【正文】 ............................................................ 14 單晶硅太陽能電池 ................................................................................................. 14 基本結(jié)構(gòu) ...................................................................................................... 14 太陽能電池片制作工藝流程 .......................................................................... 15 致謝 .......................................................................................................................................... 20 參考文獻 .................................................................................................................................. 21 1 緒論 單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔 法從熔體中生長出棒狀單晶硅。 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。直徑越大的圓片，芯片的成本也就越低。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。直拉法生長的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)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。外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。單晶硅已滲透到國民經(jīng)濟和國防科技中各個領(lǐng)域。 日本、美國和德國是主要的硅材料生產(chǎn)國。中國消耗的大部分集成電路及其硅片仍然依賴進口。 目前，全世界單晶硅的產(chǎn)能為 1 萬噸 /年，年消耗量約為 6000 噸 ~7000 噸。目前，硅片主流產(chǎn)品是 200mm，逐漸向300mm 過渡，研制水平達到 400mm~450mm。 Gartner 發(fā)布的對硅片需求的 5 年預(yù)測表明， 2 全球 300mm 硅片將從 2020 年的 %增加到 2020 年的 %。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。而在 1996 年時，這一比重還僅僅是零 。上世紀(jì) 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。 硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向 隨著光電子和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向。主要的硅基材料包括 SOI（絕緣體上硅）、 GeSi 和應(yīng)力硅。 Soitec公司（世界最大的 SOI 生產(chǎn)商）的 2020 年～ 2020 年 SOI 市場預(yù)測以及 2020 年各尺寸 SOI硅片 比重預(yù)測了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景。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(zhì)量，而且可使切割損失減少 10%。另外，最新尖端技術(shù)的導(dǎo)入， SOI 等高功能晶片的試制開發(fā)也進入批量生產(chǎn)階段。 3 1 單晶硅概述 基本概念 單晶硅是硅的 單晶體，是具有基本完整的結(jié)構(gòu)的點陣晶體。純度要求達到 ％，甚至達到 ％以上。單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料，在單晶硅中摻入微量的 IIIA族元素，形成 P 型半導(dǎo)體。形成 N 型和 P 型導(dǎo)體結(jié)合在一起，就可以做成 太陽能電池 ，將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在開發(fā)電能方面是一種很有前途的材料。直到上世紀(jì) 60 年代開始， 硅材料 就取代了原有 鍺材料 。 熔融的單質(zhì)硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。 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。 直拉單晶硅產(chǎn)品，可以用于二極管級、整流器件級、電路級以及太陽能電池級單晶產(chǎn)品的生產(chǎn)和深加工制造，其后續(xù)產(chǎn)品集成電路和半導(dǎo)體分離器件已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在軍事電子設(shè)備中也占有重要地位。中國硅材料工業(yè)與日本同時起步，但總體而言，生產(chǎn)技術(shù)水平仍然相對較低，而且大部分為 、 5 英寸硅錠和小直徑硅片。但我 國科技人員正迎頭趕上，于 1998 年成功地制造出了 12 英寸單晶硅，標(biāo)志著我國單晶硅生產(chǎn)進入了新的發(fā)展時期。未來幾年中，世界單晶硅材料發(fā)展將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢： （ 1）微型化 隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對硅片的規(guī)格和質(zhì)量也提出更高的要求，適合微細(xì)加工的大直徑硅片在市場中的需求比例將日益加大。