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直拉法单晶硅

单晶硅的历史并不长，但是发展迅猛，其应用已经深入到人类生活的方方面面。中国多晶硅、单晶硅的发展过程中应该是有很多有趣的故事的。至少，按我的理解，这拉硅单晶的单晶炉是个关键设备，在冷战时期一定是在巴黎统筹组织对共产国家禁运设备名单里的。我们中国的第一台单晶炉是……？

有色金属研究院（有研硅股）的硅材料的专家那里可能有故事。

拉硅单晶有两种方法，一种是Czochralski（花差花差斯基）法，太难叫，太难记，大家都说直拉法，或者CZ法。另一种是区熔法（区域熔化法）。本贴先说直拉法单晶。

这是Kayax公司的CG-3000型单晶炉。用这型单晶炉，典型单晶直径是5英寸。

这是直拉法单晶硅棒生产过程。多晶硅原料加入到石英坩埚里，加入添加剂（常用的是硼、磷、砷等）。籽晶相当于单晶硅棒的种子，随着籽晶旋转长大的单晶硅棒，其晶体取向与籽晶的相同，相当于子随父姓。籽晶下面直径逐渐长大的部分，叫“头”。从籽晶拉出到晶棒预定直径形成的过程叫“甩肩”。当坩埚内熔融的硅液用到一定程度时，单晶棒开始收“尾”。“尾”比“头”的质量大得多。这里面的道理是：单晶棒拉出硅液后冷却，会在单晶内形成位错，位错向上传播一定距离。收尾比甩肩缓慢，就是为了让反向传播的位错只传播到尾巴里，而保持等直径的晶棒内是完美单晶。

这是正在炉子里拉制的硅单晶。

这是新鲜出炉的一根单晶硅棒，这么大的一根棒子，挂在那么细的籽晶下面！

这是拉成的单晶硅棒，头尾可以区分出来吧？它是不是真正的单晶呢？判断方法很简单，请注意硅棒侧面的棱线，有棱线就是单晶，没有就是多晶。不同的晶体取向，相对应棱线的条数不一样。

这些单晶硅片应该是抛光片。在太阳能行业，一般就是把硅棒滚圆，切方，切片，然后送去做太阳能电池。半导体行业用的硅片要切片、磨片、抛光或者外延。比较复杂，一条8英寸抛光片的生产线，应该比一架波音777飞机要贵。太阳能行业用的单晶硅片最大8英寸，半导体行业用的硅片最大的12英寸。

国内生产单晶硅的公司很多了，生产单晶炉的厂家主要是西安理工大学校办工厂和北京的京运通公司。我倒是有国内单晶炉的照片，但旁边站的人没法处理，不能贴上来。有兴趣的就问一下Mr.狗狗吧！

下个铁牛是区熔法单晶硅。

• 【原创】 真正光伏业内人说光伏 （5）

西安理工大学应该是国内最早做单晶的，原来是校办工厂做的，厂长还是我妈的大学同学，现在转到电信学院底下了，我老爸也参与一些。另外，类似的还有牵引方法生产铸型材，也是理工大校办工厂最早在国内做的，现在国内好几家的牵引机都是我根老爸一块整的:)

另外，单晶硅非常重，以前手头有过一块废料，笔筒那么大的一块，一只手都不太容易拎起来。单晶和多晶的区分还有一种方法，就是用激光束照射进去，激光束会散射的好像是多晶，不会散射的是单晶。

别的单晶我不知道，单说硅单晶，说“西安理工大学应该是国内最早做的之一”比较稳妥。

单晶硅的比重是2.33克/立方厘米，跟普通石头差不多。

薛叔叔就住在我家楼下，现在已经不在学校工厂了。您和他也认识吗？印象中单晶还是很重的，大概是更致密吧，比一般普通石头似乎要重上很多。

何况他还是行业著名人士呢！

上个帖子里说的直拉法（CZ法）单晶硅棒/片，就产量来说，是单晶硅生产的主流。另外一种单晶硅生产方法叫区域熔化法（Float Zone Process，区熔法， FZ法）。区熔单晶也是起始于一根很细的，纯度非常高，已知晶向的籽晶（最多见的是<111>和<100>晶向）。多晶硅棒局部加高温熔化后，成为液态，籽晶与液态多晶硅接触，局部加热区域顺着多晶硅棒移动，先熔融后冷却，区熔单晶棒逐渐长成。

