隔热环的位置对直拉单晶硅氧含量的影响*

王新强,景华玉,王小亮,刘利国,周 涛,万军军,张 正

(双良硅材料(包头)有限公司,内蒙古 包头 014060)

随着国家能源战略向清洁能源转移,风能、光伏等清洁能源的发展迎来了高峰期。近三年,国内光伏行业的发展迎来了大爆发,光伏行业朝着大尺寸热场、大规格晶棒的方向发展。目前行业内通用的大热场尺寸为37吋,匹配的拉晶圆棒直径为(300±2) mm。单晶炉的热场尺寸越大,熔体内的温度和对流愈加难以控制;单晶硅圆棒的直径越大,晶棒生长界面的结晶潜热越难散失出去。随之带来的晶棒的氧含量越高,越难控制。因此,大热场、大规格晶棒的控氧是现阶段的重中之重。

在直拉法生长单晶硅过程中,降低氧含量主要有3个方向:一是调整拉晶工艺参数,如晶转、埚转、炉压、氩气流量等;二是调整热场结构,如导流筒形状、加热器的结构、器盖距、保温毡结构等;三是在单晶炉外加装磁场装置,改变筒体内的对流强度。3种方案中,最经济的是第1种方案,其次是第2种方案,最昂贵的是加装磁场装置。

在实际生产过程中,热场内的温度变化不易被检测到且不能准确预估其温度变化,直接试验成本高。而计算机模拟能起到很好的理论分析和趋势判断的作用,被众多科研人员广泛使用。科研人员根据模拟的结果再进行实际应用试验,能达到节约试验成本的目的[1-3]。在热场结构优化上,高农农等[4]通过调整加热器的局部尺寸,研究熔体内流场和温度场变化,发现减小加热器与埚邦的垂直间隙能起到降氧的作用。高忙忙等[5]通过在保温毡内添加钼材料,研究热场的温度场和流场,发现在保温毡内层添加钼层能起到降氧的作用。Zhou Bing等[6]通过调整加热器的结构尺寸,增加了副加热器的加热源,研究双热源对熔体的温度、对流、功耗影响,发现此方案能起到降低熔体和石英坩埚反应速率的作用,氧含量降低了3×1017atoms/cm3。李进等[7]研究了不同的液口距对晶棒氧含量的影响,发现15 mm液口距是一个临界值。同时,行业内研究者研究了工艺参数对氧含量的影响,如晶转、埚转、氩气流量等参数[8-10]。

1 实验

本文采用CGSim晶体生长软件,对隔热环在热场中的不同位置进行了模拟分析温度场、流场、氧含量等关键指标,得出最优的隔热环位置,降低晶棒的氧含量。本文的模拟炉型采用晶盛160炉型,采用模拟软件建立二维轴对称模型,软件采用有限体积法和有限单元法进行计算。单晶炉的网格划分和炉体材料图如图1所示。

图1 单晶炉的网格划分和炉体材料图

模拟的初始拉晶工艺参数如下:等径长度为230 mm的瞬态,晶转为10 r/min,埚转为5 r/min,炉压为13 torr,氩气流量为100 slpm,晶体拉速为90 mm/h。总划分网格数为11 775个,网格采用矩形和三角形网格进行划分。

本文主要研究隔热环距离加热器在热场的不同位置对石英坩埚内熔体的温度场、熔体对流、氧杂质含量的影响。本文将隔热环与加热器的垂直距离定义为器环距,器环距的值设定为30、150和270 mm,使用单一控制变量法,仅调整器环距单一变量进行对比研究。隔热环在热场中的位置如图2所示。

图2 隔热环在热场中的位置

模拟过程使用的各物性参数见表1。

表1 材料的物性参数

2 结果与讨论

2.1 隔热环的位置对熔体温度场的影响

研究表明,氧杂质的主要来源是从石英坩埚与熔硅反应析出到熔体内,经过扩散与分凝作用最终掺入单晶硅棒。改变熔硅与石英坩埚的反应速率,抑制熔体对流的强度,能起到降低氧杂质浓度的作用。本文研究的隔热环与加热器的距离必须留有足够的安全距离,否则在加热器通电加热时会由于距离过近发生拉弧放电,造成打火事故,严重时影响实际生产的拉晶产能或发生安全事故。因此,本文从器环距安全值(30 mm)开始研究,每间隔120 mm进行等差递增至270 mm进行试验模拟研究。设计隔热环的主要目的是改变石英坩埚内熔硅的温度分布,改变对流的强度,进而改变氧杂质析出到熔体中的浓度。在本热场中,当隔热环距离加热器在270 mm时,在水平高度上隔热环已经处在石英坩埚的底部区域。

