源的充足性，太阳能是一种取之不尽用之不竭的自然能源。据计算，仅一秒钟发出的能量就相当于1.3亿亿吨标准煤燃烧时所放出的热量。而到达地球表面的太阳能，大约相当于目前全世界所有发电能力总和的20万倍。地球每天接收的太阳能，相当于全球一年所消耗的总能量的200倍。人类只要利用太阳每天光照的5%，就可以解决和满足全球所需能源。正因为如此，加上由于传统的化石能源是不可再生资源，越来越接近枯竭，世界各国越来越达成必须加快发展新的替代能源的共识，从而加大了政策扶持的力度，世界光伏产业呈现出蓬勃发展的势头，光伏产业正在向大批量生产和规模化应用发展，其运用几乎遍及所有用电领域。 从整体来看，世界各国对太阳能光伏发电的政策扶持力度在逐年加大。各国的补贴政策主要分为两类：一类是对安装光伏系统直接进行补贴，如日本；另一类是对光伏发电的上网电价进行设定，如德国、西班牙等国。而美国加利福尼亚州，则是将两种政策混合执行。 光伏科技的进步，使光电转换效率不断提高、光能发电成本不断降低。技术进步是降低光伏发电成本，提高光能利用效率、促进光伏产业和市场发展的重要因素。几十年来围绕着降低成本的各种研究开发项工作取得了显著成就，表现在电池效率不断提高。硅片厚度持续降低、产业化技术不断改进等方面，对降低光伏发电成本起到了决定性的作用。 多晶硅是太阳能电池必不可少的基础材料，其占到太阳能电池成本的80%，每生产1兆瓦太阳能电池需要12-14吨多晶硅。多晶硅主要采用化学提纯、物理提纯两种方法进行生产，其中化学提纯方法主要有西门子法（气象沉淀反应法）、硅烷热分解法、流态化床法，物理提纯方法主要有区域熔化提纯法（FZ）、定向凝固多晶硅锭法（筹造法）等等。 二、直拉法单晶生长技术的机械设备 上海汉虹的FT-CZ2008A、FT-CZ2208AE、FT-CZ2208A，西安理工大学的TDR80A-ZJS、TDR80B-ZJS、TDR80C-ZJS、TDR85A-ZJS、TDR95A-ZJS、TDR112A-ZJS，美国KAYEXCG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分别为30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg,以及其他厂家的
浅析单晶硅的生产现状 发表时间：2018-07-23T16:41:02.197Z 来源：《知识-力量》2018年8月上作者：高磊刘佳佳[导读] 本文综述了制造光伏电池和集成电路用单晶硅的特点，对直拉法生长单晶硅的基本原理及生产工艺进行论述，并且分析了直拉法单晶生长过程中的主要杂质及其来源。（郑州大学，河南郑州 450001） 摘要：本文综述了制造光伏电池和集成电路用单晶硅的特点，对直拉法生长单晶硅的基本原理及生产工艺进行论述，并且分析了直拉法单晶生长过程中的主要杂质及其来源。关键词：单晶硅直拉法生产工艺前言 单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。应用于制作晶体管、微处理器、存储器、模拟电路等，其中90%的半导体器件和集成电路都是用硅单晶制作的。目前，单晶硅在太阳能光伏电池和集成电路中的应用最为广泛。 随着电子通讯行业和太阳能光伏产业的快速发展，半导体工业也随之迅猛发展。到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在硅材料基础之上的，以硅材料为主的半导体专用材料在国民经济、军事工业中的地位非常重要，全世界的半导体器件中有95 % 以上是用硅材料制成。其中单晶硅则是半导体器件的核心材料，单晶硅属于立方晶系，具有类似金刚石的结构，硬度大，在较宽的温度范围内，都能够稳定地工作，其热稳定性和电学性能非常好。硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。因此，单晶硅制备工艺发展迅速，产量大幅增加。 1单晶硅生产工艺 当前制备单晶硅主要有两种技术，根据晶体生长方式不同，可分为悬浮区熔法和直拉法。这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域，区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面，而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。 