多晶硅炉氩气导流系统设计与数值模拟优化

第43卷第5期2014年5月

人工晶体学报

JOUＲNALOFSYNTHETICCＲYSTALS

Vol．43No．5

2014May，

多晶硅炉氩气导流系统设计与数值模拟优化

1，2

左苏文佳，

121

然，程晓农，狄晨莹

（1．江苏大学能源与动力工程学院，镇江212013；2．江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013）

为了降低氧碳含量，作者利用CGSim软件，分析了三种传统氩气导流系统的优缺点，摘要：在DSS法多晶硅生长中，

以此为基础设计了一种中心和侧面双排气的新型导流系统，并对其进行了设计和数值模拟优化。模拟得出以下结论：多晶铸锭炉三种传统氩气导流系统中，石墨坩埚上部开大孔且有盖板时，有利于控制氧碳含量和固/液界面；新型多晶铸锭炉氩气导流系统中，中心氩气进口管伸入上盖板时，有利于降低多晶硅的氧碳含量；随着石墨坩埚上部

＇＇

开口高度h逐渐增大，有利于降低多晶硅的中心出口氩气流速逐渐减小，侧面出口氩气流速增大，当h=20mm时，

氧碳含量。研究结果为生长高质量的多晶硅提供了理论依据。关键词：多晶硅；数值模拟；氩气导流；固/液界面中图分类号：TN304

文献标识码：A

985X（2014）05-1236-07文章编号：1000-

DesignandNumericalOptimizationofArFlow

GuidingSysteminPolysiliconFurnace

2

SUWen-jia1，，ZUOＲan1，CHENGXiao-nong2，DIChen-ying1

（1．SchoolofEnergyandPowerEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China；2．SchoolofMaterialsScienceandEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China）

（Ｒeceived5December2013，accepted24December2013）

Abstract：InordertodecreasetheO/Cconcentrationinpolysilicongrowthprocessing，numericalanalysisofthreetraditionalArflowguidewasprovidedbyCGSimsoftware．AnewtypeofArflowguidewithbothcenterandsideargonexitwasdesignedandnumericaloptimizedonthebasisofaboveanalysis．ThemodelingresultsshowedthatamongthethreetraditionalArflowguidesysteminDSSfurnace，theuppergraphitecruciblewithlargeholeandcoverisbetterforthecontrolofoxygen/carbonandthesolid/liquidinterface．Inthenewdesign，withtheincreasingoftheexitheightontheuppergraphitecrucible，h＇，thecentralArflowrateisdecreasingwhilethesideisincreasing．ItismorefavorableforthedecreaseofO/CconcentrationwhenthecentralArinlettubeinsertintotheuppercoverandh＇=20mm．Theoreticalbasisisprovidedbytheresultsforthegrowthofhighqualitymulticrystallinesilicon．Keywords：polysilicon；numericalsimulation；Arflowguide；solid/meltinterface

1引言

具有制备工艺简单、成本较低等优点，已由于定向凝固法（DSS法）多晶硅与直拉法（Cz法）单晶硅相比，

12-05；修订日期：2013-12-24收稿日期：2013-基金项目：国家自然科学基金青年基金（51206069）；高等学校博士学科点专项科研基金（20123227120017）；江苏省自然科学基金青年基金

（BK2012295）；江苏大学高级专业人才科研启动基金（1281130015）；江苏省博士后科研资助计划（1301049C）

），mail：wjsu@ujs．edu．cn；博士。E-作者简介：苏文佳（1982-男，吉林省人，通讯作者：左

mail：rzuo@ujs．edu．cn。然，博士，教授，博士生导师。E-

第5期

［1-3］

苏文佳等：多晶硅炉氩气导流系统设计与数值模拟优化

［4-8］

1237

。但多晶硅中杂质较高是多晶硅太阳电池效率较低的原因之一。多晶硅成为太阳电池的主要原料

［9］

中的主要杂质为氧和碳，其中氧含量过高时硅片中杂质聚集并影响其机械强度，导致光致衰减和热施主

［11，12］

；而碳浓度超过1×1014atom/cm3时，，碳含量超过在硅中的溶解度时，会有SiC会促进生成氧沉淀颗粒析出，切片时易断线，并诱发小晶粒，产生并联电阻，降低了太阳电池的转化效率。因此，生产高质量多［10］

