復合式導流系統在CZ-Si單晶生長中的應用

趙智強+劉要普

摘要光伏發電作為新的能源來源已經被廣泛采用，單晶硅光伏電池擁有高的轉換效率，長期以來受高端用戶的追捧。但成本問題和產能問題一直限制著單晶硅光伏產業的發展。文章闡述了限制硅單晶生產成本和產能主要因素，并通過四個連續步驟的試驗改進現在通用的硅單晶生產熱場系統，通過實習工業生產中在統計數據的對比證明了改進熱場系統在提高產能和降低成本方面的巨大優勢。

關鍵詞硅單晶；熱場系統；提高拉速；降低功率

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0065-02

能源短缺壓力的增加，促使人們對新的替代能源的研究不斷地加深。其中光伏發電技術在近幾年得到了長足的發展，高轉換效率的單晶硅太陽能電池是光伏家庭的重要成員，但過高的生產成本一直是限制單晶硅太陽能電池拓展的最大阻力。目前降低單晶硅生產成本的主要研究方向有：增大單爐投料量，降低單晶生長過程能源消耗和提高晶體的生長速度。本文介紹了影響CZ-Si單晶生長速度的各種因素，并對國產TDR-95單晶爐熱系統進行了多步驟的改進，收集了各種改進前后的實驗數據，并對不同熱系統下晶體生長的數據進行對比分析，對提高單晶生長速率的技術在工業生產中的應用進行了研究。

1實驗

本實驗的目的是研究各種熱場改進技術在工業生產中的應用。本實驗是在主流國產Si單晶生產設備TDR-95型單晶爐上進行的。采用不同的500 mm熱系統生產直徑為200 mm的P型〈100〉Si單晶。本實驗以降低能耗提高晶體生長速度為目的對熱系統進行了不同的改變，具體為：1）應用復合式薄熱屏的熱場系統[1]；2）應用復合式厚熱屏的熱場系統；3）復合式厚熱屏加導流桶的熱場系統；4）復合式厚熱屏、導流筒加隔熱板的熱場系統。熱系統改造過程見圖1。

2實驗設計的理論基礎

2.1 理論基礎

CZ-Si單晶的生長過程是Si由熔體到晶體的一個順序凝固過程，這個過程可演示為：

坩堝深層高溫熔體——降溫——界面過冷熔體——結晶潛熱釋放——晶體

從演示圖中可以看出晶體生長速度的大小取決于兩個因素：結晶潛熱散失速度和坩堝中深層高溫熔體降溫補充界面過冷熔體的速度[2]。

晶體生長速度越快釋放出的結晶潛熱就越多，加快結晶潛熱的散失是維持晶體高速生長過程中的溫度平衡保證過程持續進行的關鍵，結晶潛熱的散失受到晶體縱向溫度梯度和系統內氬氣的流向及流速的影響，高的晶體縱向溫度梯度能夠加快結晶潛熱的散失，快速流動的氬氣在增加晶體縱向溫度梯度的同時也能從固液交界面處帶走結晶潛熱。

過冷熔體能夠得到迅速補充是晶體高速生長的另一條件，深層熔體降溫成為過冷熔體的速度取決于熔體的縱向溫度梯度，小的熔體縱向溫度梯度可以使深層熔體很迅速的就降溫轉化為界面的過冷熔體，進而生長成晶體。

2.2 研究方向

我們對提高晶體生長速度的研究主要圍繞氬氣導流、增大晶體縱向溫度梯度和降低熔體縱向溫度梯度的方向展開。氬氣在直拉硅單晶生長中起重要作用，最初氬氣在單晶爐的流動是為了帶走揮發的氧化物雜質。近來針對氬氣在提高晶體生長速度方面的研究越來越深入，這是因為氬氣流動可加快晶棒散熱，增加晶棒縱向溫度梯度促進結晶潛熱的釋放，加強氬氣流動帶走熱量的能力就能增加晶體縱向溫度梯度進而提高晶體生長速度。對氬氣導流，讓氬氣按照我們需要的路線高速流動，這是我們在實驗中逐步改進熱場的主要方向[3]。晶體生長速度的提高還要求固液交界面處的過冷熔體能夠得到快速的補充，更低的熔體縱向溫度梯度也是我們在提高硅單晶生長速度的研究中的重要方向。

