多场耦合下300mm大直径单晶硅氧的掺杂机理研究

Recently, the extensive application of solar energy accelarate the reserch of the single crystal silicon. Oxygen is one of the main non-metallic impurities in the crystal which can form the micro-defects. It will influnce the resistivity of the crystal, resulting in the decreasing the stability of the solar cells. In this proposal, the distribution of the thermal,flow and magnetic field will be simulated using the 2D/3D composite model under the multi-filed coupling. The introducing mechamism of the oxygen will be discussed by analzing the melt flow and oxygen distribution in the melt-crucible boundary layer.At the same time, the effct of processing parameters on the melt convection and the oxygen transportation will be disccused.It would aslo pay more attention on the influence of the temperature gredient on both the solid-liquid interface and the segregation of the oxygen. Then,the relationship between the growth rate and oxygen concentration will be determined.Finnaly,the doping mechanism of oxygen will be constructed systematically for the CZ single crystal silicon with large diameter, which would be vertified by experiments. This will provide theoretical supporting to the production of large diameter single crystal silicon with high qualities.

近年来，太阳能电池的大力应用促进了单晶硅的广泛研究。氧作为太阳能级直拉单晶硅中的非金属杂质，在晶体中可形成微缺陷，影响晶体的电阻率，造成后期制备太阳能电池性能不稳定。本项目首先采用2D/3D复合数值模型模拟多场耦合作用下炉内的热场、气体流场和磁场的分布状况；其次，通过研究熔体-坩埚边界薄层内熔体的流动和氧的分布，建立氧的引入机理，并分析工艺参数对大直径坩埚内的熔体对流和氧的传输方式的影响；同时，探讨温度梯度与固液界面和氧分凝扩散的相互影响关系，确定晶体生长速度与氧含量之间的关联性。最后,建立起完善的大直径单晶硅中氧的掺杂机理，并用试验加以验证，为生产高品质大直径单晶硅提供理论指导。

本项目以多场耦合下大直径单晶硅中氧的掺入机理为研究内容，采用CGSim晶体生长软件，以工业炉为实体建立模型，分析氧的引入、传输和掺入环节，阐明氧在大直径单晶硅中的掺入机理并确定最佳的工艺参数，为实际生产提供理论支撑。在研究过程中，获得以下主要结论：. 首先，对多场耦合作用下磁场结构和拉晶工艺参数对晶体固液界面和氧含量的影响进行分析。在拉晶过程中，零势面与自由表面重合时，晶体下方和自由表面上轴向磁场强度最低；随磁场强度的增加，熔体流动受到抑制，固液界面上氧含量降低。氩气流速对固液界面形状有较大影响，随氩气流速增加，固液界面高度整体降低；在中等氩气流速范围内，固液界面波动幅度最低，晶体中氧含量降低了18%。. 其次，分析了拉晶工艺参数对熔体/坩埚边界层的影响。熔体-坩埚边界层厚度与坩埚侧壁对流强度息息相关。坩埚侧壁对流受熔体对流形态和种类的影响。氩气流速对熔体/坩埚边界层变化影响的实质是由于氩气流速的改变致使熔体内部的坩埚壁附近自然对流的强度（即熔体-坩埚边界层的厚度）发生了变化。氧含量的结果验证了熔体-坩埚边界层越厚越佳。当埚转值为11rpm，氩气流速值为0.9m/s时，对应的自然对流最小（即熔体-坩埚边界层厚度最大）。.最后，利用数值模拟与解析法相结合的方法对固液界面氧的边界层进行了分析。在多场耦合作用下，在线圈间距增大过程中，氧边界层厚度在固液界面分布逐渐趋于平缓；当磁场比MR为1时，氧边界层厚度在固液界面分布较为均匀。综合考虑边界层分布与固液界面状态，确定晶转数为6rpm、埚转数为5rpm时为较佳的参数。氧边界层厚度与拉速值成反比关系，拉速值为65mm/h时，边界层厚度分布较为均匀。