光子学报
2023, 52(11): 1112001
1 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西省轻化工助剂化学与技术协同创新中心，陕西科技大学化学与化工学院，西安 710021
2 西安蓝桥新能源科技有限公司，西安 712000
高效、绿色、稳定、经济的新类别制绒分子及相应助剂配方是获得超低反射率陷光结构，提升单晶硅太阳能电池光电转换效率的关键内容之一。本工作提出多苯环骨架强化单晶硅表界面结合，磺酸基、羟基、烷氧基等官能团调控出绒点形成的思路，合理筛选并对比研究了2,6-萘二磺酸钠、2-羟基-7-萘磺酸钠，十二烷基二苯醚磺酸钠以及木质素磺酸钠的绒面催化效应，发现大分子尺寸、更为分散的苯环骨架排布、柔性分子结构、丰富的羟基、烷氧基等结构特征有利于芳香环磺酸盐在单晶硅表面形成连续、均匀、密集金字塔结构。基于制绒剂结构、浓度、时间、温度等反应参数的系统对比实验，筛选出木质素磺酸钠作为优良出绒试剂，可在0.000 6%～0.06%的低浓度条件下，获得15.84～26.94%的平均反射率。引入表面活性剂和绒面调节剂，通过系统正交实验，获得了“0.015%木质素磺酸钠+1.1%十二烷基苯磺酸钠+2.0%的2-羟基-β-环糊精”新型绿色、低浓度、高稳定制绒助剂配方，在NaOH浓度0.65%、反应温度75～85 ℃、制绒时间420 s的类产线条件下，获得基底尺寸1.7～1.9 μm、均匀、规则、密集的金字塔结构以及低至9.89%的绒面平均反射率。本项研究为基于芳香环磺酸盐开发绿色高效新型实用化单晶硅表面织构化添加剂提供了良好例证。
单晶硅 太阳能电池 制绒 反射率 monocrystalline silicon solar cell surface texturing reflectivity
为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。
单晶硅 超精密切削 纳米压痕 纳米划痕 脆塑转变 切削力 弹性回复率 摩擦系数 monocrystalline silicon ultra precision cutting nanoindentation nanoscratch brittle-plastic transition cutting force elastic recovery rate friction coefficient
1 宁夏中欣晶圆半导体科技有限公司, 宁夏半导体级硅晶圆材料工程技术研究中心, 银川 750021
2 厦门大学材料学院, 厦门市电子陶瓷材料与元器件重点实验室, 厦门 361005
3 宁夏职业技术学院, 银川 750021
4 厦门大学深圳研究院, 深圳 518063
利用ANSYS有限元软件分析了横向磁场下不同坩埚转速对200 mm半导体级直拉单晶硅的流场及氧浓度的影响。研究结果表明: 在横向磁场下, 硅熔体的流场和氧浓度分布呈三维非对称性, 熔体对流形式主要包括泰勒-普劳德曼漩涡、浮力-热毛细漩涡及次漩涡, 其中前两者有助于氧挥发, 而次漩涡则起到抑制作用。当坩埚转速较低(0.5~1.0 r/min)时, 较弱的熔体对流强度导致坩埚壁与固液界面间的热传导效率低, 氧主要以扩散机制迁移至固液界面, 熔硅中氧浓度高; 当坩埚转速较高(2~2.5 r/min)时, 氧通过强对流形式迁移至固液界面。随着坩埚转速增加, 次漩涡和浮力-热毛细漩涡的作用强度提高, 浮力-热毛细漩涡影响区域远离自由表面, 使硅熔体中的氧浓度呈先下降后上升的趋势。数值模拟结果与实验结果均表明, 在横向磁场条件下优选1.5 r/min的坩埚转速可获得平均氧浓度较低的单晶硅。上述分析结果可以为横向磁场下半导体级单晶硅拉晶参数优化提供参考依据。
ANSYS有限元分析 200 mm半导体级单晶硅 直拉法 坩埚转速 流场 氧浓度 ANSYS finite element software 200 mm semiconductor-grade monocrystalline silicon Czochralski method crucible rotation rate flow field oxygen concentration
1 宁夏中欣晶圆半导体科技有限公司, 宁夏半导体级硅晶圆材料工程技术研究中心,银川 750021
2 厦门大学材料学院, 厦门市电子陶瓷材料与元器件重点实验室, 厦门 361005
3 厦门大学深圳研究院, 深圳 518063
半导体级单晶硅是芯片的基础核心材料, 其晶体的氧含量分布对晶圆品质有重要影响。通过优化提拉单晶炉的热屏结构可有效控制晶体生长过程中的氧含量分布, 但难以通过实验探究其内在影响机制。本文采用ANSYS有限元分析, 研究了热屏结构对200 mm半导体级直拉单晶硅氧含量分布的影响。针对一段式、二段式两种典型的商用单晶炉热屏结构, 模拟了拉晶初期(300 mm)、中期(800 mm)、末期(1 000 mm)三个等径阶段的温度场、流场分布, 固液界面温度梯度及径向氧含量分布。计算结果表明, 与二段式热屏相比, 一段式热屏的熔体温度场均一性较好, 固液界面的温度梯度较小。此外, 一段式热屏的氩气流场有利于熔体自由表面上方SiO气体挥发和减弱熔体的剪切对流, 使固液界面前端向晶体扩散的氧减少。因此, 一段式热屏的固液界面径向氧含量分布均匀性较好且晶体中的氧含量较低。