3結果和討論

圖2是試驗每個階段系統和工藝匹配穩定后拉速的實測數據。

在熱場中加入熱屏使大直徑無位錯硅單晶工業化生產的成功實現，試驗中我們用厚的復合熱屏代替薄的復合熱屏后，平均拉速提高了0.1 mm/min。這是因為厚熱屏能更有效地阻止加熱器的熱量對晶體的輻射，熔體的熱量對單晶棒的輻射也大幅降低，使晶體的縱向溫度梯度明顯增大。熱屏改變了熱場中局部氬氣的紊流流動，氬氣流速增加，氬氣沿著晶體表面流動，對晶體的直接冷卻加強。熱屏和固液交界面之間的空隙變小加強了氬氣對固液交界面的吹拂，減弱了固液界面處的熱輻射，還持續的帶走結晶潛熱，讓界面處的溫度更加穩定。

導流筒的引入是對熱屏改善氬氣流速和流向的進一步加強，因為氬氣在熱屏上方的空間里的流動形成渦流，降低了氬氣的流速，限制了晶體生長速度的提高。導流筒引入后，爐膛分成了內外兩個空間，氬氣受導流筒和熱屏限制緊貼晶棒表面流動，然后從熱屏下口和熔體表面的縫隙通過，氬氣的方向性更加明確流速進一步增加，從實驗數據表上可以看出增加了導流筒的熱場系統，晶體平均生長速度大幅提高了0.2 mm/min，達到了1.0 mm/min。

提高晶體生長速度的另外一個條件是熔體縱向溫度梯度盡可能小。增加隔熱板能有效的阻止加熱器熱量向爐底輻射，還能阻止坩堝熱量對爐底的輻射，加強了熱系統的保溫。實驗中增加隔熱板后晶體等徑生長階段功率為40-60 kW，與無隔熱板的50-70 kW相比平均降低了10 kW。加熱器功率的降低直接造成了熔體縱向溫度梯度的降低，對比試驗3和4的拉速變化曲線，可以看出采用隔熱板后，平均拉速增加了0.1 mm/min。

4結論

在CZ-Si晶體生長系統中采用增厚熱屏和導流筒系統可讓氬氣按照我們的需求的軌跡流動，并提高氬氣流速，減弱熱系統內各部分的相互輻射，增大晶體的縱向溫度梯度，加快結晶潛熱散失，增加隔熱板保溫系統降低了拉晶功率，降低了熔體縱向溫度梯度，兩個系統同時作用可大幅提高晶體生長速度，平均拉速從薄壁熱屏系統的0.7 mm/min提高到復合導流系統的1.1 mm/min。長晶期間平均能耗降低到50 kW以下。

參考文獻

[1]任丙彥，趙龍，等.復合式熱屏對直徑200 mmCZSi單晶生長速度和氧含量的影響[J].半導體學報，2005，26（9）：1764-1767.

[2]任丙彥，羊建坤，等.直徑200 mm太陽能用直拉硅單晶生長速率研究[J].半導體技術，2005，32（2）：106-120.

[3]黃有志，王麗.直拉單晶硅工業技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

endprint

摘要光伏發電作為新的能源來源已經被廣泛采用，單晶硅光伏電池擁有高的轉換效率，長期以來受高端用戶的追捧。但成本問題和產能問題一直限制著單晶硅光伏產業的發展。文章闡述了限制硅單晶生產成本和產能主要因素，并通過四個連續步驟的試驗改進現在通用的硅單晶生產熱場系統，通過實習工業生產中在統計數據的對比證明了改進熱場系統在提高產能和降低成本方面的巨大優勢。

關鍵詞硅單晶；熱場系統；提高拉速；降低功率

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0065-02

能源短缺壓力的增加，促使人們對新的替代能源的研究不斷地加深。其中光伏發電技術在近幾年得到了長足的發展，高轉換效率的單晶硅太陽能電池是光伏家庭的重要成員，但過高的生產成本一直是限制單晶硅太陽能電池拓展的最大阻力。目前降低單晶硅生產成本的主要研究方向有：增大單爐投料量，降低單晶生長過程能源消耗和提高晶體的生長速度。本文介紹了影響CZ-Si單晶生長速度的各種因素，并對國產TDR-95單晶爐熱系統進行了多步驟的改進，收集了各種改進前后的實驗數據，并對不同熱系統下晶體生長的數據進行對比分析，對提高單晶生長速率的技術在工業生產中的應用進行了研究。

