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晶体氧含量与硅单晶直拉工艺关系的研究
作者：甄良欣， 刘凯， 陈京涛 来源：《科学与财富》2013年第08期
摘 要：单晶硅氧含量的高低，直接影响其OSF缺陷、单晶硅电池的衰减系数、效率[1]。直拉单晶工艺使用的石英埚和硅熔液的反应，决定了直拉单晶硅棒氧含量处于较高的水平，尤其是单晶硅棒头部，影响了晶体质量。本文通过计算机模拟仿真，结合工艺试验，研究氩气流量、坩埚转速、坩埚位置对晶体氧含量的影响。
关键词：硅晶体氧含量；计算机仿真；坩埚转速；坩埚位置；氩气流量 1、引言
随着晶硅光伏电池的发展，对晶体硅的质量要求越来越高，晶体的缺陷和杂质含量对晶体的质量有着决定性的影响[2]。目前对晶体硅的表征检测主要包含氧碳含量、少子寿命、晶体缺陷三项。其中对于单晶硅电池，晶体氧含量是一项非常重要的表征参数，对晶体质量有着关键性的影响。
我们知道，氩气流量、坩埚转速、坩埚位置对温度场都有重要影响[3]，进而影响晶体质量。我们在目前直拉单晶工艺的基础上，结合计算机仿真技术，通过工艺验证，得出增大氩气流量、降低坩埚转速、增大液面距可以有效地降低单晶硅棒氧含量，提升硅晶体的内在品质。 2、试验
以STR模拟软件为研究工具，以KAYEX150单晶炉为模拟对象和试验炉，进行工艺验证。
（1）改变氩气流量试验：相同的功率，相同的晶体长度，晶体和石英坩埚的转速比为10：6，晶体生长速度1.0mm/min，液面距20mm，炉内压力2000Pa，氩气流量分别使用30Slpm和60Slpm进行模拟，并进行实际的工艺试验验证。
（2）改变晶体转速试验：相同的功率，相同的晶体长度，晶体生长速度1.0mm/min，液面距20mm，炉内压力2000Pa，氩气流量30Slpm，晶体和石英坩埚的转速比分别使用10：7和10：5进行模拟，并进行实际的工艺试验验证。
（3改变液面距试验：相同的功率，相同的晶体长度，晶体和石英坩埚的转速比为10：6，晶体生长速度1.0mm/min，炉内压力2000Pa，液面距分别使用20mm和25mm进行模拟，并进行实际的工艺试验验证。 3、结果和分析
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（1）氩气流量分别为30Slpm和60Slpm的模拟结果：
根据模拟结果，增大氩气流量后，硅晶体氧含量降低率Q=（6.60-5.23）
*100 %/6.60=20.75%。经过工艺试验验证，单晶棒头部氧含量由之前的27.5ppma，降低到23ppma，下降了16.3%，和模拟结果较为吻合。
（2）晶体和石英埚转速比例分别为10：7和10：5的模拟结果：
根据模拟结果，降低坩埚转速后，氧含量降低率Q=（1.18-1.08）*100 %/1.18=8.5%。经过工艺试验验证，单晶棒头部氧含量由之前的27.5ppma，降低到25.5ppma，下降了7.27%，和模拟结果较为吻合。
（3）液面距分别为25mm和30mm的模拟结果：
根据模拟结果，增加5mm液面距后，氧含量降低率为Q=（1.2-1.185）
*100 %/1.2=1.25%。经工艺验证，单晶棒头部氧含量由之前的27.5ppma，降低到27ppma，，降低了约1.8%，和模拟结果较为吻合。
在硅晶体生长过程中，石英坩埚和硅熔液发生反应：SiO2+Si=2SiO[4]，反应生成的SiO通过晶体生长的固液界面进入晶体，造成晶体氧含量较高。增大氩气流量可以带走更多的SiO，降低石英埚转速和增大液面距可以减少硅熔液和石英坩埚的反应程度，进而降低SiO的产生。 4、结论
在光伏领域，单晶硅的直拉工艺决定了晶体氧含量处于较高的水平，我们可通过对工艺进行改进，在一定范围内降低晶体氧含量，提升晶体品质：
（1）晶体生长时，增大氩气流量可以带走更多的SiO杂质，降低氧含量； （2）降低石英埚转速，可降低石英埚与硅熔液的反应程度，降低氧含量； （3）晶体生长时，增大液面距离可降低石英埚与硅熔液的反应程度，降低氧含量； 以上三种方案可以综合使用，但效果不是直接的叠加效应，根据实际的生长情况进行确定。 参考文献
[1]黄有志.直拉单晶硅工艺技术.化学工业出版社.2009.
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[2]介万奇.晶体生长原理与技术.科学出版社，2010. [3]闵乃本.晶体生长的物理基础.上海科学技术出版社，1982.
[4]李占国，毛桂盛.硅单晶生长工艺学.北京：中国有色金属工业总公司，1986.