隔熱環的位置對直拉單晶硅氧含量的影響*

王新強,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,內蒙古 包頭 014060)

隨著國家能源戰略向清潔能源轉移,風能、光伏等清潔能源的發展迎來了高峰期。近三年,國內光伏行業的發展迎來了大爆發,光伏行業朝著大尺寸熱場、大規格晶棒的方向發展。目前行業內通用的大熱場尺寸為37吋,匹配的拉晶圓棒直徑為(300±2) mm。單晶爐的熱場尺寸越大,熔體內的溫度和對流愈加難以控制;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、大規格晶棒的控氧是現階段的重中之重。

在直拉法生長單晶硅過程中,降低氧含量主要有3個方向:一是調整拉晶工藝參數,如晶轉、堝轉、爐壓、氬氣流量等;二是調整熱場結構,如導流筒形狀、加熱器的結構、器蓋距、保溫氈結構等;三是在單晶爐外加裝磁場裝置,改變筒體內的對流強度。3種方案中,最經濟的是第1種方案,其次是第2種方案,最昂貴的是加裝磁場裝置。

在實際生產過程中,熱場內的溫度變化不易被檢測到且不能準確預估其溫度變化,直接試驗成本高。而計算機模擬能起到很好的理論分析和趨勢判斷的作用,被眾多科研人員廣泛使用。科研人員根據模擬的結果再進行實際應用試驗,能達到節約試驗成本的目的[1-3]。在熱場結構優化上,高農農等[4]通過調整加熱器的局部尺寸,研究熔體內流場和溫度場變化,發現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]通過在保溫氈內添加鉬材料,研究熱場的溫度場和流場,發現在保溫氈內層添加鉬層能起到降氧的作用。Zhou Bing等[6]通過調整加熱器的結構尺寸,增加了副加熱器的加熱源,研究雙熱源對熔體的溫度、對流、功耗影響,發現此方案能起到降低熔體和石英坩堝反應速率的作用,氧含量降低了3×1017atoms/cm3。李進等[7]研究了不同的液口距對晶棒氧含量的影響,發現15 mm液口距是一個臨界值。同時,行業內研究者研究了工藝參數對氧含量的影響,如晶轉、堝轉、氬氣流量等參數[8-10]。

1 實驗

本文采用CGSim晶體生長軟件,對隔熱環在熱場中的不同位置進行了模擬分析溫度場、流場、氧含量等關鍵指標,得出最優的隔熱環位置,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稱模型,軟件采用有限體積法和有限單元法進行計算。單晶爐的網格劃分和爐體材料圖如圖1所示。

圖1 單晶爐的網格劃分和爐體材料圖

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

本文主要研究隔熱環距離加熱器在熱場的不同位置對石英坩堝內熔體的溫度場、熔體對流、氧雜質含量的影響。本文將隔熱環與加熱器的垂直距離定義為器環距,器環距的值設定為30、150和270 mm,使用單一控制變量法,僅調整器環距單一變量進行對比研究。隔熱環在熱場中的位置如圖2所示。

圖2 隔熱環在熱場中的位置

模擬過程使用的各物性參數見表1。

表1 材料的物性參數

2 結果與討論

2.1 隔熱環的位置對熔體溫度場的影響

研究表明,氧雜質的主要來源是從石英坩堝與熔硅反應析出到熔體內,經過擴散與分凝作用最終摻入單晶硅棒。改變熔硅與石英坩堝的反應速率,抑制熔體對流的強度,能起到降低氧雜質濃度的作用。本文研究的隔熱環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會由于距離過近發生拉弧放電,造成打火事故,嚴重時影響實際生產的拉晶產能或發生安全事故。因此,本文從器環距安全值(30 mm)開始研究,每間隔120 mm進行等差遞增至270 mm進行試驗模擬研究。設計隔熱環的主要目的是改變石英坩堝內熔硅的溫度分布,改變對流的強度,進而改變氧雜質析出到熔體中的濃度。在本熱場中,當隔熱環距離加熱器在270 mm時,在水平高度上隔熱環已經處在石英坩堝的底部區域。

