水冷套对直拉法单晶硅生长过程氧杂质输运的影响-solarbe文库

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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 Emailxfqiujs.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   L400mm L3200mm L1440mm L2500mm 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 L400mm L3200mm L1440mm L2500mm 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