晶硅必须降低其中的氧碳含量。石墨坩埚、热屏、加热器和基座是碳的主要来源；石英坩埚和多晶硅原料是

［13］［14］

氧的主要来源。图1为DSS法多晶硅中的氧碳输运。对氩气导流装置进行设计与优化，可有效控制多晶硅铸锭中的氧碳含量

。

很多学者对DSS法多晶硅中的氩气导流系统进行了相关研究。Teng等设计了一种多晶硅氩气导流装置，将氩气进口管延伸进石英坩埚中，并在顶部盖板和熔体自由表面间设置氩气导流板。数值模拟发现该导流装置可提高氩气在熔体自由表面携带杂质的能力，优化了熔体对流和固液界面形状。但该导流装置离熔体自由表面很近，易造成碳含量增加。Gao［14-18］

等数设计了与Teng相似的多晶硅氩气导流系统，

图1

Fig．1

DSS法多晶硅中的氧碳输运

［2，15-17］

值模拟发现该导流系统可将碳含量降低到可忽略不计，氧含量降低了30%。并发现采用石墨下部镀钨涂层的盖板，可有效降低氧碳含量。刘立军和李早阳等

热场分布和硅熔体流动结构。发现氩气分析了不同氩气流量和压强下，定向凝固炉内部氧碳分布、可强化熔体流动和热输运，调整氩气流量和压力可有效降低多晶硅中的氧碳含量。

［19-21］

OandCtransportationinDSSmulticrystallineSi

22，23］

450型多晶硅铸锭炉为例［5，，本文以目前广泛使用的GT-利用数值模拟方法，对三种DSS法氩气导

流系统进行二维数值模拟，分别分析不同氩气导流结构对氧碳的携带能力、结晶潜热的散发、固/液界面和晶

粒大小的影响，确定三种氩气导流系统中的最优方案。在此基础上，设计一种新型氩气导流系统，并分别对

＇

新型氩气导流系统中心孔的不同结构和石墨坩埚上部开口高度h进行数值模拟优化。

2建模及参数设置

采用俄罗斯STＲ公司开发的晶体生长专业模拟软件CGSim，该软件用于DSS法多晶硅生长，所预测的

生长速率、功率消耗、晶体缺陷等已被大量杂质输运、

［1-3，8，15-17，24］

。在DSS法多晶硅炉的物理模型实验证实

中，考虑各部件之间的整体热交换，包括固体内部的导

热、熔体和气体中的对流、各表面之间的辐射、以及液固相变效应。模型也考虑固/液界面的几何形状变化。计算方法采用有限体积法（流体区域）与有限元法（固体区域）结合，详细的建模方法及主要物性参数参见25，26］。文献［

GT-450型多晶硅铸锭炉中的石墨加热器、隔热

图2Fig．2

炉体结构（左）及网格划分（右）Structureoffurnace（left）andthecomputationgrid（right）

DS块、笼、坩埚、支撑杆、石墨电极引脚和氩气出口等

［25］

均为非轴对称结构，按照体积等效和传热等效原则，进行二维轴对称简化，得到如图2（左）所示炉体结构。计算网格约20300个，如图2（右）所示。晶体长×宽×高=840mm×840mm×235mm，总投料450kg，氩气流量20．5slpm，炉内气压600mbar。

3三种氩气导流系统的数值模拟分析

图3为多晶铸锭炉中三种氩气导流结构实物照片。图3a为石墨坩埚上无盖板，图3b为石墨坩埚上部

开小孔且有盖板，图3c为石墨坩埚上部开大孔且有盖板

。

图3Fig．3

三种氩气导流结构实物照片

（a）石墨坩埚上无盖板；（b）石墨坩埚上部开小孔且有盖板；（c）石墨坩埚上部开大孔且有盖板

PhotographsofthreeArflowguidances

3．1

温场和流场分析

图4为三种氩气导流结构坩埚内氩气的温场和流场图

。

图4

Fig．4

三种传统氩气导流结构时，坩埚内氩气的温场和流场图

（a）石墨坩埚上无盖板；（b）石墨坩埚上部开小孔；（c）石墨坩埚上部开大孔

ThermalandflowfieldsofArinthecrucibleinthreetraditionalArflowguide

（1）如图4a所示，石墨坩埚上无盖板时，坩埚内部的氩气形成一个逆时针对流涡胞，氩气外略顶部石墨

加热器和顶部碳毡，会将大量由它们挥发出的CO携带到熔体自由液面，进而使大量C进入熔体。（2）如图4b所示，石墨坩埚上部开小孔时，坩埚内部氩气同样形成一个逆时针的对流涡胞，与图4a相

