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-solarbe文库

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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 Dcru770mm Dcry 200mm Dcru360mm 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;193402. 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 en 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