直拉法单晶炉随动式加热器设计

单晶炉是一种在以高纯氩气为主的惰性气体环境中,用石墨热场加热,将多晶硅材料加以熔化,用直拉法生长单晶硅的设备,在太阳能单晶硅拉制的过程中,如何提高拉晶的速度和质量以及降低设备的能耗一直是单晶硅厂家永恒的追求。本文从机械结构的角度分析了坩埚上升在单晶炉拉晶过程中所造成的拉晶速度下降和额外能耗问题,在此问题的基础上提出了一种加热器随坩埚在拉晶过程中上升的单晶炉结构优化方法,并通过有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及拉晶过程中加热器功率进行分析。结果表明,改进后的单晶炉不仅可以提高拉晶过程的稳定性和拉晶速度,从而进一步提高单晶炉的拉晶质量和产量,而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。     

直拉单晶炉加热系统的优化设计与分析

降低单晶硅电池的生产成本,是提高光伏产业效益的关键。在等径拉晶过程中,采用分段加热可以减少加热器的输出功率,降低加热系统的能耗。本文在分析单晶硅拉晶过程中加热区域及能耗的基础上,提出细分加热器结构改进加热电路对单晶炉加热系统进行优化。实验设计了两段加热和三段加热两种模型(即方案1和方案2),并分别将其导入有限元仿真软件进行模拟实验。结果表明,两段加热对拉晶过程的影响较大,三段加热对拉晶过程的影响较小,后者更能保证拉晶过程的稳定进行。能耗计算发现,前者能耗降低为6.98％,而后者能耗降低达到了9.49％。因此,采用三段加热的优化设计更有利于降低光伏企业的生产成本。     

高拉速对?300 mm单晶硅点缺陷分布及生产能耗的影响

大尺寸直拉单晶硅的“增效降本”是当前光伏企业急需解决的问题。本文采用有限元体积法对?300 mm直拉单晶硅生长过程分别进行稳态和非稳态全局模拟，研究提高拉晶速率对直拉单晶硅生长过程中的固液界面、点缺陷分布以及生长能耗的影响。结果表明：拉晶速率提高为1.6 mm/min时固液界面的偏移量为33 mm,不会影响晶体的稳定生长；拉晶速率对晶体中点缺陷的分布起决定性作用，提高拉晶速率不仅能降低自间隙点缺陷的浓度，而且使晶棒内V/G始终高于临界值；且拉晶速率对功率消耗影响较大，提高拉晶速率后晶体生长时间减少了46.4%,单根晶体生长消耗功率降低了约4.97%。优化和控制适宜的拉晶速率有利于低成本地生长特定点缺陷分布甚至无点缺陷单晶硅，为提高大尺寸直拉单晶硅质量、降低生产能耗提供一定的理论支持。     

基于数据驱动的晶体直径模型辨识方法研究

直拉法硅单晶生长是一个多场多相耦合、物理变化复杂,且具有大滞后和非线性现象的过程,基于单晶硅生长系统内部机理所构建的机理模型由于存在诸多假设而无法应用于工程实际。因此,本文以现有CL120-97单晶炉拉晶车间的长期、海量晶体生长数据为基础,忽略炉内复杂的晶体生长环境,对影响晶体直径的拉晶参数进行关联性分析及特征量化,探寻拉晶数据中所蕴藏的规律信息,进而建立基于数据驱动的BP神经网络晶体直径预测模型,并针对现有BP神经网络易陷入局部极小值的问题,采用遗传算法对BP神经网络的阈值和权值进行优化,以提高晶体直径预测的准确性。通过实际拉晶数据对模型预测结果进行验证,结果表明,对任意选取的8组拉晶数据进行直径预测,预测的平均相对百分比误差为0.095 71%,证明该模型对于等径阶段晶体直径的预测是可行的。     

氩气流速对400 mm大直径磁场直拉单晶硅固液界面、热应力及氧含量的影响

大直径化是太阳能光伏用单晶硅发展的趋势之一.由于炉体结构的增大,炉内气体流场的变化对晶硅生长过程产生了一定的影响.本文采用CGSim晶体生长软件,系统分析了氩气进口流速对固液界面,热应力和晶体氧含量的影响.结果表明,随氩气流速的增加,固液界面高度逐渐下降,当氩气流速为中等范围时,固液界面波动最低,有利于提高拉晶过程的稳定性;另一方面,三相交界处热应力最大值随氩气流速的增加而降低,固液界面热应力波动幅度随氩气流速的增加而增加,综合两方面考虑,确定采用中等氩气流速(0.9～1.5 m·s-1)工艺可有效避免断晶等缺陷的发生.同时,在中等氩气流速范围内,晶体中心处的氧含量下降至6.55×1017 atm/cm3(氩气流速为1.5m·s-1时),与低氩气流速时相比,氧含量降低了18;.     

