大直徑<110>晶向直拉硅單晶的熱場設(shè)計及工藝優(yōu)化

李立偉 賀祥生 婁中士

【摘 要】目前所應(yīng)用于各類半導(dǎo)體光電器件和高效太陽能電池的直拉硅單晶多為<111>及<100>晶向，但是特殊晶向的<110>硅單晶可制備出光電轉(zhuǎn)換效率更高、材料成本更低的太陽能電池，但這種特殊晶向硅材料的制備存在著較大的困難，本文通過數(shù)值模擬與實際試驗相結(jié)合進(jìn)行熱系統(tǒng)設(shè)計及工藝的優(yōu)化，開發(fā)出一套熱場分布合理、工藝穩(wěn)定的適合<110>直拉硅單晶生長的熱場結(jié)構(gòu)及工藝。

【關(guān)鍵詞】<110>，直拉硅單晶，熱場，大直徑

1.引言

隨著原油儲備的耗盡，油價、電價的持續(xù)上升，以及石油燃料引起的氣候問題，使人們對可持續(xù)能源的需求變得十分緊迫，太陽能開發(fā)利用技術(shù)的快慢已經(jīng)影響到人類未來生存方式的改變，而如何提高太陽能電池組件的轉(zhuǎn)換效率，降低成本，成為光伏領(lǐng)域的主要研究和發(fā)展方向。不言而喻，硅材料作為光伏的主體材料而備受關(guān)注，如何制備特殊結(jié)構(gòu)的硅材料，如何從基礎(chǔ)材料方面入手提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率是目前發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的重中之重。據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報道，由歐洲光伏發(fā)電相關(guān)的產(chǎn)學(xué)官組成的Solar Power Europe（前歐洲光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會）6月21日公布的數(shù)據(jù)顯示，2015年世界光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量較上年增加25.6%，達(dá)到5060萬千瓦，創(chuàng)出了歷史新高[1]，而值得指出的是，特殊結(jié)構(gòu)高效太陽能電池的同比增長率達(dá)到了80%以上，占整體光伏產(chǎn)品的8%以上，且呈逐年遞增趨勢?？梢钥吹?，各類采用新型結(jié)構(gòu)、新工藝制備的高效太陽能電池應(yīng)運(yùn)而生，例如Sliver太陽能電池以特殊晶向<110>硅單晶為襯底材料，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%以上，方便攜帶，且正在向大直徑化發(fā)展，以進(jìn)一步降低成本和提高單位轉(zhuǎn)換效率。

利用特殊晶向的<110>硅單晶可制備出光電轉(zhuǎn)換效率更高、材料成本更低的太陽能電池，但這種特殊晶向硅材料的制備存在著較大的困難，且隨著直徑的增加（8英寸），與6英寸晶體制備相比較出現(xiàn)了如下問題：8英寸晶體重量可達(dá)到200公斤以上，而直徑3mm的細(xì)頸很難支撐如此重的晶體，導(dǎo)致6英寸<110>硅單晶的引晶方法失效，常規(guī)的排位錯方法不能完全排除位錯；其次，隨晶體直徑的增加，熱場尺寸不斷增加，熱場徑向、縱向的溫度梯度增大，導(dǎo)致?lián)诫s劑、氧碳等雜質(zhì)分布不均勻，且擴(kuò)肩過程中容易產(chǎn)生位錯；同時，大尺寸晶體生長時間長，晶體生長后期產(chǎn)生大量揮發(fā)物，同樣導(dǎo)致無位錯生長狀態(tài)遭到破壞。

2.過程設(shè)計與實驗優(yōu)化

由于不同晶向的硅單晶面間距與鍵密度不同，單晶生長所需的溫度梯度也不盡相同，生長時各晶面法向生長速度也就不同。其中{110}面間距及鍵密度均處于{100}和{111}之間，而面密度為最大，同時{110}面是主要解理面之一[2]。因此，從理論上分析可以認(rèn)為，原有拉制<111>與<100>晶向硅單晶的熱系統(tǒng)都不能滿足<110>晶向硅單晶生長的溫度梯度要求。

在Xuenan Zhang[3]設(shè)計的適合拉制大直徑<110>晶向無位錯直拉硅單晶的基礎(chǔ)上，本研究針對6英寸<110>直拉硅單晶進(jìn)行了熱場結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化。關(guān)鍵點(diǎn)主要有如下幾個方面：首先是通過數(shù)值模擬進(jìn)行熱場結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時通過實驗驗證及，對單晶引晶、放肩、等徑、收尾等工藝過程進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化，成功開發(fā)出了一套更為合理的適合大直徑<110>無位錯直拉硅單晶制備的熱場結(jié)構(gòu)和工藝。

