单晶炉导流筒、热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟

1、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 单晶炉导流筒、 热屏及炭毡对单晶硅 生长影响的优化模拟 单晶炉导流筒、 热屏及炭毡对单晶硅 生长影响的优化模拟 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 摘要摘要? ? ? ? ? ? ? ? 关键词关键词? 中图分类号中图分类号?文献标识码文献标识码?文章编号文章编号? ?2? ?2?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2、? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ?

3、? ? ? ? ? ? ? ? ? 收稿日期 收稿日期? ?2?2?修订日期修订日期? ?2?2? 基金项目 基金项目? ? 作者简介 作者简介?2 ? ? ?2? ? 通讯作者 通讯作者? ? ?2? ? ? ? ? 第2期佳等:单晶炉导流筒、 热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟525 1 引 言 直拉法(即CZ法)晶体生长是用于半导体和太阳电池单晶硅的主要生长方法。对于太阳电池来说,最 重要的是降低单晶棒的成本,光伏组件50%以上的成本消耗于单晶棒和晶片的生产。通常有两种方法来降 低成本:一是降低加热器的功耗;二是提高拉晶速度。两种方法中,提高拉速的方法更有效。拉速提高,不仅 缩短了晶体

4、生长时间,节省了功耗,而且增加了产率。但是,简单地提高拉速,会带来晶体质量的下降;拉速 过快甚至可能产生多晶。因此,在提高拉速的同时,必须对晶体生长系统的热场进行优化,以保长出质 量合格的晶体。工业设备的改造和试验非常昂贵并且耗时,利用计算机数值模拟,能够快速而经济地再现各 种晶体生长过程,预测其中的物理现象,包括熔体湍流、 气体对流、 磁场、 晶转、 埚转、 缺陷形成等 1?6 。 对于直拉法单晶炉,国内外学者在热场优化数值模拟方面进行了大量研究,北京有研的高宇、 周旗钢等 1 分析了热屏和后继加热器对直拉硅单晶生长过程中固液界面形状的影响,河北工业大学任丙彦等设计了以矮 加热器为核心的复合

5、式加热器系统 2 ,并引入导流筒 3 ,降低了硅中的氧含量,也有利于提高拉速。立 大学的Leea等 4设计了镀有不同涂层的钼和石墨热屏、 增加了额外的侧面和底面保温层 ,大大降低了功率和 氩气的消耗。俄罗斯Soft?I mpact公司的Smirnova等 5采用了一种新的炉体结构 ,生长速率增加了15%30%。 在对单晶炉热场进行改进时,通常采用三种方法 : (1) 改变热屏的形状及尺寸 ; (2) 改变侧壁和底部隔热 层的厚度; (3)在热屏上方增加导流筒。本文针对由江苏华盛天龙公司生产并广泛使用的DRF?85单晶炉, 利用数值模拟方法,尝试对单晶硅的热场和生长进行改进。目的是在保证晶体质量

6、的前提下,降低功耗,提 高拉速,实现节能并提高产率的目的。 2 模 型 采用德国STR公司开发的晶体生长专业模拟软件CGSi m,该软件用于直拉法Si单晶生长,所预测的生长 图1 炉体结构(左)及网格划分(右) Fig . 1Structure of furnace (left) and the computation grid (right) 速率、 功率消耗、 晶体缺陷等已经被大量实验证 实 7?14 。 在单晶炉的物理模型中,考虑了各部件之间的整 体热交换,包括固体内部的导热、 熔体和气体中的对 流、 各表面之间的辐射以及液固相变效应。模型也考 虑了液固界面的几何形状变化、 改进的Chi

7、en湍流模 型以及晶体中的热应力。计算方法采用有限体积法 (流体区域)与有限元法(固体区域)结合。在上述基 础上,计算二维轴对称的单晶炉的流场和温场,以及 晶体中的热应力。详细的建模方法参见文献15 。 3 建模及参数设置 根据实际的炉体结构,对其进行轴对称简化,得到如图 1 ( 左)所示炉体结构。炉体上部观察孔、 下部石 墨电极引脚和氩气出口均为非轴对称,视其对整体热场的影响程度,按照等效传热的原则将其简化。计算网 格约14, 500个,如图 1 ( 右)所示,其中对重点关注的熔体和液固界面等进行网格加密细化。 模拟中使用的主要材料的物性参数如表1所示。晶体直径150 mm,晶体总高度120

8、0 mm,总投料60 kg,晶 转10 r/min,坩埚转速6 r/min,氩气流量3000 L /h,炉内气压1300 Pa,石英坩埚内径437 mm,外径457 mm。 4 炉体结构的优化 如图2所示,在原有单晶炉结构的基础上,分别对导流筒、 热屏和底部/侧壁炭毡进行了改进,目的是在 保证晶体质量的前提下,提高生长速率,达到节能的目的。 5 2 6 人工晶体学报 第3 9卷 (1 )对 导 流 筒 的 改 进:在 热 屏 上 方 增 加 一 高 度 为2 3 0 m m的 石 墨 导 流 筒; (2 )对 热 屏 的 改 进:改 进 前,热 屏 的 外 表 面 与 石 英 坩 埚 侧 面

9、流 道 较 宽,热 屏 下 表 面 与 自 由 液 面 之 间 的 导 流 流 道 面 积 较 小;改 进 后,热 屏 外 表 面 与 石 英 坩 埚 侧 面 形 成 一 定 锥 度(渐 缩 流 道 ) , 且 流 道 变 窄,同 时 热 屏 内 部 炭 毡 加 厚,热 屏 下 表 面 与 自 由 液 面 之 间 的 导 流 流 道 面 积 增 大; (3 )对 底 部/侧 壁 炭 毡 的 改 进:将 石 墨 加 热 器 上 方 的 侧 壁 炭 毡 和 底 部 炭 毡 加 厚。 表1 模 拟 中 使 用 的 主 要 物 性 参 数 16 Ta ble 1P h ysical pa ra m e

