隔熱環(huán)的位置對(duì)直拉單晶硅氧含量的影響*

王新強(qiáng),景華玉,王小亮,劉利國,周 濤,萬軍軍,張 正

(雙良硅材料(包頭)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014060)

隨著國家能源戰(zhàn)略向清潔能源轉(zhuǎn)移,風(fēng)能、光伏等清潔能源的發(fā)展迎來了高峰期。近三年,國內(nèi)光伏行業(yè)的發(fā)展迎來了大爆發(fā),光伏行業(yè)朝著大尺寸熱場(chǎng)、大規(guī)格晶棒的方向發(fā)展。目前行業(yè)內(nèi)通用的大熱場(chǎng)尺寸為37吋,匹配的拉晶圓棒直徑為(300±2) mm。單晶爐的熱場(chǎng)尺寸越大,熔體內(nèi)的溫度和對(duì)流愈加難以控制;單晶硅圓棒的直徑越大,晶棒生長界面的結(jié)晶潛熱越難散失出去。隨之帶來的晶棒的氧含量越高,越難控制。因此,大熱場(chǎng)、大規(guī)格晶棒的控氧是現(xiàn)階段的重中之重。

在直拉法生長單晶硅過程中,降低氧含量主要有3個(gè)方向:一是調(diào)整拉晶工藝參數(shù),如晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)、爐壓、氬氣流量等;二是調(diào)整熱場(chǎng)結(jié)構(gòu),如導(dǎo)流筒形狀、加熱器的結(jié)構(gòu)、器蓋距、保溫氈結(jié)構(gòu)等;三是在單晶爐外加裝磁場(chǎng)裝置,改變筒體內(nèi)的對(duì)流強(qiáng)度。3種方案中,最經(jīng)濟(jì)的是第1種方案,其次是第2種方案,最昂貴的是加裝磁場(chǎng)裝置。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,熱場(chǎng)內(nèi)的溫度變化不易被檢測(cè)到且不能準(zhǔn)確預(yù)估其溫度變化,直接試驗(yàn)成本高。而計(jì)算機(jī)模擬能起到很好的理論分析和趨勢(shì)判斷的作用,被眾多科研人員廣泛使用?？蒲腥藛T根據(jù)模擬的結(jié)果再進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn),能達(dá)到節(jié)約試驗(yàn)成本的目的[1-3]。在熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化上,高農(nóng)農(nóng)等[4]通過調(diào)整加熱器的局部尺寸,研究熔體內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化,發(fā)現(xiàn)減小加熱器與堝邦的垂直間隙能起到降氧的作用。高忙忙等[5]通過在保溫氈內(nèi)添加鉬材料,研究熱場(chǎng)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)在保溫氈內(nèi)層添加鉬層能起到降氧的作用。Zhou Bing等[6]通過調(diào)整加熱器的結(jié)構(gòu)尺寸,增加了副加熱器的加熱源,研究雙熱源對(duì)熔體的溫度、對(duì)流、功耗影響,發(fā)現(xiàn)此方案能起到降低熔體和石英坩堝反應(yīng)速率的作用,氧含量降低了3×1017atoms/cm3。李進(jìn)等[7]研究了不同的液口距對(duì)晶棒氧含量的影響,發(fā)現(xiàn)15 mm液口距是一個(gè)臨界值。同時(shí),行業(yè)內(nèi)研究者研究了工藝參數(shù)對(duì)氧含量的影響,如晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)、氬氣流量等參數(shù)[8-10]。

1 實(shí)驗(yàn)

本文采用CGSim晶體生長軟件,對(duì)隔熱環(huán)在熱場(chǎng)中的不同位置進(jìn)行了模擬分析溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、氧含量等關(guān)鍵指標(biāo),得出最優(yōu)的隔熱環(huán)位置,降低晶棒的氧含量。本文的模擬爐型采用晶盛160爐型,采用模擬軟件建立二維軸對(duì)稱模型,軟件采用有限體積法和有限單元法進(jìn)行計(jì)算。單晶爐的網(wǎng)格劃分和爐體材料圖如圖1所示。

圖1 單晶爐的網(wǎng)格劃分和爐體材料圖

模擬的初始拉晶工藝參數(shù)如下:等徑長度為230 mm的瞬態(tài),晶轉(zhuǎn)為10 r/min,堝轉(zhuǎn)為5 r/min,爐壓為13 torr,氬氣流量為100 slpm,晶體拉速為90 mm/h。總劃分網(wǎng)格數(shù)為11 775個(gè),網(wǎng)格采用矩形和三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

