直拉单晶硅中的位错
直拉单晶硅中的位错
金属杂质的基本性质
1、硅中金属杂质的存在形式 ①和其他杂质一样，硅中金属杂质的存在形式主要取决于固溶度，同时也 受热处理温度、降温速率、扩散速率等因素影响。 ②金属杂质可以以间隙态或替位态形式的单原子存在，也可以以复合体或 沉淀形式存在 2硅中金属杂质对硅器件的影响。 ①原子态的金属杂质主要影响载流子的浓度和少数载流子的寿命。金属杂 质对载流子寿命的影响为τ=1/νσN。 ②沉淀形式的金属杂质会严重影响少数载流子的寿命。
直拉单晶硅中的位错
晶体硅中有哪些位错？哪些途径导致位错？
位错的基本性质 晶体硅中的位错结构 晶体硅中位错的腐蚀和表征 晶体硅中位错对太阳电池的影响
晶体硅中有哪些缺陷？哪些因素导致 缺陷？
按照缺陷的结构分类，直拉单晶硅中主要存在点缺 陷、位错、层错和微缺陷；按照晶体生长和加工过 程分类，可分为晶体原生缺陷和二次诱生缺陷。 直拉单晶硅位错引入途径：①晶体生长时，由于籽 晶的热冲击，会在晶体中引入原生位错。②在晶体 生长的过程中，如果热场不稳定，将会产生热冲击， 也能从固液界面处产生位错，延伸进入晶体硅。③ 热应力引入位错。
位错的基本性质
图示为螺旋位错
螺旋位错是在外力的作用下， 某个原子面沿着一根与其相 垂直的轴线方向螺旋上升， 每旋转一周，原子面便上升 一个原子距离，从而导致部 分晶体的滑移
位错的基本性质
如果要准确的描述位错的性质，就需要用伯氏矢量的概念。伯氏 矢量是指在晶体中围绕某区域任选一点，以逆时针方向做一闭合 回路。如果该区域是完整晶体，回路的起点和终点会重合；如果 区域中含有位错，则起点和终点不能重合，那么从终点指向起点 的连线就是伯氏矢量，同时，该回路称为伯格斯回路。
硅中的缺陷和杂质
杂 质
P As Sb
Si
0.045
0.057
0.065 0.16
Si
0.044
0.049
0.039
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深能级杂质
在硅中掺入非Ⅲ、Ⅴ族杂质后，在硅禁带中产生的施主能 级ED距导带底EC较远，产生的受主能级EA距价带顶EV较远， 这种能级称为深能级，对应的杂质称为深能级杂质。 深能级杂质可以多次电离，每一次电离相应有一个能级。 因此，这些杂质在硅的禁带中往往引入若干个能级。而且， 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。
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过渡金属杂质的固溶度
1金属的固溶度随温度而迅速下降 2.同一温度不同金属的固溶度不一样 3. Cu,Ni 最大 （1018 cm-3),较P,B为小 4.掺杂剂会影响过渡族金属在金属中的溶解度
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Fe, Cu, Ni在硅中的扩散 Cu原子扩散是其带正电离子Cu+的扩散，故其不仅仅受温度 影响，而且受导电类型和掺杂浓度的影响。 Ni金属扩散主要是以间隙态存在，有0.1%的替位Ni（有电 学活性），受点缺陷的控制，扩散以分离机制为主。 Fe主要以间隙态存在，禁带中引入导带以下0.29 eV的能级， 替位铁不存在。温度小于200度时p型硅中绝大部分铁带正 电荷，高温时候无论p或者n型硅中大部分铁是中性，带电 铁容易和p型硅中的B形成Fe-B对，影响Fe的扩散。
Si
EC
Si Si Eg
Si Si Si
Si
+
BSi
Δ EA
EA
EV
空穴得到能量Δ EA后， 从受主的束缚态跃迁到 价带成为导电空穴在能 带图上表示空穴的能量 是越向下越高，空穴被 受主杂质束缚时的能量 比价带顶EV低Δ EA
太阳能电池材料试题复习
复习大纲1. 铝背场的作用：①减少少数载流子在背面复合的概率；②作为背面的金属电极；③提高电池的开路电压；④提高太阳电池的收集效率；⑤降低电池的反向饱和暗电流和背表面复合速率；⑥制作良好的欧姆接触。
2. 简述晶体硅的制备工艺过程答：晶体硅太阳电池的制备工艺：p型硅片-清洗制绒-扩散制结（p-n结）-去周边层-去PSG（磷硅玻璃）-镀减反射膜-印刷电极-高温烧结-检测-分选-入库包装。
3.太阳能的利用形式：光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转化。
4.太阳能电池理论效率最高为75% 。
5.太阳常数：是指大气层外垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内所接受的太阳能辐射。
也就是说，在日地平均距离的条件下，在地球大气上界，垂直于光线1Ｃ㎡的面积上，在１分内所接受的太阳能辐射能量；为（１３６７＋｜－７）Ｗ/㎡。
６．太阳能能量转换方式主要分为光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转化三种方式。
７．P-N结的形成原理。
答：⑴Ｐ型和Ｎ型半导体都呈电中性；⑵Ｐ型半导体的多子是空穴；Ｎ型半导体的多子是电子；⑶当Ｐ型半导体与Ｎ型半导体连接在一起时，由于ＰＮ结中不同区域的载流子分布存在浓度梯度，Ｐ型半导体材料中过剩的空穴通过扩散作用流动至Ｎ型半导体材料；同理，Ｎ型半导体材料中过剩的电子通过扩散作用流动至Ｐ型半导体材料。
