Φ200mm和Φ450mm直拉單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程有限元模擬研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)的生存與發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也伴隨著巨大的機(jī)遇。石油、煤炭、天然氣等資源日益減少，同時(shí)化石燃料在燃燒過(guò)程中生成大量有害產(chǎn)物對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境造成了難以估計(jì)的惡劣影響，系統(tǒng)地開(kāi)發(fā)利用清潔可再生能源迫在眉睫，而太陽(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，光伏產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。與此同時(shí)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及電子工業(yè)迅猛發(fā)展，人類(lèi)進(jìn)入信息化時(shí)代，信息交換及處理方式發(fā)生了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的根本性變革。單晶硅作為光伏產(chǎn)業(yè)及信息

2、產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，其質(zhì)量直接決定著產(chǎn)品壽命和使用性能。實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際生產(chǎn)中人們主要通過(guò)直拉法生長(zhǎng)獲得單晶硅。以往的研究仍主要以實(shí)驗(yàn)法為主，科研工作者通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)總結(jié)晶體物性參數(shù)變化規(guī)律，找出最優(yōu)工藝參數(shù)，但這種方法投入資金巨大，研究周期長(zhǎng)，可重復(fù)性差，易受操作人員和實(shí)驗(yàn)條件的影響。
　　近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單晶硅生長(zhǎng)數(shù)值模擬和仿真研究迅速發(fā)展，逐漸成為了研究單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程隨工藝參數(shù)變化規(guī)律的重要途徑。其中，利用CGS

3、im晶體生長(zhǎng)模擬軟件建立直拉單晶硅爐體模型，觀察晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)溫場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)隨工藝參數(shù)變化是一種成熟可靠的數(shù)值模擬方法。
　　本文利用數(shù)值模擬軟件CGSim分別建立直徑為200mm和450mm單晶硅棒的直拉單晶硅爐模型，通過(guò)改變單晶硅提拉速率、晶體坩堝轉(zhuǎn)速比、熱屏位置、加熱器功率等工藝參數(shù)，得出不同工藝條件下?tīng)t內(nèi)溫場(chǎng)、熔體流場(chǎng)、固液界面形貌、晶體內(nèi)缺陷濃度等參數(shù)的變化規(guī)律，獲得優(yōu)化的爐體結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)配置。對(duì)比兩種不同直徑晶體

4、生長(zhǎng)的模擬結(jié)果，總結(jié)大直徑直拉單晶硅爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改進(jìn)方向和工藝參數(shù)優(yōu)化原則，為直拉單晶硅爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)設(shè)定提供參考，對(duì)我國(guó)下一步超大直徑直拉單晶硅的研發(fā)工作有著重大的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。
　　首先，考慮運(yùn)用CGSim晶體生長(zhǎng)數(shù)值模擬軟件，參照TDE-90全自動(dòng)直拉單晶爐圖紙，建立Φ200mm直拉單晶爐軸對(duì)稱(chēng)模型。對(duì)已有Φ400mm直拉單晶爐模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并參考Φ450mm超大直徑單晶硅生長(zhǎng)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，初步

5、建立Φ450mm直拉單晶爐軸對(duì)稱(chēng)模型。
　　然后，在Φ200mm單晶硅生長(zhǎng)穩(wěn)定的工藝參數(shù)條件下，對(duì)拉晶工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，探索研究坩堝中熔體溫場(chǎng)、流場(chǎng)、固液界面、V/G比、缺陷分布以及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，結(jié)果表明:①拉晶速率的變化對(duì)熔體溫場(chǎng)分布未見(jiàn)明顯影響;晶體轉(zhuǎn)速增加使固液界面下方低溫區(qū)壓縮;熱屏底端位置上升會(huì)使自由液面溫度降低。②晶體轉(zhuǎn)速大于12.5rpm時(shí)，結(jié)晶前沿下方出現(xiàn)新渦胞，熱場(chǎng)穩(wěn)定性減弱。③拉晶速率增大、熱屏底端位置

6、遠(yuǎn)離三相點(diǎn)都會(huì)使固液界面上凸趨勢(shì)增強(qiáng)。④拉晶速率增大，V/G比值增大;晶體轉(zhuǎn)速在1～12rpm內(nèi)變化時(shí)固液界面中心區(qū)域V/G比值略有增強(qiáng)，晶轉(zhuǎn)繼續(xù)增大時(shí)V/G比下降;熱屏位置對(duì)V/G比未見(jiàn)明顯影響。⑤晶體中最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在三相點(diǎn)上方晶體側(cè)壁處，拉晶速率和晶體轉(zhuǎn)速升高、熱屏位置降低均會(huì)使最大熱應(yīng)力增大。
　　最后，通過(guò)改變?chǔ)?50mm單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中工藝控制參數(shù)，參考Φ200mm單晶硅生長(zhǎng)特點(diǎn)，探究超大直徑晶體生長(zhǎng)規(guī)律，結(jié)果表明:①

7、拉晶速率、晶體轉(zhuǎn)速、坩堝轉(zhuǎn)速的增加均會(huì)導(dǎo)致固液界面下方低溫區(qū)擴(kuò)張。②Φ450mm超大直徑單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中，熔體最大流速達(dá)到了0.02～0.04m/s。晶轉(zhuǎn)為5rpm、堝轉(zhuǎn)在2～5rpm之間取值時(shí)熔體流場(chǎng)較為穩(wěn)定。③拉晶速率升高和晶轉(zhuǎn)增大均使固液界面上凸趨勢(shì)加劇，堝轉(zhuǎn)增大使固液界面下凹趨勢(shì)加劇。④晶體中V/G比值沿徑向分布曲線隨拉晶速率和堝轉(zhuǎn)增大而升高，晶轉(zhuǎn)的增加總體使V/G比曲線下降。⑤拉晶速率提高使晶體中熱應(yīng)力增加，晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)的變化對(duì)