切割法生产硅芯电学性能的控制

切割法生产硅芯电学性能的控制

冯雪

(新特能源股份有限公司新疆乌鲁木齐830011)

摘要：切割法生产的硅芯电学性能控制难度大。不同硅芯导电类型不一致，有N型、P型和混合型，甚至同一支硅芯的不同位置导电类型也不相同；硅芯电阻率不均匀，范围较大。随着多晶硅工艺的不断完善，国内生产的多晶硅质量达到一定水平，硅芯质量问题不断凸显，解决切割法生产硅芯工艺的这一缺点迫在眉睫。

关键词：切割法；生产硅芯；电学性能；控制措施

引言

机械切割硅芯时，首先采用直拉法制备一定大小的多晶原料棒，而后采用线切割设备或是外圆刀片切割设备将原料棒切割成方形硅芯。外圆锯切割设备操作简单，维护成本相对较低。切割时，外圆锯的一组刀片沿纵向将原料棒切成数片一定厚度硅片；将硅片翻转90°后，再延纵向切割为方形硅芯。

一、切割法生产硅芯工艺

1、硅料的准备

用硝酸（HNO3）和氢氟酸（HF）的混合液对硅料进行腐蚀清洗，去除表面的污渍及杂质。

2、硅棒拉制

生产主要步骤为：装料→化料→引晶→缩颈→放肩→转肩→等径→收尾→取棒→停炉，硅棒尺寸依据生产需要及机加工设备参数确定。

3、硅芯切割及端部研磨

硅棒退火后采用一系列的机加工设备进行加工，包括，硅棒下料、硅棒切割、横梁下料、硅芯/横梁末端研磨，最终生产出成品硅芯。

4、硅芯性能检测

导电类型、电阻率、尺寸等。

5、硅芯清洗

对电学性能及尺寸合格的硅芯进行清洗，去硅芯表面的杂质、氧化层等污染物。

6、氮封储存待用

为避免清洗干净的硅芯受到环境等的污染，清洗合格的硅芯需存放至氮封箱备用，且储存时间不能超过48小时。

二、直拉硅棒电学性能的控制措施

1、控制直拉硅棒的用料质量

选料分两个工序，先选型号，后选电阻率。（1）对于P型原料，应使所配比原料中的硼原子总浓度与目标电阻率（硅芯的电阻率）所对应的硼原子浓度相等；（2）对于N型原料，应使所配比原料中的磷原子总浓度与目标电阻率（硅芯的电阻率）所对应的磷原子浓度相等。硅料的杂质浓度与电阻率的关系可根据GB/T13389—1992掺硼掺磷硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程进行计算。

拉晶过程中，石英坩埚会渗出B杂质，污染拉晶硅料，从而对影响直拉硅棒的电学性能。

硼磷掺杂对于硅棒电阻率的影响不同。如果掺入硼，仅考虑分凝影响，则拉出的硅棒尾部电阻率为头部电阻率的0.6至0.8倍。而如果掺入磷，相同条件下仅考虑分凝影响，硅棒尾部电阻率为头部电阻率的0.2至0.3倍，整根棒子的电阻率均匀性更差。由于石英坩埚在生长过程中还在析出硼，掺入磷杂质的熔液很可能在后期受析出杂质补偿影响反型。考虑到直拉棒最终用于切割硅芯生产多晶硅，所以掺杂时要考虑在保证还原炉能够击穿的前提下尽可能少的掺入杂质，以保证不对所生产多晶硅产品质量造成影响；

保证生产硅芯的质量的前提下，考虑拉晶过程中分凝现象和石英坩埚渗B的影响，采用切割法生产硅芯的企业多将硅芯控制为P型。一方面通过可靠的原料杂质分析，尽可能采用磷含量较低的高质原料进行直拉，减少硼掺入甚至不掺入。另外，通过计算确定坩埚析出硼对于产品的最终影响，设定需要进行掺杂的产品杂质上限

2、控制分凝现象

分凝现象：将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同的现象（偏析现象）。直拉棒的拉制是一个动态的分凝过程，如原有浓度为2ppba的硼在原料当中存在，则将其熔化后，每拉出1g的固体棒料，其固态杂质浓度=拉出的固体重量×△坩埚内杂质浓度×分凝系数。最初的埚内杂质浓度等于2ppba，随后不断变化。对于在硅中分凝系数小于1的杂质元素，每生长一个Δm的晶体，将导致剩余熔体中的杂质浓度增加。在生长下一个Δm的晶体时，由于熔体的杂质浓度增加了，进入晶体的杂质也增加。因此晶体生长初期（头部）的杂质浓度小于尾部的杂质浓度。