电子或空穴离开杂质原子后，该固定在晶格内的杂质原子被电离，因此在结区周围建立起了一个电场，以阻止电子或空穴的上述扩散流动，该电场所在的区域及耗尽区或者空间电荷区，故而称为ＰＮ结。
如图所示：在交界面，由于扩散运动，经过复合,出现空间电荷区。
８．P-N结半导体光生伏特效应的原理。
答：在半导体被光照射、产生光传导现象时，如果由光产生的载流子在不同位置具有不均一性，或者由于PN结产生了内部载流子的话，就因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不平衡，从而产生电力，这一现象称为光生伏特效应（photovoltaic effect）.9.太阳能电池的主要参数是短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率。
第五章_直拉单晶硅中的杂质和位错
热施主在300-550度范围内产生，450度产生最 大热施主浓度 热施主在550度以上短时间热处理就可以消除， 通常在650度热处理0.5-1h就可以消除 初始形成速率与氧浓度的4次方成正比，其最大 浓度与氧浓度的3次方成正比 能级处于导带下0.06-0.07 eV 和0.13-0.15 eV， 是双施主态，热处理时间增长能级向价带偏移
单晶硅中的杂质： 1.有意引入的电活性杂质：P B 2.其他杂质：氧，碳，氮，氢和金属杂质 对于集成电路用直拉单晶硅来说氧是主要的杂质，碳杂质可 以通过优化工艺降低到1016cm-3 的红外探测极限以下。 氮杂质---用于控制微缺陷和增加机械强度 氢杂质---钝化金属杂质和缺陷 其主要缺陷类型为：点缺陷组成的微缺陷 太阳能级别的直拉单晶硅 杂质较多：氧，碳和金属杂质 1.生长速度快所引起的杂质 2.原材料引入的杂质 3.所用的器械引入的杂质 淀形成驱动 力 过饱和度大，临 界形核半径小 扩散慢 过饱和度较大， 临界形核半径较 大 扩散较快 过饱和度小，临 界形核半径大 扩散快
成核机制
密度高，尺寸小
均质成核为主
750-1050
密度高，尺寸大
均质成核和异质 成核竞争
1050-1250
密度底，尺寸大
异质成核为主
成核期（孕育期）--- 快速生长----接近饱和
氧沉淀形成时，晶体硅中的点缺陷、杂质、掺杂 剂都可能提供氧沉淀的异质核心儿影响氧沉淀的 形成。硼可以促进氧沉淀的形成。 纯氧气氛热处理---抑制作用：氧化时，表面生 成二氧化硅层，大量的自间隙硅原子从表面进入 体内，从而抑制氧沉淀的形成。 氮化气氛—促进作用：硅片氮化产生大量空位扩 散到体内，从而对氧沉淀形成起到促进作用。
单晶硅中可能出现的各种缺陷
创作编号：GB8878185555334563BT9125XW创作者：凤呜大王*单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等 1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
单晶硅位错 -回复
单晶硅位错-回复主题：单晶硅位错引言：单晶硅作为半导体材料的重要代表，在现代电子技术中具有广泛的应用。
单晶硅中的位错是其晶格缺陷的一种，对材料的电学性能和力学性能产生重要影响。
本文将以单晶硅位错为主题，逐步解析其产生、类型、影响和控制等方面的内容。
第一部分：位错的概念和产生机制（300字左右）位错是晶体中晶格中出现的缺陷。
在单晶硅中，位错的产生主要是由于晶格的畸变或外力的作用。
晶格畸变是指晶格中排列的原子不再完美，形成了分子间距大小的差异。
外力的作用则可以通过拉伸、压缩、扭曲等方式对晶格产生影响。
位错可以是线性位错或面内位错，线性位错是晶格错位沿一条直线形成，面内位错是晶格错位呈现平面状。
第二部分：常见的位错类型（400字左右）在单晶硅中，常见的位错类型有螺线位错、缺失位错和双晶界。
螺线位错是晶体中沿着直线发生螺旋型错位，其中包括正型位错和反型位错。
缺失位错是晶格中缺少了一个原子，使晶格形成缺陷。
双晶界是两个晶体之间的界面，其中晶格排列存在不匹配。
第三部分：位错对单晶硅性能的影响（500字左右）位错对单晶硅的电学性能和力学性能都有重要影响。
在电学性能方面，位错会导致电子的散射和损失，影响电子在材料中的迁移和输运性质。
位错还会影响材料的载流子浓度和电阻特性。
在力学性能方面，位错会导致晶体的松弛和应力集中，影响材料的机械性能，如弹性模量和硬度等。
第四部分：位错的控制和减小（400字左右）控制和减小位错对于单晶硅的应用和性能提升至关重要。
一种常见的方法是通过热处理来减少位错的生成和增长。
另外，合适的晶体生长方法和材料处理技术也可以减少位错的产生。
例如，通过选择合适的生长温度和生长速率来控制位错的密度和类型。
材料掺杂和合金化也可以影响位错的生成和行为。
结论：单晶硅位错作为晶体的缺陷，对材料的性能有重要影响。
了解位错的产生和类型，以及其对电学性能和力学性能的影响，对于单晶硅材料的研究和应用具有重要意义。
通过适当的控制和减小位错的方法，可以提高单晶硅的性能和稳定性，进一步推动电子技术的发展和应用的拓展。
单晶硅中可能出现的各种缺陷
单晶硅中可能出现的各种缺陷缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体偏离了理想晶体的晶体结构。