研究不同器環距對石英坩堝內熔硅的溫度分布云圖如圖3所示。當有隔熱環時,坩堝R弧到坩堝底部之間的區域,以及固液界面到坩堝底部區域,相比無隔熱環熔體中溫度明顯降低。隨著器環距增加,坩堝R弧到坩堝底部之間的區域,以及固液界面到坩堝底部區域,熔體中溫度隨之增加,低溫區域逐漸減小。當存在隔熱環時,三相點(氣體、石英坩堝、熔體交界點)附近的溫度隨著器環距的增大而減小,這主要是因為隔熱環與加熱器的距離逐漸增大,隔熱能力逐漸減弱造成的。隨著器環距的增大,石英坩堝與熔體接觸面直臂區域的高溫區域逐漸增加。由此得知,隔熱環具有改變熔體內溫度場分布的能力。

圖3 熔體內溫度分布云圖

2.2 隔熱環的位置對熔體流場的影響

研究不同器環距對石英坩堝內熔體的流場分布云圖如圖4所示,當無隔熱環時,石英坩堝側壁的對流強度比有隔熱環時強。隨著器環距增加,熔體和石英坩堝接觸直臂位置的對流強度逐漸加強, 當器環距為30 mm時,該處對流最弱;隨著器環距增加,自由液面下方的對流強度逐漸增強;隨著器環距增加,坩堝R弧到坩堝底部之間的區域的對流強度逐漸增強;隨著器環距增加,隔熱環對生長界面下方的熔體對流的強度和分布無明顯影響。由此可見,隔熱環對熔體與石英坩堝側壁的對流強度和坩堝R弧到坩堝底部之間的區域的對流有抑制作用。此結果與圖3的熔體溫度場改變相對應,增加隔熱環改變了熔體內的溫度分布,進而改變了熔體內的對流強度。對流強度的減弱,有利于減少氧雜質從石英坩堝中分解,降低晶棒氧含量。當器環距為30 mm時,熔體與石英坩堝側壁的對流強度最弱,對石英坩堝的侵蝕程度最弱,最有利于降氧。

圖4 熔體內流場分布云圖

2.3 隔熱環的位置對氧濃度的影響

研究不同器環距對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的位置點在外導流筒下口正下方處,450 mm位置距離在石英坩堝側壁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,當無隔熱環時,氣體中的氧化硅濃度最高。隨著器環距的增加,氣體中的氧化硅濃度逐漸增加,但是都比無隔熱環的情況下氧化硅濃度低;當器環距為30 mm時,自由液面上方氣體中的氧化硅濃度最低,從熔體中蒸發出的氧最低。

圖5 自由液面上方氣體中氧化硅濃度分布

研究不同器環距對生長界面中心氧濃度分布如圖6所示,當無隔熱環時,生長界面中心氧濃度最高,隨著器環距增加,生長界面中心氧濃度隨之增加;當器環距為30 mm時,生長界面的氧含量最低為13.3 ppma,比無隔熱環時氧含量降低0.6 ppma;當器環距為270 mm時,生長界面氧含量與不加隔熱環時相差0.1 ppma,基本無降氧效果,因為此時的隔熱環已經處于石英坩堝的底部位置,對整個石英坩堝內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和流場相對應。器環距270 mm時對熔體的溫度和對流的改善作用相對30 mm時偏小。由此結果可知,安裝隔熱環降低了熔體內坩堝底部的溫度,降低了熔體與石英坩堝直臂位置的熔體對流強度,進而降低了生長界面的氧濃度。

圖6 生長界面氧濃度分布

3 結語

本文采用CGSim晶體模擬軟件對160型單晶爐熱場進行了優化,通過設計隔熱環安裝在加熱器底部位置,研究分析了不同器環距對熔體內的溫度場、流場、氧含量的影響,得出以下結論。

1)在加熱器下部安裝隔熱環,能起到阻擋加熱器向底部熱場空間輻射的熱量作用,減弱隔熱環以下位置熔體內的溫度和對流強度。

2)隔熱環距離加熱器越近,影響熔體內的溫度和對流強度的作用越大,降氧效果越明顯。

3)隔熱環距離超過石英坩堝底部時,隔熱環對熔體的溫度場、流場抑制作用減弱,基本無降氧效果。