单晶炉炭毡及热屏对单晶硅

cy8788622

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。

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：

1) 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。

2) 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、等温线和液固界面对比

3) 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，根据模拟结果显示，氩气平均流速由改进前约5m/s增大到改进后约6.5m/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。改进后，流道变窄，降低了SiO沉积表面面积。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。

3．2 改进后的结晶速率

结晶速率Vcrys取决于晶体和熔体热流量的差值：

（1）

其中n为结晶前沿的垂直分量，
为晶体密度，
为潜热，
、
分别为晶体和熔体的导热系数，
、
分别为晶体和熔体的温度。为增大结晶速率，应提高晶体的温度梯度
，降低熔体的温度梯度
。

熔体的温度梯度可通过降低加热器功率来降低，但必须控制熔体温度保持在熔点以上，其中液固界面处为熔点温度。

图4 改进前后沿晶体轴线上的温度分布          图5 改进前后沿熔体轴线上的温度分布

图4和图5分别为改进前、后晶体和熔体沿轴线上的温度分布。由图4，改进后液固界面处晶体的温度梯度

较改进前增大（温度略降低）。由图5，改进后液固界面处熔体的温度梯度

基本不变（温度略降低）。根据方程（1），改进后结晶速率增大，即拉速可以相应提高。

3.3 改进后的晶体中应力分布

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，改进后的系统应该保证不大于改进前的热应力，或小于临界热应力（Von Mises stress）。

图6（a）和（b）分别显示了晶体位置在700mm高度时改进前和改进后的热应力分布。改进后的晶体应力比改进前略低。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20％，得到的应力分布如图6（c）所示。晶体中的温度梯度增加，导致更高的热应力，但应力值未超过临界值（2.5×107Pa）。因此，应用改进的热屏形状和增厚的侧壁炭毡，能将结晶速率至少提高20％。

3.4 改进后熔体中的温度分布

在单晶炉优化过程中，设计人员普遍关注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。主要原因是：

1) 如果熔体自由表面温度降低幅度较大，会引起熔体过冷，导致胞状晶或树枝晶等多晶生长。

2) 单晶硅中的氧杂质可大大降低太阳电池的效率，因此控制单晶硅中氧杂质的含量至关重要。氧杂质一方面来自熔体硅与石英坩埚反应产生的SiO，另一方面来自多晶硅原料，而前者是氧杂质的主要来源。因此在保证熔体内各点温度高于熔点的同时，应尽量避免石英坩埚与熔体的界面温度过热。

图7 改进前、后熔体自由表面温度分布       图8 改进前、后熔体与坩埚界面处温度分布

    图7和图8分别为改进前、后熔体自由表面温度分布和熔体与石英坩埚界面处温度分布。可以看出，熔体的平均自由表面温度，改进后比改进前高约2℃，可以有效避免熔体过冷。而熔体与石英坩埚界面处的温度，改进前后无明显差别，因此改进后熔体中的氧浓度无明显变化。

4. 结论

在Cz法晶体生长中，为了提高生长速率并降低加热器功耗，对热屏和侧壁炭毡进行了优化。利用晶体生长专业模拟软件CGSim，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：（1）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；（2）氩气离开熔体自由表面的流速增大，因而降低了SiO在壁面沉积并落入熔体的概率；（3）熔体自由表面温度略有升高，可以有效避免熔体过冷。而石英坩埚壁面处的熔体温度无明显变化，因此熔体硅中的氧浓度基本不变；（4）晶体中的热应力降低，因此结晶速率可至少提高20％，而不增加发生宏观位错的概率。