在各种缺陷之中，有着多种分类方式，如果按照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷。
其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子，有被称为零维缺陷。
线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。
我们可以通过电镜等来对其进行观测。
面缺陷：面缺陷经常发生在两个不同相的界面上，或者同一晶体内部不同晶畴之间。
界面两边都是周期排列点阵结构，而在界面处则出现了格点的错位。
我们可以用光学显微镜观察面缺陷。
体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比如包裹体、气泡、空洞等。
一、点缺陷点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。
1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。
1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。
单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。
温度愈高，平衡浓度愈大。
高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。
间隙原子和空位目前尚无法观察。
1.2杂质点缺陷A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等1.3点缺陷之间相互作用一个空位和一个间隙原子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成复杂的点缺陷复合体等。
2、微缺陷2.1产生原因如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。
Cz硅单晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。
直拉单晶硅中的位错
直拉单晶硅中的位错尽管单晶硅石晶格最为完整的人工晶体，但是，依然存在晶格缺陷。
晶体硅的缺陷有多种类型。
按照缺陷的结构分类，直拉单晶硅中主要存在点缺陷、位错、层错和微缺陷；按照晶体生长和加工过程分类，可以分为晶体原生缺陷和二次诱生缺陷。
原生缺陷是指晶体生长过程中引入的缺陷，对于直拉单晶硅而言，主要有点缺陷、位错和微缺陷；而二次诱生缺陷是指在硅片或器件加工过程中引入的缺陷，除点缺陷和位错以外，层错是主要可能引入的晶体缺陷。
对于太阳电池用直拉单晶硅，点缺陷的性能研究很少，其对太阳电池性能的影响不得而知；而普通硅太阳电池工艺的热处理步骤远少于集成电路，所以工艺诱生的层错也比较少。
显然，在太阳电池用直拉单晶硅中，位错是主要的晶体缺陷。
直拉单晶硅位错的引入可以有三种途径。
一是在晶体生长时，由于籽晶的热冲击，会在晶体中引入原生位错。
这种位错一旦产生，会从晶体的头部向尾部延伸，甚至能达到晶体的底部。
但是，如果采用控制良好的“缩颈”技术，位错可以在引晶阶段排出晶体硅，所以，集成电路用直拉单晶硅已经能够做到没有热冲击产生的位错。
另外，在晶体生长过程中，如果热场不稳定，产生热冲击，也能从固液界面处产生位错，延伸进入晶体硅。
对于太阳电池用直拉单晶硅，因为晶体生长速度快，有时有可能会有热冲击位错产生。
如果位错密度控制在一定范围内，对太阳电池的效率影响较小；否则，制备出的太阳电池效率就很低了。
二是在晶体滚圆、切片等加工工艺中，由于硅片表面存在机械损伤层，也会引入位错，在随后的热加工过程中，也可能延伸进入硅片体内。
三是热应力引入位错，这是由于在硅片的热加工过程中，由于硅片中心部位和边缘温度的不均匀分布，有可能导致位错的产生。
位错对太阳电池的效率有明显的负面作用，位错可以导致漏电流、p-n结软击穿，导致太阳电池效率的降低。
所以，在直拉单晶硅的制备、加工和太阳电池的制造过程中应尽力避免位错的产生和增加。
位错的基本性质位错是一种线缺陷，它是晶体在外力作用下，部分晶体在一定的晶面上沿一定的晶体方向产生滑移，其晶体移动不位和非移动部位的边界就是位错。
直拉硅单晶位错与微缺陷的产生原理及其检测方法
１ １ 解世雄． 物理文化与教育． 北京 ： 科 学 出版 社 ， ２ ０ ０ ９ ． １ ４ ８ １ ２ （ 德） Ｗ－ 海森堡 ． 严 密 自然 科 学 近 年 来 的 变 化 ． 上海 ： 上 海译 文出版社 ， １ ９ ７ ８ ． ７
往 的 艺术 ， 需要 在 实践 中不 断 交 流 、 学 习 和创 造 ， 要 知 道物 理不 止是 一 个 知识 体 系 ， 更 是 时 代 文 化 的组 成部 分 ， 物理 教 学不 止是 概念 和规 律 的演绎 ， 更 是物 理文 化 的传 承 与创新 ．
参 考 文 献
１ 高晓明． 拔 尖创 新 人 才 概 念 考 ． 中国高教研究 ， ２ ０ １ １ （ １ ０ ）
２ 国 家 中 长 期 教 育 改 革 和发 展 规 划 纲 要 （ ２ ０ １ ０～ ２ ０ ２ ０年 ）
８ （ 美） 詹姆斯 ・ 格雷克著． 费曼传． 黄小玲译． 北京 ： 高 等 教
