強(qiáng)流脈沖電子束硅材料表面改性和數(shù)值模擬.pdf

1、現(xiàn)今，強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料的表面改性。強(qiáng)流脈沖電子束具有低能～30keV，強(qiáng)流～103A，以及短脈寬～μs的特點(diǎn);電子束的能量密度可以控制在1～10J/cm2之內(nèi)，在材料內(nèi)的升降溫速率可達(dá)到109K/s;電子束可以沿深度方向穿透幾個微米，引起亞表層的率先熔化，產(chǎn)生熔坑噴發(fā)和表層蒸發(fā)現(xiàn)象。由于受材料比熱、熱傳導(dǎo)等參數(shù)的影響，電子束更容易沉積在第二相、雜質(zhì)和晶界等地方，因此熔坑噴發(fā)多發(fā)生在雜質(zhì)、晶界等處。由于強(qiáng)流脈沖電子束具有獨(dú)

2、特的熔坑噴發(fā)機(jī)制，可以誘發(fā)表面進(jìn)行選擇凈化。
　　伴隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，太陽能級硅的需求與日俱增。目前，用于生產(chǎn)多晶硅的方法在對硅進(jìn)行提純的時候均需要對全部的硅原子進(jìn)行反復(fù)過濾除雜，造成大量的能量消耗。而理想情況下僅僅需要去除雜質(zhì)部分來實(shí)現(xiàn)提純，減少能量的損耗。強(qiáng)流脈沖電子束獨(dú)特的熔坑噴發(fā)機(jī)制可以誘發(fā)硅表層的雜質(zhì)噴發(fā)，實(shí)現(xiàn)表面的選擇凈化，因而有可能成為一種低純硅表面凈化的有效方法。
　　本文利用強(qiáng)流脈沖電子束對99％、9

3、9.999％的多晶硅和99.9999％的單晶硅進(jìn)行轟擊處理，通過金相和掃描電鏡觀察處理后的表面和截面形貌。處理后的表面均有熔坑出現(xiàn)，且熔坑密度受純度、能量密度以及脈沖次數(shù)三種因素的影響。由于硅在熔融狀態(tài)下的粘性大并且雜質(zhì)含量低，使得亞表層液體從表面以多點(diǎn)的形式噴發(fā)，形成的熔坑個數(shù)少、尺寸大，從熔坑的截面輪廓圖中得到熔坑直徑可達(dá)322μm。在熔坑的周圍存在環(huán)狀波紋，說明噴發(fā)時產(chǎn)生的應(yīng)力以波的形式沿熔化表面?zhèn)鞑?。?jīng)電子束能量密度3.0J/c

4、m2、5次脈沖處理后的6N硅的熔化層深度為3.3μm，模擬中的熔化層深度為2.4μm，說明多次轟擊可以增加提純的深度。電子束處理后的低純硅表面拉曼光譜的譜峰均向低頻移動（紅移現(xiàn)象），最大偏移量約為2.2cm-1，說明在電子束處理過程中表面雜質(zhì)有重新固熔的現(xiàn)象。
　　運(yùn)用有限差分法和有限單元法對電子束轟擊過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行模擬。當(dāng)電子束能量密度為2.0J/cm2和3.0J/cm2時，最高溫度分別達(dá)到1416℃和1555℃，表