大尺寸直拉单晶硅生长过程中熔体流动不稳定特性及其对结晶界面形状的影响-刘立军

Xi’an Jiaotong University 熔体流动不稳定性及其对固液界面 形状 影响 的研究 丁俊岭， 刘立军 第十四届中国太阳能级硅及光伏发电研讨会，西安， 2018年 11月 7-10日 西安交通大学 能源与动力工程学院 Xi’an Jiaotong University 目 录 1 研究背景 2 熔体脉动与结晶界面耦合模型开发 3 结果分析与讨论 4 相关结论 Xi’an Jiaotong University 研究背景 晶硅发展趋势  单晶硅占比逐年增加  单晶硅制备工艺朝着高质量和大尺寸化方向发展 Xi’an Jiaotong University 研究背景 大坩埚内部熔体温度的脉动 Dcry =300mm Dcru=770mm Dcry =200mm Dcru=360mm D. Vizman, J. Crystal Growth 233 (2001) 687–698. L.J Liu, X. Liu, et. al. International Journal of Heat and Mass Transfer, 55 (2012) 53-60. 熔体流动具有明显 的湍流特征，伴随 温度剧烈脉动 LES 实验研究 Xi’an Jiaotong University 研究背景 熔体不稳定流动对长晶界面的影响 长晶界面附近熔体 温度、速度的脉动 大尺寸坩埚中熔体 不稳定流动 长晶界面过冷度脉动 晶体生长速率脉动界面形状、 V/G值脉动晶体质量 晶体生长速度与 过冷度线性变化 Fujiwara, Kozo, Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 182110. Fujiwara, Kozo, Acta Mater. 56 (2008) 2663. Xi’an Jiaotong University 研究背景 Watanabe M, J Cryst Growth 1998;193:402. K. Nakamura, et. al. Electrochem. Soc. Proc. 31 (2000) 2000–17. 长 晶界面对于晶体质量的重要性 G. J. Wang, et. al. Mat. Sci. Semicon. Proc. 74 (2018) 342-346. V/G 掺杂 热应力 长晶界面影响晶体中掺杂以及杂质径向分布的均匀性、点 缺陷的分布、生长条纹、热应力 、 位错的形成 生长条纹 (si) Xi’an Jiaotong University 研究背景 • 熔体湍流脉动特征？ • 如何影响结晶界面形态和结晶速率？ • 如何影响晶体品质（杂质分凝、缺陷、生长条 纹。。。）？ • 影响因素？如何控制？ • 。。。。 Xi’an Jiaotong University 目 录 1 研究背景 2 熔体脉动与结晶界面耦合模型开发 3 结果分析与讨论 4 相关结论 Xi’an Jiaotong University 熔体流动与长晶界面耦合模型 国基金 资助 项目号： No. 51676154 二维全局传热分析 T e m p e r a t u r e 1 7 0 0 1 6 0 0 1 5 0 0 1 4 0 0 1 3 0 0 1 2 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 晶体表面以及熔 体自由液面以 辐 射换热 为主90% 98% 加热器功率的改变 对于坩埚壁面温度 分布趋势没有影响 Xi’an Jiaotong University 熔体流动与长晶界面耦合模型 计算模型及温度边界条件 局部计算 与 全局计算 晶体表面温度对比 温度边界条件 J. Cryst. Growth 233 (2001) 687. 坩埚壁面温度 抛物线型 实验值 局部计算温度边界是合理的！ Xi’an Jiaotong University 熔体流动与长晶界面耦合模型 国基金 资助 项目号： No. 51676154 耦合模型计算策略 X Y Z 3D局部模型 (晶体 /熔体 ) 计算模型网格划分 耦合模型计算策略 Xi’an Jiaotong University 熔体流动与长晶界面耦合模型 国基金 资助 项目号： No. 51676154 PID调节坩埚壁面温度 PID 控制器 PID控制器能够快速准确 地将三相线温度（ Ttri） 控制到目标温度 KP = 1.2 TI = 30.0 TD = 12.7 T = 0.1s e(n) = Ttri - T ref Xi’an Jiaotong University 目 录 1 研究背景 2 熔体脉动与结晶界面耦合模型开发 3 结果分析与讨论 4 相关结论 Xi’an Jiaotong University 大尺寸坩埚内部熔体流动不稳定性 坩埚转速对熔体温度脉动场的影响 2/-8 rpm 4/-8 rpm 6/-8 rpm 8/-8 rpm 子午面 温度脉动 Xi’an Jiaotong University 大尺寸坩埚内部熔体流动不稳定性 熔 体温度 脉动的 频谱分析 2/-8 rpm 4/-8 rpm 6/-8 rpm 8/-8 rpm 时序温度 频谱分析 Xi’an Jiaotong University 长晶界面上的温度波动 P2 P1 晶体 熔体 界面上 监测点处温度的脉动 温度 P1 P2 平均值 1688.9 1683.4 最小值 1683.6 1682.4 最大值 1693.2 1685.0 P1、 P2温度统计分析  长晶界面上温度脉动幅值 2.5K  长 晶界面下方（ 2cm）处温度 脉动幅值 10K 初始拉速 0.8mm/min Xi’an Jiaotong University 晶体生长速度的脉动 V/G值的脉动脉动的生长速度  长晶速度在 0.8mm/min附近波动，幅值 0.8mm/min  长 晶界面处 V/G值剧烈脉动，影响晶体中点缺陷 Xi’an Jiaotong University 长晶界面的脉动 长晶过程中界面的脉动 长晶界面上温度的分布 crystal melt h ωcru = -6 rpm ωcry = 8 rpm 凹界面  界面温度具有明显的三维特征  界面形状周向对称（二维特征）  界面凸度在 3cm左右 Xi’an Jiaotong University 目 录 1 研究背景 2 熔体脉动与结晶界面耦合模型开发 3 结果分析与讨论 4 相关结论 Xi’an Jiaotong University 相关结论 首次开发了熔体流动不稳定与长晶界面耦合的数值模型  长晶界面 温度脉动 ，幅值 2.5K，并引起 长晶速度以及 V/G 值的脉动  长 晶界 面温度 具有明显的三维 特征，而长 晶界面的形状 周向对称，具有二维 特征  晶体生长过程中，界面生长速率脉动将导致杂质分凝 和 晶体缺陷 Xi’an Jiaotong University The 10th International Workshop on Modeling in Crystal Growth (IWMCG-10) Xi’an, China, Oct. 17-20, 2021 The international advisory committee meeting The closing ceremony of IWMCG-9 Xi’an Jiaotong University History of IWMCG  IWMCG-1: Parma, Italy, 1989  IWMCG-2: Durbuy, Belgium, 1996  IWMCG-3: Hauppauge, New York, USA, 2000  IWMCG-4: Fukuoka, Japan, 2003  IWMCG-5: Bamberg, Germany, 2006  IWMCG-6: Lake Geneva, Wisconsin, USA, 2009  IWMCG-7: Taipei, 2012  IWMCG-8: Spa, Belgium, 2015  IWMCG-9: Hawaii, USA, 2018 IWMCG-10: Xi’an, China, 2021 22 Xi’an Jiaotong University 谢 谢