王利偉

（大連連城數(shù)控機器股份有限公司,遼寧 大連 116036）

目前,實現(xiàn)碳中和已成為全球共識。經(jīng)過不懈努力,中國的清潔能源發(fā)展已經(jīng)取得了良好成效,尤其是光伏產(chǎn)業(yè)。2020 年,全球光伏新增裝機容量為130GW[1],并且主要是單晶硅光伏。單晶硅電池組件產(chǎn)品由高純多晶硅料經(jīng)過長晶、切片、電池、組件等流程得到。單晶硅晶體的大規(guī)模生產(chǎn)工藝是直拉單晶生長法。

1 直拉單晶生長熱物理過程

直拉單晶生長法是1918 年由切克勞斯基(Czochralski)發(fā)明的一種晶體生長方法,簡稱CZ 法。在CZ 法工藝過程中,單晶棒一側(cè)的散熱速度能夠顯著影響長晶的等徑速度[2],這些熱量主要以單晶棒表面熱輻射的方式散發(fā),最終被水冷屏和爐腔內(nèi)壁吸收并通過冷卻水從爐內(nèi)帶出。在區(qū)熔單晶生長中,懸浮熔區(qū)的高溫?zé)彷椛涓訌娏?反射環(huán)被用于抑制單晶棒表面的輻射散熱,從而對單晶棒起到保溫作用并優(yōu)化單晶晶體生長質(zhì)量[3],這說明通過對長晶過程中熱輻射的控制能夠?qū)w生長過程產(chǎn)生直接作用。在關(guān)于直壁式熱屏與斜壁式熱屏的研究中,我們看到了直壁式熱屏下的單晶棒高溫區(qū)的縱向溫度梯度與斜壁式熱屏相比得到約50%的大幅度提高[4],這主要是由于在使用斜壁式熱屏長晶時,長晶高溫區(qū)有大量的熱輻射通過斜壁熱屏開口到達(dá)爐蓋內(nèi)壁并被反射到單晶棒上產(chǎn)生的效果。

直拉單晶等徑生長是一個動態(tài)的熱平衡過程,即熱源總和與散熱總和時刻保持動態(tài)平衡。如圖1 所示,單晶生長過程中的主要熱源有：石墨加熱器的熱量,包括主加熱器和底加熱器,等效功率用Q1表示；熔體硅在結(jié)晶時釋放的結(jié)晶潛熱,等效功率用Q2表示。

圖1 爐內(nèi)傳熱情況示意圖

散熱途徑可以概括為以下3 個途徑：

（1）通過爐體內(nèi)壁吸熱由冷卻水帶走的熱量,具體可以分為三個主要部分：由爐筒和爐底帶走的熱量Q3；由爐蓋帶走的熱量Q4；由副室?guī)ё叩臒崃縌5；

（2）通過水冷熱屏由冷卻水帶走的熱量Q6；

（3）通過氬氣氣流吸熱帶走的熱量Q7。

用Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7分別表示各自對應(yīng)的等效瞬時功率,那么等徑速度可以表示為：

其中：D 為單晶棒直徑；V 為等徑的晶棒提拉速度；ρ 為單晶硅的密度；L 是硅的結(jié)晶潛熱；

由（1）式可知,在能夠維持固液界面長晶所需的穩(wěn)定熱場條件下,盡可能的增加散熱而減小加熱,那么長晶速度V 也將隨之增大。

由圖1 不難看出,在長晶過程中,長晶高溫區(qū)輻射出來到達(dá)爐蓋的熱量會部分的被爐蓋內(nèi)壁反射回長晶區(qū)域,根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼公式：

ε 為黑體的輻射系數(shù),若為絕對黑體,則ε= 1；對于單晶硅,ε= 0.507；對于硅熔體,ε= 0.3。導(dǎo)流筒內(nèi)液面溫度T 在1685K（硅的熔點1685K）以上,由（6）式可知此時晶體硅表面輻射功率密度為23.2w/cm2；硅熔體表面輻射功率密度為13.7w/cm2。而在等徑階段,熱屏與單晶棒之間的環(huán)形硅液面的面積超過300cm2,這部分液面向上的總輻射功率在4000W 以上。此外,單晶棒表面也會發(fā)出熱輻射。高溫液面與單晶棒表面輻射出來的熱量在經(jīng)過水冷熱屏的表面吸收和反射之后,必然有一部分到達(dá)爐蓋并且被反射回到長晶區(qū)域,這部分反射回來的熱輻射會提高單晶棒的溫度,使得單晶棒整體的縱向溫度梯度變小,從而會降低直拉單晶等徑生長的速度。針對這一問題,本文創(chuàng)造性的通過增加反射環(huán)改變熱輻射反射的路徑,將熱輻射反射到爐蓋內(nèi)的外側(cè),這樣提高單晶棒縱向溫度梯度,從而達(dá)到提高長晶速度的目的。

高溫區(qū)熱輻射能力與導(dǎo)流筒立體角的大小成正比。立體角表達(dá)式為：

由于涉及熱場的輻射角系數(shù)的熱輻射計算過程較為復(fù)雜,因此本文采用CGSim 晶體生長模擬軟件進(jìn)行計算模擬研究。

2 CGSim 直拉單晶硅長晶模擬與分析

為了進(jìn)行對比分析,分別模擬水冷屏輔助與水冷屏加反射環(huán)輔助這兩種情況下的長晶情況。

我們首先分別模擬等徑在1600mm 長度時刻的情況,設(shè)定硅棒直徑為8.5 英寸,主爐室內(nèi)徑為1400mm,晶升速度為2mm/min,晶轉(zhuǎn)速度為10rpm,坩堝轉(zhuǎn)速為-9rpm。

