摘要：目前电子信息技术以及光伏技术飞速发展，而作为此类技术的基础材料，硅发挥了重要作用。从某些角度分析，硅（Si）影响了未来科技的发展，是高薪技术进步的基础，因此国家想要发展自身在能源领域以及高新技术领域实力，必须将Si作为战略资源。作为功能性材料，Si具有各项异性，所以将Si应用于半导体材料需要将其制成硅单晶，并进一步将其加工成为抛光片。这样才能将Si应用于CI器件的制造中，目前所生产的电子元件中89%以上的均使用硅单晶。
关键词：单晶硅；生长技术；氧缺陷
单晶硅的生产需要以半导体单晶硅切割过程中产生的头尾料、单晶硅碎片以及边皮料作为原料。而生产所用技术目前主要有两种，一种为直拉法，一种则是悬浮区熔法。制备单晶硅过程中，依照实际的需要还需要添加必要元素，从而增大、减小材料电阻率，掺杂元素主要为第Ⅲ主族元素以及第Ⅴ主族元素。完成单晶硅材料的制备后，还需要依照半导体材料的需要进行深加工，深加工程序主要包括切片、打磨以及腐蚀和抛光。而随着单晶硅的生产技术、加工技术的发展，目前的单晶硅逐步向着300mm以上大直径材料发展，且缺陷含量以及杂志含量更低，材料分布更加均匀，且生产成本不断降低、效率更高。
1 单晶硅的概念
半导体材料的电学性质和其他物理性质对晶格缺陷以及所含杂质的种类和数量非常敏感。制作各种半导体器件，尤其是集成电路和大规模集成电路的制作更需要均匀性好的大直径完善单晶。目前不仅能制造无位错的完善单晶，而且还可以将位错密度控制在一定范围内[1]。无位错单晶的直径已达到200mm规格化。
2 单晶硅的生长方法
2.1 直拉（CZ）法
CZ是单晶硅生长中直拉法的简称，其过程相对较为简单，通过从熔硅中利用旋转籽晶对单晶硅进行提拉制备，该种方法生产成本相对较低，且能够大量生产。因此该项技术在国内太阳能单晶硅片的生产中广泛贵推广开来，直拉法目前使用的技术工艺核心有磁场直拉法、热场构造以及控制氧浓度等。
2.1.1 热场构造分析。单晶硅在下游IC产业中的利用率逐年增加，而电子产业对硅片的依赖程度逐年加深，因而单晶硅生产要求不断提升，因此热场设计要求更加严格。设计优良的热场能够使炉内的温度分布达到最佳化，所以在CZ长晶炉中会逐步的将特殊热场元件应用其中，以促进单晶硅生长技术的发展。
技术人员研究了？准200mm太阳能用直拉单井生长。通过诸多的拉晶实验（如图1，复合式导流系统、热屏双加热改造直拉炉热系统），结果表明，拉晶速率提升了50%。同时针对单晶炉热场以及氩气流场采用有限元法进行试验，试验结果可以看出，通过上述改造，氩气流场得到了明显的改善，晶体纵向温度梯度在界面附近有明显增加，且熔体纵向温度梯度有明显减少。而研究表明，增加加热屏后直拉炉平均拉速提升的主要原因有两点。首先直拉炉中晶体所受热量辐射受到热屏阻止有所减弱，且固液面热辐射也有所减小。其次，氩气流也会受到热屏的影响，能够得到良好的导流。
2.1.2 磁场直拉法（MCZ）。随着材料技术的发展，直拉单晶硅的生产规模得到进一步扩大，由于大直径直拉单晶硅的应用越来越广泛，因而在生产中投料量不断增加。但在单晶硅的生产中，晶体质量会受到大熔体的影响，甚至单晶生长会受到严重影响，这是由于热对流对晶体结构的影响所致。而目前最有效的方式便是利用磁场抑制热对流。通过磁场的加装，长晶系统中的生长单晶受到一定强度磁感线的影响，影响单晶生长的一切对流都会被洛伦兹力影响，而有效被抑制。通过实践总结出，想要有效抑制硅单晶氧浓度，则磁场应当选择Cusp磁场。