区熔法：在整个制备单晶硅的过程中，不需要使用石英坩埚支撑，高温的硅并没有和任何其它物质接触，因而很容易保持高纯度。这种方法制备的单晶硅氧含量低，但是不容易生长出较大直径的硅单晶。 直拉法：也被简称为CZ 法，现已成为制备单晶硅材料最为重要的方法之一。CZ法是将原料装在一个石英坩埚中，外面用石墨加热器进行加热，当原料被加热器熔化后，将籽晶插入熔体之中，在合适的温度下，边转动边提拉，即可获得所需单晶。直拉法的优点是：可以方便地观察晶体生长过程、晶体生长时内部热应力小、可以方便地使用“缩颈”工艺，降低位错密度，成品率高、方便的控制温度梯度、有较快的生长效率。 直拉法生长单晶的具体工艺过程包括装料、化料、熔接、引晶、放肩、转肩、等径生长和收尾这几个阶段： 1.装料：根据所设计的投料量，将块状多晶硅料装入石英坩埚内并放入到单晶炉中。在此阶段有两个问题需要特别注意: 投料量和熔料温度，避免在化料过程中产生不利的问题，例如挂边、破裂。 2.抽真空：将单晶炉内的空气抽出，真空合格后充入保护气体氩气。 3.化料：打开功率进行加热，使炉体上升到1500℃左右。熔硅时，应注意炉内真空度的变化，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1000℃时应转动坩埚，使坩埚各部受热均匀。 4.熔接：当硅料全部溶化，调整加热功率以控制熔体的温度。待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3-5mm 距离，使籽晶预热，以减少籽晶与溶硅的温度差，从而减少籽晶与溶硅接触时在籽晶中产生的热应力。预热充分后的籽晶则可以继续下降与液面进行熔接，同时籽晶保持一定的旋转速度。 5.引晶：为排除籽晶在熔接时由于受热冲击而产生的位错延伸到晶体中，需要控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，在引晶过程中需注意两个关键因素：坩埚的位置和液面温度。 6.放肩：为使得晶体直径达到制备要求的尺寸，进行放肩。引晶完成后，将拉速降低，同时降低功率开始放肩。放肩角一般控制在140°至160°之间，需适当调整放肩速度，保持圆滑光亮的放肩表面。放肩过程可通过降低拉速或者降低温度实现。 7.转肩：当放肩过程达到目标直径时，要对它的生长进行控制，通过提高拉晶速度进行转肩，使肩近似直角，进入等直径的纵向生长。 8.等径：当晶棒长到一定长度，就可以对其直径进行等径控制，以确保单晶棒直径的上下一致。等径过程在整个拉晶工艺中占用时间最多也是最重的阶段，这个阶段的工艺直接决定了单晶硅棒的质量。不仅要控制好晶体的直径，更为重要的是保持晶体的无错位生长。 9.收尾：在晶体生长接近尾声时，生长速度再次加快，同时升高硅熔体的温度，使得晶体的直径不断缩小，形成一个圆锥形，最终晶体离开液面，单晶硅生长完成。收尾的作用是防止位错反延。 10.停炉：当单晶硅与液面脱离后，不能立刻把晶棒升高，而是缓慢降低加热器功率直至为零，仍保持氩气的正常流通直至完全冷却，以防止空气对单晶硅表面的氧化。 2直拉单晶中存在的主要杂质目前，在直拉单晶硅中，主要杂质是氧和碳。 （1）单晶硅中的氧杂质在CZ法生长中，氧是直拉单晶硅中的主要杂质，氧不可避免地掺入硅单晶。其途径是在硅的熔点（1420℃）附近，熔硅与石英坩埚作用，生成sio进入硅熔体，溶解的氧经由熔体的对流和扩散传输到晶体和熔体的界面或自由表面。熔体中的部分氧在熔体自由表面蒸发，而余下的氧则通过晶体和熔体界面分凝而渗入晶体内。在实际直拉单晶硅中，氧浓度的表现为头部高、尾部低，在收尾处氧浓度有所上升，同时，氧浓度从单晶硅的中心部位到边缘是逐渐降低的。这是受晶体生长工艺变化的影响。 (2)单晶中的碳杂质