1實驗

本實驗的目的是研究各種熱場改進技術在工業生產中的應用。本實驗是在主流國產Si單晶生產設備TDR-95型單晶爐上進行的。采用不同的500 mm熱系統生產直徑為200 mm的P型〈100〉Si單晶。本實驗以降低能耗提高晶體生長速度為目的對熱系統進行了不同的改變，具體為：1）應用復合式薄熱屏的熱場系統[1]；2）應用復合式厚熱屏的熱場系統；3）復合式厚熱屏加導流桶的熱場系統；4）復合式厚熱屏、導流筒加隔熱板的熱場系統。熱系統改造過程見圖1。

2實驗設計的理論基礎

2.1 理論基礎

CZ-Si單晶的生長過程是Si由熔體到晶體的一個順序凝固過程，這個過程可演示為：

坩堝深層高溫熔體——降溫——界面過冷熔體——結晶潛熱釋放——晶體

從演示圖中可以看出晶體生長速度的大小取決于兩個因素：結晶潛熱散失速度和坩堝中深層高溫熔體降溫補充界面過冷熔體的速度[2]。

晶體生長速度越快釋放出的結晶潛熱就越多，加快結晶潛熱的散失是維持晶體高速生長過程中的溫度平衡保證過程持續進行的關鍵，結晶潛熱的散失受到晶體縱向溫度梯度和系統內氬氣的流向及流速的影響，高的晶體縱向溫度梯度能夠加快結晶潛熱的散失，快速流動的氬氣在增加晶體縱向溫度梯度的同時也能從固液交界面處帶走結晶潛熱。

過冷熔體能夠得到迅速補充是晶體高速生長的另一條件，深層熔體降溫成為過冷熔體的速度取決于熔體的縱向溫度梯度，小的熔體縱向溫度梯度可以使深層熔體很迅速的就降溫轉化為界面的過冷熔體，進而生長成晶體。

2.2 研究方向

我們對提高晶體生長速度的研究主要圍繞氬氣導流、增大晶體縱向溫度梯度和降低熔體縱向溫度梯度的方向展開。氬氣在直拉硅單晶生長中起重要作用，最初氬氣在單晶爐的流動是為了帶走揮發的氧化物雜質。近來針對氬氣在提高晶體生長速度方面的研究越來越深入，這是因為氬氣流動可加快晶棒散熱，增加晶棒縱向溫度梯度促進結晶潛熱的釋放，加強氬氣流動帶走熱量的能力就能增加晶體縱向溫度梯度進而提高晶體生長速度。對氬氣導流，讓氬氣按照我們需要的路線高速流動，這是我們在實驗中逐步改進熱場的主要方向[3]。晶體生長速度的提高還要求固液交界面處的過冷熔體能夠得到快速的補充，更低的熔體縱向溫度梯度也是我們在提高硅單晶生長速度的研究中的重要方向。

3結果和討論

圖2是試驗每個階段系統和工藝匹配穩定后拉速的實測數據。

在熱場中加入熱屏使大直徑無位錯硅單晶工業化生產的成功實現，試驗中我們用厚的復合熱屏代替薄的復合熱屏后，平均拉速提高了0.1 mm/min。這是因為厚熱屏能更有效地阻止加熱器的熱量對晶體的輻射，熔體的熱量對單晶棒的輻射也大幅降低，使晶體的縱向溫度梯度明顯增大。熱屏改變了熱場中局部氬氣的紊流流動，氬氣流速增加，氬氣沿著晶體表面流動，對晶體的直接冷卻加強。熱屏和固液交界面之間的空隙變小加強了氬氣對固液交界面的吹拂，減弱了固液界面處的熱輻射，還持續的帶走結晶潛熱，讓界面處的溫度更加穩定。

導流筒的引入是對熱屏改善氬氣流速和流向的進一步加強，因為氬氣在熱屏上方的空間里的流動形成渦流，降低了氬氣的流速，限制了晶體生長速度的提高。導流筒引入后，爐膛分成了內外兩個空間，氬氣受導流筒和熱屏限制緊貼晶棒表面流動，然后從熱屏下口和熔體表面的縫隙通過，氬氣的方向性更加明確流速進一步增加，從實驗數據表上可以看出增加了導流筒的熱場系統，晶體平均生長速度大幅提高了0.2 mm/min，達到了1.0 mm/min。

