单晶炉导流筒、热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟

第2期苏文佳等：单晶炉导流筒、热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟5251引言直拉法即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。对于太阳电池来说，最重要的是降低单晶棒的成本，光伏组件50%以上的成本消耗于单晶棒和晶片的生产。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。工业设备的改造和试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，包括熔体湍流、气体对流磁场、晶转埚转缺陷形成等。对于直拉法单晶炉，国内外学者在热场优化数值模拟方面进行了大量研究，北京有研的高宇、周旗钢等川分析了热屏和后继加热器对直拉硅单晶生长过程中固液界面形状的影响，河北工业大学任丙彦等设计了以矮加热器为核心的复合式加热器系统，并引入导流简1，降低了硅中的氧含量，也有利于提高拉速。台湾国立大学的La等设计了镀有不同涂层的钼和石墨热屏、增加了额外的侧面和底面保温层，大大降低了功率和氩气的消耗。俄罗斯Soft-mpact公司的Sm imova等I采用了一种新的炉体结构，生长速率增咖了15%~30%。在对单晶炉热场进行改进时，通常采用三种方法：(1)改变热屏的形状及尺寸；(2)改变侧壁和底部隔热层的厚度，(3)在热屏上方增加导流简。本文针对由江苏华盛天龙公司生产并广泛使用的DRF-85单晶炉利用数值模拟方法，尝试对单晶硅的热场和生长进行改进。目的是在保证晶体质量的前提下，降低功耗，提高拉速，实现节能并提高产率的目的。2模型采用德国STR公司开发的晶体生长专业模拟软件CGS,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I41。Non-corresiveSteelCrystal Si在单晶炉的物理模型中，考虑了各部件之间的整Gas airGraphite体热交换，包括固体内部的导热、熔体和气体中的对流、各表面之间的辐谢以及液固相变效应。模型也考Quartz虑了液固界面的几何形状变化、改进的Chien湍流模Melt SiGraphite melt型以及晶体中的热应力。计算方法采用有限体积法图1炉体结构佐)及网格划分佑)流体区域)与有限元法個体区域)结合。在上述基Fig 1 Structure of fumace (left)and础上，计算二维轴对称的单晶炉的流场和温场，以及the computation grid (right)晶体中的热应力。详细的建模方法参见文献[15]。3建模及参数设置根据实际的炉体结构，对其进行轴对称简化，得到如图1（左）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为非轴对称，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14,500个，如图1（右）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150mm,晶体总高度1200mm,总投料60kg,晶转10r/min,坩埚转速6r/min,氩气流量3000L/h,炉内气压1300Pa,石英坩埚内径437mm,外径457mm。4炉体结构的优化如图2所示，在原有单晶炉结构的基础上，分别对导流简、热屏和底部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，达到节能的目的。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net