仪晶评丌实用型硅单晶中氧、碳含量自动测量系统 李光乎李静王良汝琼娜何秀坤 （信息产业部电子第四十六研究所天津５５信箱３００１９２） 武惠忠杨学军 （北京第二光学仪器厂北京１０００１５） 摘要实用型硅单晶中氧、碳含量自动测量分析软件是ＷＱＦ系列傅立叶变换红外光谱仪的中 文显示专用软件，主要用于硅单晶（直拉硅、区熔硅）中氧、碳含量测量。 关键词硅中氧碳合量自动测量傅里叶变换红外光谱 １引言 红外吸收法测定硅单晶中氧、碳含量是一种快速、无损的测试方法。测量标准对样品厚度和样品表面有严格的规定，以保证测量的准确性。标准中规定对于测氧，区熔硅单晶厚度为５～ｌＯｍｍ，直拉硅单晶厚度为２ｍｍ；对于测量碳，硅单晶厚度均为２ｍｍ；样品表面必须是双面抛光。这样，一方面造成材料的浪费，～方面测量条件必须严格满足才能保证测量的准确性，使实际材料工艺生产过程的氧、碳含量在线检测复杂化，影响测量数据快速地反馈给生产。 本文论述的硅单晶中氧、碳含量自动测量系统在Ｗｉｎ９８环境下运行，界面直观、操作简单，中文显示，测量硅中氧、碳含量只需约４分钟，而且，试样只要求经双面研磨／单面抛光即可，厚度范围为１。５～３．５ｍｍ。本测量系统在常温下测硅中氧、碳含量精度为±２０％。 ２测量系统组成 ２．１硬件 ２．１．１ＷＯＦ－—４１０型ＦＴｍ仪器一台 ２．１．２ＰＩＩＩ微机一台 ２．２测量系统软件 ２．２．１主菜单 共有６个功能模块：文件模块、设置模块、显示模块、工具模块、输出模块、帮助模块，主菜单示意图如图ｌ所示： （１）文件模块：该模块实现对文件的管理功能，主要有５项功能：新建、打开、复制、删除、退出。在该项模块的窗口中，用户可以看到测量样品的综合信息（样品名称、规格型号、样品厚度、测量单位名称、测量日期、硅单晶中氧、碳含量测量结果、样品的测量光谱图）。 图１主菜单示意图 （２）设置模块：该项模块实现对测量条件的设置功能，主要有４项功能：一个样品、多个样品、氧、碳含量测量模式选择、系统参数设置。在该项模块的窗口中，用户可通过计算机来控制仪器的状态，设置好测量前的各项实验条件，进行一个样品或多个样品的同时测量。 （３）显示模块：该项模块实现显示测量样品的光谱和仪器当前的状态，主要有４项功能：谱线窗口显示选择、背景、光谱文件浏览、仪器参数。用户在该模块窗口中，通过选择存储的样品光谱文件来显示所有的测量谱图，还可以显示出仪器当前状态下的测量参数供用户监控仪器。 （４）工具模块：该模块有５项功能：数据转换、测量背景、测量参样吸光度、测量样品吸光度、 ３７ 万方数据
大直径直拉单晶技术 摘要：随着国内大直径直拉单晶技术的发展，一些原先在小直径单晶中并未引起重视的问题，对大直径单晶生长的负面影响日渐显现。大直径单晶对其生长环境有很高的稳定性要求。本文就其中真空度的稳定和气流控制的优化两个方面，提出了改进方案，以提高大直径单晶生长的成晶率和内在品质。 关键字：直拉法；大直径单晶；真空稳定性；气流控制 1 引言 半导体技术的日新月异促使了硅单晶生长技术向大直径方向发展。目前，国内大直径直拉单晶制造的规模化生产刚刚起步，许多技术尚处在摸索阶段。生长无位错的大直径单晶，要求其生长环境有很高的稳定性。这使得一些破坏单晶生长稳定性的因素，在原先小直径单晶生长中影响不大，但是对大直径单晶生长的负面影响却日渐显现。 在直拉单晶生长过程中，炉体内的气体气流由上至下贯穿单晶生长的区域，及时地带走由于高温而产生出来的硅氧化物和杂质挥发物。因此，维持单晶炉体内真空值的稳定性，不受外界因素的影响，同时使保护气体有合理的气流走向，迅速带走杂质，已经成为目前半导体材料制造行业领域改进设备，提高成晶率的重要课题。 2 真空度的稳定性控制 高纯氩气从单晶炉顶部注入，底部由真空泵将气体抽出，炉内的真空值保持动态平衡（一般在20Torr左右）。但由于种种外界因素的影响，这个平衡往往会受到破坏，使真空值在较大幅度内变化，特别在大直径单晶生长中的影响尤为明显。 2.1 影响真空度不稳定的因素 其一，一般设备中，氩气的进气流量是由转子流量计控制的。转子流量计是通过改变通气孔径的大小来控制气体的流量。它的缺点就是气流量势必随着进气口压力的改变而改变。实际生产中，气源压力不可避免地会受到环境温度和贮罐内氩气存量的影响。 其二，真空泵是抽真空的动力设备。在拉晶过程中，由于炉内高温而挥发出来的杂质和硅氧化物会被吸收到真空泵油中，与泵油混合在一起。随着工作时间的增长，真空泵油的粘稠度会不断增大，导致抽真空的效率降低。到一定程度，真空泵必须定期更换泵油。另外，真空泵油的温度也是影响抽真空效率的因素。 2.2 改进方案 针对上面提出的两个问题，首先从氩气进气系统入手，为了保证进气速度恒定，我们用质量流量控制器（MFC）代替转子流量计。质量流量控制器能精确地测量和控制气体的流量，它的测量技术是基于美国一个专利（美国专利号NOS.4464932、4679585）。