单晶炉中热屏角度对热场的影响- 大数跨境

仲致能源

2026-01-04

导读：在直拉单晶硅生长炉中，热屏是一个至关重要的部件，它对于保证晶体生长过程的稳定、提高材料的质量和降低生产成本都具

在直拉单晶硅生长炉中，热屏是一个至关重要的部件，它对于保证晶体生长过程的稳定、提高材料的质量和降低生产成本都具有显著的影响。热屏的作用主要有以下几个方面：首先是保温作用，热屏的根本作用是作为隔热体，减少加热器、坩埚区域的高温热量的向晶体区域的散失，从而提升加热器的加热效率并控制炉内温度分布，这有助于减少能源消耗，是直拉工艺中节能的关键组成部分；

同时，通过合理设计热屏，可以使温度场分布更加均匀，减少由于温度场不均造成的晶体内部热应力，应力过高会使得晶体缺陷增加，如空位、位错数量增加等，这直接影响单晶硅晶棒的质量；

此外，热屏能够隔离晶体生长区与其他部分，尤其是坩埚、加热器等，防止反应气体和杂质通过对流扩散进入晶体生长区域，从而保持氩气流动的稳定和晶体干净的生长环境；

最后，热屏的存在能够提高氩气与熔体界面的氩气流量，提高自由界面氩气的蒸发速率，从而从而降低晶体内部氧杂质的浓度，这对提高晶体品质至关重要。因此，对热屏的研究是单晶硅生产工艺优化不可或缺的一部分。

在本文中设计了四种热屏，如图 3-1 所示，其热屏底部平面与自由界面的夹角（分别对应两条红线的夹角），分别为 0 度、15 度、30 度、45 度，显然，当夹角变化时，不仅会对热屏区域的保温能力产生重要的影响，进而影响热场，同时夹角也会影响自由界面附近的氩气流速，这可能影响熔体中的氧杂质含量。

因此，我们通过数值模拟的方法，研究热屏角度对直拉单晶硅晶体生长炉热场以及熔体内部氧杂质含量的影响，本章研究内容为研究热屏形状对直拉单晶硅热场、氧杂质场的影响提供理论依据。

我们用0 度热屏、15 度热屏、30 度热屏、45 度热屏分别代表这 4 种热屏结构。在该小节，我们研究了不同角度热屏对晶体生长过程中的热场的影响。

图 3-2 是热屏角度与加热器功率、晶体内部温度梯度的关系。从中我们可以看出，随着热屏角度的降低，晶体中心轴向方向上的温度梯度逐渐增加, 维持晶体生长所需要的加热器的加热功率也随之降低。

这是因为随着热屏角度的降低，热屏内部隔热区域体积明显增加，并且该区域材料的导热系数非常小，因此热屏的热阻增加，热量很难从坩埚侧壁、自由界面直接传递给晶体上方的低温区域，在晶体生长炉的高温加热区域，热量的损耗就越低，因此，所需的加热器功率也随着该处的导热能力的降低而降低。同时，由于热屏隔绝热量的能力提高，也使得晶体上方低温区域的温度更低。故而，晶体上方的温度就更低，这使得晶体轴向方向上的温度梯度逐渐增加。

固液界面是熔融硅和晶体硅之间的边界，其形状、稳定性和位置直接影响到晶体的结构和完整性。一般固液界面形状主要包括：

凹形界面，即晶体凸向熔体的界面形状，该界面形状下，可以减少晶体中的位错密度，并促进生长的单晶保持较高的结构完整性，这是因为凹形界面有利于位错回缩到熔体中；

凸形界面，即熔体凸向晶体，在晶体生长过程中，该界面可能会增加位错发生的可能性，因为它们倾向于将位错推入晶体内部；水平界面，熔体与晶体界面基本呈现水平状态，在该界面下，即能够降低位错产生的可能性，同时也能提高氧杂质的均匀性，因此往往水平界面是最好的界面形状。