育 出版 社 ， ２ ０ ０ ４
９ 张之沧． 科 学哲学导论． 北京 ： 人 民 出版 社 ， ２ ０ ０ ４ ． １ ２ ７ １ Ｏ Ｒ・ 费曼． 你 干 吗在 乎 别 人 怎 么想 ？北 京 ： 中 国社 会 科 学
人 民出版社 ， １ ９ ８ ３ ． ６ ６ ２
５ 波普尔著． 科 学 知 识 进 化论 ． 纪树 立译． 生 活 读 书 新 知 三
联 书店 ， １ ９ ８ ７ ． ４ ５
力量 ， 就存 在 于 自然 界 给 我 们 提供 的那 些 思 想 方 法
中． ” ＿ １ 物理 教学 过 教学 生 动性 的保 证 ， 又是 教学 有效 性 的保
（ ２ ） Ｗｒ ｉ ｇ ｈ ｔ 腐蚀 液配 比
直拉法单晶硅工艺过程和技术改进
直拉法单晶硅工艺过程和技术改进直拉法单晶硅工艺过程和技术改进直拉法单晶硅工艺过程－引晶：经过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并并且旋转引出晶体；－缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中；－放肩：将晶体操纵到所需直径；－等径生长：依照熔体和单晶炉事情，操纵晶体等径生长到所需长度；－收尾：直径逐渐缩小，离开熔体；－落温：落底温度，取出晶体，待后续加工直拉法－几个基本咨询题最大生长速度晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度等有关。
提高晶体中的温度梯度，能够提高晶体生长速度；但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。
为了落低位错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。
熔体中的对流相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对流是由离心力和向心力、最后由熔体表面张力梯度所驱动的。
所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂质分布别均匀等。
实际生产中，晶体的转动速度普通比坩锅快1-3倍，晶体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一具相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。
生长界面形状（固液界面）固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要妨碍，正常事情下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。
在引晶、放肩时期，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。
经过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度就能够调整固液界面形状。
生长过程中各时期生长条件的差异直拉法的引晶时期的熔体高度最高，裸露坩埚壁的高度最小，在晶体生长过程直到收尾时期，裸露坩埚壁的高度别断增大，如此造成生长条件别断变化（熔体的对流、热传输、固液界面形状等），即整个晶锭从头到尾记忆别同的热历史：头部受热时刻最长，尾部最短，如此会造成晶体轴向、径向杂质分布别均匀。
电池系列之直拉法与区熔法
电池系列之直拉法与区熔法一、基本概念1、CZ直拉法（CZ）全称Czoc hrals ki，是生产单晶硅棒最常用的工艺，将多晶体硅料放入坩埚中加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。
2、区熔法如果需要生长及高纯度的硅单晶，其技术选择是悬浮区熔提炼，该项技术一般不用于Ga As。
区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。
3、各向异性晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。
晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、断裂抗力、屈服强度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。
二、引发讨论的原贴太阳能级硅单晶切片产品规格三、答疑解惑阅读原贴后提出了三个疑问，首先来看第一个。
Q1：为啥制备法限定直拉法？不是说悬浮区熔法得到的棒子纯度更高吗？是因为成本问题吗？两种方法制得的硅棒成本比大概是多少呢？最佳回答：区融法得到的是高纯单晶硅，制备方法一般是将一根多晶硅棒悬浮区融，将杂质赶到硅棒的另一侧，这样得到的是低杂质浓度、更低缺陷的单晶硅。
因为材料非常纯，电阻值非常大，一般在变压器中使用，是不会用作电池材料的。
区融法的棒子非常贵，成本确实高。
培养一个直拉法做单晶硅棒的人才一般需要3个月，区融法人才一年能培养出来就不错了，设备也很贵，原料也贵。