质量流量控制器检测的是气体的“质量流”，它只受气体自身三个特性的影响（热容量、密度、分子结构），对于某种确定的气体，上面三个参数都是确定的。因此，MFC的测量精度不受气体的温度、压力等外在因素的影响，能在20～200SLPM的范围内达到高于1.0%的控制精度，响应时间小于2s。 其次，考虑真空抽速的控制。我们在单晶炉与真空泵的管道上增加了步进蝶阀。采用步进蝶阀目的是通过改变抽气通道的孔径来调节真空抽速。这是一个闭环的控制系统，由数字真空表实时检出炉内的真空压力，把该真空值与设定真空值比较，当炉内真空值偏高，就逐渐开大步进蝶阀，提高抽气速度，降低真空值至设定点。反之，若炉内真空值偏低，则关小步进蝶阀，减小抽气速度。采用这样闭环系统，可以使单晶炉内真空值相当稳定，避免外界因素的干扰。 3 气流的优化控制
直拉单晶硅中的位错 1.简介 尽管单晶硅石晶格最为完整的人工晶体，但是，依然存在晶格缺陷。 晶体硅的缺陷有多种类型。按照缺陷的结构分类，直拉单晶硅中主要存在点缺陷、位错、层错和微缺陷； 按照晶体生长和加工过程分类，可以分为晶体原生缺陷和二次诱生缺陷。原生缺陷是指晶体生长过程中引入的缺陷，对于直拉单晶硅而言，主要有点缺陷、位错和微缺陷；而二次诱生缺陷是指在硅片或器件加工过程中引入的缺陷，除点缺陷和位错以外，层错是主要可能引入的晶体缺陷。 对于太阳电池用直拉单晶硅，点缺陷的性能研究很少，其对太阳电池性能的影响不得而知；而普通硅太阳电池工艺的热处理步骤远少于集成电路，所以工艺诱生的层错也比较少。显然，在太阳电池用直拉单晶硅中，位错是主要的晶体缺陷。 直拉单晶硅位错的引入可以有三种途径。 一是在晶体生长时，由于籽晶的热冲击，会在晶体中引入原生位错。这种位错一旦产生，会从晶体的头部向尾部延伸，甚至能达到晶体的底部。但是，如果采用控制良好的“缩颈”技术，位错可以在引晶阶段排出晶体硅，所以，集成电路用直拉单晶硅已经能够做到没有热冲击产生的位错。另外，在晶体生长过程中，如果热场不稳定，产生热冲击，也能从固液界面处产生位错，延伸进入晶体硅。对于太阳电池用直拉单晶硅，因为晶体生长速度快，有时有可能会有热冲击位错产生。如果位错密度控制在一定范围内，对太阳电池的效率影响较小；否则，制备出的太阳电池效率就很低了。 二是在晶体滚圆、切片等加工工艺中，由于硅片表面存在机械损伤层，也会引入位错，在随后的热加工过程中，也可能延伸进入硅片体内。 三是热应力引入位错，这是由于在硅片的热加工过程中，由于硅片中心部位和边缘温度的不均匀分布，有可能导致位错的产生。 位错对太阳电池的效率有明显的负面作用，位错可以导致漏电流、p-n结软击穿，导致太阳电池效率的降低。所以，在直拉单晶硅的制备、加工和太阳电池的制造过程中应尽力避免位错的产生和增加。
WQF-520型FTIR硅中氧、碳含量 测量分析系统 使用说明书 信息部电子第四十六所
WQF-520型FTIR硅中氧、碳含量测量分析系统使用说明书 一、仪器的规格与性能（由北京瑞利分析仪器公司提供） 1.1、波数范围7000cm-1～400cm-1 1.2、分辩率1.0 cm-1 1.3、波数准确度优于所设分辨率的1/2 1.4、透过率重复性0.5%T 二、测量条件 2.1、样品 2.1.1、试样 经双面研磨/单面抛光/双面抛光（机械/化学抛光）硅晶片均可。一般测量时，试样需用金刚砂305#粗磨和303#细磨，以致双面平行，表面无划痕，并且试样在1300 cm-1～900 cm-1范围内基线透过率不低于20%。 要求试样在室温下电阻率＞0.1Ω.cm,试样的厚度范围为2.00mm—3.00mm。 2.1.2、参样 参样的厚度约为2.00mm，双面抛光呈镜面，并且参样中的氧、碳含量均小于1×1016cm-3。 2.2、测量精密度及检测下限 2.2.1、本方法在常温下测碳含量精密度为±20%，检测下限为1.0×1016 cm-3。对于低碳含量样品,多个实验室测量碳含量精密度，按照“硅中代位碳含量的红外吸收测量方法”国家标准(GB/T 1558-1997)为： +0.6*1016 SSD=0.134 N C 式中：SSD—试样的标准偏差，cm-3； —碳含量，cm-3 。 N C 2.2.2、本方法在常温下测氧含量分两种情况： (1) CZ-Si(直拉硅)中氧含量精密度为±10%。 (2) FZ-Si（区熔硅）中氧含量精密度为±20%，检测下限为1×1016 cm-3。符合“硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法”国家标准(GB/T 1557-89)的要求。 三、测量系统组成 3.1、硬件 3.1.1、正常运行的WQF-520型FTIR仪器一台。 3.1.2、通用微型计算机一台。 3.2、软件 测量分析软件光盘1张。 四、测量系统软件的功能介绍 4.1、主界面 进入Win窗口，点中窗口中的快捷方式“硅中氧、碳含量测量分析”图标，双击鼠标左键，启动自动测量系统，进入主界面(见图1)。
