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).pdf
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1、 第39卷 第2期 人 工 晶 体 学 报 Vol . 39 No. 2 2010年4月 JOURNAL OFSYNTHETI C CRYSTALS April, 2010 单晶炉导流筒、 热屏及炭毡对单晶硅 生长影响的优化模拟 苏文佳 1 ,左 然 1 ,Vladimir Kalaev 2 (1. 江苏大学能源与动力工程学院,镇江212013; 2. STR Group, St .Petersburg, Russia) 摘要:在CZ法生长太阳能级单晶硅中,单晶炉的导流筒、 热屏和炭毡对晶体生长有很大影响。通过对上述三个部 件进行改进优化,并通过数值模拟对优化前后晶体和熔体的热场、 热屏外表面
2、与石英坩埚内壁面之间的氩气流场 以及晶体中的热应力进行分析,得出以下结论:石墨导流筒的引入减少了炉体上部的氩气流动涡胞,进而减少了 SiO在单晶炉上部的沉积;优化后的热屏减少了加热器对晶体的烘烤,使结晶速率加快;优化后的侧壁炭毡阻止了 加热器向上部的热损失。优化后在加热器功耗不变时,结晶速率至少可提高35% ,而不增加宏观位错的发生概率。 关键词:单晶硅;数值模拟;热屏;炭毡 中图分类号:O78 文献标识码:A 文章编号: 10002985X(2010) 0220524205 Optim ization of Crystal Growth by Changes of Flow Guide ,
3、Radiation Shield and Insulation in CZ Si Furnace SU W en2jia 1 , ZUO Ran 1 , V ladim ir Kalaev 2 ( 1. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Jiangsu 212013, China; 2. STR Group, St .Petersburg, Russia) (Received7July2009, accepted15September2009 ) Abstract: In solar2grade single
4、 crystal growth with CZ method, the geometries of flow guide, radiation shield and side wall insulation are main parameters affecting the heat fields and crystal growth.By changing the above parameters, an opti mization of the heat fieldswas attempted. Numerical simulationsof the ther mal fields bef
5、ore and after optimization were conducted.Through analysis of the temperature distribution in the crystal and melt, the argon gas flow bet ween radiation shield and quartz crucible, and the ther mal stress in the crystal,it was found that the optimized flow guide can decrease the SiO deposition on t
6、he upper wall;the opti mized radiation shield can reduce the baking of crystal by the heater;andthe optimizedsideinsulation can prevent the heat loss upward.In general,after optimization, under the same heater power, the crystallization rate increases over 35% , without increase ofmacro2dislocation
7、probability . Key words: Si single crystal; numerical si mulation; radiation shield; carbon felt 收稿日期: 2009207207;修订日期: 2009209215 基金项目:江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(No. 1291130015) 作者简介:苏文佳(19822 ) , 男,吉林省人,博士研究生。E2mail:wjs1111126. com 通讯作者:左 然,教授,博士生导师。E2mail: rzuoujs . edu. cn 第2期苏文佳等:单晶炉导流筒、 热屏及炭毡对单晶硅生长影
8、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,以保证生长出质 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
9、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 126 。 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。台湾国立 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Soft2I mpact公司的Smirnova等 5采用
10、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DRF285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 . 1 Structure of furn
11、ace (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 7214 。 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Chien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
12、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1200 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/
13、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。 526 人 工 晶 体 学 报 第39卷 (1)对导流筒的改进:在热屏上方增加一高度为230 mm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 Table 1 Physical
14、parameters of the materials used in si mulation 16 Heat capacity/Jkg2 1 K2 1 Heat conductivity/Wm21K21Emissivity Si(crystal) 100098. 89 - 9. 421022T+2. 891025T20. 9016 - 2. 62081024T Si(melt) 915660. 318 Graphite2p500105(T/300) 20. 3 exp - 3. 5(T- 300)10240. 8 Graphite felt0. 634T+5160. 1773exp0. 71
15、023(T- 273) 0. 9 Ar520. 80. 01 +2. 51025T- Quartz crucible90040. 85 Non2corrosive steel437. 5150. 45 4. 1 改进后的温场和流场变化 以晶体生长高度600 mm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
16、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,由改进前的约1513 K降低到约1391 K,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SiO更快带走,减少了 SiO在石英坩埚内壁面和热屏外壁面的沉积。即使有部分SiO在流动弯道处沉积,由于流道开口面积减小, SiO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Vcrys取决于晶体
17、和熔体热流量的差值: Vcrys= 1 crys H(crys 9Tcrys 9n -melt 9Tmelt 9n )(1) 第2期苏文佳等:单晶炉导流筒、 热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟527 其中 crys为晶体密度,H为潜热,crys 、 melt分别为晶体和熔体的导热系数,Tcrys、Tmelt分别为晶体和熔体 的温度,9Tcrys/9n、 9Tmelt/9n分别为结晶前沿晶体和熔体的温度梯度。为增大结晶速率,应增大 9Tcrys/9n,降 低 9Tmelt/9n。 图4和图5分别为改进前后晶体和熔体沿轴线的温度分布。由图4可知,改进后液固界面处晶体的温 度梯度 9Tcrys/9
18、n较改进前增大;由图5可知,改进后液固界面处熔体的温度梯度 9Tmelt/9n基本不变。根据 方程 (1) , 改进后结晶速率增大,即拉速可以相应提高。 4. 3 改进后晶体中的应力分布 图6 晶体600 mm高时改进前后的热应力分布图 Fig . 6 Thermal stress distributions in the crystal of 600 mm height computed before and after optimization 在高生长速率时晶体的温度梯度增大,造 成热应力增大,这将导致位错形成的概率增大。 因此,改进后的晶体的热应力应该不大于改进 前,或小于临界热应力(
19、VonMises stress)。 图6为晶体在600 mm高度时改进前后的 热应力分布图。改进后的晶体应力比改进前略 高,但不大于临界热应力 (2. 5 10 7 Pa) 15 。因 此,可以进一步提高拉速,而不会引起大的应力 增加。在改进后的系统中将拉速提高35% ,得 到的应力分布如图6 (c)所示。晶体温度梯度 增加,导致更高的热应力,但未超过临界值。通 过上述改进,生长速率至少可提高35%。 4. 4 改进后熔体中的温度分布 在单晶炉优化过程中,熔体自由表面的温度分布和熔体与石英坩埚界面的温度分布对晶体质量有较大 影响。其原因为: (1)如果熔体自由表面温度降低幅度过大,会引起熔体过
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