热屏优化对大直径单晶硅生长影响的数值模拟

通过对28英寸热场生长300 mm硅单晶过程中结晶速率、固液界面形状、晶体中热应力及晶体中氧含量的数值计算提出了在该热场条件下热屏的优化方案。数值计算结果表明:对热屏底端与晶体表面和熔体自由液面的距离以及热屏材料(优化前热屏使用单一石墨材料,优化后采用辐射率较高的内壁材料结合反射率较高的外壁材料组成复合式热屏)的优化可以减少主加热器对晶体的热辐射使得固液界面更加平坦,藉此增加结晶速率,减小晶体内热应力和熔体中氧含量。     

单晶炉导流筒、热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟

在CZ法生长太阳能级单晶硅中,单晶炉的导流筒、热屏和炭毡对晶体生长有很大影响.通过对上述三个部件进行改进优化,并通过数值模拟对优化前后晶体和熔体的热场、热屏外表面与石英坩埚内壁面之间的氩气流场以及晶体中的热应力进行分析,得出以下结论:石墨导流筒的引入减少了炉体上部的氩气流动涡胞,进而减少了SiO在单晶炉上部的沉积;优化后的热屏减少了加热器对晶体的烘烤,使结晶速率加快;优化后的侧壁炭毡阻止了加热器向上部的热损失.优化后在加热器功耗不变时,结晶速率至少可提高35;,而不增加宏观位错的发生概率.     

不同磁场对大直径单晶硅生长中的动量与热量输运影响的数值分析

本文采用紊流模型对大直径单晶硅在垂直磁场及勾形磁场作用时熔体内动量及热量输运作了数值模拟.采用有限体积法离散控制方程,采用SIMPLE((Semi-implicit Method for Pressure Linked Equations)算法耦合压力和速度场.对无磁场、垂直磁场及勾形磁场作用下熔体内的传输特性进行了比较.数值计算结果表明,垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效应.垂直磁场强度过大,不利于晶体生长.随着勾形磁场强度的增加,熔体内子午面上的流动减弱,并且紊流强度也相应降低.     

热屏结构对泡生法蓝宝石单晶炉功率影响研究

蓝宝石晶体因优异的综合性能被广泛用于航空航天等高性能要求领域.泡生法是目前生产大直径蓝宝石单晶的主要方法,热场对生产工艺、产品质量和单晶炉功率具有重要影响;并将影响生产成本.本文对氧化锆及钼金属组合式热屏中氧化锆材料内置、外置及材料不同组合方式对泡生法蓝宝石单晶炉功率的影响进行研究,得到合理的热场结构;并与实际生产结果进行验证.结果表明:相比于传统的15层钼保温结构,加入氧化锆保温层会明显降低单晶炉能耗,其中氧化锆内置的热场结构对单晶炉能耗降低影响更为明显;随着氧化锆层由0增加至15层,单晶炉能耗显著降低,相比传统15层钼保温结构,15层氧化锆保温结构炉体功率降低了38;.     

热屏和后继加热器对生长φ300mm硅单晶热场影响的数值分析

本文采用有限体积元法软件CrysVUn对直拉法生长直径300mm硅单晶热场和热应力分布进行了模拟。后继加热器通过补充晶体径向的热散失,使得沿生长界面径向的由熔体向晶体的热输运实现平衡,使晶体生长界面更加平坦。随着热屏材料热辐射率的降低,晶体生长界面趋于平坦,生长界面上方热应力水平也随着热屏材料辐射率的减小而下降,使用内层高辐射率材料、外层低辐射率材料的复合式热屏结构进一步降低了晶体生长界面中心高度。     

热屏间距对泡生法蓝宝石单晶生长影响研究

太空、军事和科研等高科技领域的持续发展极大促进了对蓝宝石晶体的需求,泡生法是蓝宝石晶体的主要制造方法之一;热场结构对所得蓝宝石晶体的质量具有重要影响.本文对采用泡生法工艺制造蓝宝石单晶过程中,具有内置7层氧化锆外置8层钼金属的新型热屏结构间距进行研究.通过数值模拟考察热屏间距对单晶炉功率、固-液界面形状和晶体热应力的影响确定了合理的热场结构;并与试验生产结果进行对比验证.结果表明:热屏间距增大使得单晶炉功率明显提升,并引起固-液界面凸度增大;而蓝宝石晶体热应力出现减小.综合考察三个影响因素的影响,最后确定热屏间距为5 mm时单晶炉能耗较低,可用于制造高质量的蓝宝石晶体.     