改进型单晶炉提拉系统偏心平衡研究

随着光伏行业的快速发展, 对硅单晶的品质和长晶装备的稳定性的要求也不断提高。直拉法是生产硅单晶的主要方法,通过提高单晶炉副室的高度以扩大单晶硅的生产规模。由于副室高度的大幅增加,且单晶炉提拉头质心相对于旋转轴心有一定距离,对单晶炉整体稳定性有较大影响,从而降低了单晶硅的生产质量。针对此问题,对单晶炉建立可靠的力学分析模型,采用数值仿真方法,对单晶炉整体进行动力学响应分析,计算得到副室高度增加后的单晶炉工作时中钨丝绳下端晶棒的运动规律以及最大摆动幅度,为改进设计提供依据。数值仿真分析表明提高单晶炉副室高度后,提拉头较大的质心偏心是单晶炉提拉系统发生摆动的主要原因。在此基础上提出在提拉头上添加质心调节装置,通过控制系统调节可保证提拉头质心位置在旋转轴线上以降低提拉系统的摆动。     

半导体所在单晶硅太阳电池研究中获得突破

由半导体所韩培德研究员领导的光伏能源组,在国家纵向经费和自筹经费的支持下,瞄准光伏企业需求,经过多年苦战,综合了入射光减反技术、钝化技术、选择性发射极技术、背面局部重掺技术等优点,在单晶硅衬底上研发出效率高达20.0%的太阳电池(短路电流密度JSC=43.9mA/cm2,开路电压VOC=602mV,填充因子FF=0.758),并经中国计量科学研究院认证。     

直拉硅单晶放肩过程的有限元数值模拟与控制参数研究

放肩是直拉法生长硅单晶保持无位错生长的过程,是晶体能够顺利进入等径生长的关键.生产实践中发现,在放肩前段经常出现液流线切人晶体随之变晶的现象.本文提出了放肩前期的变晶转拉晶工艺,采用有限元数值模拟的方法计算出熔体热对流及温度分布,给出了固液界面附近熔体中的流速变化规律,解释了液流线的成因,通过仿真结果和拉晶实验结果表明该方法的有效性.     

不同驱动力对Cz硅生长中熔体对流影响的数值模拟研究

为了确定Cz单晶硅生长各种驱动力对熔体对流及固/液界面形状的影响,利用CGSim软件,对典型的Cz单晶硅生长中的熔体对流进行数值模拟.研究了重力、表面张力、平流力、晶转、埚转和氩气剪切力等各种驱动力的大小对熔体对流涡胞、涡胞强度、界面形状、温度分布的影响.结果表明:各种驱动力对熔体对流的影响大小依次为:浮力＞表面张力＞晶转力＞氩气剪切力＞埚转力＞平流力;浮力和表面张力使熔体产生一沿坩埚壁上升、从固/液界面附近下降的涡胞,晶转力和氩气剪切力使熔体产生与前面反方向的涡胞,而埚转力产生多个不同流向的对流涡胞,使熔体混合更加均匀,熔体凝固引起的平流力对熔体对流影响不大;增大埚转,熔体中涡胞数量更多、对流换热更充分、温度梯度更小、熔体内的最高温度更低,有利于减少石英坩埚氧的熔解,但界面更向下凹;增大晶转,熔体内的最高温度无明显变化;固定埚转Ωc=-10 r/min,晶转存在一临界值Ωs(C)=60～ 80 r/min,当Ωs＜Ωs(C)时,增大晶转,固/液界面更向上凹,当Ωs＞Ωs(C)时,增大晶转,固/液界面更向下凹.     

大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟

为了降低大直径硅单晶生长过程中氧的引入,对常规的406mm(16英寸)热场进行了改造.设计了以矮加热器为核心的复合式加热器系统,使晶体生长过程中熔体热对流减小.通过对热场的数值模拟计算,分析了热场的温度分布,发现熔体的纵向温度梯度下降,熔体热对流减小,硅单晶中氧含量降低.     