本文主要研究隔熱環(huán)距離加熱器在熱場(chǎng)的不同位置對(duì)石英坩堝內(nèi)熔體的溫度場(chǎng)、熔體對(duì)流、氧雜質(zhì)含量的影響。本文將隔熱環(huán)與加熱器的垂直距離定義為器環(huán)距,器環(huán)距的值設(shè)定為30、150和270 mm,使用單一控制變量法,僅調(diào)整器環(huán)距單一變量進(jìn)行對(duì)比研究。隔熱環(huán)在熱場(chǎng)中的位置如圖2所示。

圖2 隔熱環(huán)在熱場(chǎng)中的位置

模擬過程使用的各物性參數(shù)見表1。

表1 材料的物性參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 隔熱環(huán)的位置對(duì)熔體溫度場(chǎng)的影響

研究表明,氧雜質(zhì)的主要來源是從石英坩堝與熔硅反應(yīng)析出到熔體內(nèi),經(jīng)過擴(kuò)散與分凝作用最終摻入單晶硅棒。改變?nèi)酃枧c石英坩堝的反應(yīng)速率,抑制熔體對(duì)流的強(qiáng)度,能起到降低氧雜質(zhì)濃度的作用。本文研究的隔熱環(huán)與加熱器的距離必須留有足夠的安全距離,否則在加熱器通電加熱時(shí)會(huì)由于距離過近發(fā)生拉弧放電,造成打火事故,嚴(yán)重時(shí)影響實(shí)際生產(chǎn)的拉晶產(chǎn)能或發(fā)生安全事故。因此,本文從器環(huán)距安全值(30 mm)開始研究,每間隔120 mm進(jìn)行等差遞增至270 mm進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M研究。設(shè)計(jì)隔熱環(huán)的主要目的是改變石英坩堝內(nèi)熔硅的溫度分布,改變對(duì)流的強(qiáng)度,進(jìn)而改變氧雜質(zhì)析出到熔體中的濃度。在本熱場(chǎng)中,當(dāng)隔熱環(huán)距離加熱器在270 mm時(shí),在水平高度上隔熱環(huán)已經(jīng)處在石英坩堝的底部區(qū)域。

研究不同器環(huán)距對(duì)石英坩堝內(nèi)熔硅的溫度分布云圖如圖3所示。當(dāng)有隔熱環(huán)時(shí),坩堝R弧到坩堝底部之間的區(qū)域,以及固液界面到坩堝底部區(qū)域,相比無隔熱環(huán)熔體中溫度明顯降低。隨著器環(huán)距增加,坩堝R弧到坩堝底部之間的區(qū)域,以及固液界面到坩堝底部區(qū)域,熔體中溫度隨之增加,低溫區(qū)域逐漸減小。當(dāng)存在隔熱環(huán)時(shí),三相點(diǎn)(氣體、石英坩堝、熔體交界點(diǎn))附近的溫度隨著器環(huán)距的增大而減小,這主要是因?yàn)楦魺岘h(huán)與加熱器的距離逐漸增大,隔熱能力逐漸減弱造成的。隨著器環(huán)距的增大,石英坩堝與熔體接觸面直臂區(qū)域的高溫區(qū)域逐漸增加。由此得知,隔熱環(huán)具有改變?nèi)垠w內(nèi)溫度場(chǎng)分布的能力。

