定向凝固法晶硅热区升级及热质输运的数值研究

作     者：杨伟 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏文佳

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：晶硅铸锭 定向凝固法 数值模拟 尺寸升级 热场设计 传热传质 

摘      要：晶硅定向凝固技术是太阳能级硅工业化生产的主要技术之一。如今,扩大硅锭尺寸可以有效提高生产效率和降低生产成本,这已成为晶硅生产趋势所向。但尺寸升级会影响硅熔体热流场、热应力场及杂质场等晶硅生长物理场。因此,兼顾硅锭大尺寸和高质量成为研究和生产中的挑战之一。本文利用数值模拟结合实验的方法,针对GT型G6和ALD型G7两种炉型尺寸升级前后的热质输运变化进行研究,为提升大尺寸晶硅生长质量提供理论指导。主要研究内容及结论如下:(1)根据国内外有关晶硅生长的文献,对晶硅生长机理、传热传质机理、热应力产生机理及晶硅生长中热质输运的研究现状进行详细介绍。这为充分理解和掌握晶硅生长理论以及分析数值模拟结果打下基础。(2)在定向凝固生长原理的基础上,利用Fluent仿真软件建立G6和G7二维全局非稳态传热传质数值模型,其中考虑了导热、对流、辐射和相变等多种传热方式及氧碳杂质的输运。并将G6和G7加热器功率和监测点TC2温度的实验值与模拟值进行对比,完成传热数值模型的可靠性验证。此外,利用Comsol仿真软件完成对G6和G7硅锭热应力模型建立。(3)基于G6和G7传热流动数值模型,研究热区变化前后对硅锭生长参数的影响。结果发现:G7硅熔体的径向温差大于G6,使得G7的硅熔体流动强度大于G6。与G6相比,长晶初期的G7硅锭中心过冷,导致固液界面存在中心过凸的问题且在长晶中后期固液界面存在明显边缘翘曲问题。长晶各阶段G7硅锭的温度梯度大于G6,使晶体生长速率和热应力均增加。此外,对比G6和G7的V/G比值,发现两者的V/G参数均高于临界值,且G7的V/G比值更高,使G7生长的硅锭形成缺陷的可能性更大。(4)基于构建的G6和G7的传热传质输运模型,分析两种炉体中全熔和长晶阶段的氩气和硅熔体中氧碳杂质分布。全熔时期到长晶阶段,熔体自由表面氩气从一对涡胞变成两对涡胞,熔体自由表面上方Si O和CO浓度从单峰值变为双峰值。由于硅熔体流态和流动强度对于其氧碳杂质分布有着重要影响。在长晶阶段,固液界面处硅熔体流动强度弱,容易造成C杂质聚集。此外,发现硅熔体沿固液界面由中心向坩埚侧壁的流动,有利于减少杂质在熔体中心聚集。随着凝固分数不断增加,G6和G7硅熔体的氧杂质平均浓度逐渐下降,碳杂质平均浓度逐渐上升。长晶过程结束时,G6和G7硅锭的氧碳分布从下到上分别呈现:氧浓度逐渐降低,碳浓度逐渐升高。(5)G7炉长晶初期存在固液界面过凸的问题,不利于晶粒垂直生长。通过调整底部热门移动速率来改善此问题,并分析不同底部热门移动速率下G7长晶8小时的固液界面以及硅区域热质输运的变化。研究发现:随着方案一到方案三热门移动速率逐渐降低,硅区域流动结构不变,但固液界面凸度明显改善。方案二到方案三凸度分别降低55%、44%。方案二和方案三分别比方案一硅侧壁热流增加38%和60%,硅底壁热量散失减少18%和27%。方案一到方案三硅锭轴向温度梯度减少,方案二和方案三最大热应力分别降低20%和27%,最小热应力分别降低31%和43%。因优化前后对硅熔体流动影响较小,方案一到方案三的硅区域中O和C杂质的整体分布形式相差不大。优化后的热门移动速率能改善固液界面和硅锭的热流分布,但对杂质输运影响较小。