复合式导流系统在CZ-Si单晶生长中的应用

赵智强+刘要普

摘要光伏发电作为新的能源来源已经被广泛采用，单晶硅光伏电池拥有高的转换效率，长期以来受高端用户的追捧。但成本问题和产能问题一直限制着单晶硅光伏产业的发展。文章阐述了限制硅单晶生产成本和产能主要因素，并通过四个连续步骤的试验改进现在通用的硅单晶生产热场系统，通过实习工业生产中在统计数据的对比证明了改进热场系统在提高产能和降低成本方面的巨大优势。

关键词硅单晶；热场系统；提高拉速；降低功率

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0065-02

能源短缺压力的增加，促使人们对新的替代能源的研究不断地加深。其中光伏发电技术在近几年得到了长足的发展，高转换效率的单晶硅太阳能电池是光伏家庭的重要成员，但过高的生产成本一直是限制单晶硅太阳能电池拓展的最大阻力。目前降低单晶硅生产成本的主要研究方向有：增大单炉投料量，降低单晶生长过程能源消耗和提高晶体的生长速度。本文介绍了影响CZ-Si单晶生长速度的各种因素，并对国产TDR-95单晶炉热系统进行了多步骤的改进，收集了各种改进前后的实验数据，并对不同热系统下晶体生长的数据进行对比分析，对提高单晶生长速率的技术在工业生产中的应用进行了研究。

1实验

本实验的目的是研究各种热场改进技术在工业生产中的应用。本实验是在主流国产Si单晶生产设备TDR-95型单晶炉上进行的。采用不同的500 mm热系统生产直径为200 mm的P型〈100〉Si单晶。本实验以降低能耗提高晶体生长速度为目的对热系统进行了不同的改变，具体为：1）应用复合式薄热屏的热场系统[1]；2）应用复合式厚热屏的热场系统；3）复合式厚热屏加导流桶的热场系统；4）复合式厚热屏、导流筒加隔热板的热场系统。热系统改造过程见图1。

2实验设计的理论基础

2.1 理论基础

CZ-Si单晶的生长过程是Si由熔体到晶体的一个顺序凝固过程，这个过程可演示为：

坩埚深层高温熔体——降温——界面过冷熔体——结晶潜热释放——晶体

从演示图中可以看出晶体生长速度的大小取决于两个因素：结晶潜热散失速度和坩埚中深层高温熔体降温补充界面过冷熔体的速度[2]。

晶体生长速度越快释放出的结晶潜热就越多，加快结晶潜热的散失是维持晶体高速生长过程中的温度平衡保证过程持续进行的关键，结晶潜热的散失受到晶体纵向温度梯度和系统内氩气的流向及流速的影响，高的晶体纵向温度梯度能够加快结晶潜热的散失，快速流动的氩气在增加晶体纵向温度梯度的同时也能从固液交界面处带走结晶潜热。

过冷熔体能够得到迅速补充是晶体高速生长的另一条件，深层熔体降温成为过冷熔体的速度取决于熔体的纵向温度梯度，小的熔体纵向温度梯度可以使深层熔体很迅速的就降温转化为界面的过冷熔体，进而生长成晶体。

2.2 研究方向

我们对提高晶体生长速度的研究主要围绕氩气导流、增大晶体纵向温度梯度和降低熔体纵向温度梯度的方向展开。氩气在直拉硅单晶生长中起重要作用，最初氩气在单晶炉的流动是为了带走挥发的氧化物杂质。近来针对氩气在提高晶体生长速度方面的研究越来越深入，这是因为氩气流动可加快晶棒散热，增加晶棒纵向温度梯度促进结晶潜热的释放，加强氩气流动带走热量的能力就能增加晶体纵向温度梯度进而提高晶体生长速度。对氩气导流，让氩气按照我们需要的路线高速流动，这是我们在实验中逐步改进热场的主要方向[3]。晶体生长速度的提高还要求固液交界面处的过冷熔体能够得到快速的补充，更低的熔体纵向温度梯度也是我们在提高硅单晶生长速度的研究中的重要方向。

