单晶硅的制备过程,需从多晶向单晶的转变。这涉及原子从液相的随机排列转变为有序阵列,将不对称结构转化为对称结构。此转变并非一蹴而就,而是通过固液界面的移动逐步实现。为了达成这一转化,多晶硅需经历由固态到熔融态,再至固态晶体的转变。这是从熔融硅中生长单晶硅所必须遵循的路径。
现今应用最广泛的两种方法为坩埚直拉法与无坩埚悬浮区熔法。这两种方法制得的单晶硅分别被称为CZ硅和FZ硅。
CZ法,即直拉法,是通过旋转的籽晶从坩埚中的熔体中提拉来制备单晶。此技术被国内多数生产太阳电池单晶硅硅片的厂家所采用。
关于直拉单晶炉及其基本原理的示意图,可以详细展示其操作过程与原理。
区域熔化技术则是对锭条的某一部分进行熔化,这个熔化的部分即为熔区。当熔区从头至尾移动一次后,杂质便随熔区移至尾部。通过多次运用这种方法,可以达到优秀的提纯效果。尽管液固相转变温度较高,能耗较大,多次区熔提纯的成本也相对较高。区熔法分为水平区熔与悬浮区熔,前者主要用于锗的提纯及锗单晶的生长,而硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法。
在悬浮区熔法中,熔区悬浮于多晶硅棒与下方生长出的单晶之间,呈悬浮状态,不与任何物质接触,因此不会受到污染。由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应,可以获得高纯度的单晶硅。这种生长方式主要被用于航天领域太阳电池所用硅片的制作。
相应的,区熔法生产单晶的示意图可以清晰地展示其生产过程与优势。