大直徑<110>晶向直拉硅單晶的熱場設計及工藝優化

李立偉 賀祥生 婁中士

【摘 要】目前所應用于各類半導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，本文通過數值模擬與實際試驗相結合進行熱系統設計及工藝的優化，開發出一套熱場分布合理、工藝穩定的適合<110>直拉硅單晶生長的熱場結構及工藝。

【關鍵詞】<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、電價的持續上升，以及石油燃料引起的氣候問題，使人們對可持續能源的需求變得十分緊迫，太陽能開發利用技術的快慢已經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換效率，降低成本，成為光伏領域的主要研究和發展方向。不言而喻，硅材料作為光伏的主體材料而備受關注，如何制備特殊結構的硅材料，如何從基礎材料方面入手提高太陽能電池光電轉化效率是目前發展光伏產業的重中之重。據《日本經濟新聞》報道，由歐洲光伏發電相關的產學官組成的Solar Power Europe（前歐洲光伏產業協會）6月21日公布的數據顯示，2015年世界光伏發電新增裝機容量較上年增加25.6%，達到5060萬千瓦，創出了歷史新高[1]，而值得指出的是，特殊結構高效太陽能電池的同比增長率達到了80%以上，占整體光伏產品的8%以上，且呈逐年遞增趨勢。可以看到，各類采用新型結構、新工藝制備的高效太陽能電池應運而生，例如Sliver太陽能電池以特殊晶向<110>硅單晶為襯底材料，轉換效率達到20%以上，方便攜帶，且正在向大直徑化發展，以進一步降低成本和提高單位轉換效率。

利用特殊晶向的<110>硅單晶可制備出光電轉換效率更高、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了如下問題：8英寸晶體重量可達到200公斤以上，而直徑3mm的細頸很難支撐如此重的晶體，導致6英寸<110>硅單晶的引晶方法失效，常規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，導致摻雜劑、氧碳等雜質分布不均勻，且擴肩過程中容易產生位錯；同時，大尺寸晶體生長時間長，晶體生長后期產生大量揮發物，同樣導致無位錯生長狀態遭到破壞。

2.過程設計與實驗優化

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為，原有拉制<111>與<100>晶向硅單晶的熱系統都不能滿足<110>晶向硅單晶生長的溫度梯度要求。

在Xuenan Zhang[3]設計的適合拉制大直徑<110>晶向無位錯直拉硅單晶的基礎上，本研究針對6英寸<110>直拉硅單晶進行了熱場結構和工藝的優化。關鍵點主要有如下幾個方面：首先是通過數值模擬進行熱場結構設計，同時通過實驗驗證及，對單晶引晶、放肩、等徑、收尾等工藝過程進行相關的優化，成功開發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構和工藝。

2.1適合<110>硅單晶生長熱系統的優化

通過理論分析及數值模擬分別設計了三套相對合理的熱場結構，如圖1中，分別針對保溫結構中的上保溫、中保溫和下保溫層進行重新設計。其比例如下表：

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

2.2 工藝優化

在上述方案三的熱場結構條件下，針對不同拉晶過程中的現象合理調整拉晶工藝，包括擴肩拉速度、等徑拉速、晶轉、堝轉，通過數值模擬得到相對合理的配套工藝如下表2，并進行實驗驗證。

實驗結果證實，當擴肩拉速為0.3 mm/min時，分別驗證了晶轉12 r/min且堝轉8 r/min和晶轉15r/min且堝轉11 r/min，但單晶生長擴肩較困難；而當擴肩拉速調整為0.5 mm/min時，分別分別驗證了晶轉12 r/min且堝轉8 r/min和晶轉15 r/min且堝轉11 r/min，單晶相對更易控制。且當擴肩拉速為0.5mm/min、晶轉15 r/min且堝轉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. 結論

本研究以數值模擬優化熱場結構及工藝參數，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構和工藝參數，其中熱場結構建議上保溫：中保溫：下保溫=1：2.5：3；工藝參數建議：擴肩拉速為0.5mm/min、晶轉15 r/min且堝轉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。其中導電型號可調整（N型、P型）、電阻率范圍廣（0.001-100Ω.cm）、產品廣泛應用于半導體及太陽能電池的制作，以拓寬直拉硅單晶的應用范圍，增加市場占有率。

參考文獻：

[1] 2015年世界光伏發電新增裝機容量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.

[2] 闕端麟，陳修治，硅材料科學與技術[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.