C复合材料，比，由于有上盖板的限制，对流涡胞较小。上盖板的材料为性能优良的C-它的作用是隔绝上部高温加热器和顶部保温层对石墨坩埚内部氩气的污染。但是由于氩气出口仅为石墨坩埚上部的28个10

mm小孔，携带CO和SiO的氩气不能及时排出，会造成杂质在坩埚内富集，增大多晶硅铸锭中的氧碳含量。（3）如图4c所示，石墨坩埚上部开大孔时，一部分氩气形成一个逆时针对流涡胞，另一部分氩气顺利排出石墨坩埚，可将杂质顺利带离熔体自由液面，从而降低多晶硅中的氧碳含量。（4）如图4a～c椭圆圈内所示，此处的氩气对流情况直接影响石英坩埚与石墨坩埚高温反应生成的产物能否进入坩埚内部。图4a和4b中，由于外部石墨坩埚的遮挡，氩气会携带反应杂质直接进入坩埚内部，不利于多晶硅中杂质的控制。图4c中，由于石墨坩埚高度小于石英坩埚高度，两者的反应杂质会直接被氩气带离坩埚，不会污染坩埚内部。综上所述，对比三种氩气导流结构，图4c石墨坩埚上部开大孔的氩气导流结构更有利于降低多晶硅的杂质含量。3．2固/液界面分析

图5为三种氩气导流结构，晶体高度约为35mm和200mm时固/液界面形状对比图。（1）如图5a所示，晶体生长高度约为35mm时，固/液界面边缘约10%范围内向上凹，其余约90%的中

［27］

心部分向下凹。略向下凹的固/液界面形状更有利于多晶硅生长，原因是可将杂质推向硅锭边缘，最终被切除掉。由于晶粒生长是沿着固/液界面法线方向的，此时晶粒从硅锭中心向边缘生长，有利于获得大晶粒，从而减少晶界，使多晶硅电池效率更高。而向上凹的固/液界面，晶粒从硅锭边缘向中心生长，石英坩埚内壁

不利于电池效率的提高

。面会有很多微晶形核，使晶粒偏小，

图5

Fig．5

三种氩气导流结构，晶体高度约为35mm（a）和200mm（b）时，固/液界面形状对比图

ComparisonoftheinterfaceshapeinthreeArflowguidanceonthecrystalheightof35mm（a）and200mm（b）

（2）与有盖板时的两种开孔情况相比，无盖板时的固/液界面整体下移，且沿径向下移距离逐渐减小，最

大差距在中心处，约为4mm，边缘部分固/液界面相差不大。而对于石墨坩埚上部开小孔和开大孔两种结构对固/液界面影响不大。原因是无盖板时，加热器直接辐射熔体自由液面，且氩气与加热器发生对流换热，进而将热量带到熔体自由液面，使熔体温度更高，不易结晶；有盖板时，盖板阻挡了加热器对熔体的直接辐射，同时坩埚内氩气不能与加热器直接接触，熔体温度相对更低，固/液界面上移。另外，此时熔池较深，石墨坩埚上部开小孔或开大孔这样的微扰不足以大幅度影响固/液界面形状。

（3）如图5b所示，晶体生长高度约为200mm时，固/液界面边缘约30%范围内向上凹，其余约70%的中心部分向下凹。此时熔池较浅，坩埚内氩气的流动和换热对固/液界面影响也更大。石墨坩埚上部开大孔与开小孔相比，由于氩气能够顺利流出坩埚，有更多热量被氩气携带脱离坩埚内部，因此会有更多熔体结晶，生长速率也最快。石墨坩埚上部开大孔与无盖板时的固/液界面差距最大，最大差距在中心处，约为8mm。

