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【摘 要】目前所应用于各类半导体光电器件和高效太阳能电池的直拉硅单晶多为<111>及<100>晶向，但是特殊晶向的<110>硅单晶可制备出光电转换效率更高、材料成本更低的太阳能电池，但这种特殊晶向硅材料的制备存在着较大的困难，本文通过数值模拟与实际试验相结合进行热系统设计及工艺的优化，开发出一套热场分布合理、工艺稳定的适合<110>直拉硅单晶生长的热场结构及工艺。
【关键词】<110>，直拉硅單晶，热场，大直径
1.引言
随着原油储备的耗尽，油价、电价的持续上升，以及石油燃料引起的气候问题，使人们对可持续能源的需求变得十分紧迫，太阳能开发利用技术的快慢已经影响到人类未来生存方式的改变，而如何提高太阳能电池组件的转换效率，降低成本，成为光伏领域的主要研究和发展方向。不言而喻，硅材料作为光伏的主体材料而备受关注，如何制备特殊结构的硅材料，如何从基础材料方面入手提高太阳能电池光电转化效率是目前发展光伏产业的重中之重。据《日本经济新闻》报道，由欧洲光伏发电相关的产学官组成的Solar Power Europe（前欧洲光伏产业协会）6月21日公布的数据显示，2015年世界光伏发电新增装机容量较上年增加25.6%，达到5060万千瓦，创出了历史新高[1]，而值得指出的是，特殊结构高效太阳能电池的同比增长率达到了80%以上，占整体光伏产品的8%以上，且呈逐年递增趋势。可以看到，各类采用新型结构、新工艺制备的高效太阳能电池应运而生，例如Sliver太阳能电池以特殊晶向<110>硅单晶为衬底材料，转换效率达到20%以上，方便携带，且正在向大直径化发展，以进一步降低成本和提高单位转换效率。
利用特殊晶向的<110>硅单晶可制备出光电转换效率更高、材料成本更低的太阳能电池，但这种特殊晶向硅材料的制备存在着较大的困难，且随着直径的增加（8英寸），与6英寸晶体制备相比较出现了如下问题：8英寸晶体重量可达到200公斤以上，而直径3mm的细颈很难支撑如此重的晶体，导致6英寸<110>硅单晶的引晶方法失效，常规的排位错方法不能完全排除位错；其次，随晶体直径的增加，热场尺寸不断增加，热场径向、纵向的温度梯度增大，导致掺杂剂、氧碳等杂质分布不均匀，且扩肩过程中容易产生位错；同时，大尺寸晶体生长时间长，晶体生长后期产生大量挥发物，同样导致无位错生长状态遭到破坏。
2.过程设计与实验优化
由于不同晶向的硅单晶面间距与键密度不同，单晶生长所需的温度梯度也不尽相同，生长时各晶面法向生长速度也就不同。其中{110}面间距及键密度均处于{100}和{111}之间，而面密度为最大，同时{110}面是主要解理面之一[2]。因此，从理论上分析可以认为，原有拉制<111>与<100>晶向硅单晶的热系统都不能满足<110>晶向硅单晶生长的温度梯度要求。
在Xuenan Zhang[3]设计的适合拉制大直径<110>晶向无位错直拉硅单晶的基础上，本研究针对6英寸<110>直拉硅单晶进行了热场结构和工艺的优化。关键点主要有如下几个方面：首先是通过数值模拟进行热场结构设计，同时通过实验验证及，对单晶引晶、放肩、等径、收尾等工艺过程进行相关的优化，成功开发出了一套更为合理的适合大直径<110>无位错直拉硅单晶制备的热场结构和工艺。
2.1适合<110>硅单晶生长热系统的优化
通过理论分析及数值模拟分别设计了三套相对合理的热场结构，如图1中，分别针对保温结构中的上保温、中保温和下保温层进行重新设计。其比例如下表：
在上述方案中，经过多次的热场验证试验，发现方案一和方案二拉晶过程中普遍存在如下问题： 1）引细劲过程中细颈直径较难控制；2）直拉<110>单晶生长时易呈椭圆状，严重时造成单晶扭曲，不能正常成晶；而在方案三中，通过控制保温层结构，上保温：中保温：下保温=1：2.5：3时，引细径相对容易控制，且单晶保持时椭圆现象减轻。
2.2 工艺优化
