N型单晶硅制备过程中拉晶工艺对氧含量的影响

文章来源：晶格半导体

原文作者：晶格半导体

本文介绍了N型单晶硅制备过程中拉晶工艺对氧含量的影响。

在太阳能电池的发展进程中，TOPCon 电池凭借其优异的性能脱颖而出，成为行业焦点。而 N 型硅片作为 TOPCon 电池的关键基底材料，其氧含量对电池的转换效率有着至关重要的影响。本文深入研究拉晶工艺参数对 N 型单晶硅氧含量的作用机制，为提升单晶硅品质、优化电池性能提供有力支撑。

TOPCon 电池通过在 N 型硅片背面构建超薄隧穿氧化层和磷掺杂多晶硅薄层，形成高效的钝化接触结构，有效降低金属接触复合电流，提升电池的开路电压和短路电流，进而提高转换效率。然而，随着 TOPCon 电池 SE 技术的应用，对硅片氧含量的要求愈发严苛。在直拉单晶硅的生产过程中，氧作为主要杂质，以间隙原子形式存在，在后续的热处理中，易形成氧施主和氧沉淀，严重影响硅晶体品质。特别是在 TOPCon 电池的二次高温工艺中，过高的氧含量会导致氧沉淀环（同心圆）的出现，降低硅片少子寿命，最终影响电池转换效率。

为深入探究拉晶工艺参数对 N 型单晶硅氧含量的影响，本文开展了一系列实验研究。实验选用阳光设备型单晶硅炉，以 10.5 英寸热场为例，采用新特电子级多晶硅料和高纯石英坩埚，利用高纯氩气控制炉压，进行 N 型单晶硅棒的拉制。实验流程涵盖单晶硅棒拉制、氧含量测试和同心圆检测。氧含量测试采用傅里叶变换红外光谱仪，同心圆则通过硅晶片测试仪和电致发光测试仪进行表征。同时，借助 CGSim 晶体生长建模软件，对拉晶过程进行数值模拟，分析不同工艺参数下的温度场、流场以及氧含量分布情况。

坩埚转速对 N 型单晶硅氧含量的影响十分显著。数值模拟结果显示，随着坩埚转速增加，熔体流场中出现泰勒 - 普劳德曼漩涡、浮力 - 热毛细漩涡和次级漩涡。其中，浮力 - 热毛细漩涡可加速氧的挥发，但坩埚转速增加会抑制其强度，使氧的挥发受限，导致熔体和坩埚界面处氧含量升高。实验结果也表明，坩埚转速降低时，单晶硅棒的氧含量随之降低。综合考虑氧含量控制和成晶率，5r/min 的坩埚转速被确定为最优工艺参数之一。

氩气流量和炉压同样对 N 型单晶硅氧含量有重要影响。加大氩气流量、减小炉压，可增大熔体界面处 SiO 的质量流量，促进其挥发，降低固液界面处氧含量，进而降低单晶硅棒的氧含量。

通过对不同工艺参数下拉制的 N 型单晶硅棒进行同心圆验证发现，同心圆比例与单晶硅棒氧含量紧密相关。随着单晶硅氧含量的降低，电池端同心圆比例也显著下降。其中，坩埚转速 5r/min、氩气流量 100L/min 和炉压 1200Pa 时拉制的 N 型单晶硅氧含量最低，同心圆比例也最低，仅为 0.7% 。