Q2：我知道晶体具有各向异性的特征，那么<100>±3°的晶向具有哪些物理性质和化学性质呢？或者干脆问100、110、111三种晶向的物理和化学性质各有什么不同？最佳回答：画一个单晶硅晶胞，你会发现，不同晶向的原子面密度不一样，化学键强度也不一样，破坏所需要的能量也就不一样。
单晶硅位错 -回复
单晶硅位错-回复什么是单晶硅位错？单晶硅位错是指单晶硅晶体中的晶格缺陷，即原子的错位或错位带。
由于晶格中存在一些不规则的原子排列，它们可能对晶体的物理和化学性质产生重要影响。
在晶体学中，位错是晶体材料中常见的缺陷，对其结构和性质具有重要影响。
单晶硅是一种高纯度的硅材料，由于其具有优异的电学特性和良好的光学特性等优点，被广泛应用于半导体和太阳能电池等领域。
然而，单晶硅在生长和制备过程中难免会产生位错，这些位错可能会影响其功能和性能。
位错的形成通常是由于晶体原子的错位、缺损或非均匀排列引起的。
单晶硅中常见的位错类型包括线位错和面位错。
线位错是由于晶体中某些原子排列不规则，形成了错位带，而面位错则是由于晶体的晶面之间存在错位。
位错带来的影响可以通过不同的观测和分析方法来研究。
例如，透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）可以用来观察位错的形貌和位置。
X射线衍射和拉曼光谱分析可以用来研究位错对晶体结构和晶格振动的影响。
位错的存在可能会导致单晶硅的电性能下降或光学性能受损。
位错可能会形成电子能级，导致能带结构的变化，从而影响材料的导电性能。
此外，位错还可以影响光的传播和吸收特性，降低材料的透光率和光学效能。
为了减少位错的产生以及其对单晶硅材料性能的影响，研究人员采取了一系列的措施。
首先，通过精细控制单晶硅的生长和制备过程，来减少位错的产生。
其次，在材料制备过程中应用高温、高压等条件，可以促使位错的形成和排列调整，从而改善晶体的质量。
此外，选择合适的掺杂物和添加剂，也可以改变位错的生成和移动机制，提高单晶硅的质量和性能。
总结起来，单晶硅位错是单晶硅晶体中晶格缺陷的形成，其所引起的一系列问题对其性能具有重要影响。
研究人员采取了一系列措施来减少位错的产生以及对晶体材料的影响，从而提高单晶硅的质量和性能。
这将有助于单晶硅在半导体和太阳能电池等领域的应用。
直拉单晶工艺常识
直拉单晶工艺常识硅的固态密度：克/cm,液态密度克/cm,呈灰色金属光泽，性质较脆，切割时易断裂，比重较小，硬度较大，属于非金属，是极为重要的半导体元素，液态时其表面张力较大，从液态到固态时体积膨胀较多。
氧在硅晶体中的分布是不均匀的，一般头部含量高，尾部含量低，晶体中心部位含量高，边缘含量低。
碳在晶体中的分布是中心部位低，边缘部位高。
电阻率：单位面积材料对于两平行平面垂直通过电流的阻力，晶向：一簇晶列的取向。
母合金：生产上常常将掺杂纯元素“稀释”成硅熔体叫做母合金。
偏度：晶体自然中轴线与晶向之间的夹角度数。
空穴：半导体价带结构中一种流动的空位，其作用就像一具具有正效质量的正电子荷一样。
迁移率：载流子在单位电场强度作用下的平均漂移速度。
载流子：固体中一种能传输电荷的载体，又称电载流。
少数载流子寿命：在光电作用下，非平衡少数载流子由产生到复合存在的平均时间。
杂质分凝：在结晶过程中，由于杂质偏析，出现杂质分配现象叫杂质分凝。
扩散：物质内部热运动导致原子或分子迁移的过程。
热对流：液体或气体流过固体表面时，由于固体对液体或气体分子有吸附与摩擦作用，于是从固态表面带发挥或给于固体以热，这种传递热的方式叫热对流。
热应力：是压缩力，也可以叫拉伸力，要看液体中心部位对边缘部分的相对收缩或膨胀而定，大小取决于晶体的温场分布。
温度梯度：只温度在某方向的变化率用DT/DR表示，指某点的温度T 在R方向的变化率，在一定距离内某方向的温度相差越大，单位距离内温度变化越大，温度梯度也越大，反之越小。
对石英坩埚的质量要求：1.外观检查：无损伤，无裂纹，无明显划痕，无气泡，无杂质点，100%透明；2.耐高温：在1600°C下经16小时后不变形,不失透，经1500C硅液作用下无白点；3.纯度：%%，其中硼含量小于 10ppm； 4.直径公差土； 5.高度公差土 1 mm。
对高纯石墨的要求：纯度高，强度大，结构致密均匀，无孔洞，无裂纹，耐磨。
直拉法单晶硅中位错影响因素研究进展
第49卷第4期 2021年4月硅 酸 盐 学 报Vol. 49，No. 4 April ，2021JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.20200826直拉法单晶硅中位错影响因素研究进展苏文佳，李九龙，杨 伟，李 琛，王军锋(江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)摘 要：在介绍了直拉法单晶硅中位错形成及运动机理的基础上，归纳了其生长过程中籽晶热冲击、固液界面、晶体直径和杂质等因素对位错的影响，分析了硼、锗、氮、磷、砷掺杂元素和氧杂质对单晶硅位错行为的影响。
籽晶热冲击会引起位错，而通过缩颈、回熔、籽晶预热以及采用掺杂的籽晶等方式可以使其得到抑制。
凸向熔体的固液界面引起较大的边缘切应力产生边缘位错，当形状为平面时，可抑制位错形成；在重掺n 型单晶硅中，固液界面的演变和{111}边缘面的形成可能促进过冷区域产生并中断顶锥生长，进而引发位错，并且边缘面的长度与熔融等温线的曲率有关；引晶时籽晶的不完全引晶，会产生位错且无法排出晶体，进而延伸至硅棒中；单晶硅直径增大和长晶过程中的直径波动都会增加位错的形成风险。
