為什么說石英坩堝質量對硅片生產重要？

石英坩堝是影響直拉單晶硅片質量的主要因素。

光伏發電的主要原理是半導體的光電效應，光子照射到金屬上時，其能量可以被金屬 中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內部引力做功，離開金屬表面 成為光電子。硅原子有 4 個外層電子，如果在純硅中摻入有 5 個外層電子的原子如磷原子， 就成為 N 型半導體；若在純硅中摻入有 3 個外層電子的原子如硼原子，形成 P 型半導體。 當 P 型和 N 型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到 P-N 結后，空穴由 P 極區往 N 極區移動，電子由 N 極區向 P 極區移動，形成電流。

硅片生產主要包括長晶、晶端切方、切片和測試分選，其中長晶是指在特定環境下， 將硅料生長成硅晶體的過程。直拉法是目前國內大面積使用較多的單晶硅制備技術，又稱 切克勞斯基法（Czoalsik：CZ 法），是 1917 年由切克斯基建立的一種晶體生長方法，主 要包括加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長：

加料：將多晶硅原料及雜質放入石英坩堝內，雜質的種類依電阻的 N 或 P 型而 定。雜質種類有硼，磷，銻，砷。

 熔化：加完多晶硅原料于石英堝內后，長晶爐必須關閉并抽成真空后充入高純氬 氣使之維持一定壓力范圍內，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度（1420℃） 以上，將多晶硅原料熔化。

縮頸生長：當硅熔體的溫度穩定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅 熔體場接觸時的熱應力，會使籽晶產生位錯，這些位錯必須利用縮勁生長使之消 失掉。縮頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小 （4-6mm）由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體 表面，產生零位錯的晶體。

放肩生長：長完細頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需 的大小。

等徑生長：長完細頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調整，可使晶棒直徑維 持在正負 2mm 之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等 徑部分。

 尾部生長：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應力將使 得晶棒出現位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發生，必須將晶棒的直徑慢慢 縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升 至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。

石英坩堝是影響直拉單晶硅片質量的主要因素。大直徑的單晶硅（200mm 以上）基 本都是通過直拉（CZ）法生產的，生長如此大尺寸的硅晶體需要更多的時間和資源，因此， 提高每爐次硅晶體生長成功率是非常重要的。在直拉硅晶體生長過程中，無位錯單晶生長 失敗會造成很大的資源和時間損失。無位錯單品生長失敗有多種原因，在目前直拉硅單晶 爐及其熱場設計都很成熟的條件下，與硅熔體直接接觸的石英坩堝的純度及其生長時釋放 的微小方石英顆粒被普遍認為是導致大直徑無位錯直拉晶體生長失敗的主要原因之一。

（1）變形對拉晶的影響：  石英坩堝變形后，在拉晶過程中隨著堝位的上升，石英坩堝變形的凸出部分將碰 撞到導流筒，輕則影響正常拉晶，嚴重時將無法拉晶；  溶料中發生掛邊造成的石英坩堝變形，坩堝上口向內凸出過多，當溶完料堝位上 升到正常引晶位置時，已碰撞到導流筒，這將直接導致不能拉晶的嚴重后果；溶料中發生鼓包且鼓包較大時，在拉晶過程中隨著液位的下降，鼓包會漸漸露出 液面，這時已經拉出的晶棒會碰擦鼓包，如不及時停爐會發生晶棒跌落的情況。

（2）析晶對拉晶的影響：  石英坩堝內壁發生析晶時有可能破壞坩堝內壁原有的涂層，導致涂層下面的氣泡 層和熔硅發生反應，造成部分顆粒狀氧化硅進入熔硅內，使得正在生長中的晶體 結構發生變異而無法長晶；  析晶將減薄石英坩堝原有的厚度，降低了坩堝的強度容易引起石英坩堝的變形。

光伏石英坩堝為半透明狀，有內外兩層結構，外層是高氣泡密度的區域，稱為氣泡復 合層；內層是一層 3~5mm 的透明層，稱為氣泡空乏層。氣泡空乏層的存在使坩堝與溶液 接觸區的氣泡密度降低，從而改善單晶生長的成功率及晶棒品質。

坩堝最內層是指透明層中最靠近內表面 1-2mm 的部分，坩堝對硅液起作用的機理— —由于與硅液接觸的內表面不斷向硅液中熔解，并且伴隨著透明層中的微氣泡不斷長大， 靠近最內表面的氣泡破裂，伴隨著硅液釋放石英微顆粒以及微氣泡。而這些雜質會以微顆 粒以及微氣泡的形式伴隨著硅液流遍整個硅熔體，直接影響到硅的成晶（整棒率、成晶率、 加熱時間、直接加工成本等）以及單晶硅的質量（穿孔片、黑芯片等）。