4新型氩气导流结构的设计与数值模拟优化

图6为石墨坩埚上部开大孔的氩气导流结构数值模拟图。由图可知，椭圆形A区内会有大量碳从上盖板中直接挥发出来，氩气会将其首先聚集到中心氩气进口管附近，然后随新鲜氩气直接横掠熔体自由液面，碳会与熔硅发生化学反应结合进熔体硅中，不利于多晶硅碳含量的控制。为了克服上述不足，在图6所示的椭圆形B区，扩大上盖板中心孔，在上盖板中心孔与氩气进口管之间形成一圆环形出口，及时将上盖板挥发出来的碳和部分由自由液面挥发出来的氧带离坩埚内部，避免氧碳混入熔硅中

。

图6Fig．6

石墨坩埚上部开大孔的数值模拟图Numericalsimulationpictureofthe

图7Fig．7

中心出口和坩埚上部出口尺寸（mm）Thesize（mm）ofthecenterexitand

uppercrucibleexit

uppergraphitecruciblewithlarge

hole

4．1

中心孔结构的设计与优化

如图7所示，为中心出口和坩埚上部出口尺寸，两者的尺寸均为10mm。为优化中心孔结构，如图8所示，为中心氩气进口管脱离上盖板、与上盖板平齐、伸入上盖板三种情况时，坩埚内氩气的温场和流场图。

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图8中心氩气进口管位置不同时，坩埚内氩气的温场和流场图（a）脱离上盖板；（b）与上盖板平齐；（c）伸入上盖板Fig．8

ThermalandflowfieldsofArinthecruciblewithindifferentpositionsofthecentralArentrytube

（1）如图8a所示，中心氩气进口管脱离上盖板时，椭圆形B区的含杂质氩气流，一部分直接从中心孔流

出坩埚，但还有一部分随着新鲜氩气流到熔体自由液面处。由于氩气中携带大量由上盖板挥发出的碳，因此会有大量碳结合进硅熔体中，进而结合进多晶硅铸锭中，显然对多晶硅锭的氧碳含量控制不利。

（2）如图8b所示，中心氩气进口管与上盖板平齐时，椭圆形B区的含杂质氩气，同样有一部分直接从中心孔流出坩埚，但还有一部分随着新鲜氩气，流到熔体自由液面处，与图8a相比，流到熔体自由液面的含杂质氩气量有所减少。

（3）如图8c所示，中心氩气进口管伸入上盖板时，贴近上盖板流过来的含杂质氩气，大部分从中心孔流出坩埚，而不再流向熔体自由液面，有利于多晶硅铸锭中氧碳的控制。综上所述，对比三种不同中心氩气进口管位置，图8c中心氩气进口管伸入上盖板时更有利于降低多晶硅的杂质含量。4．2

石墨坩埚上部开口高度的设计与优化

＇

20mm，30mm时，图9为石墨坩埚上部开口高度h分别为10mm，坩埚内氩气的温场和流场图

。

图9＇＇＇

石墨坩埚上部开口高度不同时，坩埚内氩气的温场和流场图（a）h1=10mm；（b）h2=20mm；（c）h3=30mm

Fig．9ThermalandflowfieldsofArinthecruciblewithindifferentexitheightontheuppercrucible

＇

（1）对比图9a～c中的椭圆形A区的氩气流动，随着h逐渐增大，A区氩气向坩埚外的流速逐渐减小。＇

当h3=30mm时，氩气不但不会从中心孔排出，甚至会将坩埚外部含更多杂质的氩气倒吸入坩埚内部，这对

多晶硅的氧碳含量控制不利。

＇

（2）对比图9a～c中的椭圆形B区的氩气流动，随着h逐渐增大，B区氩气向坩埚外排出流量越来越多，在相同的氩气进口流量情况下，意味着中心氩气出口向坩埚外排出氩气流量逐渐减小，也就失去了中心从而控制中心出口与侧面出口的氩气排出流量。开口的意义。因此需要控制高度h，

计算出氩气在两个出口的流量，计算公式根据数值模拟结果，可得到中心出口和侧面出口的平均流速，如式（1）所示：

Q=3600V·A

—

—

＇

（1）

V为面积A范围内垂直于出口截面的平均流速。其中A为氩气出口的横截面积，

表1为不同石墨坩埚上部开口高度时，中心和侧面出口排出氩气的流量及其所占比例。由表1可知，随＇

着h的增大，中心出口排出氩气的流量及其所占比例逐渐减小，而侧面出口正好相反。因此要根据所需中心