红外LED用GaAs单晶的垂直梯度凝固制备研究

GaAs单晶是当前光电子器件的主要衬底材料之一,在红外LED中有着重要应用。但杂质浓度高、迁移率低等缺点会严重影响红外LED器件性能。为生产出低杂质浓度、高迁移率、载流子分布均匀、高利用率的红外LED用掺硅垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶,本文研究了热场分布、合成舟和炉膛材质、工艺参数对单晶的成晶质量、杂质浓度、迁移率、载流子分布的影响。利用CGSim软件对单晶生长热场系统进行数值模拟研究,温区一至温区六长度比例为8∶12∶9∶5∶5∶7时,恒温区达到最长,位错密度达到1 000 cm^-2以下,成晶率达到85%。采用打毛石英合成舟进行GaAs合成,用莫来石炉膛替代石英炉膛,可以获得迁移率整体高于3 000 cm²/(V·s)的GaAs单晶,满足红外LED使用要求。对单晶生长工艺参数展开研究,采用提高头部生长速度、降低尾部生长速度的方式提高单晶轴向载流子浓度均匀性,头尾部载流子浓度差降低33%,尾部迁移率从2 900 cm²/(V·s)提高到3 560 cm²/(V·s)。单晶有效利用长度提高33...     

ø300 mm直拉硅单晶生长过程中的变晶现象及其影响因素

直拉法生长直径300 mm硅单晶过程中,直径均匀是获得高品质硅单晶的关键。在生产实践中发现,当硅晶体进入等径生长阶段,过高的提拉速度会引起晶体发生扭晶现象,导致晶线断裂随即变晶,对等径生长不利。本文采用数值模拟和理论相结合的方法分析了ø300 mm硅单晶生长过程中扭晶现象的成因,建立了不同提拉速度下晶体直径与熔体温度分布的关系,分析了晶体发生扭晶的影响因素。结果表明,随着提拉速度的增加,熔体自由表面产生过冷区且该过冷区随提拉速度的增加不断扩大,过冷区的产生是导致晶体发生扭晶的主要原因。提出了一种基于有限元热场数值模拟的最大稳定提拉速度的判别方法,并给出了通过改变晶体旋转速度来改善熔体自由表面温度分布的工艺措施建议,从而避免晶体扭晶现象的发生。研究结果对设计大尺寸硅单晶生长热场具有一定的指导作用。     

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.     

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;.     

Global heat loss and thermal stress analysis in Czochralski crystal growth

Based on our invention of an energy‐efficient Czochalski crystal growth furnace, a 2D‐axisymmetric numerical simulation model of LiNbO₃ crystal growth is developed. The heat transfer, melt and gas flow, radiation and the interface deflection have been examined. Heat losses in the furnace and the insulator, as well as the heating power and thermal stress distribution at three stages of crystal growth are calculated in detail. It is found that a large proportion of heat dissipates through the water‐cooling system, and at the steel shell of the furnace, gas convection heat transfer is the major cooling mechanism. Less heat dissipation by radiation and more heat flux by gas convection to the crystal sidewall results in a larger concentrated thermal stress, which may induce large crystal cracks in the growth process. The simulation results of heating power are in coincidence with the actual power of our furnace, which verifies the feasibility of our model. The detailed information with respect to the device obtained from simulation can help to optimize the energy‐saving design and growth process.     

基于NARX动态神经网络直拉硅单晶直径预测模型

直拉法在制备硅单晶的过程中存在机理假设多、多场耦合下边界条件不明确和化学变化交错且相互影响等问题,导致无法建立准确的机理模型用于硅单晶生长过程控制。针对此问题,本文以单晶炉拉晶车间的大量晶体生长数据为基础,基于互信息理论提出的最大信息系数(MIC)算法,对与晶体直径相关的特征参数进行分析,然后基于带外源输入的非线性自回归(NARX)动态神经网络,建立多输入单输出的等径阶段晶体直径预测模型,并对三台单晶炉拉晶数据进行直径预测,预测的平均均方误差值为0.000 774。最后将NARX动态神经网络同反向传播(BP)神经网络进行对比分析,验证了该模型的优越性。结果表明,NARX动态神经网络为晶体直径的控制提供了一种更准确的辨识模型。