半导体级单晶硅 氧含量 有限元分析 热屏结构 温度场 流场 semiconductor-grade monocrystalline silicon oxygen content finite element analysis heat shield structure temperature field flow field
1 电磁空间安全全国重点实验室，天冿 300308
2 电子科技大学 物理学院，成都 610054
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
改进了描述光学材料强激光损伤的吸收波前模型，在原有模型的基础上引入了杂质缺陷吸收项，并将一维形式推广到了三维。利用改进后的吸收波前模型，数值模拟了红外单晶硅光学材料在波长1064 nm皮秒激光辐照时杂质源（以金属铁为例）附近材料的温度、损伤半径及损伤阈值等变化情况，并分析了光学材料初始温度对损伤阈值的影响规律。数值结果显示：（1）与传统的热传递模型不同，在损伤阈值附近，激光场能量密度从低于损伤到达到（或超出）损伤的微小变化导致温度场的巨大变化；（2）达到损伤能量密度后，杂质附近的最高温度及利用吸收波前表征的材料损伤半径随着辐照能量密度的增加近似线性增长；（3）激光损伤阈值随着材料初始温度的增加而降低。研究结果表明改进后的吸收波前模型可以较好地描述光学材料的杂质缺陷诱导强激光损伤：相比于传统的热超导模型，吸收波前模型可以更合理的表示损伤阈值附近温度场的突变，并可定量分析杂质诱导光学材料的强激光损伤尺寸。另外对单晶硅吸收波前模型的研究还显示提升材料的初始温度可以有效降低材料的强激光损伤阈值，这为提升光电对抗中光电探测器的激光损伤效率提供了一种思路。
杂质缺陷 光学材料 单晶硅 吸收波前模型 强激光损伤 impurity defect optical materials monocrystalline silicon absorption front model laser induced damage 强激光与粒子束
2023, 35(7): 071004
1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 佛山科学技术学院 机电工程与自动化学院，广东 佛山 528225
3 华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
随着新能源、特高压需求爆发，以单晶碳化硅为代表的第三代半导体技术近几年得到了飞速发展，大口径单晶碳化硅材料制备已经成为现实，相比于目前已成熟应用的RB-SiC材料，单晶碳化硅不需要通过CVD或PVD改性就可以获得1 nm甚至更优的表面粗糙度，在光学元件领域的应用具有广阔前景，但同时加工难度高是亟待解决的问题。为了解决单晶碳化硅材料在光学加工过程中的粗糙度问题，提出了一种基于PSD评价及熵增理论的伪随机轨迹加工改善粗糙度的方法。相较于传统单一的Ra值评价方法，通过引入PSD曲线丰富了粗糙度评价的维度；利用对熵增理论的分析，从理论上讨论了确定性抛光轨迹和伪随机轨迹对粗糙度尺度下累计误差影响的区别。通过对6 in (1 in=2.54 cm)单晶碳化硅进行多轮抛光实验，结果表明：在相同初始粗糙度情况下，确定性轨迹与伪随机轨迹虽均得到了Ra约1 nm的粗糙度值，但PSD曲线可以明显看出确定性轨迹出现了尖峰，而伪随机轨迹则更为平滑。验证了特定采样区间下的PSD曲线作为粗糙度评价手段的有效性，同时论证了伪随机轨迹相较于确定性轨迹在单晶碳化硅材料抛光上的优势。
单晶碳化硅 伪随机轨迹 粗糙度 monocrystalline silicon carbide pseudo-random tool path roughness 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220838
1 宁夏大学物理与电子电气工程学院, 银川 750021
2 宁夏大学宁夏光伏材料重点实验室, 银川 750021
大尺寸直拉单晶硅的“增效降本”是当前光伏企业急需解决的问题。本文采用有限元体积法对φ300 mm直拉单晶硅生长过程分别进行稳态和非稳态全局模拟, 研究提高拉晶速率对直拉单晶硅生长过程中的固液界面、点缺陷分布以及生长能耗的影响。结果表明: 拉晶速率提高为1.6 mm/min时固液界面的偏移量为33 mm, 不会影响晶体的稳定生长; 拉晶速率对晶体中点缺陷的分布起决定性作用, 提高拉晶速率不仅能降低自间隙点缺陷的浓度, 而且使晶棒内V/G始终高于临界值; 且拉晶速率对功率消耗影响较大, 提高拉晶速率后晶体生长时间减少了46.4%, 单根晶体生长消耗功率降低了约4.97%。优化和控制适宜的拉晶速率有利于低成本地生长特定点缺陷分布甚至无点缺陷单晶硅, 为提高大尺寸直拉单晶硅质量、降低生产能耗提供一定的理论支持。
直拉单晶硅 有限元体积法 拉晶速率 固液界面 点缺陷 生产能耗 Czochralski monocrystalline silicon finite element volume method pulling rate crystal-melt interface point defect energy consumption