據(jù)統(tǒng)計， 200mm 硅片的全球用量占 60%左右， 150mm 占 20%左右，其余占 20%左右。日、美、韓等國家都已經(jīng)在 1999 年開始逐步擴大 300mm 硅片產(chǎn)量。 世界半導(dǎo)體設(shè)備及材料協(xié)會（ SEMI）的調(diào)查顯示， 2020 年和 2020 年，在所有的硅片生產(chǎn)設(shè)備中，投資在 300mm 生產(chǎn)線上的比例將分 別為 55%和 62%，投資額也分別達到 億美元和 億美元，發(fā)展十分迅猛。 （ 2）國際化、集團化、集中化 研發(fā)及建廠成本的日漸增高，加上現(xiàn)有行銷與品牌的優(yōu)勢，使得硅材料產(chǎn)業(yè)形成―大者恒大 ‖的局面，少數(shù)集約化的大型集團公司壟斷材料市 場。根據(jù) SEMI 提供的 2020 年世界硅材料生產(chǎn)商的市場份額顯示， 5 Shisu、 SUMCO、 Wacker、 MEMC、 Komatsu 等 5 家公司占市場總額的比重達到89%，壟斷地位已經(jīng)形成。硅基材料是在常規(guī)硅材料上制作的，是常規(guī)硅材料的發(fā)展和延續(xù)，其器件工藝與硅工藝相容。目前 SOI 技術(shù)已開始在世界上被廣泛使用， SOI 材料約占整個半導(dǎo)體材料市場的 30%左右，預(yù)計到 2020 年將占到 50%左右的市場。 （ 4）硅片制造技術(shù)進一步升級 半導(dǎo)體 ,芯片 ,集成電路 ,設(shè)計 ,版圖 ,芯片 ,制造 ,工藝目前世界普遍采用先進的切、磨、拋和潔凈封裝工藝，使制片技術(shù)取得明顯進展。日本大型半導(dǎo)體廠家已經(jīng)向 300mm 硅片轉(zhuǎn)型，并向 以下的微細(xì)化發(fā)展。對此，硅片生產(chǎn)廠家也增加了對 300mm 硅片的設(shè)備投資，針 對設(shè)計規(guī)則的進一步微細(xì)化，還開發(fā)了高平坦度硅片和無缺陷硅片等，并對設(shè)備進行了改進。硅的原子價主要為 4 價，其次為 2 價；在常溫下它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于單一的強酸，易溶于堿；在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，能與許多元素化合。晶體力學(xué)性能優(yōu)越，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍將成為半導(dǎo)體的主體材料。 單晶硅市場發(fā)展概況 2020 年，中國市場上有各類硅單晶生長設(shè)備 1500 余臺，分布在 70 余家生產(chǎn)企業(yè)。這標(biāo)志著擁有蜘蛛知識產(chǎn)權(quán)的大尺寸 集成電路與太陽能用硅單晶生長設(shè)備，在我國首次研制成功。 硅材料市場前景廣闊，中國硅單晶的產(chǎn)量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的硅片生產(chǎn)已成為國際公認(rèn)的事實，為世界和中國集成電路、半導(dǎo)體分立器件和光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻。 多晶硅材料是制備單晶硅的唯一原料和生產(chǎn)太陽能電池的原料，是以工業(yè)硅為原料經(jīng)一系列的物理化學(xué)反應(yīng)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(chǔ)的原材料。 （ 1）冶金級硅（ MG）：是硅的氧化物在電弧爐中被碳還原而成。 （ 2）太陽級硅 (SG)：純度介于冶金級硅與電子級硅之間，至今未有明確界定。 （ 3 ）電 子級硅（ EG ）：一般要 求含 Si % 以上，超 高純達到%~%（ 9~11 個 9）。 多晶硅是半導(dǎo)體工業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)、太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)的最主要、最基礎(chǔ)的功能性材料。 多晶硅生產(chǎn)技術(shù)主要有：改良西門子法、硅烷法和流化床法。 世界上 85％的多晶硅是采用改良西門子法生產(chǎn)的，其余方法生產(chǎn)的多晶硅僅占 15％。 單晶硅的加工過程 單晶硅的生產(chǎn)過程包括以下幾個步驟：加料 —→ 熔化 —→ 縮頸生長 —→ 放肩生長 —→ 8 等徑生長 —→ 尾部生長 （１）加料：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的Ｎ或Ｐ型而定。 （２）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，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。由于籽晶與硅熔體場接觸時的熱應(yīng)力，會使籽晶產(chǎn)生位錯，這些位錯必須利用縮頸生長使之消失掉。 （ ４）放肩生長：長完細(xì)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。單晶硅片取自于等徑部分。于是為了避免此問題的發(fā)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。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。此法早在 1917 年由切克勞斯基建立的一種晶體生長方法，用直拉法生長單晶的設(shè)備和工藝比較簡單，容易實現(xiàn)自動控制，生產(chǎn)效率高，易于制備大直徑單晶，容易控制單晶中雜質(zhì)濃度，可以制備低電阻率單晶。 制造設(shè)備 單晶硅生長爐是通過直拉法生產(chǎn)單晶硅的制造設(shè)備。 在國內(nèi)，單晶硅生長爐主要有江南電力光伏科技有限公司 生產(chǎn)的單 晶硅生長爐（ TDR85/95/105JN）， 上虞晶盛機電工程有限公司生產(chǎn)的 ZJS 系列 TDR80A， 9 TDR80B， TDR85A， TDR95A 型全自動晶體生長爐 中國西安理工大學(xué)研究所生產(chǎn)的主要產(chǎn)品有 TDR62B、 TDR