研究不同器环距对石英坩埚内熔硅的温度分布云图如图3所示。当有隔热环时,坩埚R弧到坩埚底部之间的区域,以及固液界面到坩埚底部区域,相比无隔热环熔体中温度明显降低。随着器环距增加,坩埚R弧到坩埚底部之间的区域,以及固液界面到坩埚底部区域,熔体中温度随之增加,低温区域逐渐减小。当存在隔热环时,三相点(气体、石英坩埚、熔体交界点)附近的温度随着器环距的增大而减小,这主要是因为隔热环与加热器的距离逐渐增大,隔热能力逐渐减弱造成的。随着器环距的增大,石英坩埚与熔体接触面直臂区域的高温区域逐渐增加。由此得知,隔热环具有改变熔体内温度场分布的能力。

图3 熔体内温度分布云图

2.2 隔热环的位置对熔体流场的影响

研究不同器环距对石英坩埚内熔体的流场分布云图如图4所示,当无隔热环时,石英坩埚侧壁的对流强度比有隔热环时强。随着器环距增加,熔体和石英坩埚接触直臂位置的对流强度逐渐加强, 当器环距为30 mm时,该处对流最弱;随着器环距增加,自由液面下方的对流强度逐渐增强;随着器环距增加,坩埚R弧到坩埚底部之间的区域的对流强度逐渐增强;随着器环距增加,隔热环对生长界面下方的熔体对流的强度和分布无明显影响。由此可见,隔热环对熔体与石英坩埚侧壁的对流强度和坩埚R弧到坩埚底部之间的区域的对流有抑制作用。此结果与图3的熔体温度场改变相对应,增加隔热环改变了熔体内的温度分布,进而改变了熔体内的对流强度。对流强度的减弱,有利于减少氧杂质从石英坩埚中分解,降低晶棒氧含量。当器环距为30 mm时,熔体与石英坩埚侧壁的对流强度最弱,对石英坩埚的侵蚀程度最弱,最有利于降氧。

图4 熔体内流场分布云图

2.3 隔热环的位置对氧浓度的影响

研究不同器环距对自由液面上方气体中的氧化硅浓度分布如图5所示,图5中,200 mm的位置点在外导流筒下口正下方处,450 mm位置距离在石英坩埚侧壁5 mm处,图中氧化硅浓度选取在平行自由液面正上方1 mm位置气体中的浓度分布。从图5中得知,当无隔热环时,气体中的氧化硅浓度最高。随着器环距的增加,气体中的氧化硅浓度逐渐增加,但是都比无隔热环的情况下氧化硅浓度低;当器环距为30 mm时,自由液面上方气体中的氧化硅浓度最低,从熔体中蒸发出的氧最低。

图5 自由液面上方气体中氧化硅浓度分布

研究不同器环距对生长界面中心氧浓度分布如图6所示,当无隔热环时,生长界面中心氧浓度最高,随着器环距增加,生长界面中心氧浓度随之增加;当器环距为30 mm时,生长界面的氧含量最低为13.3 ppma,比无隔热环时氧含量降低0.6 ppma;当器环距为270 mm时,生长界面氧含量与不加隔热环时相差0.1 ppma,基本无降氧效果,因为此时的隔热环已经处于石英坩埚的底部位置,对整个石英坩埚内熔体的温度起减弱作用偏弱,这与图3和图4所示的熔体的温度场和流场相对应。器环距270 mm时对熔体的温度和对流的改善作用相对30 mm时偏小。由此结果可知,安装隔热环降低了熔体内坩埚底部的温度,降低了熔体与石英坩埚直臂位置的熔体对流强度,进而降低了生长界面的氧浓度。

图6 生长界面氧浓度分布

3 结语

本文采用CGSim晶体模拟软件对160型单晶炉热场进行了优化,通过设计隔热环安装在加热器底部位置,研究分析了不同器环距对熔体内的温度场、流场、氧含量的影响,得出以下结论。

1)在加热器下部安装隔热环,能起到阻挡加热器向底部热场空间辐射的热量作用,减弱隔热环以下位置熔体内的温度和对流强度。

2)隔热环距离加热器越近,影响熔体内的温度和对流强度的作用越大,降氧效果越明显。

3)隔热环距离超过石英坩埚底部时,隔热环对熔体的温度场、流场抑制作用减弱,基本无降氧效果。