掺杂是抑制位错形成与运动的有效方法，硼、锗、氮、磷、砷以及氧杂质对位错都起着不同程度的抑制作用，主要原因在于杂质原子对位错的钉扎效应。
最后，针对缩颈工艺、热场设计、掺杂工艺和理论建模等方面，对未来的研究工作做出了展望。
关键词：直拉法；单晶硅；位错；固液界面；籽晶热冲击；晶体直径中图分类号：TB321；O77+2 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2021)04–0723–13 网络出版时间：2021–04–01Research Progress on Influencing Factors of Dislocation in Czochralski SiliconSU Wenjia , LI Jiulong , YANG Wei , LI Chen , WANG Junfeng(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)Abstract: Based on the introduction of the dislocation formation and movement mechanism in Czochralski silicon, the effects of seed crystal thermal shock, solid–liquid interface, crystal diameter, and impurities on the dislocations during the crystal growth process were summarized. The effects of boron, germanium, nitrogen, phosphorus, arsenic doping elements and oxygen impurities on the dislocation behavior of the Czochralski silicon were analyzed. The thermal shock of the seed crystal can lead to the dislocations, which can be suppressed by some methods such as necking, melting back, seed crystal preheating, and the use of doped seed crystal. The solid–liquid interface convex to the melt causes a large edge shear stress to produce the edge dislocations. The formation of dislocations can be suppressed when the shape is flat. In heavily n –type doped single crystal silicon, the evolution of solid–liquid interface and the formation of {111} edge surface may promote the generation of supercooling region and interrupt the growth of top cone, thereby causing the dislocations, and the length of the edge surface is related to the curvature of the melting isotherm. Incomplete seeding of the seed crystal will produce the dislocations that cannot be discharged from the crystal, and then extend to the silicon rod. The increase in the diameter of single crystal silicon and the fluctuation of the diameter during the crystal growth process will increase the risk of dislocation formation. Doping is an effective method to inhibit the formation and movement of dislocations. Boron, germanium, nitrogen, phosphorus, arsenic and oxygen impurities all have different degrees of inhibition on the dislocations mainly due to the pinning effect of impurity atoms on the dislocations. Finally, some future research aspects on necking process, thermal field design, doping process and theoretical modeling were prospected.Keywords: Czochralski method; monocrystalline silicon; dislocation; solid–liquid interface; seed thermal shock; crystal diameter收稿日期：2020–11–02。