模擬結(jié)果的主要參數(shù)對比見表1。

表1 模擬結(jié)果參數(shù)對比

從表1 我們看到在同樣生長速度下,增加反射環(huán)之后,加熱器總功率上升了0.5kW。這說明反射環(huán)使得長晶區(qū)散熱得到增強,為了使得生長速度保持不變,需要升高加熱功率,此時升高的幅度是0.5kW。從模擬結(jié)果的溫度分布（圖2）可以看到,加裝反射環(huán)使得熱場石墨上方靠外側(cè)的位置溫度出現(xiàn)了升高（位置①②對照）。這說明在反射環(huán)的作用下,從長晶高溫區(qū)域發(fā)出的熱輻射經(jīng)過反射到達(dá)了這一區(qū)域,并使得這一區(qū)域整體升高。

圖2 左：水冷屏長晶模擬；右：水冷屏+反射環(huán)長晶模擬

圖3 是兩種模擬情況下得到的長晶界面附近的溫度分布對照圖。從圖中我們能夠很直觀的看到加裝反射環(huán)之后,長晶的固液界面更加平緩,而我們設(shè)定的生長速度都是2.0mm/min。

圖3 長晶固液界面附近溫度分布情況,左：無反射環(huán)；右：有反射環(huán)

為了更好的對比兩種情況下的溫度分布,我們選取模型中的十字交叉點位置①與固液界面與中軸線交點②（圖3 中所示）作為參考點來進(jìn)行對比。

參考點的坐標(biāo)與溫度數(shù)據(jù)見表2,可以看到,增加反射環(huán)使得參考點①的溫度由1146K 降低到1114K,降低幅度達(dá)到32K,溫度降低非常明顯。這使得單晶棒的縱向溫度梯度得以提高,有利于提高長晶速度。

表2 參考點①、②的位置與溫度數(shù)據(jù)

以上模擬研究表明,反射環(huán)的加入使得固液界面附近溫度梯度得以提高,有利于提高長晶速度,與此同時,系統(tǒng)為了維持設(shè)定的2mm/min 的長晶速度不變,模擬結(jié)果顯示系統(tǒng)加熱功率有0.5kW 的增幅,以此來抑制長晶速度使之維持在2mm/min。我們分析認(rèn)為這能夠說明反射環(huán)具有較明顯的提高長晶速度的能力。

為了更好的模擬驗證反射環(huán)提高長晶速度的能力,做了進(jìn)一步的模擬。提高拉速目標(biāo)值,更改為2.3mm/min,其他條件不變。比對水冷屏2mm/min 拉速拉晶的結(jié)果,通過比較總加熱功率、固液界面形狀與溫度梯度情況分析提高拉速的效果。

模擬結(jié)果的主要參數(shù)對比見表3。

表3 模擬結(jié)果參數(shù)對比

從表3 中看到,反射環(huán)加水冷屏輔助下2.3mm/min拉速長晶的總加熱功率較水冷屏2.0mm/min 長晶低0.6kW,比水冷屏2.3mm/min 長晶高0.5kW。也就是說在僅靠水冷屏輔助的情況下,拉速由2.0mm/min 提高到2.3mm/min,加熱功率下降1.1kW,而在增加反射環(huán)輔助水冷屏2.0mm/min 長晶時,功率較水冷屏輔助2.0mm/min 下降0.6kW 。熱場模擬的溫度分布如圖4 所示,相比水冷屏2.0mm/min 長晶,水冷屏結(jié)合反射環(huán)在晶升2.3mm/min 時的固液界面的中心區(qū)域凹略為明顯,而凹界面整體高度幾乎一樣。長晶速度提高了15%,而固液界面并沒有非常大的差異,說明縱向溫度梯度增加了,這是由于反射環(huán)使得散熱得到加強所造成。我們看到,反射環(huán)輔助水冷屏2.3mm/min 長晶的單晶棒縱向溫度梯度更高,具體在①、②兩點之間的溫度梯度較水冷屏2.0mm/min 長晶提高了7%（見表4）。較高的單晶棒縱向溫度梯度有利于帶走固液界面硅熔體結(jié)晶釋放的潛熱,有助于維持更高長晶速度[5]。

圖4 水冷屏2.0mm/min 長晶與水冷屏、反射環(huán)2.3mm/min 長晶對照

反射環(huán)加水冷屏輔助長晶使得長晶速度在2mm/min基礎(chǔ)上提高0.3mm/min 的情況下,長晶凹界面僅在中心區(qū)域有變化,這是由于反射環(huán)增強散熱使得單晶棒縱向溫度梯度上升了7%,具體見表4。

表4 水冷屏2.0mm/min、水冷屏結(jié)合反射環(huán)2.3mm/min 長晶模擬的溫度變化參數(shù)

3 結(jié)論

通過對反射環(huán)輔助單晶生長方案的模擬研究,表明反射環(huán)具備提高直拉單晶生長速度潛力。目前直拉單晶熱輻射反射這一技術(shù)方案已提交申請發(fā)明專利。