【正文】 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。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(chǎn)品加工出來的不同產(chǎn)品的應用做了具體的分析。北京 2020 年奧運會將把 “ 綠色奧運 ” 做為重要展示面向全世界展現(xiàn)，單晶硅的利用在其中將是非常重要的一環(huán)。 在光伏技術和微小型半導體逆變器技術飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽能電池可以直接把太陽能轉化為光能，實現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。 本次畢業(yè)設計是對單晶硅的生產(chǎn)工藝和單晶硅的應用領域及應用前景做相應的研究。 單晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料，隨著國內(nèi)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。單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法（ CZ）、區(qū)熔法（ FZ）和外延法。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領域，廣泛用于大功率輸變電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節(jié)能燈、電視機等系列產(chǎn)品。單晶硅已滲透到國民經(jīng)濟和國防科技中各個領域。中國消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴進口。目前，硅片主流產(chǎn)品是 200mm，逐漸向 300mm 過渡，研制水平達到 400mm450mm。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球目前已建、在建和計劃建的 300mm 硅器件生產(chǎn)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(chǎn)線，其 4 次是日、韓、新及歐洲。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。主要的硅基材料包括 SOI（絕緣體上硅）、 Gesso 和 應力硅。在日本， Φ200mm 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。 一 單晶硅概述 (一 )基本概念 單晶硅是硅的單晶體，是具有基本完整的結構的點陣晶體。單晶硅是重要的半導體材料，在 5 單晶硅中摻入微量的 IIIA 族元素，形成 P 型半導體。直到上世紀 60 年代開始，硅材料就取代了原有鍺材料。超純的單晶硅是本征半導體。 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。中國消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴進口。目前，硅片主 6 流產(chǎn)品是 200mm，逐漸向 300mm 過渡，研制水平達到 400mm450mm。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球目前已建、在建和計劃建的 300mm 硅器件生產(chǎn)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(chǎn)線，其次是日、韓、新及歐洲。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。主要的硅基材料包括 SOI、 Gesso 和應力硅。在日本， Φ200mm 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。 硅是地殼中賦存最高的固態(tài)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(tài)。 多晶硅材料是以工業(yè)硅為原料經(jīng)一系列 7 的物理化學反應提純后達到一定純度的電子材料，是硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈 中的一個極為重要的中間產(chǎn)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(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)最基礎的原材料。這項產(chǎn)品使中國能夠開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的關鍵制造技術與單晶爐生產(chǎn)設備，填補了國內(nèi)空白，初步改變了在晶體生長設備領域研發(fā)制造受制于人的局面。 多晶硅按純度分類可以分為冶金級（工業(yè)硅）、太陽能級、電子級。一般認為含 Si 在 – （ 4～ 6 個 9）。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。西門子法（三氯氫硅還原法）是以 Hall（或 Cl H2）和冶金級工業(yè)硅為原料，將粗硅（工業(yè)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，使其純度達到 9 個 9 以上，其中金屬雜質總含 量應降到 以下，最后在還原爐中 在 1050℃ 的硅芯上用超高純的氫氣對 SiHCL3 進行還原而長成高純多晶硅棒。 （ 3） 縮頸生長 ：當硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。 （ 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。這一過程稱之為尾部生長。 單晶硅生長爐是通過直拉法生產(chǎn)單晶硅的制造設備。配以特效高頻變壓器，構成新一代高頻開關電源。然后，對熔化的硅液稍做降溫，使之產(chǎn)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 )插入熔體表面，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。這樣一個單晶拉制過程就基本完成，進行一定的保溫冷卻后就可以取出。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。 (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。 改進的直拉技術主要有磁控直拉技術、連續(xù)生長技術 、液體覆蓋直拉技術。在生產(chǎn)中通常采用水平磁場、垂直磁場等技術。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。也可用于 GaAs、 GaSb 等化合物半導體單晶的生長。 （ 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(fā)性組元的化合物半導體單晶。此種技術可用于生長 GaAs 、 InP、 GaP和 InAs 單晶。 在懸浮區(qū)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。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。 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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為當代信息技術產(chǎn)業(yè)的支柱，并使信息技術產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟發(fā)展中增長最 快的先導產(chǎn)業(yè)。 此外，包括我國在內(nèi)的各國政府也出臺了一系列 “陽光產(chǎn)業(yè) ”的優(yōu)惠政策，給予相關行業(yè)重 點扶持，單晶硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出美好的發(fā)展前景。將單晶硅棒切成片，一般片厚度約 毫米。該工序主要用來對硅片的一些技術參數(shù)進行在線測量，這些參數(shù)主要包括硅片表面不平整度、少子壽命、電阻率、 P/N 型和微裂紋等。硅片檢測設備能夠自動裝片和 14 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。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70— 85C，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 20— 25um，在腐蝕絨面后，進行一般的化學清洗。擴散一般用三氯氧磷液態(tài)源作為擴散源。制造 PN 結是太多電池生產(chǎn)最基本也是最關鍵的工序。五氧化二磷與硅反應又生產(chǎn)二氧化硅和磷原子，這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的二氧化硅，稱之為磷硅玻璃。 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(qū)域流到 PN 結的背面，而造成短路。等離子體是由帶電的電子和離子組成，反應腔體中的 15 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。 PECVD 即等離子增強型化學氣相沉積。利用薄膜干涉原理，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?shù)奶岣?。其工作原理為：利用絲網(wǎng)圖形部分網(wǎng)孔透過漿料，用刮刀在絲網(wǎng)的漿料部位施加一定壓力，同時朝絲網(wǎng)另一端移動。當銀電極和晶體硅在溫度達到共同溫度時，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(shù)，使其具有電阻特性，以提高電池片的轉換效率。消防和環(huán)保設備對于保證安全和持續(xù)發(fā)展也顯得尤為重要 。真空排氣量在300M/H 左右。 組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產(chǎn)中的關鍵步驟，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產(chǎn)不出好的組件板。以提高電池的利用率，做出質量合格的電池組件。 （ 3） 背面串接：背面焊接是將 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(jīng)設計好，不同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將 “ 目前電池 ” 的正面電極 (負級 )焊接到 “ 后面電池 ” 的背面電極 (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。 (敷設層次：由下向上：玻璃、 EVA、電池、 EVA、玻璃纖維、背板 )。固化溫度為 150 攝氏度。 （ 8） 焊接接線盒：在組件背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。畢業(yè)論文的設計工作也順利的完成了。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(fā)性的建議。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。 20 贛西職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 論 文 單晶硅生產(chǎn)工藝及應用的研究 系別 名稱： 新能源工程系 專業(yè)班級： 光伏材料加工與應用 學生姓名： 指導教師： 2020 年 10 月 15 日