详解单晶拉晶工艺：从技术原理到最新发展

详解单晶拉晶工艺：从技术原理到最新发展

单晶拉晶工艺是半导体和光伏领域的重要技术，其发展水平直接影响到相关产品的质量和成本。本文将详细介绍单晶拉晶工艺的相关知识，包括拉晶技术工艺类型、直拉单晶炉技术发展、单晶炉结构、拉晶重要流程、拉晶主要步骤、单晶炉拉晶技术规格、拉晶尺寸、新投料工艺技术等多个方面的内容。

拉晶技术工艺类型

拉晶工艺主要分为Fz法和Cz法两种。这两种工艺的主要区别在于单晶硅的长晶方式不同，其中Fz法采用悬浮区熔法（Fz-floatzone），而Cz法采用直拉法（Cz-czochralski）。

两种工艺的技术要求也有所不同。区熔法可以生产出高质量的高纯度单晶，但其对原料、设备和技术的要求较为苛刻，且对于多晶硅原料的尺寸要求较高，生产的晶体尺寸也较小，导致其生产成本较高。目前Fz法多应用于对硅片要求较高的半导体领域，而光伏领域主要使用Cz法。

P型与N型硅棒

直拉单晶炉技术发展

根据直径划分，直拉单晶炉技术经历了四代发展：≤1.5英寸为第一代，≤2英寸为第二代，4-6英寸为第三代，8-12英寸为第四代。从第三代开始实现了半自动化控制，到第四代基本实现了智能全自动化的升级。

目前，顺应大尺寸化发展趋势，主流单晶炉已经发展至160炉型（210mm向下兼容182mm），热场尺寸达36英寸以上，单炉投料量达2800kg以上。

单晶炉结构示意图

拉晶重要流程示意图

单晶炉拉晶技术规格

拉晶尺寸

拉制大硅棒可以摊薄单位成本。在158及以下尺寸的时代，主流厂家连续拉晶的单晶炉设备热屏内径一般不超过300mm，有的仅为270mm。由于166尺寸硅片的直径为223mm，对应圆棒外径约为228mm，设备不需要重大改造；而182尺寸硅片的直径为247mm，对应圆棒外径约252mm，这几乎是老旧产线最大可兼容的尺寸。但210硅片的直径已经达到了295mm，对应圆棒外径约300mm，因此原有的单晶炉设备已不能适应210硅棒的拉制。

新投料工艺技术

多次投料复拉法（Recharged-Cz）

最早Cz法采用分批直拉（Batch-Cz），此法坩埚会因冷却破裂而无法复用，一只坩埚只能拉一根晶棒。为解决此问题，在BCz的基础上增加加料装置，拉制单根硅棒时留下部分硅熔液使坩埚保持高温，然后通过加料装置将硅料加入坩埚中进行下一根硅棒的拉制，此法称为多次投料复拉法（Recharged-Cz）。RCz法节省了晶棒冷却时间和进排气时间，且石英坩埚可以重复利用，已成为目前业界主流的拉晶工艺。

多次投料复拉法（Recharged-Cz）示意图

RCz在BCz基础上增加了加料装置

CCz专用加料法

CCz（Continuous-Cz）法可以一边加料一边拉制晶棒，增加了拉晶效率，主要原因是符合条件的硅料较少——CCz法需要粒径更小、流动性更好颗粒硅作为原材料，但目前棒状硅依然占据95%以上的市场；此外颗粒硅产品纯度也存在一些问题；传统流化床法制备的颗粒硅中含有一定量的氢，在高温熔料时容易出现氢跳、溅硅等情况，无法直接用于单晶硅的生产。

在颗粒硅符合要求的情况下，CCz法能够进一步减少加料时间、坩埚成本和能耗，在坩埚寿命周期内可完成约10根晶棒拉制，且CCz产出晶棒电阻率更加均匀、分布更窄，品质更高。由于前文所述磷在硅中更难保证均匀性，故CCz技术的特点有望解决这一难题，更适用于拉制N型单晶硅，而且CCz法和颗粒硅搭配更易实现自动化与智能化的连续生产，有望成为下一代拉棒主流工艺。

CCz拉制工艺流程图

CCz专用加料装置及输送管道生产现场示意图