3结果和讨论

图2是试验每个阶段系统和工艺匹配稳定后拉速的实测数据。

在热场中加入热屏使大直径无位错硅单晶工业化生产的成功实现，试验中我们用厚的复合热屏代替薄的复合热屏后，平均拉速提高了0.1 mm/min。这是因为厚热屏能更有效地阻止加热器的热量对晶体的辐射，熔体的热量对单晶棒的辐射也大幅降低，使晶体的纵向温度梯度明显增大。热屏改变了热场中局部氩气的紊流流动，氩气流速增加，氩气沿着晶体表面流动，对晶体的直接冷却加强。热屏和固液交界面之间的空隙变小加强了氩气对固液交界面的吹拂，减弱了固液界面处的热辐射，还持续的带走结晶潜热，让界面处的温度更加稳定。

导流筒的引入是对热屏改善氩气流速和流向的进一步加强，因为氩气在热屏上方的空间里的流动形成涡流，降低了氩气的流速，限制了晶体生长速度的提高。导流筒引入后，炉膛分成了内外两个空间，氩气受导流筒和热屏限制紧贴晶棒表面流动，然后从热屏下口和熔体表面的缝隙通过，氩气的方向性更加明确流速进一步增加，从实验数据表上可以看出增加了导流筒的热场系统，晶体平均生长速度大幅提高了0.2 mm/min，达到了1.0 mm/min。

提高晶体生长速度的另外一个条件是熔体纵向温度梯度尽可能小。增加隔热板能有效的阻止加热器热量向炉底辐射，还能阻止坩埚热量对炉底的辐射，加强了热系统的保温。实验中增加隔热板后晶体等径生长阶段功率为40-60 kW，与无隔热板的50-70 kW相比平均降低了10 kW。加热器功率的降低直接造成了熔体纵向温度梯度的降低，对比试验3和4的拉速变化曲线，可以看出采用隔热板后，平均拉速增加了0.1 mm/min。

4结论

在CZ-Si晶体生长系统中采用增厚热屏和导流筒系统可让氩气按照我们的需求的轨迹流动，并提高氩气流速，减弱热系统内各部分的相互辐射，增大晶体的纵向温度梯度，加快结晶潜热散失，增加隔热板保温系统降低了拉晶功率，降低了熔体纵向温度梯度，两个系统同时作用可大幅提高晶体生长速度，平均拉速从薄壁热屏系统的0.7 mm/min提高到复合导流系统的1.1 mm/min。长晶期间平均能耗降低到50 kW以下。

参考文献

[1]任丙彦，赵龙，等.复合式热屏对直径200 mmCZSi单晶生长速度和氧含量的影响[J].半导体学报，2005，26（9）：1764-1767.

[2]任丙彦，羊建坤，等.直径200 mm太阳能用直拉硅单晶生长速率研究[J].半导体技术，2005，32（2）：106-120.

[3]黄有志，王丽.直拉单晶硅工业技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

endprint

摘要光伏发电作为新的能源来源已经被广泛采用，单晶硅光伏电池拥有高的转换效率，长期以来受高端用户的追捧。但成本问题和产能问题一直限制着单晶硅光伏产业的发展。文章阐述了限制硅单晶生产成本和产能主要因素，并通过四个连续步骤的试验改进现在通用的硅单晶生产热场系统，通过实习工业生产中在统计数据的对比证明了改进热场系统在提高产能和降低成本方面的巨大优势。

关键词硅单晶；热场系统；提高拉速；降低功率

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0065-02

能源短缺压力的增加，促使人们对新的替代能源的研究不断地加深。其中光伏发电技术在近几年得到了长足的发展，高转换效率的单晶硅太阳能电池是光伏家庭的重要成员，但过高的生产成本一直是限制单晶硅太阳能电池拓展的最大阻力。目前降低单晶硅生产成本的主要研究方向有：增大单炉投料量，降低单晶生长过程能源消耗和提高晶体的生长速度。本文介绍了影响CZ-Si单晶生长速度的各种因素，并对国产TDR-95单晶炉热系统进行了多步骤的改进，收集了各种改进前后的实验数据，并对不同热系统下晶体生长的数据进行对比分析，对提高单晶生长速率的技术在工业生产中的应用进行了研究。

