铸锭过程中的晶粒控制之控制生长界面-多晶铸锭炉热场

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晶体生长的习惯作法是控制生长界面。多晶铸锭炉热场之生长界面决定了晶粒生长的方向是向内还是向外。对于凸状的生长界面，晶粒向外生长，如果没有分生出出新的晶粒，它的尺寸很容易增大。相反，如果是凹状界面，晶粒向内生长，新的晶粒常常会从侧壁结晶，随着柱状晶粒相互碰撞，在靠近末端处生成等轴晶粒。从基本的热量转移的角度看，凝固界面垂直于热流。所以，对于定向凝固，获得凸界面的最简单的方法是按压热场的接触面[28] 或者更好地使坩埚隔热以避免热量从侧壁散失

多晶铸锭炉热场之生长界面.jpg
Yeh 等人之前的研究中[24]，氧化铝毡可以用来保温坩埚。接触面的形状从使用氧化铝毡后就由凹状变成凸状。


相似的概念在工业生产中也有采用，通过改造热场减少坩埚壁生长接触面周围的热量散失。也就是说，如果阻止了坩埚壁的热量损失，热流就会集中进冷却垫，接触面上的凸性也会增大。想法很简单，改造目前多晶炉的热场却并非易事，因为接触面的位置也是随着时间变化的。



表示了不同热场长出的硅锭的横截面，参考右图默认多晶铸锭炉热场(a)，热场 I (b) 和 II (c)，都分别是通过减少坩埚壁靠近接触面的热损失实现的。换言之，热场II 靠近生长界面的坩埚保温最好。图2(a)中的晶粒结构表明，默认热场的接触面凹得非常厉害，晶粒倾向于向内生长。而另一方面，对于改良过的热场，坩埚保温效果更好，接触面径向的热损失更少， 如图2(b) 和 (c)，凹度大幅减小，靠近中央位置的晶粒慢慢趋于向外侧生长。特别是图侧壁的晶粒也明显减少了。



图3是一组硅片(15.6×15.6 cm2尺寸)晶粒结构的对比图，硅片取自默认热场和
热场II的中央硅锭的不同高度。如图所示，对于默认热场，晶粒尺寸随着位置升高而逐渐减小，顶部出现了很多等轴晶粒。热场II经过更好的接触面控制后，晶粒大小显著增加。不同热场中晶粒尺寸的轴向分布如图4所示。尽管通过控制生长界面可以改善晶粒尺寸，但是，无论怎样晶粒大小仍然随着高度增加而减小。更重要的是，缺陷较多的区域，即经过优先腐蚀和图像处理后显示出的EPD密度远远超出1×106/cm2的区域，随着生长距离增加会迅速增多，在热场II中也不例外。靠近生长末端，缺陷面积超过80 cm2 (多于 30%). 生长过程中晶粒尺寸减小被认为是新晶粒的生成。从位错群和晶界处成核的次晶粒能够变成含有大量位错的晶粒。

信息来源：多晶铸锭炉热场

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