在拉晶过程中，由于固液界面靠近晶体的热量不容易散失，提拉过程使得热量积累，会使得实际界面形状凸向晶体，即凸型界面。总之，越平整的界面是越有利于晶体生长。

图 3-3 是固液界面形状与热屏设计角度的关系。从中我们不难发现，当热屏设计角度越大时，固液界面越靠近晶体侧，固液界面的挠度(固液界面最高点与三相点之间在提拉方向上的高度差，最高点靠近晶体侧，挠度为正，靠近熔体侧，挠度为负)也随之增加。

这是因为热屏设计角度越大，热屏的隔热能力就越弱，这意味着晶体上方的温度就越高，晶体散失热量的能力就越弱。当晶体散失热量的能力越弱时，固液界面就会凸向晶体，这也证明了为什么热屏角度设计地越大，固液界面越靠近晶体上方。

热应力是由晶体在冷却或加热过程中因不均匀的温度分布而产生的内部应力，因为材料的不同部分无法自由地膨胀或收缩，因此，这些来自不同温度区域的热膨胀或热收缩会形成热应力。

在晶体生长过程中，需要对晶体内部的热应力进行控制，这是因为当晶体中产生的热应力超过硅的弹性极限时，就会导致空位、位错和其他晶格缺陷的产生。位错是晶体中的一种结构缺陷，会影响材料的电子传输特性，减弱其在光伏器件的性能；同时，较高的热应力可能导致晶体产生塑性变形，尤其是在晶体冷却过程中容易出现；此外，热应力还可能导致微裂纹的产生，继而形成较大的裂缝，严重时会导致晶体破裂。

通过减少热应力，可以提高晶体的结构均匀性，从而获得具有更均匀电学特性的高品质硅晶体；减少热应力可以降低晶体生产过程中的废品率，提高整体的产出率及经济效益；通过控制热应力，在一定范围内调整生长条件（比如提拉速度和温度梯度）变得可能，并且不会对晶体质量产生负面影响，这样可以在不牺牲晶体质量的情况下寻找到更为优化的生长条件，增强晶体生长过程的稳定性和灵活性。因此我们很有必要研究热屏角度与晶体热应力的关系，在本文中我们使用冯米塞斯等效应力来表征热应力的大小。

图 3-4 为计算的不同热屏角度下的晶体内部的热应力。从中可以发现，当热屏角度增加时，晶体侧壁最大热应力与固液界面挠度随着热屏角度的增加而增加，同时当热屏角度为 0 度时，固液界面位置处热应力最小。而在上述讨论中，我们知道，热屏角度越大，其界面挠度就越高。

当固液界面形状挠度越大时，晶体固液界面侧壁附近的径向温度梯度就越大，即晶体侧壁位置处的温度变化就越剧烈，硅单晶在界面附近晶格变化的也就越剧烈，因此晶体侧壁的热应力也随之增加。

同时当热屏角度为 0 度时，固液界面靠近晶体旋转轴附近最平坦，所以热屏角度为 0 度时，固液界面热应力最小，仅为 2.435Mpa。图 3-5 为不同热屏角度下晶体内部冯米塞斯等效热应力的折线图。显然，当热屏角度为 0 度时，晶体的侧壁面、晶体的固液界面热应力最小，晶体质量最高。

最后，我们讨论一下不同热屏角度下，熔体内部的温度分布变化。图3-6 为不同热屏角度下，熔体内部的温度分布。从中我们不难发现，尽管热屏角度发生了比较大的变化，从 0 度增加为 45 度，但是熔体内部的温度变化却非常小，不同热屏角度下，熔体最高温度的最小值与最大值相差仅有 0.36 K 左右。

出现这种情况的原因是因为热屏主要影响的是晶体方向的散热，其反过来影响熔体内部温度分布。尽管晶体内部的温度变化发生了明显的变化，但是晶体对熔体内部温度的影响主要通过固液界面变化反馈给了熔体，这反而降低了晶体温度变化对熔体的影响，而熔体由于具有较高的导热系数，熔体内部的传热主要是热传导占主导，因此热屏角度对熔体内部温度分布影响较小。该结果将用于分析后续热屏角度对晶体与熔体界面氧含量的影响。