1实验

本实验的目的是研究各种热场改进技术在工业生产中的应用。本实验是在主流国产Si单晶生产设备TDR-95型单晶炉上进行的。采用不同的500 mm热系统生产直径为200 mm的P型〈100〉Si单晶。本实验以降低能耗提高晶体生长速度为目的对热系统进行了不同的改变，具体为：1）应用复合式薄热屏的热场系统[1]；2）应用复合式厚热屏的热场系统；3）复合式厚热屏加导流桶的热场系统；4）复合式厚热屏、导流筒加隔热板的热场系统。热系统改造过程见图1。

2实验设计的理论基础

2.1 理论基础

CZ-Si单晶的生长过程是Si由熔体到晶体的一个顺序凝固过程，这个过程可演示为：

坩埚深层高温熔体——降温——界面过冷熔体——结晶潜热释放——晶体

从演示图中可以看出晶体生长速度的大小取决于两个因素：结晶潜热散失速度和坩埚中深层高温熔体降温补充界面过冷熔体的速度[2]。

晶体生长速度越快释放出的结晶潜热就越多，加快结晶潜热的散失是维持晶体高速生长过程中的温度平衡保证过程持续进行的关键，结晶潜热的散失受到晶体纵向温度梯度和系统内氩气的流向及流速的影响，高的晶体纵向温度梯度能够加快结晶潜热的散失，快速流动的氩气在增加晶体纵向温度梯度的同时也能从固液交界面处带走结晶潜热。

过冷熔体能够得到迅速补充是晶体高速生长的另一条件，深层熔体降温成为过冷熔体的速度取决于熔体的纵向温度梯度，小的熔体纵向温度梯度可以使深层熔体很迅速的就降温转化为界面的过冷熔体，进而生长成晶体。

2.2 研究方向

我们对提高晶体生长速度的研究主要围绕氩气导流、增大晶体纵向温度梯度和降低熔体纵向温度梯度的方向展开。氩气在直拉硅单晶生长中起重要作用，最初氩气在单晶炉的流动是为了带走挥发的氧化物杂质。近来针对氩气在提高晶体生长速度方面的研究越来越深入，这是因为氩气流动可加快晶棒散热，增加晶棒纵向温度梯度促进结晶潜热的释放，加强氩气流动带走热量的能力就能增加晶体纵向温度梯度进而提高晶体生长速度。对氩气导流，让氩气按照我们需要的路线高速流动，这是我们在实验中逐步改进热场的主要方向[3]。晶体生长速度的提高还要求固液交界面处的过冷熔体能够得到快速的补充，更低的熔体纵向温度梯度也是我们在提高硅单晶生长速度的研究中的重要方向。

3结果和讨论

图2是试验每个阶段系统和工艺匹配稳定后拉速的实测数据。

在热场中加入热屏使大直径无位错硅单晶工业化生产的成功实现，试验中我们用厚的复合热屏代替薄的复合热屏后，平均拉速提高了0.1 mm/min。这是因为厚热屏能更有效地阻止加热器的热量对晶体的辐射，熔体的热量对单晶棒的辐射也大幅降低，使晶体的纵向温度梯度明显增大。热屏改变了热场中局部氩气的紊流流动，氩气流速增加，氩气沿着晶体表面流动，对晶体的直接冷却加强。热屏和固液交界面之间的空隙变小加强了氩气对固液交界面的吹拂，减弱了固液界面处的热辐射，还持续的带走结晶潜热，让界面处的温度更加稳定。

导流筒的引入是对热屏改善氩气流速和流向的进一步加强，因为氩气在热屏上方的空间里的流动形成涡流，降低了氩气的流速，限制了晶体生长速度的提高。导流筒引入后，炉膛分成了内外两个空间，氩气受导流筒和热屏限制紧贴晶棒表面流动，然后从热屏下口和熔体表面的缝隙通过，氩气的方向性更加明确流速进一步增加，从实验数据表上可以看出增加了导流筒的热场系统，晶体平均生长速度大幅提高了0.2 mm/min，达到了1.0 mm/min。