10、ters of the m aterials use d in si m ulation 16 H eat cap acity/Jk g21K 21 H eat co n d uctivity/ Wm 21 K 21 E missivity Si ( crystal) 1 00 09 8. 8 9 - 9. 4 21 0 22 T+ 2. 8 91 0 25 T 2 0. 9 0 1 6 - 2. 6 20 810 24 T Si (m elt ) 9 1 56 60. 3 1 8 Grap hite2p5 0 01 0 5(T/ 3 0 0) 20 . 3 e xp - 3. 5(T- 3

11、0 0)10 24 0. 8 Grap hite felt 0. 63 4T+ 5 1 60. 17 7 3 e xp 0. 71 0 23 (T- 2 73) 0. 9 Ar5 2 0. 80. 0 1 + 2. 51 0 25 T- Q uartz crucible9 0 040. 85 N o n2corrosive steel4 3 7. 51 50. 45 4. 1 改 进 后 的 温 场 和 流 场 变 化 以 晶 体 生 长 高 度600 m m为 例,由 图3可 看 出,导 流 筒、热 屏 和 底 部/侧 壁 炭 毡 改 进 的 结 果,带 来 以 下 优 点: (1 )热 屏

12、 上 方 石 墨 导 流 筒 的 引 入 对 氩 气 形 成 导 流 作 用,明 显 减 小 了 炉 体 上 部 氩 气 流 动 涡 胞,减 少 了Si O 在 单 晶 炉 上 部 的 沉 积 概 率;由 于 氩 气 流 动 加 快,带 走 了 更 多 结 晶 潜 热,从 而 使 生 长 速 率 增 大; (2 )改 进 后,晶 体 内 的 等 温 线 更 平 坦,表 明 生 长 时 的 液 固 界 面 更 接 近 平 界 面,有 利 于 降 低 晶 体 内 的 热 应 力 和 获 得 均 匀 的 溶 质 分 凝; (3 )热 屏 外 表 面 与 侧 壁 炭 毡 之 间 的 平 均 温 度,由

13、 改 进 前 的 约1 5 1 3K降 低 到 约1 3 9 1K,表 明 炉 体 上 部 侧 壁 炭 毡 有 效 阻 止 了 加 热 器 热 量 向 上 的 热 损 失,达 到 了 节 能 的 目 的; (4 )由 于 热 屏 外 表 面 与 石 英 坩 埚 内 壁 面 由 下 而 上 形 成 一 定 锥 度,氩 气 流 道 呈 渐 缩 趋 势,且 流 道 变 窄。 氩 气 平 均 流 速 由 改 进 前 约3 m / s增 大 到 改 进 后 约6 m / s,有 利 于 将 硅 熔 体 表 面 蒸 发 出 的Si O更 快 带 走,减 少 了 Si O在 石 英 坩 埚 内 壁 面 和

14、热 屏 外 壁 面 的 沉 积。 即 使 有 部 分Si O在 流 动 弯 道 处 沉 积,由 于 流 道 开 口 面 积 减 小, Si O重 新 落 入 熔 体 的 概 率 也 减 小。 4. 2 改 进 后 的 结 晶 速 率 结 晶 速 率V crys取 决 于 晶 体 和 熔 体 热 流 量 的 差 值 : V crys= 1 crys H( crys 9Tcrys 9n - m elt 9Tm elt 9n )(1 ) ? ? ? ? ? ? ? ? ?9?9? 9?9? 9?9? ? 9?9? ? ? 9?9? 9?9? ? ? ? ? ? ? 改进后晶体中的应力分布 改进后晶体

15、中的应力分布 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 改进后熔体中的温度分布 改进后熔体中的温度分布 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?人 工 晶 体 学 报 第?卷 ? 结 论 在?法晶体生长中?为了提高生长速率并降低能耗?对导流筒、 热屏和底部?侧壁炭毡进行了优化。利 用晶体生长专业模拟软件?对优化前后的热场进行了数值模拟。模拟结果显示?改进后与改进前相 比? ?晶体的轴向温度梯度增大?而熔体的轴向温度梯度基本不变?因此拉速可以提高?

16、?氩气离开熔体 自由表面的流速增大?因而降低了?在壁面沉积并落入熔体的概率? ?熔体自由表面温度略有升高?可 以有效避免熔体过冷。而石英坩埚壁面处大部分区域的温度降低?因此有利于降低熔体中的氧浓度 ? ? 晶 体中的热应力未超过临界值?因此结晶速率可至少提高? ?而不增加发生宏观位错的概率。 参考文献参考文献 ?高 宇?周旗钢?戴小林?等?热屏和后继加热器对生长 ? ?硅单晶热场影响的数值分析? ?人工晶体学报? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ?

17、任丙彦?刘彩池?张志成?等?大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟? ?人工晶体学报? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ?任丙彦?褚世君?吴 鑫?等? ?太阳能电池用直拉硅单晶生长中导流系统的研究? ?半导体学报? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ?

18、? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ?王学锋?高 宇?戴小林?等?液面位置对 ? ?硅单晶固液界面形状影响的数值计算? ?人工晶体学报? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

19、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2?下转第?页? 544人 工 晶 体 学 报 第39卷 European Ceram ic Society,2006, 26(13) : 2669?2676. 2Dong Y C, Liu X Q, Ma Q L, et al .Preparation of Cordierite?based

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