单晶硅位错
单晶硅位错
位错是晶体中的一种线缺陷，它是晶体中已滑移与未滑移区之间的边界构成，或是以伯格斯回路闭合性破坏来表征的缺陷。
硅单晶虽然已采用无位错生长工艺，但单晶体中，特别是晶体尾部仍会有一定数量的位错存在。
位错在硅材料中是一种常见的缺陷，选择适当的化学腐蚀剂，对样品表面进行择优腐蚀，位错在晶体表面露头处，可以显现出与晶向相关的特定形态的腐蚀坑。
实验结果表明，位错的滑移距离随塑性变形能的增加而增加，同时含氮元素的单晶中位错滑移距离也比普通单晶中的短。
并且讨论了塑性变形能对位错滑移的影响，以及氮原子对位错滑移起到的阻碍作用。
在铸造单晶硅中，有两类位错，一类是单个位错，又称分散性位错，另一类是位错网络，或者次晶界。
位错网络和次晶界对太阳能效果的效率影响更大，是行业内关注的焦点问题。
位错在硅基发光材料中的应用
三、通过离子注人硼、磷等杂质，在硅晶体中形成量子尺寸的位错环。 不同的方式引人位错，研究发现都能发光，只是强度不同，发光的光 谱不同，而且还受到其它因素，如载流子浓度、金属杂质等影响。
位错在硅基发光材料 中的应用
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D1和D2的强度和宽度与位错密度成 正比，在密度较高的情况下D1是主要的发 光峰，而且相比于D2, D3和D4，其强度 受温度的影响小。 Sauer等认为：
D1,D2：与位错 的本质特征有关。 强度与激发波长、 含位错硅晶体的 表面状况有关系。 D3,D4：由位错 核心中的电子跃 迁引起。位错之 间的距离越大， 分离的位错数目 越多，则D3和D4 分裂成的峰越多。
Green等
通过表面织构和区熔硅分别提高了离 子注入LED的电致发光的光吸收率和少数 载流子寿命使得该类发光器件室温电致发 光能量转换效率达到0.85%。
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未来发展与展望
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最终目的
通过硅基发光实现光耦合互连
突破电子传输的瓶颈， 大幅度提高计算机的 运算速度和存储容量。
相关材料取自： 《Si晶体中点缺陷和位错交互作用的分子动力学研究_荆宇航》 《硅基发光材料研究进展_曾刚》 《硅晶体缺陷发光及应用_袁志钟》
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D1：0.812eV D3: 0.934eV
D2: 0.875eV D4: 1.000eV
位错在硅基发光 材料中的应用
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氧是直拉硅单晶中的主要杂质， 在晶体生长的后期以及集成电路工艺过 金属玷污 氧沉淀 程会产生氧沉淀，发射出大量的自间隙 掺杂类型 硅原子在硅基体中形成位错等缺陷，而 Pizzini等对掺氮的直拉单晶硅 位错又能吸引新的氧沉淀在其上偏聚， (CZSi )和区熔硅(FZSi)中由高 导致位错荧光光谱的变化，一般认为这 温塑性形变引入的位错发光性 些缺陷的荧光光谱都在0. 8-1. 0eV范 能的研究表明，掺氮样品的低 围内。同时，对位错、氧沉淀的发光和 掺杂类型 衬底掺杂 温位错发光峰D1-D4的峰位发 温度的关系进行了研究，发现随着温度 浓度 生偏移，强度有所变化。 的升高，它们的发光强度逐渐变弱。
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直拉单晶硅中的位错
晶体硅中有哪些位错？哪些途径导致位错？
位错的基本性质 晶体硅中的位错结构 晶体硅中位错的腐蚀和表征 晶体硅中位错对太阳电池的影响
晶体硅中有哪些缺陷？哪些因素导致 缺陷？
按照缺陷的结构分类，直拉单晶硅中主要存在点缺 陷、位错、层错和微缺陷；按照晶体生长和加工过 程分类，可分为晶体原生缺陷和二次诱生缺陷。 直拉单晶硅位错引入途径：①晶体生长时，由于籽 晶的热冲击，会在晶体中引入原生位错。②在晶体 生长的过程中，如果热场不稳定，将会产生热冲击， 也能从固液界面处产生位错，延伸进入晶体硅。③ 热应力引入位错。
60° 位 错
90°
位 错
晶体硅中位错的腐蚀和表征
晶体硅中位错的观察和表征的方法有：光学显微镜、红外显 微镜、电子透射或扫描显微镜、X射线形貌分析等方法。 晶体硅可以被化学腐蚀，化学腐蚀有：非择优腐蚀，择优腐 蚀。非择优腐蚀对任何晶体都具有相同的腐蚀速度，择优腐 蚀对晶体硅不同晶面具有不同的腐蚀速度，一般而言，晶体 硅中（111）面的腐蚀速度最慢。 对于择优腐蚀，不同晶向的单晶硅上会形成不同特征形状的 位错坑。