提高晶体生长速度的另外一个条件是熔体纵向温度梯度尽可能小。增加隔热板能有效的阻止加热器热量向炉底辐射，还能阻止坩埚热量对炉底的辐射，加强了热系统的保温。实验中增加隔热板后晶体等径生长阶段功率为40-60 kW，与无隔热板的50-70 kW相比平均降低了10 kW。加热器功率的降低直接造成了熔体纵向温度梯度的降低，对比试验3和4的拉速变化曲线，可以看出采用隔热板后，平均拉速增加了0.1 mm/min。

4结论

在CZ-Si晶体生长系统中采用增厚热屏和导流筒系统可让氩气按照我们的需求的轨迹流动，并提高氩气流速，减弱热系统内各部分的相互辐射，增大晶体的纵向温度梯度，加快结晶潜热散失，增加隔热板保温系统降低了拉晶功率，降低了熔体纵向温度梯度，两个系统同时作用可大幅提高晶体生长速度，平均拉速从薄壁热屏系统的0.7 mm/min提高到复合导流系统的1.1 mm/min。长晶期间平均能耗降低到50 kW以下。

参考文献

[1]任丙彦，赵龙，等.复合式热屏对直径200 mmCZSi单晶生长速度和氧含量的影响[J].半导体学报，2005，26（9）：1764-1767.

[2]任丙彦，羊建坤，等.直径200 mm太阳能用直拉硅单晶生长速率研究[J].半导体技术，2005，32（2）：106-120.

[3]黄有志，王丽.直拉单晶硅工业技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

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摘要光伏发电作为新的能源来源已经被广泛采用，单晶硅光伏电池拥有高的转换效率，长期以来受高端用户的追捧。但成本问题和产能问题一直限制着单晶硅光伏产业的发展。文章阐述了限制硅单晶生产成本和产能主要因素，并通过四个连续步骤的试验改进现在通用的硅单晶生产热场系统，通过实习工业生产中在统计数据的对比证明了改进热场系统在提高产能和降低成本方面的巨大优势。

关键词硅单晶；热场系统；提高拉速；降低功率

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0065-02

能源短缺压力的增加，促使人们对新的替代能源的研究不断地加深。其中光伏发电技术在近几年得到了长足的发展，高转换效率的单晶硅太阳能电池是光伏家庭的重要成员，但过高的生产成本一直是限制单晶硅太阳能电池拓展的最大阻力。目前降低单晶硅生产成本的主要研究方向有：增大单炉投料量，降低单晶生长过程能源消耗和提高晶体的生长速度。本文介绍了影响CZ-Si单晶生长速度的各种因素，并对国产TDR-95单晶炉热系统进行了多步骤的改进，收集了各种改进前后的实验数据，并对不同热系统下晶体生长的数据进行对比分析，对提高单晶生长速率的技术在工业生产中的应用进行了研究。

1实验

本实验的目的是研究各种热场改进技术在工业生产中的应用。本实验是在主流国产Si单晶生产设备TDR-95型单晶炉上进行的。采用不同的500 mm热系统生产直径为200 mm的P型〈100〉Si单晶。本实验以降低能耗提高晶体生长速度为目的对热系统进行了不同的改变，具体为：1）应用复合式薄热屏的热场系统[1]；2）应用复合式厚热屏的热场系统；3）复合式厚热屏加导流桶的热场系统；4）复合式厚热屏、导流筒加隔热板的热场系统。热系统改造过程见图1。

2实验设计的理论基础

2.1 理论基础

CZ-Si单晶的生长过程是Si由熔体到晶体的一个顺序凝固过程，这个过程可演示为：

坩埚深层高温熔体——降温——界面过冷熔体——结晶潜热释放——晶体

从演示图中可以看出晶体生长速度的大小取决于两个因素：结晶潜热散失速度和坩埚中深层高温熔体降温补充界面过冷熔体的速度[2]。

晶体生长速度越快释放出的结晶潜热就越多，加快结晶潜热的散失是维持晶体高速生长过程中的温度平衡保证过程持续进行的关键，结晶潜热的散失受到晶体纵向温度梯度和系统内氩气的流向及流速的影响，高的晶体纵向温度梯度能够加快结晶潜热的散失，快速流动的氩气在增加晶体纵向温度梯度的同时也能从固液交界面处带走结晶潜热。

