直拉法和定向凝固法晶體硅生長過程的數(shù)值模擬優(yōu)化.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì),人類面臨嚴(yán)峻的能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境危機(jī)。太陽光伏發(fā)電作為一種清潔無污染的新能源,提供了解決人類能源危機(jī)的重要途徑。目前應(yīng)用最廣的太陽光伏電池是晶體硅(單晶硅和多晶硅)太陽光伏電池,而電池的轉(zhuǎn)換效率和成本成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。因此,對直拉法(CZ)單晶硅和定向凝固法(DSS)多晶硅的生長過程進(jìn)行深入的理論分析和探索,對于提高太陽光伏電池質(zhì)量、降低發(fā)電成本,具有重要的意義。
　　 論文從熱流體科學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)理

2、論出發(fā),利用數(shù)值模擬手段,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試和理論分析,重點(diǎn)研究了晶體硅生長中熔體內(nèi)的熱質(zhì)輸運(yùn)特性、晶體中的雜質(zhì)和微缺陷控制、單晶爐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、多晶鑄錠爐氬氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、以及一種新型單晶爐的設(shè)計(jì)。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)晶體硅生長的文獻(xiàn)以及作者自身的實(shí)踐,對CZ法和DSS法晶體硅的生長工藝、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、以及其中若干重要問題進(jìn)行了詳細(xì)介紹和討論,包括熔體對流的種類和驅(qū)動力,表征對流強(qiáng)弱的

3、無量綱數(shù),單晶硅中的微缺陷和氧、碳雜質(zhì),CZ法和DSS法的固/液界面,少子壽命的影響因素等。為了解太陽能級硅晶體的生長,提供了詳細(xì)的背景材料。
　　 (2)針對CZ法單晶硅生長,利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬,分別改變重力、表面張力、平流力、晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)和氬氣剪切力等驅(qū)動力的大小,研究不同驅(qū)動力對熔體對流、固/液界面形狀、溫度梯度等的影響。結(jié)果表明:各種驅(qū)動力對熔體對流的影響由強(qiáng)到弱依次為:浮力>表面張力>晶轉(zhuǎn)力>氬氣剪切力>堝轉(zhuǎn)力>平流力。

4、浮力和表面張力使熔體產(chǎn)生一沿坩堝壁上升、從固/液界面附近下降的渦胞；晶轉(zhuǎn)力和氬氣剪切力使熔體產(chǎn)生與前方向相反的渦胞；堝轉(zhuǎn)力產(chǎn)生多個不同流向的對流渦胞,使熔體混合更加均勻。在晶體下方,出現(xiàn)了流速水平分量沿高度呈螺線變化的?？寺?Ekman)流動,并產(chǎn)生埃克曼抽吸。
　　 (3)在太陽能級單晶硅CZ法生長過程中,熱屏、保溫層和氬氣導(dǎo)流系統(tǒng)是影響熱交換和晶體生長的主要因素。針對一種典型的單晶爐,通過改變以上參數(shù),利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬,對

5、晶體生長過程進(jìn)行優(yōu)化。通過分析晶體和熔體中的溫度分布、熱屏和石英坩堝之間的氬氣對流和晶體中的熱應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的熱屏能夠降低加熱器對晶體的烘烤；側(cè)壁碳?xì)帜茏柚瓜蛏系臒釗p失；導(dǎo)流系統(tǒng)能降低上壁面的SiO沉積。在相同的加熱器功率下,優(yōu)化后的結(jié)晶速率可以提高35％,而不會引起宏觀位錯的增大；優(yōu)化后晶體沿徑向的V/G比大于臨界值,降低了晶體中OSF-ring的發(fā)生概率。
　　 (4)在對微缺陷及其形核路徑進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上,針對單晶硅

6、中黑心(邊)片問題,對固/液界面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對比；對硅片中氧碳含量及少子壽命做了測試；并對微缺陷影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。利用作者發(fā)明的石蠟澆鑄法,方便地得到了實(shí)際晶體生長到370mm時的固/液界面形狀,數(shù)值模擬結(jié)果與其基本吻合；氧、碳含量由硅片邊緣到中心都逐漸升高；硅片外圍約10mm寬度的圓環(huán)范圍,少子壽命明顯低于中心區(qū),形成所謂的黑邊片；增大拉速和熱屏底部距熔體自由液面高度有利于消除OSF-ring,提高硅片邊緣附近

7、少子壽命,降低黑邊片的發(fā)生概率；對提高拉速前后的硅片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高拉速能有效減少黑邊片的產(chǎn)生。
　　 (5)設(shè)計(jì)了一種帶導(dǎo)流筒的雙加熱器浮動熱屏式新型CZ單晶爐。對新型單晶爐中上下加熱器的功率分配、下加熱器的幾何形狀、上加熱器的位置、上部導(dǎo)流筒的內(nèi)徑和高度,進(jìn)行了設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬優(yōu)化,分析了各種因素對熔體對流、結(jié)晶速率、熔體中的溫度分布、固/液界面形狀、微缺陷等的影響。結(jié)果表明:上下加熱器功率之比大于1、使用托盤型石

8、墨加熱器、上加熱器和石墨坩堝軸向相對位置較大、上部導(dǎo)流筒的內(nèi)徑較大時,更有利于單晶硅的生長。而上部導(dǎo)流筒的高度對單晶硅生長影響不大。
　　 (6)針對目前GT多晶爐中三種傳統(tǒng)氬氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu),進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究各種情況對氧、碳傳輸?shù)挠绊?。針對上部蓋板揮發(fā)出的碳無法通過傳統(tǒng)的氬氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)及時排出這一缺陷,設(shè)計(jì)了上蓋板中心開孔,并且石墨護(hù)板上部也開口的新型氬氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu),通過數(shù)值模擬分析這種結(jié)構(gòu)對排出氧、碳的有效性。研究結(jié)果表明:在