为什么说石英坩埚质量对硅片生产重要？

石英坩埚是影响直拉单晶硅片质量的主要因素。

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应，光子照射到金属上时，其能量可以被金属 中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面 成为光电子。硅原子有 4 个外层电子，如果在纯硅中掺入有 5 个外层电子的原子如磷原子， 就成为 N 型半导体；若在纯硅中掺入有 3 个外层电子的原子如硼原子，形成 P 型半导体。 当 P 型和 N 型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到 P-N 结后，空穴由 P 极区往 N 极区移动，电子由 N 极区向 P 极区移动，形成电流。

硅片生产主要包括长晶、晶端切方、切片和测试分选，其中长晶是指在特定环境下， 将硅料生长成硅晶体的过程。直拉法是目前国内大面积使用较多的单晶硅制备技术，又称 切克劳斯基法（Czoalsik：CZ 法），是 1917 年由切克斯基建立的一种晶体生长方法，主 要包括加料→熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长：

加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的 N 或 P 型而 定。杂质种类有硼，磷，锑，砷。

 熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩 气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度（1420℃） 以上，将多晶硅原料熔化。

缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅 熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩劲生长使之消 失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小 （4-6mm）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体 表面，产生零位错的晶体。

放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需 的大小。

等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维 持在正负 2mm 之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等 径部分。

 尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使 得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢 缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升 至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

石英坩埚是影响直拉单晶硅片质量的主要因素。大直径的单晶硅（200mm 以上）基 本都是通过直拉（CZ）法生产的，生长如此大尺寸的硅晶体需要更多的时间和资源，因此， 提高每炉次硅晶体生长成功率是非常重要的。在直拉硅晶体生长过程中，无位错单晶生长 失败会造成很大的资源和时间损失。无位错单品生长失败有多种原因，在目前直拉硅单晶 炉及其热场设计都很成熟的条件下，与硅熔体直接接触的石英坩埚的纯度及其生长时释放 的微小方石英颗粒被普遍认为是导致大直径无位错直拉晶体生长失败的主要原因之一。

（1）变形对拉晶的影响：  石英坩埚变形后，在拉晶过程中随着埚位的上升，石英坩埚变形的凸出部分将碰 撞到导流筒，轻则影响正常拉晶，严重时将无法拉晶；  溶料中发生挂边造成的石英坩埚变形，坩埚上口向内凸出过多，当溶完料埚位上 升到正常引晶位置时，已碰撞到导流筒，这将直接导致不能拉晶的严重后果；溶料中发生鼓包且鼓包较大时，在拉晶过程中随着液位的下降，鼓包会渐渐露出 液面，这时已经拉出的晶棒会碰擦鼓包，如不及时停炉会发生晶棒跌落的情况。

（2）析晶对拉晶的影响：  石英坩埚内壁发生析晶时有可能破坏坩埚内壁原有的涂层，导致涂层下面的气泡 层和熔硅发生反应，造成部分颗粒状氧化硅进入熔硅内，使得正在生长中的晶体 结构发生变异而无法长晶；  析晶将减薄石英坩埚原有的厚度，降低了坩埚的强度容易引起石英坩埚的变形。

光伏石英坩埚为半透明状，有内外两层结构，外层是高气泡密度的区域，称为气泡复 合层；内层是一层 3~5mm 的透明层，称为气泡空乏层。气泡空乏层的存在使坩埚与溶液 接触区的气泡密度降低，从而改善单晶生长的成功率及晶棒品质。

坩埚最内层是指透明层中最靠近内表面 1-2mm 的部分，坩埚对硅液起作用的机理— —由于与硅液接触的内表面不断向硅液中熔解，并且伴随着透明层中的微气泡不断长大， 靠近最内表面的气泡破裂，伴随着硅液释放石英微颗粒以及微气泡。而这些杂质会以微颗 粒以及微气泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体，直接影响到硅的成晶（整棒率、成晶率、 加热时间、直接加工成本等）以及单晶硅的质量（穿孔片、黑芯片等）。