文章來源：晶格半導體

原文作者：晶格半導體

本文介紹了N型單晶硅制備過程中拉晶工藝對氧含量的影響。

在太陽能電池的發展進程中，TOPCon 電池憑借其優異的性能脫穎而出，成為行業焦點。而 N 型硅片作為 TOPCon 電池的關鍵基底材料，其氧含量對電池的轉換效率有著至關重要的影響。本文深入研究拉晶工藝參數對 N 型單晶硅氧含量的作用機制，為提升單晶硅品質、優化電池性能提供有力支撐。

TOPCon 電池通過在 N 型硅片背面構建超薄隧穿氧化層和磷摻雜多晶硅薄層，形成高效的鈍化接觸結構，有效降低金屬接觸復合電流，提升電池的開路電壓和短路電流，進而提高轉換效率。然而，隨著 TOPCon 電池 SE 技術的應用，對硅片氧含量的要求愈發嚴苛。在直拉單晶硅的生產過程中，氧作為主要雜質，以間隙原子形式存在，在后續的熱處理中，易形成氧施主和氧沉淀，嚴重影響硅晶體品質。特別是在 TOPCon 電池的二次高溫工藝中，過高的氧含量會導致氧沉淀環（同心圓）的出現，降低硅片少子壽命，最終影響電池轉換效率。

為深入探究拉晶工藝參數對 N 型單晶硅氧含量的影響，本文開展了一系列實驗研究。實驗選用陽光設備型單晶硅爐，以 10.5 英寸熱場為例，采用新特電子級多晶硅料和高純石英坩堝，利用高純氬氣控制爐壓，進行 N 型單晶硅棒的拉制。實驗流程涵蓋單晶硅棒拉制、氧含量測試和同心圓檢測。氧含量測試采用傅里葉變換紅外光譜儀，同心圓則通過硅晶片測試儀和電致發光測試儀進行表征。同時，借助 CGSim 晶體生長建模軟件，對拉晶過程進行數值模擬，分析不同工藝參數下的溫度場、流場以及氧含量分布情況。

坩堝轉速對 N 型單晶硅氧含量的影響十分顯著。數值模擬結果顯示，隨著坩堝轉速增加，熔體流場中出現泰勒 - 普勞德曼漩渦、浮力 - 熱毛細漩渦和次級漩渦。其中，浮力 - 熱毛細漩渦可加速氧的揮發，但坩堝轉速增加會抑制其強度，使氧的揮發受限，導致熔體和坩堝界面處氧含量升高。實驗結果也表明，坩堝轉速降低時，單晶硅棒的氧含量隨之降低。綜合考慮氧含量控制和成晶率，5r/min 的坩堝轉速被確定為最優工藝參數之一。

氬氣流量和爐壓同樣對 N 型單晶硅氧含量有重要影響。加大氬氣流量、減小爐壓，可增大熔體界面處 SiO 的質量流量，促進其揮發，降低固液界面處氧含量，進而降低單晶硅棒的氧含量。

通過對不同工藝參數下拉制的 N 型單晶硅棒進行同心圓驗證發現，同心圓比例與單晶硅棒氧含量緊密相關。隨著單晶硅氧含量的降低，電池端同心圓比例也顯著下降。其中，坩堝轉速 5r/min、氬氣流量 100L/min 和爐壓 1200Pa 時拉制的 N 型單晶硅氧含量最低，同心圓比例也最低，僅為 0.7% 。