分凝系数接近1的杂质，整个晶体头尾杂质浓度差距小，反之则头尾杂质浓度差距大。磷的分凝系数为0.35，硼的分凝系数为0.80，因此掺硼的P型晶体纵向电阻率均匀性要优于掺磷的N型晶体。

另外，由于直拉棒在石英坩埚中生长，接触到坩埚的熔液会带来额外的杂质硼，硼在整个拉晶过程中不断的从石英坩埚壁上析出到熔液当中，增加了熔液中硼杂质的浓度。而磷则由于在1450℃的高温环境下很容易挥发，拉棒过程中同时受到挥发和分凝的影响，分凝状况下的杂质含量控制较为困难。

3、控制氧杂质

直拉硅棒中的氧分布具有一定的规律性，一根硅棒中氧的纵向分布：一般硅棒头部氧浓度最高，随着与头部距离的增加，其氧浓度降低，硅棒尾部氧浓度最低；硅棒中氧的横向分布：中心氧浓度高较高，边缘氧浓度最低。这种氧浓度分布是由于坩埚的污染、拉晶时氧蒸发以及氧分凝效应的综合影响造成的。拉晶过程中虽然离石英坩埚壁越近氧浓度越高，但被单晶覆盖的熔硅氧不能蒸发，其余部分氧蒸发较快，蒸发后随氩气被抽走，在炉熔硅对流作用下，是的直拉硅棒中氧含量边缘低中心高的现象。氧在硅中的平衡分凝系数大于1，造成直拉硅棒头部含氧高尾部含氧低。

在拉晶生产过程中，常采用一些措施降低单晶中的氧含量：首先在备料环节选用含氧、碳较低的多晶硅原料，并在熔料环节适当降低加热器的功率，使得化料温度不要太高，尽量降低多晶硅和坩埚的反应，减少一氧化硅的生成。其次、采用负压拉晶工艺生长的硅棒一般氧含量较低，在氩气下拉晶时，氩气中含氧、碳和水份通过抽真空的作用，随氩气被带出炉外，降低直拉炉内一氧化硅、氧气等的分压，减少它们溶入熔硅的量。另外，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，使得一氧化硅挥发快，溶入熔硅量减少。最后，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。

氧施主对直拉硅棒电阻率的影响较大。一般情况下，硅材料中的氧多以间隙形式存在，不显电活性，但在450℃左右会聚集产生显电活性的SiO42-，提供电子成为施主，影响硅材料的电学性能。硅棒中的氧施主在大于650℃的温度下退火30分钟后会消失。拉晶工艺中，硅棒生长完成后需在直拉炉内自然冷却至200℃以下才能取出，这样，直拉硅棒中氧将以氧施主形式存在。硅棒从炉内取出后，为提高硅芯的力学性能、消除氧施主，通常在硅棒加工为硅芯之前对硅棒进行退火处理，退火工艺中，硅棒在大于650℃的温度下退火30分钟，然后缓慢降温至460℃时，迅速降至440℃，然后缓慢降温至常温。这样既能提高直拉硅棒的力学性能，又有效的消除了硅棒中的氧施主。

结语

伴随着国内光伏产业发展迅猛，尤其是多晶硅产业的发展，多晶硅产能大幅提高，市场开始出现饱和迹象。在这样的市场环境下，光伏下游产业对使用的硅材料质量要求越来越高，多晶硅企业只有从细节做起，不断提高产品质量才能得以生存和发展，硅芯作为生产多晶硅的“种子”，其质量的好坏，尤其是硅芯的电学性能直接关乎到多晶硅的顺利生产，硅芯质量的好坏决定着所产出的多晶硅品位。综上所述，硅芯质量的控制对多晶硅的生产尤为重要。

参考文献:

[1]刘祖明，李杰慧，廖华等，晶体规太阳电池制造技术新进展[R].第八届光伏会议论文集[C].2004：800-815.

[2]尹建华，李志伟.半导体硅材料基础.北京：化学工业出版社，2012.2.