直拉单晶工艺常识 硅的固态密度：2.33克/㎝，液态密度2.54克/㎝，呈灰色金属光泽，性质较脆，切割时易断裂，比重较小，硬度较大，属于非金属，是极为重要的半导体元素，液态时其表面张力较大，从液态到固态时体积膨胀较多。 氧在硅晶体中的分布是不均匀的，一般头部含量高，尾部含量低，晶体中心部位含量高，边缘含量低。 碳在晶体中的分布是中心部位低，边缘部位高。 电阻率：单位面积材料对于两平行平面垂直通过电流的阻力， 晶向：一簇晶列的取向。 母合金：生产上常常将掺杂纯元素“稀释”成硅熔体叫做母合金。 偏度：晶体自然中轴线与晶向之间的夹角度数。 空穴：半导体价带结构中一种流动的空位，其作用就像一具具有正效质量的正电子荷一样。 迁移率：载流子在单位电场强度作用下的平均漂移速度。 载流子：固体中一种能传输电荷的载体，又称电载流。
少数载流子寿命：在光电作用下，非平衡少数载流子由产生到复合存在的平均时间。 杂质分凝：在结晶过程中，由于杂质偏析，出现杂质分配现象叫杂质分凝。 扩散：物质内部热运动导致原子或分子迁移的过程。 热对流：液体或气体流过固体表面时，由于固体对液体或气体分子有吸附与摩擦作用，于是从固态表面带发挥或给于固体以热，这种传递热的方式叫热对流。 热应力：是压缩力，也可以叫拉伸力，要看液体中心部位对边缘部分的相对收缩或膨胀而定，大小取决于晶体的温场分布。 温度梯度：只温度在某方向的变化率用DT/DR表示，指某点的温度T在R方向的变化率，在一定距离内某方向的温度相差越大，单位距离内温度变化越大，温度梯度也越大，反之越小。 对石英坩埚的质量要求：1.外观检查：无损伤，无裂纹，无明显划痕，无气泡，无杂质点，100%透明；2.耐高温：在1600℃下经16小时后不变形，不失透，经1500℃硅液作用下无白点；3.纯度：sio 299.99%-99.999%，其中硼含量小于10ppm；4.直径公差±1.5mm；5.高度公差±1mm。
单晶硅片制作工艺流程 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
单晶硅电磁片生产工艺流程 ?1、硅片切割，材料准备： ?工业制作硅电池所用的单晶硅材料，一般采用坩锅直拉法制的太阳级单晶硅棒，原始的形状为圆柱形，然后切割成方形硅片（或多晶方形硅片），硅片的边长一般为10~15cm，厚度约200~350um，电阻率约1Ω.cm的p型（掺硼）。 ?2、去除损伤层： ?硅片在切割过程会产生大量的表面缺陷，这就会产生两个问题，首先表面的质量较差，另外这些表面缺陷会在电池制造过程中导致碎片增多。因此要将切割损伤层去除，一般采用碱或酸腐蚀，腐蚀的厚度约10um。 ? ? ?3、制绒： ?制绒，就是把相对光滑的原材料硅片的表面通过酸或碱腐蚀，使其凸凹不平，变得粗糙，形成漫反射，减少直射到硅片表面的太阳能的损失。对于单晶硅来说一般采用NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成无数的金字塔结构，碱液的温度约80度，浓度约1~2%，腐蚀时间约15分钟。对于多晶来说，一般采用酸法腐蚀。 ? ?4、扩散制结：
?扩散的目的在于形成PN结。普遍采用磷做n型掺杂。由于固态扩散需要很高的温度，因此在扩散前硅片表面的洁净非常重要，要求硅片在制绒后要进行清洗，即用酸来中和硅片表面的碱残留和金属杂质。 ? ?5、边缘刻蚀、清洗： ?扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层。周边扩散层使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，以至成为废品。目前，工业化生产用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除含有扩散层的周边。 ?扩散后清洗的目的是去除扩散过程中形成的磷硅玻璃。 ? ?6、沉积减反射层： ?沉积减反射层的目的在于减少表面反射，增加折射率。广泛使用PECVD淀积SiN ,由于PECVD淀积SiN时,不光是生长SiN作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产。 ? ?7、丝网印刷上下电极：