勾形磁场下提拉法生产单晶硅的数值模拟

本文给出了提拉单晶硅时,勾形磁场强度的计算公式,并对单晶硅在有无勾形磁场情况下熔体内流场和氧的浓度分布进行了数值模拟,计算出磁场作用下磁场强度和洛伦兹力及有无磁场时流函数、垂直截面处的速度场和氧的浓度分布.通过分析表明,勾形磁场能使流动更为平稳,能有效地降低熔体内及生长界面氧的浓度,并对产生这一现象的机理作了理论分析.     

大直径硅单晶生长过程中固/液界面形状及熔体流动的数值分析

数值模拟技术是提升大直径硅单晶质量、降低晶体制备成本的有效工具.利用切克劳斯基法生长硅单晶时,固/液界面的形变程度是衡量晶体质量的关键参数.由于单晶炉体内的高温环境导致对界面的直接观察极为困难,因此本文采用有限元法对生长16英寸直径硅单晶过程中,不同生长阶段的固/液界面形状及熔体流动情况进行计算.数值计算结果表明:在本文所用的热场及工艺参数条件下,随着晶体长度的不断增加,固/液界面的形变量增加同时晶体内部的热应力加大;通过对晶体提拉速率及晶体转速-坩埚转速的比值的调整,我们发现,降低晶体的提拉速率以及精确的控制转速比可以使晶体各个阶段都获得比较理想的界面形状.     

热屏位置对直拉硅单晶V/G、点缺陷和热应力影响的模拟

为了研究热屏位置对φ200 mm直拉硅单晶V/G、原生点缺陷浓度场以及热应力场的影响,使用CGSim有限元模拟软件进行了系统模拟.结果表明:热屏位置对硅单晶的V/G和原生点缺陷浓度的径向分布规律没有影响;较热屏至晶体侧表面距离相比,其底端至熔体表面距离的影响更大,即随着它的增加,V/G值沿径向普遍增大且由内向外变化程度增强,晶体心部高浓度空位区扩大,最大热应力减小.合理控制热屏底端至熔体表面的距离可有效改善晶体质量.     

单晶硅制绒中影响金字塔结构因素的分析

本文通过不同碱性溶液及添加不同活性剂制备出的具有不同金字塔结构的绒面,并探讨了影响金字塔成核的因素.采用扫描电镜和紫外-可见分光光度计对绒面的金字塔结构和反射特性进行了分析,结果表明腐蚀速率与金字塔尺寸成正比,金字塔结构影响绒面减反特性.最后对造成金字塔结构差异的原因和金字塔成核过程进行了分析.     

基于贝叶斯参数优化的无模型自适应硅单晶直径控制

直拉硅单晶的生长过程涉及多场多相耦合与复杂的物理化学变化,其中工艺参数的波动是导致晶体直径不均匀的重要原因,如何实现工艺参数的控制以获得理想的、均匀的晶体直径具有重要的研究意义。本文分析现有控制方法存在不稳定以及控制效果不佳的问题后,提出基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制模型来控制硅单晶生长过程中的晶体直径。首先以坩埚上升速度与加热器的功率作为控制输入参数,晶体直径作为输出,搭建无模型自适应控制模型,并分析算法的稳定性。其次将控制模型进行仿真实验,发现硅单晶直径控制模型中不同的超参数设定会影响控制过程的迭代次数以及控制效果。最后,利用贝叶斯优化超参数的取值范围,并进行最终的仿真实验,结果表明,经贝叶斯参数优化后的控制模型计算快、迭代次数少,输出的晶体直径稳定,同时将生长工艺参数控制在实际生产要求范围内。因此,基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制实现了硅单晶直径均匀稳定的有效控制,具有结合工程背景的实际应用前景。     