原来在多晶硅中存在的极少量的杂质，趋向于在熔融的液态硅中聚集，而不是往冷却的硅单晶体中。所以区熔拉晶过程，实际上也是一个再次提纯的过程。

因为在区熔单晶的生长过程中，没有用到石英坩埚，又少了一个杂质来源，所以区熔单晶可以做到纯度非常高，电阻率非常高，远高于直拉单晶。对单晶硅来说，还有一个非常重要的参数叫少子（少数载流子）寿命，少子寿命与单晶硅中的氧含量有关。因此区熔单晶的少子寿命也远高于直拉单晶。

前面也提到过，纯的硅单晶是本征半导体，掺杂少量硼、磷、砷等之后，才形成实际应用的半导体材料。区熔单晶掺杂有两种方式，一种是把区熔单晶硅里存在的一些硅的同位素硅30，通过中子照射的方式，变成磷31，这些磷掺杂在硅单晶里，形成N型半导体。另一种方法是气相掺杂，就是区熔成晶过程中，掺杂物质（硼—P型；磷—N型）以气相形式掺杂到区熔单晶硅晶体中。

这是FZ-30型区熔单晶炉。

区熔单晶的成晶过程大概就是这样的。炉内情景。

这是中国第一颗6英寸直径的区熔单晶。

区熔硅单晶，纯度高，电阻率范围大（可以很高），电阻率偏差小。原来一般是用来做高品质大功率器件的。用区熔单晶硅片做太阳能电池片，就很高档。这类硅片至少有以下优点：

1/少数载流子的寿命相当长，大于1毫秒。

2/晶体中氧含量，金属杂质含量非常低。

3/电阻率偏差范围小，在+/-20%以内。

4/用它做成的电池片光电转换率稳定，可预期。光电转换率高于20%。

区熔单晶硅片做成的太阳能电池片，可以想见，是用在非常关键的地方的。比如这个：

还有这个：

• 【原创】 真正光伏业内人说光伏 （5）

这东西俺前两年接触过，不知道老兄能不能找个销路大家倒卖一下赚两个。纯度应该是6个9或4个9，记不清了，可能4个9的是做药的。

大部分IC只使用直拉单晶表明上很薄的一层。切片后往往用其他方法吸杂去错位，在表面再次提纯一薄层非常非常高纯度的无瑕疵表面。所以可以容忍整个单晶的杂质稍高。

方法是在切片的单晶反面喷砂，反面打毛以后加热退火。另一面的杂质

在加热状态下会被背面的打磨层吸附。（因为打毛以后结构松动，比完整

晶体能吸收更多杂质）。这样实际使用的那一薄层的纯度远高于整个单晶。

而功率器件往往要使用整个单晶，深结或贯通两面。所以整个晶体都要求

高纯度无瑕疵。而且功率器件往往要求高掺杂，所以这都要求用区熔单晶。

美国的Eergreen Solar公司有一种专利硅片生产方式：String Ribbon Wafers。就是利用熔融液态硅的表面张力效应，“肥皂泡效应”。两根耐高温的细线向上拉，液态硅在两根细线之间形成“肥皂膜”，并随着细线上升，直接拉成带状硅片。这种硅片的在节省多晶硅原料方面的好处是明显的。但是这种生产方法对原料的要求比较特殊，要用很细粒儿的原料，这种料我在第一个帖子里面提到过，也有图示。

下面是String Ribbon专利方法的示意图，注意，这种方法还是连续加料的：

这是拉硅带的设备

近距离看一下硅带：

可以访问Evergreen Solar公司的网站：

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在我这个系列的帖子中，用了一些亚利桑那大学太阳能实验室的图片，在此说明并感谢！如果您有进一步的兴趣，可以向他们购买相关的光盘，这是一套关于太阳能光伏方面非常好的光盘，价格是20美元。

外链出处

我在太阳能行业里，仅仅工作了一年半左右的时间，这是一个飞速发展的行业。6、7年前有个德意志太阳能公司，一位专家曾经把光伏行业的发展趋势与手机行业的发展展轨迹相比较，发现他们的在初期的发展曲线惊人的相似！

这个词条究竟是什么意思，什么技术水平的，干什么用的

刚才随手wiki了一下，看到这个方法只能生产多晶硅，但没有看到原因，有人能解释一下吗？