ICS29.045 H 82 DB63 青海省地方标准 DB 63/ T991—2011 太阳能级直拉单晶硅圆棒质量要求 Quality requirments of direct-pull monosilicon stick in solar grade 点击此处添加与国际标准一致性程度的标识 （报批稿） 2011-04-11发布2011-05-01实施
前言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 本标准由青海华硅能源有限公司提出并负责解释。 本标准由西宁经济技术开发区东川工业园区管委会归口。 本标准起草单位：青海华硅能源有限公司。 本标准主要起草人：张治民、雷光辉、李治明、付亚惠、冯全来、武超。
太阳能级直拉单晶硅圆棒质量要求 1 范围 本标准规定了太阳能级直拉单晶硅圆棒的质量要求。 本标准适用于太阳能级直拉单晶硅圆棒的检验。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 1214.1 游标类卡尺通用技术条件 GB/T 1550 非本征半导体材料导电类型测试方法 GB/T 1552 硅、锗单晶电阻率测定直排四探针法 GB/T 1553 硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰减法 GB/T 1555 半导体单晶晶向测定方法 GB/T 1557 硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法 GB/T 1558 硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法 GB/T 1554 硅晶体完整性化学择优腐蚀检验方法 3 术语定义 下列术语和定义适用于本标准。 3.1 崩边 晶棒径向端面呈现局部破损，称为崩边。在崩边处可以观察到晶体金属光泽的亮点。 3.2 裂痕、裂纹 特征为其晶体内部存在微小的缝隙，裂纹、裂痕容易沿晶体解理面产生。 3.3 气孔 晶体内存在空洞时，在切断面上可以见到无规则、大小不等的小孔。 3.4 位错
新能源产业 单晶硅项目可行性报告书
2014年01月作成 第一章总论 1.1项目概况 项目名称：直拉法生产单晶硅 新建企业名称：八零九零有限公司 项目负责人：刘冰 项目建设地点：山东济南 1.2项目提出的背景 硅是地球上储藏最丰富的材料之一，从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。直到上世纪60年代开始，硅材料就取代了原有锗材料。硅材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。 单晶硅又叫硅单晶（Monocrystalline silicon），分子式：Si，分子量：28.086. 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 1.2.1.具体介绍
我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。 单晶硅，英文：Monocrystallinesilicon。是硅的单晶体。具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到99.9999%，甚至达到99.9999999%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。 用途：单晶硅具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随着温度升高而增加，具有半导体性质。