2.1適合<110>硅單晶生長熱系統(tǒng)的優(yōu)化

通過理論分析及數(shù)值模擬分別設(shè)計了三套相對合理的熱場結(jié)構(gòu)，如圖1中，分別針對保溫結(jié)構(gòu)中的上保溫、中保溫和下保溫層進(jìn)行重新設(shè)計。其比例如下表：

在上述方案中，經(jīng)過多次的熱場驗證試驗，發(fā)現(xiàn)方案一和方案二拉晶過程中普遍存在如下問題： 1）引細(xì)勁過程中細(xì)頸直徑較難控制；2）直拉<110>單晶生長時易呈橢圓狀，嚴(yán)重時造成單晶扭曲，不能正常成晶；而在方案三中，通過控制保溫層結(jié)構(gòu)，上保溫：中保溫：下保溫=1：2.5：3時，引細(xì)徑相對容易控制，且單晶保持時橢圓現(xiàn)象減輕。

2.2 工藝優(yōu)化

在上述方案三的熱場結(jié)構(gòu)條件下，針對不同拉晶過程中的現(xiàn)象合理調(diào)整拉晶工藝，包括擴(kuò)肩拉速度、等徑拉速、晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)，通過數(shù)值模擬得到相對合理的配套工藝如下表2，并進(jìn)行實驗驗證。

實驗結(jié)果證實，當(dāng)擴(kuò)肩拉速為0.3 mm/min時，分別驗證了晶轉(zhuǎn)12 r/min且堝轉(zhuǎn)8 r/min和晶轉(zhuǎn)15r/min且堝轉(zhuǎn)11 r/min，但單晶生長擴(kuò)肩較困難；而當(dāng)擴(kuò)肩拉速調(diào)整為0.5 mm/min時，分別分別驗證了晶轉(zhuǎn)12 r/min且堝轉(zhuǎn)8 r/min和晶轉(zhuǎn)15 r/min且堝轉(zhuǎn)11 r/min，單晶相對更易控制。且當(dāng)擴(kuò)肩拉速為0.5mm/min、晶轉(zhuǎn)15 r/min且堝轉(zhuǎn)11 r/min、等徑拉速0.6 mm/min時，更容易保持，且合格率明顯提升。

圖2為用此種制備方法拉制出的直徑6英寸、N型<110>直拉硅單晶，其中少子奉命及電阻率均勻性均滿足客戶要求。從圖中可看出對〈110〉取向的硅單晶，由于有二個{111}面和圓柱形晶體傾斜相交，所以在晶體柱面上明顯形成二條對稱分布的生長棱線。

3. 結(jié)論

本研究以數(shù)值模擬優(yōu)化熱場結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，通過實驗驗證，獲得適合<110>晶向的直拉硅單晶生長的熱場結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，其中熱場結(jié)構(gòu)建議上保溫：中保溫：下保溫=1：2.5：3；工藝參數(shù)建議：擴(kuò)肩拉速為0.5mm/min、晶轉(zhuǎn)15 r/min且堝轉(zhuǎn)11 r/min、等徑拉速0.6 mm/min，以獲得6英寸<110>無位錯直拉硅單晶。其中導(dǎo)電型號可調(diào)整（N型、P型）、電阻率范圍廣（0.001-100Ω.cm）、產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體及太陽能電池的制作，以拓寬直拉硅單晶的應(yīng)用范圍，增加市場占有率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 2015年世界光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量50.6GW，http：//guangfu.bjx.com.cn/m/？s=1&l;=1&v;=744954&sukey;=3997c0719f1515201cd19df360d4106436795dff70a0feaa801c120eb690331fe5d24e5fcf948560c79b6bb99ce38667. 2016-06-23 北極星太陽能光伏網(wǎng).

[2] 闕端麟，陳修治，硅材料科學(xué)與技術(shù)[M]，P10-16.

[3] Xuenan Zhan， XuGuang Zhang， Jianhong Li， et al. Preparation and application of <110> dislocation-free monocrystalline silicon by CZ method [J]， Advanced Materials Research Vols. 415-417 （2012） ： 1760-1763.