硅片的生产技术

硅片的生产主要包括四个环节：长晶、截断切方、切片和测试分选。其中主要环节为长晶和切割。长晶是指在特定环境下，将硅料生长成硅晶体的过程。硅片主要分为单晶硅片和多晶硅片，二者最大的区别也是发生在长晶环节。

对于单晶硅片而言，在生长的过程中首先需要多晶硅料通过直拉法或区熔法形成单晶硅棒，其间原子排列有序;对于多晶硅片而言，则先需要多晶硅通过铸锭法形成多晶硅锭，其内部原子结构没有发生变化，仍为无序排列。当前单晶的拉棒成本较多晶的铸锭成本高，而单晶硅片的光电转换效率也相对较高。

1)单晶硅棒的生产方法：切克劳斯基法(CZ 法)和区熔法(FZ 法)

单晶硅棒的生产方法主要有两种，分别为切克劳斯基法(CZ 法)和区熔法(FZ 法)。CZ 法是利用旋转着的籽晶从坩锅中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称直拉法。目前国 内太阳电池单晶硅硅片生产厂家大多采用这种技术。具体方法为将多晶硅料置于坩锅中 加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等 步骤，完成一根单晶硅锭的拉制。

FZ 法的制备原理是对锭条的一部分进行熔化，熔化的部分称为熔区，当熔区从头到尾移 动一次后，杂质随熔区移到尾部。利用这种方法可以进行多次提纯，多次移动熔区可以 达到更好的提纯效果。

但由于液固相转变温度高、能耗大，多次区熔提纯成本高。区熔 法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯，以及生长锗单晶，硅单晶的生长主要 采用悬浮区熔法，生产过程中不使用坩锅，熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态，不与任何物质接触，因而不会被沾污。此外， 由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，可获得高纯单晶硅。目前航空领域用的太阳电池 所用硅片主要用这种方式生长。

2)多晶硅锭的生产方法：浇铸法、热交换及布里曼法和电磁铸锭法

多晶硅锭的生产方法有三种，分别为浇铸法、热交换及布里曼法、电磁铸锭法。浇铸法 是将熔炼和凝固分开，熔炼在一个石英砂炉衬的感应炉中进行，熔融后的硅液浇入一个 石墨模型中。

该方法可以实现半连续化生产，其熔化、结晶和冷却分别位于不同的地方， 可以有效提高生产效率，降低能源消耗。但因熔融和结晶使用的是不同的坩锅，因此容 易导致二次污染，此外，坩锅翻转机构及引锭机构也使得其结构相对复杂。

热交换法及布里曼法这两种方法都把熔化及凝固置于同一坩锅中，避免了二次污染。其 中热交换法是将硅料在坩锅中熔化后，在坩锅底部通冷却水或冷气体以进行热量交换， 形成温度梯度后可促使晶体定向生长。

布里曼法则是在硅料熔化后，将坩锅或加热元件 移动使结晶好的晶体离开加热区，而液硅仍然处于加热区，这样在结晶过程中液固界面 形成了比较稳定的温度梯度，有利于晶体的生长。同时，晶体的生长速度也可调节。实 际生产所用的结晶炉大都采用热交换法及布里曼法相结合的技术。

电磁铸锭法不使用坩锅，硅料通过加料装置进入加热区，通过感应加热使硅料熔融，当 硅液向下移离开加热区后，结晶生长。通过不断加料，可以将结晶好的硅锭不断往下移， 即实现了连续生长。但该方法生产的硅锭晶粒尺寸和横截面均较小，因此容量也较小。

3)金刚线切割技术已在市场中被大规模应用

切割则是指将单晶硅棒或多晶硅锭切割成片，制成硅片。当前，市场上已全面使用金刚 线切割技术。在 2014 年之前市面上通常采用砂浆切割的方式，其切割方式是游离式的 切割模式，靠悬浮液的悬浮碳化硅，通过线网的带动以进行磨削切割。

随着 2014 年金刚 线切割技术的发明，砂浆切割的市场份额逐渐降低。相比于砂浆切割，金刚线切割具有 许多优点：如切割效率高、环境污染低、硅片精度好、表面损伤小以及锯口损耗小。同 时，由于多晶硅锭硬质点较多，采用金刚线切割技术带来的成本下降幅度远小于单晶硅 片。在单晶硅片领域，金刚线切割技术已在 2017 年全面取代砂浆切割技术。随着金刚 线切割技术的大规模应用，单多晶硅片的成本差距逐渐缩小。