在上述方案三的热场结构条件下，针对不同拉晶过程中的现象合理调整拉晶工艺，包括扩肩拉速度、等径拉速、晶转、埚转，通过数值模拟得到相对合理的配套工艺如下表2，并进行实验验证。
实验结果证实，当扩肩拉速为0.3 mm/min时，分别验证了晶转12 r/min且埚转8 r/min和晶转15r/min且埚转11 r/min，但单晶生长扩肩较困难；而当扩肩拉速调整为0.5 mm/min时，分别分别验证了晶转12 r/min且埚转8 r/min和晶转15 r/min且埚转11 r/min，单晶相对更易控制。且当扩肩拉速为0.5mm/min、晶转15 r/min且埚转11 r/min、等径拉速0.6 mm/min时，更容易保持，且合格率明显提升。
图2为用此种制备方法拉制出的直径6英寸、N型<110>直拉硅单晶，其中少子奉命及电阻率均匀性均满足客户要求。从图中可看出对〈110〉取向的硅单晶，由于有二个{111}面和圆柱形晶体倾斜相交，所以在晶体柱面上明显形成二条对称分布的生长棱线。
3. 结论
本研究以数值模拟优化热场结构及工艺参数，通过实验验证，获得适合<110>晶向的直拉硅单晶生长的热场结构和工艺参数，其中热场结构建议上保温：中保温：下保温=1：2.5：3；工艺参数建议：扩肩拉速为0.5mm/min、晶转15 r/min且埚转11 r/min、等径拉速0.6 mm/min，以获得6英寸<110>无位错直拉硅单晶。其中导电型号可调整（N型、P型）、电阻率范围广（0.001-100Ω.cm）、产品广泛应用于半导体及太阳能电池的制作，以拓宽直拉硅单晶的应用范围，增加市场占有率。
参考文献：
[1] 2015年世界光伏发电新增装机容量50.6GW，http：//guangfu.bjx.com.cn/m/？s=1&l=1&v=744954&sukey=3997c0719f1515201cd19df360d4106436795dff70a0feaa801c120eb690331fe5d24e5fcf948560c79b6bb99ce38667. 2016-06-23 北极星太阳能光伏网.
[2] 阙端麟，陈修治，硅材料科学与技术[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.
【关键词】<110>，直拉硅單晶，热场，大直径
1.引言
随着原油储备的耗尽，油价、电价的持续上升，以及石油燃料引起的气候问题，使人们对可持续能源的需求变得十分紧迫，太阳能开发利用技术的快慢已经影响到人类未来生存方式的改变，而如何提高太阳能电池组件的转换效率，降低成本，成为光伏领域的主要研究和发展方向。不言而喻，硅材料作为光伏的主体材料而备受关注，如何制备特殊结构的硅材料，如何从基础材料方面入手提高太阳能电池光电转化效率是目前发展光伏产业的重中之重。据《日本经济新闻》报道，由欧洲光伏发电相关的产学官组成的Solar Power Europe（前欧洲光伏产业协会）6月21日公布的数据显示，2015年世界光伏发电新增装机容量较上年增加25.6%，达到5060万千瓦，创出了历史新高[1]，而值得指出的是，特殊结构高效太阳能电池的同比增长率达到了80%以上，占整体光伏产品的8%以上，且呈逐年递增趋势。可以看到，各类采用新型结构、新工艺制备的高效太阳能电池应运而生，例如Sliver太阳能电池以特殊晶向<110>硅单晶为衬底材料，转换效率达到20%以上，方便携带，且正在向大直径化发展，以进一步降低成本和提高单位转换效率。
利用特殊晶向的<110>硅单晶可制备出光电转换效率更高、材料成本更低的太阳能电池，但这种特殊晶向硅材料的制备存在着较大的困难，且随着直径的增加（8英寸），与6英寸晶体制备相比较出现了如下问题：8英寸晶体重量可达到200公斤以上，而直径3mm的细颈很难支撑如此重的晶体，导致6英寸<110>硅单晶的引晶方法失效，常规的排位错方法不能完全排除位错；其次，随晶体直径的增加，热场尺寸不断增加，热场径向、纵向的温度梯度增大，导致掺杂剂、氧碳等杂质分布不均匀，且扩肩过程中容易产生位错；同时，大尺寸晶体生长时间长，晶体生长后期产生大量挥发物，同样导致无位错生长状态遭到破坏。
