硅片的生產(chǎn)主要包括四個(gè)環(huán)節(jié)：長(zhǎng)晶、截?cái)嗲蟹?、切片和測(cè)試分選。其中主要環(huán)節(jié)為長(zhǎng)晶和切割。長(zhǎng)晶是指在特定環(huán)境下，將硅料生長(zhǎng)成硅晶體的過(guò)程。硅片主要分為單晶硅片和多晶硅片，二者最大的區(qū)別也是發(fā)生在長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)。
對(duì)于單晶硅片而言，在生長(zhǎng)的過(guò)程中首先需要多晶硅料通過(guò)直拉法或區(qū)熔法形成單晶硅棒，其間原子排列有序;對(duì)于多晶硅片而言，則先需要多晶硅通過(guò)鑄錠法形成多晶硅錠，其內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，仍為無(wú)序排列。當(dāng)前單晶的拉棒成本較多晶的鑄錠成本高，而單晶硅片的光電轉(zhuǎn)換效率也相對(duì)較高。
1)單晶硅棒的生產(chǎn)方法：切克勞斯基法(CZ 法)和區(qū)熔法(FZ 法)
單晶硅棒的生產(chǎn)方法主要有兩種，分別為切克勞斯基法(CZ 法)和區(qū)熔法(FZ 法)。CZ 法是利用旋轉(zhuǎn)著的籽晶從坩鍋中的熔體中提拉制備出單晶的方法，又稱直拉法。目前國(guó) 內(nèi)太陽(yáng)電池單晶硅硅片生產(chǎn)廠家大多采用這種技術(shù)。具體方法為將多晶硅料置于坩鍋中 加熱熔化，待溫度合適后，經(jīng)過(guò)將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾等 步驟，完成一根單晶硅錠的拉制。
FZ 法的制備原理是對(duì)錠條的一部分進(jìn)行熔化，熔化的部分稱為熔區(qū)，當(dāng)熔區(qū)從頭到尾移 動(dòng)一次后，雜質(zhì)隨熔區(qū)移到尾部。利用這種方法可以進(jìn)行多次提純，多次移動(dòng)熔區(qū)可以 達(dá)到更好的提純效果。
但由于液固相轉(zhuǎn)變溫度高、能耗大，多次區(qū)熔提純成本高。區(qū)熔 法有水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔，前者主要用于鍺提純，以及生長(zhǎng)鍺單晶，硅單晶的生長(zhǎng)主要 采用懸浮區(qū)熔法，生產(chǎn)過(guò)程中不使用坩鍋，熔區(qū)懸浮于多晶硅棒和下方生長(zhǎng)出的單晶之間。由于懸浮區(qū)熔時(shí)，熔區(qū)呈懸浮狀態(tài)，不與任何物質(zhì)接觸，因而不會(huì)被沾污。此外， 由于硅中雜質(zhì)的分凝效應(yīng)和蒸發(fā)效應(yīng)，可獲得高純單晶硅。目前航空領(lǐng)域用的太陽(yáng)電池 所用硅片主要用這種方式生長(zhǎng)。
2)多晶硅錠的生產(chǎn)方法：澆鑄法、熱交換及布里曼法和電磁鑄錠法
多晶硅錠的生產(chǎn)方法有三種，分別為澆鑄法、熱交換及布里曼法、電磁鑄錠法。澆鑄法 是將熔煉和凝固分開(kāi)，熔煉在一個(gè)石英砂爐襯的感應(yīng)爐中進(jìn)行，熔融后的硅液澆入一個(gè) 石墨模型中。
該方法可以實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)，其熔化、結(jié)晶和冷卻分別位于不同的地方， 可以有效提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗。但因熔融和結(jié)晶使用的是不同的坩鍋，因此容 易導(dǎo)致二次污染，此外，坩鍋翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及引錠機(jī)構(gòu)也使得其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。
熱交換法及布里曼法這兩種方法都把熔化及凝固置于同一坩鍋中，避免了二次污染。其 中熱交換法是將硅料在坩鍋中熔化后，在坩鍋底部通冷卻水或冷氣體以進(jìn)行熱量交換， 形成溫度梯度后可促使晶體定向生長(zhǎng)。
布里曼法則是在硅料熔化后，將坩鍋或加熱元件 移動(dòng)使結(jié)晶好的晶體離開(kāi)加熱區(qū)，而液硅仍然處于加熱區(qū)，這樣在結(jié)晶過(guò)程中液固界面 形成了比較穩(wěn)定的溫度梯度，有利于晶體的生長(zhǎng)。同時(shí)，晶體的生長(zhǎng)速度也可調(diào)節(jié)。實(shí) 際生產(chǎn)所用的結(jié)晶爐大都采用熱交換法及布里曼法相結(jié)合的技術(shù)。
電磁鑄錠法不使用坩鍋，硅料通過(guò)加料裝置進(jìn)入加熱區(qū)，通過(guò)感應(yīng)加熱使硅料熔融，當(dāng) 硅液向下移離開(kāi)加熱區(qū)后，結(jié)晶生長(zhǎng)。通過(guò)不斷加料，可以將結(jié)晶好的硅錠不斷往下移， 即實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生長(zhǎng)。但該方法生產(chǎn)的硅錠晶粒尺寸和橫截面均較小，因此容量也較小。
3)金剛線切割技術(shù)已在市場(chǎng)中被大規(guī)模應(yīng)用
切割則是指將單晶硅棒或多晶硅錠切割成片，制成硅片。當(dāng)前，市場(chǎng)上已全面使用金剛 線切割技術(shù)。在 2014 年之前市面上通常采用砂漿切割的方式，其切割方式是游離式的 切割模式，靠懸浮液的懸浮碳化硅，通過(guò)線網(wǎng)的帶動(dòng)以進(jìn)行磨削切割。
隨著 2014 年金剛 線切割技術(shù)的發(fā)明，砂漿切割的市場(chǎng)份額逐漸降低。相比于砂漿切割，金剛線切割具有 許多優(yōu)點(diǎn)：如切割效率高、環(huán)境污染低、硅片精度好、表面損傷小以及鋸口損耗小。同 時(shí)，由于多晶硅錠硬質(zhì)點(diǎn)較多，采用金剛線切割技術(shù)帶來(lái)的成本下降幅度遠(yuǎn)小于單晶硅 片。在單晶硅片領(lǐng)域，金剛線切割技術(shù)已在 2017 年全面取代砂漿切割技術(shù)。隨著金剛 線切割技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，單多晶硅片的成本差距逐漸縮小。
評(píng)論