直拉法和定向凝固法晶体硅生长过程的数值模拟优化

摘要

进入21世纪,人类面临严峻的能源危机和生态环境危机。太阳光伏发电作为一种清洁无污染的新能源,提供了解决人类能源危机的重要途径。目前应用最广的太阳光伏电池是晶体硅(单晶硅和多晶硅)太阳光伏电池,而电池的转换效率和成本成为制约其大规模应用的瓶颈。因此,对直拉法(CZ)单晶硅和定向凝固法(DSS)多晶硅的生长过程进行深入的理论分析和探索,对于提高太阳光伏电池质量、降低发电成本,具有重要的意义。
　　 论文从热流体科学和材料科学的基础理论出发,利用数值模拟手段,并结合实验测试和理论分析,重点研究了晶体硅生长中熔体内的热质输运特性、晶体中的杂质和微缺陷控制、单晶炉结构的设计和优化、多晶铸锭炉氩气导流结构的设计和优化、以及一种新型单晶炉的设计。论文的主要研究内容如下:
　　 (1)根据国内外有关晶体硅生长的文献以及作者自身的实践,对CZ法和DSS法晶体硅的生长工艺、国内外研究现状、以及其中若干重要问题进行了详细介绍和讨论,包括熔体对流的种类和驱动力,表征对流强弱的无量纲数,单晶硅中的微缺陷和氧、碳杂质,CZ法和DSS法的固/液界面,少子寿命的影响因素等。为了解太阳能级硅晶体的生长,提供了详细的背景材料。
　　 (2)针对CZ法单晶硅生长,利用计算机数值模拟,分别改变重力、表面张力、平流力、晶转、埚转和氩气剪切力等驱动力的大小,研究不同驱动力对熔体对流、固/液界面形状、温度梯度等的影响。结果表明:各种驱动力对熔体对流的影响由强到弱依次为:浮力>表面张力>晶转力>氩气剪切力>埚转力>平流力。浮力和表面张力使熔体产生一沿坩埚壁上升、从固/液界面附近下降的涡胞；晶转力和氩气剪切力使熔体产生与前方向相反的涡胞；埚转力产生多个不同流向的对流涡胞,使熔体混合更加均匀。在晶体下方,出现了流速水平分量沿高度呈螺线变化的埃克曼(Ekman)流动,并产生埃克曼抽吸。
　　 (3)在太阳能级单晶硅CZ法生长过程中,热屏、保温层和氩气导流系统是影响热交换和晶体生长的主要因素。针对一种典型的单晶炉,通过改变以上参数,利用计算机数值模拟,对晶体生长过程进行优化。通过分析晶体和熔体中的温度分布、热屏和石英坩埚之间的氩气对流和晶体中的热应力,发现优化后的热屏能够降低加热器对晶体的烘烤；侧壁碳毡能阻止向上的热损失；导流系统能降低上壁面的SiO沉积。在相同的加热器功率下,优化后的结晶速率可以提高35％,而不会引起宏观位错的增大；优化后晶体沿径向的V/G比大于临界值,降低了晶体中OSF-ring的发生概率。
　　 (4)在对微缺陷及其形核路径进行理论分析的基础上,针对单晶硅中黑心(边)片问题,对固/液界面进行了实验与数值模拟对比；对硅片中氧碳含量及少子寿命做了测试；并对微缺陷影响因素进行了数值模拟和实验研究。利用作者发明的石蜡浇铸法,方便地得到了实际晶体生长到370mm时的固/液界面形状,数值模拟结果与其基本吻合；氧、碳含量由硅片边缘到中心都逐渐升高；硅片外围约10mm宽度的圆环范围,少子寿命明显低于中心区,形成所谓的黑边片；增大拉速和热屏底部距熔体自由液面高度有利于消除OSF-ring,提高硅片边缘附近少子寿命,降低黑边片的发生概率；对提高拉速前后的硅片进行了实验对比,发现适当提高拉速能有效减少黑边片的产生。
　　 (5)设计了一种带导流筒的双加热器浮动热屏式新型CZ单晶炉。对新型单晶炉中上下加热器的功率分配、下加热器的几何形状、上加热器的位置、上部导流筒的内径和高度,进行了设计和数值模拟优化,分析了各种因素对熔体对流、结晶速率、熔体中的温度分布、固/液界面形状、微缺陷等的影响。结果表明:上下加热器功率之比大于1、使用托盘型石墨加热器、上加热器和石墨坩埚轴向相对位置较大、上部导流筒的内径较大时,更有利于单晶硅的生长。而上部导流筒的高度对单晶硅生长影响不大。
　　 (6)针对目前GT多晶炉中三种传统氩气导流结构,进行了数值模拟分析,研究各种情况对氧、碳传输的影响。针对上部盖板挥发出的碳无法通过传统的氩气导流结构及时排出这一缺陷,设计了上盖板中心开孔,并且石墨护板上部也开口的新型氩气导流结构,通过数值模拟分析这种结构对排出氧、碳的有效性。研究结果表明:在三种氩气导流结构中,石墨坩埚上部开大孔的结构在控制氧、碳含量和对固/液界面影响方面,明显优于另外两种导流结构；设计的新型导流系统中,中心氩气进口管伸入上盖板,石墨坩埚上部开口高度为15mm时,有利于降低多晶硅的杂质含量。