2.1.3 控制氧浓度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在单晶硅生长时，石英坩埚会溶解，因而单晶硅中会混杂如一部分氧，而这些氧在硅晶格间隙浓度超过一定范围，就会产生氧沉淀，该种缺陷会影响单晶硅质量、性能。若不对氧沉淀进行控制，应用该种硅片加工集成电路，将会产生极大的危害。因此在单晶硅生长过程中，利用一定工艺，令硅片内部氧沉淀密度增高，但在硅片表面一定深度则为无氧沉淀的洁净区，从而对氧析出物进行控制，制备出高性能单晶硅材料。
2.2 区熔（FZ）法。将硅棒局部利用线圈进行熔化的方式便是区熔法，在熔区处设置磁托，因而熔区可以始终处在悬浮状态，将熔硅利用旋转籽晶进行拉制，在熔区下方制备单晶硅。该种方法优势在于，熔区为悬浮态，因而在生长过程中单晶硅不会同任何物质接触，并且蒸发效应以及杂质分凝效应较为显著，因此具有较高的纯度，其单晶硅制品性能相对较好。但由于工艺复杂，对设备以及技术要求较为严格，因此生产成本相对较高，其产品多应用于太空以及军工领域。
3 直拉单晶硅中氧缺陷的控制方法
单晶硅中的氧主要由石英坩埚带入：SiO2+Si→2SiO。熔体硅液与石英坩埚发生化学反应，产生SiO气体挥发物，其中99%的SiO会以气体形式挥发，一部分氧进入熔体中。
氧作为单晶硅中的主要杂质，对单晶的品质有严重影响。氧在晶体冷却过程中会形成复合物，例如B：O/Fe：O等，对单晶硅的电性能、少子寿命等产生不良影响。
直拉单晶硅中氧缺陷的控制方法：
①通过优化热场设计减少氧的带入。根据氧带入的特点，通过优化加热部件的设计，从而达到改善熔体内热对流的目的，降低氧的带入。
②通过优化工艺条件减少氧的带入。有试验表明，直拉法拉制单晶硅时，通过炉内真空压力的调整，可以得到不同的氧含量。所以合适的炉内压力，将对氧含量的改善带来明显的好处。
③改变晶埚转降低氧含量。单晶硅中的氧含量呈头高尾低分布，但是尾部氧含量的反翘在实际生产中会比较严重，有30%左右的情况尾部的氧含量会比头部更高。
单晶硅中的杂质分凝系数较小，杂质会向尾部富集，晶棒尾部的品质一般较头部、中部更差，故降低尾部杂质含量对提高单晶硅整体品质十分必要。
晶体尾部氧含量升高的原因是随着溶液液位的不断下降，溶液的蒸发面积会减小，从而导致了石英坩埚中的SiO不能及时挥发被氩气带走，更多的溶解在熔体之中，有研究表明，可以采取在液位线降低到坩埚R部以下的位置时，采取变埚转的方法，将埚转升高促使熔体对流加剧，从而达到挥发物被及时带走、降低尾部氧含量的效果。
4 总结
随着人们对清洁能源的使用需求越来越强烈，太阳能发电的普及一定为时不远，硅材料作为太阳能发电的主要材料，暂时还具有不可替代性。单晶硅作为电池材料中的高端产品，应用前景十分广阔。如何生产出成本低廉、品质优良的单晶硅片，还需要行业工作者们不断努力。
参考文献：
[1]刘立新，罗平，李春，等.单晶硅生长原理及工艺[J].长春理工大学学报（自然科学版），2009（12）.
[2]任丙彦，羊建坤，李彦林.Φ200mm太阳能用直拉硅单晶生长速率研究[J].半导体技术，2007（02）.
[3]魏奎先，戴永年，马文会，等.太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势[J].轻金属，2006，2：52-56.
[4]宇慧平，隋允康，安国平.不同磁场对大直径单晶硅生长中的动量与热量输运影响的数值分折[J].人工晶体学报，2008（5）：1073-1078.
论文作者:韩永龙,高玉顺,何旭
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
标签：单晶硅论文; 生长论文; 含量论文; 硅片论文; 材料论文; 尾部论文; 磁场论文; 《电力设备》2019年第6期论文;