圖3 熔體內(nèi)溫度分布云圖

2.2 隔熱環(huán)的位置對(duì)熔體流場(chǎng)的影響

研究不同器環(huán)距對(duì)石英坩堝內(nèi)熔體的流場(chǎng)分布云圖如圖4所示,當(dāng)無隔熱環(huán)時(shí),石英坩堝側(cè)壁的對(duì)流強(qiáng)度比有隔熱環(huán)時(shí)強(qiáng)。隨著器環(huán)距增加,熔體和石英坩堝接觸直臂位置的對(duì)流強(qiáng)度逐漸加強(qiáng), 當(dāng)器環(huán)距為30 mm時(shí),該處對(duì)流最弱;隨著器環(huán)距增加,自由液面下方的對(duì)流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng);隨著器環(huán)距增加,坩堝R弧到坩堝底部之間的區(qū)域的對(duì)流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng);隨著器環(huán)距增加,隔熱環(huán)對(duì)生長界面下方的熔體對(duì)流的強(qiáng)度和分布無明顯影響。由此可見,隔熱環(huán)對(duì)熔體與石英坩堝側(cè)壁的對(duì)流強(qiáng)度和坩堝R弧到坩堝底部之間的區(qū)域的對(duì)流有抑制作用。此結(jié)果與圖3的熔體溫度場(chǎng)改變相對(duì)應(yīng),增加隔熱環(huán)改變了熔體內(nèi)的溫度分布,進(jìn)而改變了熔體內(nèi)的對(duì)流強(qiáng)度。對(duì)流強(qiáng)度的減弱,有利于減少氧雜質(zhì)從石英坩堝中分解,降低晶棒氧含量。當(dāng)器環(huán)距為30 mm時(shí),熔體與石英坩堝側(cè)壁的對(duì)流強(qiáng)度最弱,對(duì)石英坩堝的侵蝕程度最弱,最有利于降氧。

圖4 熔體內(nèi)流場(chǎng)分布云圖

2.3 隔熱環(huán)的位置對(duì)氧濃度的影響

研究不同器環(huán)距對(duì)自由液面上方氣體中的氧化硅濃度分布如圖5所示,圖5中,200 mm的位置點(diǎn)在外導(dǎo)流筒下口正下方處,450 mm位置距離在石英坩堝側(cè)壁5 mm處,圖中氧化硅濃度選取在平行自由液面正上方1 mm位置氣體中的濃度分布。從圖5中得知,當(dāng)無隔熱環(huán)時(shí),氣體中的氧化硅濃度最高。隨著器環(huán)距的增加,氣體中的氧化硅濃度逐漸增加,但是都比無隔熱環(huán)的情況下氧化硅濃度低;當(dāng)器環(huán)距為30 mm時(shí),自由液面上方氣體中的氧化硅濃度最低,從熔體中蒸發(fā)出的氧最低。

圖5 自由液面上方氣體中氧化硅濃度分布

研究不同器環(huán)距對(duì)生長界面中心氧濃度分布如圖6所示,當(dāng)無隔熱環(huán)時(shí),生長界面中心氧濃度最高,隨著器環(huán)距增加,生長界面中心氧濃度隨之增加;當(dāng)器環(huán)距為30 mm時(shí),生長界面的氧含量最低為13.3 ppma,比無隔熱環(huán)時(shí)氧含量降低0.6 ppma;當(dāng)器環(huán)距為270 mm時(shí),生長界面氧含量與不加隔熱環(huán)時(shí)相差0.1 ppma,基本無降氧效果,因?yàn)榇藭r(shí)的隔熱環(huán)已經(jīng)處于石英坩堝的底部位置,對(duì)整個(gè)石英坩堝內(nèi)熔體的溫度起減弱作用偏弱,這與圖3和圖4所示的熔體的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。器環(huán)距270 mm時(shí)對(duì)熔體的溫度和對(duì)流的改善作用相對(duì)30 mm時(shí)偏小。由此結(jié)果可知,安裝隔熱環(huán)降低了熔體內(nèi)坩堝底部的溫度,降低了熔體與石英坩堝直臂位置的熔體對(duì)流強(qiáng)度,進(jìn)而降低了生長界面的氧濃度。

圖6 生長界面氧濃度分布

3 結(jié)語

本文采用CGSim晶體模擬軟件對(duì)160型單晶爐熱場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化,通過設(shè)計(jì)隔熱環(huán)安裝在加熱器底部位置,研究分析了不同器環(huán)距對(duì)熔體內(nèi)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、氧含量的影響,得出以下結(jié)論。

1)在加熱器下部安裝隔熱環(huán),能起到阻擋加熱器向底部熱場(chǎng)空間輻射的熱量作用,減弱隔熱環(huán)以下位置熔體內(nèi)的溫度和對(duì)流強(qiáng)度。

2)隔熱環(huán)距離加熱器越近,影響熔體內(nèi)的溫度和對(duì)流強(qiáng)度的作用越大,降氧效果越明顯。

3)隔熱環(huán)距離超過石英坩堝底部時(shí),隔熱環(huán)對(duì)熔體的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)抑制作用減弱,基本無降氧效果。