提高晶體生長速度的另外一個條件是熔體縱向溫度梯度盡可能小。增加隔熱板能有效的阻止加熱器熱量向爐底輻射，還能阻止坩堝熱量對爐底的輻射，加強了熱系統的保溫。實驗中增加隔熱板后晶體等徑生長階段功率為40-60 kW，與無隔熱板的50-70 kW相比平均降低了10 kW。加熱器功率的降低直接造成了熔體縱向溫度梯度的降低，對比試驗3和4的拉速變化曲線，可以看出采用隔熱板后，平均拉速增加了0.1 mm/min。

4結論

在CZ-Si晶體生長系統中采用增厚熱屏和導流筒系統可讓氬氣按照我們的需求的軌跡流動，并提高氬氣流速，減弱熱系統內各部分的相互輻射，增大晶體的縱向溫度梯度，加快結晶潛熱散失，增加隔熱板保溫系統降低了拉晶功率，降低了熔體縱向溫度梯度，兩個系統同時作用可大幅提高晶體生長速度，平均拉速從薄壁熱屏系統的0.7 mm/min提高到復合導流系統的1.1 mm/min。長晶期間平均能耗降低到50 kW以下。

參考文獻

[1]任丙彥，趙龍，等.復合式熱屏對直徑200 mmCZSi單晶生長速度和氧含量的影響[J].半導體學報，2005，26（9）：1764-1767.

[2]任丙彥，羊建坤，等.直徑200 mm太陽能用直拉硅單晶生長速率研究[J].半導體技術，2005，32（2）：106-120.

[3]黃有志，王麗.直拉單晶硅工業技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

endprint

摘要光伏發電作為新的能源來源已經被廣泛采用，單晶硅光伏電池擁有高的轉換效率，長期以來受高端用戶的追捧。但成本問題和產能問題一直限制著單晶硅光伏產業的發展。文章闡述了限制硅單晶生產成本和產能主要因素，并通過四個連續步驟的試驗改進現在通用的硅單晶生產熱場系統，通過實習工業生產中在統計數據的對比證明了改進熱場系統在提高產能和降低成本方面的巨大優勢。

關鍵詞硅單晶；熱場系統；提高拉速；降低功率

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0065-02

能源短缺壓力的增加，促使人們對新的替代能源的研究不斷地加深。其中光伏發電技術在近幾年得到了長足的發展，高轉換效率的單晶硅太陽能電池是光伏家庭的重要成員，但過高的生產成本一直是限制單晶硅太陽能電池拓展的最大阻力。目前降低單晶硅生產成本的主要研究方向有：增大單爐投料量，降低單晶生長過程能源消耗和提高晶體的生長速度。本文介紹了影響CZ-Si單晶生長速度的各種因素，并對國產TDR-95單晶爐熱系統進行了多步驟的改進，收集了各種改進前后的實驗數據，并對不同熱系統下晶體生長的數據進行對比分析，對提高單晶生長速率的技術在工業生產中的應用進行了研究。

1實驗

本實驗的目的是研究各種熱場改進技術在工業生產中的應用。本實驗是在主流國產Si單晶生產設備TDR-95型單晶爐上進行的。采用不同的500 mm熱系統生產直徑為200 mm的P型〈100〉Si單晶。本實驗以降低能耗提高晶體生長速度為目的對熱系統進行了不同的改變，具體為：1）應用復合式薄熱屏的熱場系統[1]；2）應用復合式厚熱屏的熱場系統；3）復合式厚熱屏加導流桶的熱場系統；4）復合式厚熱屏、導流筒加隔熱板的熱場系統。熱系統改造過程見圖1。

2實驗設計的理論基礎

2.1 理論基礎

CZ-Si單晶的生長過程是Si由熔體到晶體的一個順序凝固過程，這個過程可演示為：

坩堝深層高溫熔體——降溫——界面過冷熔體——結晶潛熱釋放——晶體

從演示圖中可以看出晶體生長速度的大小取決于兩個因素：結晶潛熱散失速度和坩堝中深層高溫熔體降溫補充界面過冷熔體的速度[2]。

晶體生長速度越快釋放出的結晶潛熱就越多，加快結晶潛熱的散失是維持晶體高速生長過程中的溫度平衡保證過程持續進行的關鍵，結晶潛熱的散失受到晶體縱向溫度梯度和系統內氬氣的流向及流速的影響，高的晶體縱向溫度梯度能夠加快結晶潛熱的散失，快速流動的氬氣在增加晶體縱向溫度梯度的同時也能從固液交界面處帶走結晶潛熱。

