单晶硅中氧和碳的分布及控制方法

摘要

单晶硅片是用于太阳能电池的优良半导体材料，太阳能电池的转化效率与硅片中的杂质有很大关系，从多晶硅原料到单晶硅锭再到单晶硅片，最后再从单晶硅片经过一系列加工最终被制成太阳能电池，其杂质的含量也发生了一系列变化。本文首先在了解单晶硅生产工艺和原理的基础上，分别确定单晶硅中氧、碳杂质在轴向和径向的分布规律，进一步分析其分布规律产生的原因及各项影响因素，接下来通过试验的方法达到改善氧、碳分布均匀性及控制其含量的目的。从两个方面进行实验:一个是改变生产设备的设计，如单晶炉内的氩气走向、热场尺寸及所用器件的材料等几个条件;另一个是工艺参数的改变，如氩气流量、投料量、晶体旋转速度和坩埚旋转速度。
　　实验结果表明:
　　(1)单晶炉氩气走向设计采用上走气能有效的带走挥发的SiO、CO等杂质，使氧含量减小2×1017atoms/cm3，碳含量减少0.3×1017atoms/cm3;
　　(2)小尺寸热系统的温度分布有助于晶体的生长，氧含量平均降低到9×1017atoms/cm3，碳含量并没有明显变化;
　　(3)坩埚器件应采用高质量高纯度材料，以减少单晶中杂质的融入，但在实际生产过程中还需考虑综合成本;
　　(4)采用40L/min的氩气流量，，其碳含量均明显低于流量为35L/min，氧含量反而略有上升;
　　(5)投料量为75kg或60kg，碳氧含量的变化并不明显;
　　(6)晶体旋转速度相同提高坩埚旋转速度时(坩埚旋转速度由5rpm上升至7.5rpm)，头部氧含量有略微下降，尾部碳含量有所上升，并且数值很不稳定出现严重不合格产品;而当晶体旋转速度和坩埚旋转速度均提高，即由10/5rpm调整至12/5 rpm时，碳氧含量均无明显变化。
　　然后根据上述实验数据，结合实际生产条件对热系统进行改造，减小加热器尺寸，增大了熔体的纵向温度梯度，熔体热对流程度减小;将Ar流向下走气改为上走气，减小了挥发物的融入，在改进型热系统中生长的单晶硅，头部氧含量控制在10×1017atoms/cm3以下，尾部碳含量控制在1.5×1017 atoms/cm3以下，而且还减少了热系统的能耗，起到了节能降耗的效果。最终能够达到降低碳含量，控制氧含量的目的，氧、碳分布的径向均匀性有所改善，为硅片的太阳能转化效率作出贡献。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 硅材料概述

1．1．1 太阳能级硅材料的发展概况

1．1．2 太阳能级硅材料的基本特性

1．2 单晶硅生长工艺

1．3 热系统的重要性

1．3．1 直拉单晶硅生长过程中的热传输

1．3．2 熔体热对流

1．4 直拉单晶硅生长的工艺过程

1．5 直拉单晶硅中的氧碳杂质

1．5．1 氧和碳对直拉单晶硅的影响

1．5．2 直拉单晶硅中氧与碳的引入

1．5．3 直拉单晶硅氧碳含量控制的研究进展

1．6 本论文的选题意义及内容

第二章 直拉单晶硅中氧的分布

2．1 直拉单晶硅中氧的基本性质

2．1．1 氧的固溶度

2．1．2 氧的扩散

2．1．3 氧含量的测量

2．2 实验内容

2．2．1 实验设备及材料制备

2．2．2 实验方案

2．3 实验结果及讨论

2．3．1 直拉单晶硅中氧的红外光谱特征

2．3．2 直拉单晶硅中的氧沉淀

2．3．3 直拉单晶硅中杂质分布位置

2．3．4 直拉单晶硅中氧的轴向分布规律

2．3．5 直拉单晶硅中氧的径向分布规律

2．4 小结

第三章 直拉单晶硅中碳的分布

3．1 硅中碳的基本性质

3．1．1 碳的固溶度

3．1．2 碳的分凝

3．1．3 碳的扩散

3．1．4 碳含量的测量

3．2 实验内容

3．2．1 实验设备及材料制备

3．2．2 实验方案

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 直拉单晶硅中碳的红外光谱图

3．3．2 碳在单晶硅晶棒中的轴向分布规律

3．3．3 碳在单晶硅晶棒中的径向分布规律

3．4 小结

第四章 生产设备对直拉单晶硅中氧、碳含量的影响

4．1 直拉单晶硅中杂质含量的控制方法

4．1．1 直拉单晶硅中氧含量的控制方法

4．1．2 直拉单晶硅中碳含量的控制方法

4．2 实验部分

4．2．1 实验设备及材料制备

4．2．2 实验方案

4．3 改变热系统中氩气走向对单晶硅中氧、碳含量的影响

4．4 加热器尺寸减小对单晶硅中氧、碳含量的影响

4．5 不同石墨器件对单晶硅中氧、碳含量的影响

4．6 杂质含量减少后直拉单晶硅的红外光谱图

4．7 小结

第五章 生产工艺对直拉单晶硅中氧、碳含量的影响

5．1 直拉硅单晶的减压工艺

5．1．1 减压工艺的意义

5．1．2 工艺参数

5．1．3 氩气导流

5．2 实验部分

5．2．1 实验设备及材料制备

5．2．2 实验方案

5．3 氩气流量减小对单晶硅中氧、碳含量的影响

5．4 投料量对单晶硅中氧、碳含量的影响

5．5 改变晶体旋转速度和坩埚旋转速度对单晶硅中氧、碳含量的影响

5．6 杂质含量减少后直拉单晶硅的红外光谱图

5．7 小结

第六章 改进型热系统对氧碳含量及其分布的影响

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 改造热系统

6．2．2 基本实验条件

6．2．3 取样及分析测试

6．3 结果与讨论

6．3．1 红外光谱扫描

6．3．2 改进型热系统降低单晶硅中氧、碳含量

6．4 单晶硅中氧、碳含量降低对氧碳分布的影响

6．5 结论

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 存在的问题与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文