过冷熔体能够得到迅速补充是晶体高速生长的另一条件，深层熔体降温成为过冷熔体的速度取决于熔体的纵向温度梯度，小的熔体纵向温度梯度可以使深层熔体很迅速的就降温转化为界面的过冷熔体，进而生长成晶体。

2.2 研究方向

我们对提高晶体生长速度的研究主要围绕氩气导流、增大晶体纵向温度梯度和降低熔体纵向温度梯度的方向展开。氩气在直拉硅单晶生长中起重要作用，最初氩气在单晶炉的流动是为了带走挥发的氧化物杂质。近来针对氩气在提高晶体生长速度方面的研究越来越深入，这是因为氩气流动可加快晶棒散热，增加晶棒纵向温度梯度促进结晶潜热的释放，加强氩气流动带走热量的能力就能增加晶体纵向温度梯度进而提高晶体生长速度。对氩气导流，让氩气按照我们需要的路线高速流动，这是我们在实验中逐步改进热场的主要方向[3]。晶体生长速度的提高还要求固液交界面处的过冷熔体能够得到快速的补充，更低的熔体纵向温度梯度也是我们在提高硅单晶生长速度的研究中的重要方向。

3结果和讨论

图2是试验每个阶段系统和工艺匹配稳定后拉速的实测数据。

在热场中加入热屏使大直径无位错硅单晶工业化生产的成功实现，试验中我们用厚的复合热屏代替薄的复合热屏后，平均拉速提高了0.1 mm/min。这是因为厚热屏能更有效地阻止加热器的热量对晶体的辐射，熔体的热量对单晶棒的辐射也大幅降低，使晶体的纵向温度梯度明显增大。热屏改变了热场中局部氩气的紊流流动，氩气流速增加，氩气沿着晶体表面流动，对晶体的直接冷却加强。热屏和固液交界面之间的空隙变小加强了氩气对固液交界面的吹拂，减弱了固液界面处的热辐射，还持续的带走结晶潜热，让界面处的温度更加稳定。

导流筒的引入是对热屏改善氩气流速和流向的进一步加强，因为氩气在热屏上方的空间里的流动形成涡流，降低了氩气的流速，限制了晶体生长速度的提高。导流筒引入后，炉膛分成了内外两个空间，氩气受导流筒和热屏限制紧贴晶棒表面流动，然后从热屏下口和熔体表面的缝隙通过，氩气的方向性更加明确流速进一步增加，从实验数据表上可以看出增加了导流筒的热场系统，晶体平均生长速度大幅提高了0.2 mm/min，达到了1.0 mm/min。

提高晶体生长速度的另外一个条件是熔体纵向温度梯度尽可能小。增加隔热板能有效的阻止加热器热量向炉底辐射，还能阻止坩埚热量对炉底的辐射，加强了热系统的保温。实验中增加隔热板后晶体等径生长阶段功率为40-60 kW，与无隔热板的50-70 kW相比平均降低了10 kW。加热器功率的降低直接造成了熔体纵向温度梯度的降低，对比试验3和4的拉速变化曲线，可以看出采用隔热板后，平均拉速增加了0.1 mm/min。

4结论

在CZ-Si晶体生长系统中采用增厚热屏和导流筒系统可让氩气按照我们的需求的轨迹流动，并提高氩气流速，减弱热系统内各部分的相互辐射，增大晶体的纵向温度梯度，加快结晶潜热散失，增加隔热板保温系统降低了拉晶功率，降低了熔体纵向温度梯度，两个系统同时作用可大幅提高晶体生长速度，平均拉速从薄壁热屏系统的0.7 mm/min提高到复合导流系统的1.1 mm/min。长晶期间平均能耗降低到50 kW以下。

参考文献

[1]任丙彦，赵龙，等.复合式热屏对直径200 mmCZSi单晶生长速度和氧含量的影响[J].半导体学报，2005，26（9）：1764-1767.

[2]任丙彦，羊建坤，等.直径200 mm太阳能用直拉硅单晶生长速率研究[J].半导体技术，2005，32（2）：106-120.

[3]黄有志，王丽.直拉单晶硅工业技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

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