位错的基本性质
位错是一种线缺陷，它是晶体在外力的作用下，部分晶体在 一定的晶面上沿一定的方向产生滑移，其晶体移动部位和非 移动部位的边界就是位错。位错主要有三种类型，即刃型位 错、螺旋位错以及有它们组合成的混合位错。
位错的基本性质
图示为典型的刃型位错。
图为刃型位错示意图，就好像在完整的晶体之中加入了半个 原子面
位错的基本性质
图示某个原子面沿着一根与其相 垂直的轴线方向螺旋上升， 每旋转一周，原子面便上升 一个原子距离，从而导致部 分晶体的滑移
位错的基本性质
如果要准确的描述位错的性质，就需要用伯氏矢量的概念。伯氏 矢量是指在晶体中围绕某区域任选一点，以逆时针方向做一闭合 回路。如果该区域是完整晶体，回路的起点和终点会重合；如果 区域中含有位错，则起点和终点不能重合，那么从终点指向起点 的连线就是伯氏矢量，同时，该回路称为伯格斯回路。
体或者则沉淀(果） 杂质大多数为过渡金属，主要有Fe, Cu, Ni Fe,Cu,Ni为间隙存在，Zn,Pt,Cu替位存在
金属杂质的基本性质
1、硅中金属杂质的存在形式 ①和其他杂质一样，硅中金属杂质的存在形式主要取决于固溶度，同时也 受热处理温度、降温速率、扩散速率等因素影响。 ②金属杂质可以以间隙态或替位态形式的单原子存在，也可以以复合体或 沉淀形式存在 2硅中金属杂质对硅器件的影响。 ①原子态的金属杂质主要影响载流子的浓度和少数载流子的寿命。金属杂 质对载流子寿命的影响为τ=1/νσN。 ②沉淀形式的金属杂质会严重影响少数载流子的寿命。
直拉单晶硅中的金属杂质
金属杂质从那里来？有那些金属杂质？
金属杂质的基本性质 过渡金属杂质的固溶度 过渡族金属在硅中的扩散 如何消除金属杂质的影响
金属杂质从那里来？有那些金属杂质？
原料（微电子工业的头尾料）
硅片滚圆，切片，倒角，磨片 硅片清洗，湿化学抛光中不纯的化学试剂 加工设备（不锈钢）（以上皆为因） 高温中扩散至体内，冷却时（缘）形成复合
硅中金属的固溶度
1金属的固溶度随温度而迅速下降 2.不同温度或同一温度不同金属的固溶度不一样 相差可达几个数量级 3. Cu,Ni 最大 （1018 cm-3),较P,B为小 4.掺杂剂会影响过渡族金属在金属中的溶解度
硅中金属的扩散系数
金属杂质扩散是很快的，最快为10-4 cm2/s Cu,Ni相似并较大，Fe,Mn相似并较小 原子序数增大扩散速率增大，Zn不变化 同一温度下的不同金属或统一金属在不同温 度下扩散速率相差很大，可达5个数量级 5. 间隙态存在金属扩散速率的不同是由于迁移焓 的不同，扩散速率快（Cu,Co,Ni)的是六面体间隙态 迁移焓较低，扩散速率慢的金属(Fe,Mn,Ti,Cr) 是四面体间隙态迁移焓较大。 6.扩散机制：间隙扩散和替位扩散（踢出机制， 空位机制，分离机制） 1. 2. 3. 4.
晶体硅中位错对太阳电池的影响
位错对晶体硅的影响有：引入深能级中心，
吸引其他杂质原子在此沉淀，直接影响p-n结 的性能。这些因素都能导致晶体硅和器件的 性能下降，降低太阳电池的光电转化效率。 晶体硅中的位错含有悬挂键，既可以形成施 主能级，也可以形成受主能级。 位错能够影响少数载流子的寿命，少数载流 子寿命与位错密度的关系τ=1/(Nσ). 位错还能够影响载流子的迁移率和p-n结的性 能
金属复合体和沉淀
多种金属可以在硅中形成复合体，最常见且最重要 的金属复合体是铁-硼（Fe-B）对，铁硼复合对能够 导致载流子浓度降低，电阻率升高。其反应式为: [Fe+] ﹢[B]=[Fe+B-]。 金属在晶体硅中的沉淀相结构主要取决于高温热处 理温度。 金属在硅中沉淀的密度和形态与其形核方式大有关 系 金属沉淀的密度和大小还与冷却速度、金属的扩散 速率有关
金属杂质的控制
1、金属杂质的来源
①金属杂质能通过金属工具和晶体硅的直接接触污染晶体硅 ②在硅太阳电池的制备工艺中，包括化学腐蚀、绒面制造、 磷扩散、被场制备、减反射膜沉淀、金属电极制备等工艺步 骤，会遇到来自气体和相关设备的金属杂质的污染。
2、金属杂质的处理
①如果金属污染存在于表面，最可靠地方法是用化学清洗剂 ②当金属污染存在于体内时，常用吸杂的方法来解决 其实“去除”金属污染的最好方法是防止金属污染，预防 胜于 治疗
硅中金属杂质的测量
硅中金属杂质的测量有：硅中各个金属杂 质总体浓度的测量，硅中各个金属单原子状态 浓度的测量，硅中金属沉淀浓度的测量。 测量晶体硅中总的金属杂质浓度一般利用 中子活化法、二次离子质谱法、原子吸收谱法、 小角度全反射X射线荧光等方法。
如果金属杂质在晶体硅中以单个 原子状态存在，最有效的测量技术是 深能级瞬态谱法 。 如果金属杂质在晶体硅中以沉淀 状态存在，常应用“雾状缺陷实验 法”来定性测量硅中的金属杂质。 在工业生产中还可以利用光电导 衰减法测量硅中少数载流子寿命， 或者利用光生福特法测量硅中少数 载流子的扩散长度，从而监控硅中 金属污染的程度
伯氏矢量是位错周围晶格 畸变的总会，它与位错线 方向有关。对于刃型位错， 伯氏矢量于位错线垂直； 对于螺型位错，伯氏矢量 于位错线平行；而对于由 刃型位错和螺型位错组成 的混合位错，伯氏矢量与 位错成一定角度。
晶体硅中的位错结构
在外力的作用下，位错往往沿着密排面向原
子密排的方向移动，晶体硅中最易发生的位 错运动一般是在(111)面的<110>方向 。 在晶体硅中，最常见的位错是60°位错和 90°位错。