单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第ЩA族元素，形成P型半导体，掺入微量的第VA族元素，形成N型，N型和P型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。 单晶硅是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。在开发能源方面是一种很有前途的材料。 单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。 1.2.2.发展现状 单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量达25.8%的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。
一、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。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成电路领域。由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC 制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。 二、硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。 日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为2.5、3、4、5英寸硅锭和小直径硅片。中国消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。但我国科技人员正迎头赶上，于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅，标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。 目前，全世界单晶硅的产能为1万吨/年，年消耗量约为6000吨～7000吨。未来几年中，世界单晶硅材料发展将呈现以下发展趋势。 单晶硅产品向300mm过渡，大直径化趋势明显： 随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。目前，硅片主流产品是200mm，逐渐向300mm 过渡，研制水平达到400mm～450mm。据统计，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm 占20%左右，其余占20%左右。根据最新的《国际半导体技术指南（ITRS）》，300mm硅片之后下一代产品的直径为450mm；450mm硅片是未来22纳米线宽64G集成电路的衬底材料，将直接影响计算机的速度、成本，并决定计算机中央处理单元的集成度。 Gartner发布的对硅片需求的5年预测表明，全球300mm硅片将从2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。日、美、韩等国家都已经在1999年开始逐步扩大300mm硅片产量。据不完全统计，全球目前已建、在建和计划建的300mm硅器件生产线约有40余条，主要分布在美国和我国台湾等，仅我国台湾就有20多条生产线，其次是日、韩、新及欧洲。 世界半导体设备及材料协会（SEMI）的调查显示，2004年和2005年，在所有的硅片生产设备中，投资在300mm生产线上的比例将分别为55%和62%，投资额也分别达到130.3亿美元和184.1亿美元，发展十分迅猛。而在1996年时，这一比重还仅仅是零 2、硅材料工业发展日趋国际化，集团化，生产高度集中： 研发及建厂成本的日渐增高，加上现有行销与品牌的优势，使得硅材料产业形成“大者恒大”的局面，少数集约化的大型集团公司垄断材料市场。上世纪90年代末，日本、德国和韩国（主要是日、德两国）资本控制的8大硅片公司的销量占世界硅片销量的90%以上。根据SEMI提供的2002年世界硅材料生产商的市场份额显示，Shinetsu、SUMCO、Wacker、