093171苏文佳单晶炉炭毡及热屏对单晶硅生长影响的优化模拟.doc

单晶炉炭毡及热屏对单晶硅 生长影响的优化模拟 摘要：在Cz法生长太阳能级单晶硅中，对热屏和侧壁炭毡进行优化，并对优化前后的热场进行数值模拟。通过分析晶体和熔体的轴向温度分布、热屏外表面与石英坩埚内壁面之间的氩气流场以及晶体中的Von Mises应力，得出以下结论：优化后的热屏有效减少了加热器对晶体的烘烤，优化后的侧壁炭毡有效阻止了加热器向上部的热损失，因而降低了加热器功耗，并使结晶速率至少提高20％，而不增加宏观位错的发生概率。此外，还降低了SiO沉积落入熔体的概率。 关键词：单晶炉；优化；数值模拟；热屏；炭毡0 前言 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。目前大多数热场设计都专注于改善铸锭质量[1-5]，然而对于太阳电池来说，最重要的是降低铸锭的成本，光伏组件50％以上的成本消耗于铸锭和晶片的生产[6]。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。 对于光伏产业广泛使用的单晶炉，有两种常用的方法来改进热场、提高拉速：（1）改变热屏的形状及尺寸；（2）改变侧壁隔热层的厚度。当然是在保证晶体质量的前提下进行。工业设备的改造和实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[7-9]。本文针对一种生长直径200mm硅棒的Cz单晶炉，利用数值模拟方法，对Si单晶生长进行优化。目的是在保证晶体质量的前提下，降低功耗、提高拉速。 1. 模型方法 采用德国STR公司开发的晶体生长专业模拟软件CGSim，该软件用于直拉法Si单晶生长所预测的生长速率、功率消耗、晶体缺陷等已经被大量实验证实[7-10]。 在生长系统的物理模型中考虑了传导、对流、辐射三种热交换过程以及相变效应。在熔体和气体区, 热交换机制为传导和对流；在石英坩锅等固态区为传导；在坩埚外壁与外部环境之间为对流和辐射。计算方法采用有限体积法（流体区）与有限元法（固体区）结合[1,11,12]，湍流模型应用改进Chien方法。在上述基础上，计算二维轴对称的单晶炉的流场和温场[13]，以及晶体中的热应力。详细的模型方法见参考文献[14]。 2. 建模及参数设置 图1 炉体结构（右）及网格划分（左） 根据实际的炉体结构，对其进行轴对称简化，得到如图1（右）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12,550个，如图1（左）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200mm，拉出的晶体总高度1500mm，多晶硅总投料120kg，石英坩埚内径532mm，外径555mm。 表1模拟中使用的主要物性参数[15] 比热容（J/kg·K）热导率（W/m·K）辐射系数硅（晶体）100098.89-9.42e-2T+2.89e-5T20.9016-2.6208e-4T硅（熔体）915660.318石墨500105*(T/300)^(-0.3)*exp(-3.5*(T-300)*1e-4)0.8炭毡0.634T+5160.1773exp[0.7*10-3(T-273)]0.9氩气520.80.01＋2.5e-5T---石英坩埚90040.85不锈钢437.5150.45 3.炉体结构的优化 在原有的单晶炉结构基础上，分别对热屏和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，降低加热器功率。对热屏的改进措施为：改进前，热屏的外表面与石英坩埚侧面平行（等截面流道）；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），同时热屏内部炭毡加厚。对侧壁炭毡的改进为：将石墨加热器上方的侧壁炭毡加厚。具体结构如图2所示。 图2热屏及侧壁炭毡改进前（左）和改进后（右）的对比图 3．1 改进后的温场和流场变化 由图3（以晶体生长高度700mm为例）可看出，热屏和侧壁炭毡改进后，具有以下特点： 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。 热屏外表面与侧壁炭毡之间的平均温度，由改进前的约1367K降低到约1315K，表明炉体上部侧壁炭毡有效阻止了加热器的热量向上部的热损失，达到了节能的目的。 图3 改进前（左图）和改进后（右图）的温场、流场、等温线