单晶硅外延生长晶化硅薄膜的研究

采用P型单晶硅片为衬底,并经混合酸溶液腐蚀抛光、清洗后,利用射频磁控溅射镀膜系统在其表面制备非晶硅薄膜;再结合快速光热退火工艺,于N2气氛下480℃退火30 min,得到晶化硅薄膜;利用光学金相显微镜、XRD衍射仪和拉曼散射光谱(Raman)仪对单晶硅衬底和晶化硅薄膜进行结构和性能表征.研究了混合酸溶液对单晶硅表面腐蚀效果、籽晶诱导外延生长晶化硅薄膜的物相结构和薄膜带隙.结果表明:采用混合酸溶液腐蚀后得到表面平整、光滑的单晶硅衬底;非晶硅薄膜经过快速退火后受籽晶诱导生成晶化硅薄膜,其晶相沿单晶硅衬底取向择优生长;随着非晶硅薄膜厚度从80 nm增加到280 nm,晶化后硅薄膜的表面粗糙度逐渐减小,晶化率从90.0;逐渐降低到37.0;;晶粒尺寸从6.65 nm逐渐减小到1.71 nm;带隙从1.18 eV逐渐升高到1.52 eV.     

多孔硅吸杂对单晶硅片电性能的影响

多孔硅吸杂是减少晶体硅中杂质和缺陷,提高太阳能电池转换效率的有效方法.本文采用电化学腐蚀方法在单晶硅片上制备多孔硅.通过观察多孔硅的形貌、孔隙率、多孔层厚度及单晶硅片的电阻率变化,研究不同的腐蚀时间对制备多孔硅的吸杂效果的影响,并分析多孔硅吸杂的机理.结果表明,在J=100 mA/cm2条件下腐蚀时间为30 min、40 min、50 min、60 min吸杂处理后,电阻率均提高,且随着腐蚀时间的增加,电阻率相应增加,与多孔硅的形貌、孔隙率和多孔层厚度的变化趋势一致.多孔硅形成伴随弹性机械应力出现,随腐蚀时间增加,应力增加,晶格常数相应增加,这都有利于缺陷和金属杂质在多孔硅层-基底界面处迁移和富集,导致单晶硅吸杂后电阻率增大.     

热屏位置影响直拉单晶硅熔体和固液界面的模拟

为了研究热屏位置对于直拉单晶硅的熔体和固液界面的影响,采用CGSim有限元软件对φ200 mm直拉单晶硅生长过程进行了模拟,结果表明,随着热屏底端位置上升(或径向内移),熔体自由表面及其邻近区域的温度下降;随着热屏底端位置径向内移,位于两个大涡胞之间的较小涡胞强度增大且移向熔体液面深处;热屏位置上升或径向外移均会使固液界面上凸程度增大,这主要归因于晶体热场的相应变化.     

快速制备单晶Si片绒面的研究

太阳电池单晶Si片表面制绒已是一项成熟的工艺,但普遍制绒时间较长.为提高制绒效率,本课题研究了较短时间内NaOH/ 异丙醇(IPA)体系制绒时的温度、时间、溶液组分对绒面的影响,以及制绒前去损伤的优劣.最终实现了,在含2.5;NaOH(质量百分比,下同)和10;IPA的溶液中,80℃恒温处理15 min即可制备出比较均匀的绒面.溶液中加入3;Na2SiO3,效果更佳,反射率最低可达9.5;.并发现去损伤后制绒效果并不理想,同时还研究了表面活性剂1,4-环己二醇(CHX)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)代替异丙醇制绒.研究发现,异内醇仍然是性价比较好的添加剂.     

旋转对Cz法硅晶生长过程中热输运和熔体流动影响的数值模拟

建立了一个120 kg单晶炉的二维轴对称全局模型,分别对无旋转、加入晶体旋转、加入坩埚旋转、同时加入晶体旋转和坩埚旋转的四种工况展开了数值模拟研究.得到了晶体旋转及坩埚旋转对晶体生长过程的拉晶功率、炉内温度分布和熔体流动的影响;得到了不同晶体长度下拉晶炉内的温度分布以及熔体流动的变化规律.结果显示,加入晶体旋转对晶体生长过程的拉晶功率、温度分布和熔体流动的影响小于坩埚旋转的影响;随着晶体长度的增加,晶体旋转及坩埚旋转对温度分布和熔体流动的影响不断减小.因此在单晶炉设计和优化过程中应考虑整个晶体生长过程.