過冷熔體能夠得到迅速補充是晶體高速生長的另一條件，深層熔體降溫成為過冷熔體的速度取決于熔體的縱向溫度梯度，小的熔體縱向溫度梯度可以使深層熔體很迅速的就降溫轉化為界面的過冷熔體，進而生長成晶體。

2.2 研究方向

我們對提高晶體生長速度的研究主要圍繞氬氣導流、增大晶體縱向溫度梯度和降低熔體縱向溫度梯度的方向展開。氬氣在直拉硅單晶生長中起重要作用，最初氬氣在單晶爐的流動是為了帶走揮發的氧化物雜質。近來針對氬氣在提高晶體生長速度方面的研究越來越深入，這是因為氬氣流動可加快晶棒散熱，增加晶棒縱向溫度梯度促進結晶潛熱的釋放，加強氬氣流動帶走熱量的能力就能增加晶體縱向溫度梯度進而提高晶體生長速度。對氬氣導流，讓氬氣按照我們需要的路線高速流動，這是我們在實驗中逐步改進熱場的主要方向[3]。晶體生長速度的提高還要求固液交界面處的過冷熔體能夠得到快速的補充，更低的熔體縱向溫度梯度也是我們在提高硅單晶生長速度的研究中的重要方向。

3結果和討論

圖2是試驗每個階段系統和工藝匹配穩定后拉速的實測數據。

在熱場中加入熱屏使大直徑無位錯硅單晶工業化生產的成功實現，試驗中我們用厚的復合熱屏代替薄的復合熱屏后，平均拉速提高了0.1 mm/min。這是因為厚熱屏能更有效地阻止加熱器的熱量對晶體的輻射，熔體的熱量對單晶棒的輻射也大幅降低，使晶體的縱向溫度梯度明顯增大。熱屏改變了熱場中局部氬氣的紊流流動，氬氣流速增加，氬氣沿著晶體表面流動，對晶體的直接冷卻加強。熱屏和固液交界面之間的空隙變小加強了氬氣對固液交界面的吹拂，減弱了固液界面處的熱輻射，還持續的帶走結晶潛熱，讓界面處的溫度更加穩定。

導流筒的引入是對熱屏改善氬氣流速和流向的進一步加強，因為氬氣在熱屏上方的空間里的流動形成渦流，降低了氬氣的流速，限制了晶體生長速度的提高。導流筒引入后，爐膛分成了內外兩個空間，氬氣受導流筒和熱屏限制緊貼晶棒表面流動，然后從熱屏下口和熔體表面的縫隙通過，氬氣的方向性更加明確流速進一步增加，從實驗數據表上可以看出增加了導流筒的熱場系統，晶體平均生長速度大幅提高了0.2 mm/min，達到了1.0 mm/min。

提高晶體生長速度的另外一個條件是熔體縱向溫度梯度盡可能小。增加隔熱板能有效的阻止加熱器熱量向爐底輻射，還能阻止坩堝熱量對爐底的輻射，加強了熱系統的保溫。實驗中增加隔熱板后晶體等徑生長階段功率為40-60 kW，與無隔熱板的50-70 kW相比平均降低了10 kW。加熱器功率的降低直接造成了熔體縱向溫度梯度的降低，對比試驗3和4的拉速變化曲線，可以看出采用隔熱板后，平均拉速增加了0.1 mm/min。

4結論

在CZ-Si晶體生長系統中采用增厚熱屏和導流筒系統可讓氬氣按照我們的需求的軌跡流動，并提高氬氣流速，減弱熱系統內各部分的相互輻射，增大晶體的縱向溫度梯度，加快結晶潛熱散失，增加隔熱板保溫系統降低了拉晶功率，降低了熔體縱向溫度梯度，兩個系統同時作用可大幅提高晶體生長速度，平均拉速從薄壁熱屏系統的0.7 mm/min提高到復合導流系統的1.1 mm/min。長晶期間平均能耗降低到50 kW以下。

參考文獻

[1]任丙彥，趙龍，等.復合式熱屏對直徑200 mmCZSi單晶生長速度和氧含量的影響[J].半導體學報，2005，26（9）：1764-1767.

[2]任丙彥，羊建坤，等.直徑200 mm太陽能用直拉硅單晶生長速率研究[J].半導體技術，2005，32（2）：106-120.

[3]黃有志，王麗.直拉單晶硅工業技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

endprint