2.过程设计与实验优化
由于不同晶向的硅单晶面间距与键密度不同，单晶生长所需的温度梯度也不尽相同，生长时各晶面法向生长速度也就不同。其中{110}面间距及键密度均处于{100}和{111}之间，而面密度为最大，同时{110}面是主要解理面之一[2]。因此，从理论上分析可以认为，原有拉制<111>与<100>晶向硅单晶的热系统都不能满足<110>晶向硅单晶生长的温度梯度要求。
在Xuenan Zhang[3]设计的适合拉制大直径<110>晶向无位错直拉硅单晶的基础上，本研究针对6英寸<110>直拉硅单晶进行了热场结构和工艺的优化。关键点主要有如下几个方面：首先是通过数值模拟进行热场结构设计，同时通过实验验证及，对单晶引晶、放肩、等径、收尾等工艺过程进行相关的优化，成功开发出了一套更为合理的适合大直径<110>无位错直拉硅单晶制备的热场结构和工艺。
2.1适合<110>硅单晶生长热系统的优化
通过理论分析及数值模拟分别设计了三套相对合理的热场结构，如图1中，分别针对保温结构中的上保温、中保温和下保温层进行重新设计。其比例如下表：
在上述方案中，经过多次的热场验证试验，发现方案一和方案二拉晶过程中普遍存在如下问题： 1）引细劲过程中细颈直径较难控制；2）直拉<110>单晶生长时易呈椭圆状，严重时造成单晶扭曲，不能正常成晶；而在方案三中，通过控制保温层结构，上保温：中保温：下保温=1：2.5：3时，引细径相对容易控制，且单晶保持时椭圆现象减轻。
2.2 工艺优化
在上述方案三的热场结构条件下，针对不同拉晶过程中的现象合理调整拉晶工艺，包括扩肩拉速度、等径拉速、晶转、埚转，通过数值模拟得到相对合理的配套工艺如下表2，并进行实验验证。
实验结果证实，当扩肩拉速为0.3 mm/min时，分别验证了晶转12 r/min且埚转8 r/min和晶转15r/min且埚转11 r/min，但单晶生长扩肩较困难；而当扩肩拉速调整为0.5 mm/min时，分别分别验证了晶转12 r/min且埚转8 r/min和晶转15 r/min且埚转11 r/min，单晶相对更易控制。且当扩肩拉速为0.5mm/min、晶转15 r/min且埚转11 r/min、等径拉速0.6 mm/min时，更容易保持，且合格率明显提升。
图2为用此种制备方法拉制出的直径6英寸、N型<110>直拉硅单晶，其中少子奉命及电阻率均匀性均满足客户要求。从图中可看出对〈110〉取向的硅单晶，由于有二个{111}面和圆柱形晶体倾斜相交，所以在晶体柱面上明显形成二条对称分布的生长棱线。
3. 结论
本研究以数值模拟优化热场结构及工艺参数，通过实验验证，获得适合<110>晶向的直拉硅单晶生长的热场结构和工艺参数，其中热场结构建议上保温：中保温：下保温=1：2.5：3；工艺参数建议：扩肩拉速为0.5mm/min、晶转15 r/min且埚转11 r/min、等径拉速0.6 mm/min，以获得6英寸<110>无位错直拉硅单晶。其中导电型号可调整（N型、P型）、电阻率范围广（0.001-100Ω.cm）、产品广泛应用于半导体及太阳能电池的制作，以拓宽直拉硅单晶的应用范围，增加市场占有率。
参考文献：
[1] 2015年世界光伏发电新增装机容量50.6GW，http：//guangfu.bjx.com.cn/m/？s=1&l=1&v=744954&sukey=3997c0719f1515201cd19df360d4106436795dff70a0feaa801c120eb690331fe5d24e5fcf948560c79b6bb99ce38667. 2016-06-23 北极星太阳能光伏网.
[2] 阙端麟，陈修治，硅材料科学与技术[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.