水冷套对直拉法单晶硅生长过程氧杂质输运的影响

水冷套对直拉法单晶硅生长过程 氧杂质输运的影响 齐小方 1,2，马文成 1 1 江苏大学 能源与动力工程学院 2 江苏环太集团 包头美科硅能源有限公司 Email:xfqi@ujs.edu.cn 2020.11.6 无锡 2020 第十六届中国太阳级硅及光伏发电研讨会 1.研究背景  CZ单晶硅中氧杂质轴向分布？ [1] B. Zhou, W. L. Chen, et. al, Journal of Crystal Growth, 483 (2018) 164-168. [2] M. Jomâa, et. al. IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), USA, 2014. 研究目的 探明氧杂质沿轴向先降后升的原因，为有效控制氧杂质提供理论依据 1.研究背景  水冷套对长晶过程的影响 Vpull： 结晶潜热、成本 水冷套： 强化传热的有效方式 研究目的 水冷套对氧杂质输运的影响 [3] J. Friedrich, T. Jung, et. al, Journal of Crystal Growth, 524 (2019) 125168. [4] W.H. Zhao, L.J. Liu, Journal of Crystal Growth, 458 (2017) 31-36 2.氧杂质输运数值模型  CZ炉结构及工艺参数 热场： 26寸 晶体直径： 215 mm 投料量 ： 275 kg 提拉 速度： 1.0 mm/min （无水冷） 1.8 mm/min （有水冷） 1 : M e l t 2 : Cry s t a l 3 : Cru c i b l e 4 : S u s c e p t o r 5 : H e a t e r 6 : Cry s t a l c o o l e r 7 : In s u l a t i o n 2 1 3 4 5 6 7 2.氧杂质输运数值模型  CZ炉全局氧杂质输运模型 m o m e n t u m d i f f u s i v i t y m a s s d i f f u s i v i t ySc D   刘立军教授课题组 CGeMoS软件包 氧杂质边界层很薄 氧杂质耦合输运路径 [5] X. Huang, K. Terashima, et. al, Japanese Journal of Applied Physics, 32 (1993) 3671-3674. 3.1数值模型验证 模拟所得固液界面形状与实验吻合良好  熔体热流场及固液界面 R a d i u s /m m H ei g h t/ m m 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 0 1 0 2 0 3 0 E x p e r i m e n t C a c u l a t i o n 1KT 0 .0 0 5 k g /s 3.3单晶硅中 氧杂质轴向分布  不同长晶阶段熔体热流场分布 熔体温差先降低后升高，湍动粘度逐渐降低 1KT 1KT 1KT 1KT 0 .0 5 k g /m st   0 .0 5 k g /m st   0 .0 3 k g /m st   L=400mm L=3200mm L=1440mm L=2500mm 0 .0 1 k g /m st   C r y s t a l l e n g t h ( m m ) T e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e ( K ) M a x i m u m t u r b u l e n t v i s c o s i t y ( k g / m  s ) 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 3.3单晶硅中 氧杂质轴向分布  不同长晶阶段熔体氧杂质分布 L=400mm L=3200mm L=1440mm L=2500mm 0 .5 p p m aOc 0 .5 p p m aOc 0 .5 p p m aOc0 .1p p m aOc C r y s t a l l e n g t h ( m m ) O x y g e n c o n c e n t r a t i o n ( p p m a ) 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 C a c u l a t i o n E x p e r i m e n t •固液界面处氧杂质先降低后升高 •熔体流动结构改变是造成末期氧 杂质升高的主因 3.4水冷套对传热传质的影响  气液界面热流密度  固液界面热流密度 R a d i a l p o s i t i o n ( m ) H e a t f l u x ( W / c m 2 ) 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 - 1 2 - 1 0 - 8 - 6 - 4 - 2 0 w i t h w a t e r - c o o l e d j a c k e t w i t h o u t w a t e r - c o o l e d j a c k e t R a d i a l p o s i t i o n ( m ) H e a t f l u x ( W / c m 2 ) 0 0 . 0 3 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 1 2 - 3 5 - 3 0 - 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 - 5 0 w i t h w a t e r - c o o l e d j a c k e t w i t h o u t w a t e r - c o o l e d j a c k e t 水冷套显著增强熔体区域传热 气液界面热流量 /kW 固液界面（熔体侧）热流量 /kW 无水冷套 5.76 1.39 有水冷套 13.68 3.86 3.4水冷套对传热传质的影响  氧杂质沿固液界面分布  氧杂质沿轴向分布 R a d i a l p o s i t i o n ( m ) O x g y e n c o n c e n t r a t i o n ( p p m a ) 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 w i t h w a t e r - c o o l e d j a c k e t w i t h o u t w a t e r - c o o l e d j a c k e t C r y s t a l l e n g t h ( m m ) O x y g e n c o n c e n t r a t i o n ( p p m a ) 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 w i t h w a t e r - c o o l e d j a c k e t w i t h o u t w a t e r - c o o l e d j a c k e t 有水冷套，固液界面处熔体侧氧杂质含量升高 有水冷套，晶体中氧杂质含量升高约 3ppma 湍动粘度是导致晶体生长前期氧杂质降低的主因，熔 体流动结构改变是造成生长末期氧杂质升高的主因 水冷套设计显著增强熔体区域传热，同时使氧杂质浓 度升高 4.结论 敬请批评指正！ 谢谢！