单晶炉中水冷套发射率对熔体氧场的影响
时间：2026-08-24 发布人：admin 点击数：0
图 4-1 是不同水冷套发射率下，加热器功率与晶体轴向温度梯度的关系。我们不难发现，当水冷套表面的发射率提高时，晶体生长炉内部的加热器功率也相应的提高，同时晶体的轴向温度梯度也随着水冷套的发射率的提高而提高。图 4-2 为水冷套不同发射率下，水冷套表面的净散热速率为 Q1，以及晶体表面向环境的净辐射通量 Q2。当水冷套发射率提高时，从水冷套表面传导走的热量 Q1 增加，同时晶体表面辐射至周围环境的净辐射 Q2 也相应的增加。故而要维持晶体生长，需要从熔体、坩埚传导更多的热量才能维持三相点的熔点温度，因此晶体生长炉内部的加热器功率升高了。同时，由于晶体辐射至环境的净辐射热量 Q2 增加，即晶体的辐射散热量增加，使得晶体上方内部的温度也相应的降低，而对于固液界面，温度基本保持在熔点附近，所以晶体的轴向温度梯度随晶体的散热能力的提高而提高。出现这种情况的原因是因为本模型基于准稳态假设，当模型收敛时，所有壁面温度不再发生变化。且该假设该模型所有辐射壁漫灰壁面，故满足基尔霍夫定律，对于不透明表面，表面发射率等于吸收率，因此，当水冷套表面具有较高的发射率时，水冷套吸收辐射热量的能力也随之增加，水冷套能够将其从晶体与热屏等环境吸收的辐射热量通过冷却水传导走，所以晶体表面的温度就比较低，所需要的加热器功率也相应的增加。扬州晶格半导体-提供超大尺寸柱状多晶硅、单晶硅材料，并可定制加工各类硅部件、硅锭、硅棒、硅环、硅管、硅籽晶、硅托盘、硅异形件。17826693981图 4-3 为水冷套发射率与固液界面形状之间的关系。不难发现，当水冷套表面发射率增加时，尽管晶体冷却能力变强，但是固液界面挠度反而增加。出现这种情况的原因是因为，由于水冷套的发射率增加，水冷套通过辐射作用吸收热量的能力迅速增强，因此在硅晶体表面、三相点附近的辐射、对流散热能力显著增强。当晶体侧壁靠近三相点附近散热能力显著提高时，熔体内部需要更多的热量用来维持三相点的温度，熔体内部通过温度梯度提高了，表现为坩埚侧壁更高的温度。但是，在晶体固液界面中心轴附近，熔体也传递过来了过多的热量，即三相点散热强，固液界面中心散热弱，当熔体传递至固液界面的热量增加时，三相点散热快，能够使得晶体顺利生长，而在固液界面中心，散热能力比较弱，使得在固液界面中心区域产生了热量积累，因此该处的界面就会超上移动，表现出来就是水冷套发射率越高，晶体表面散热越强，但是固液界面挠度却越高。图 4-4 为计算的水冷套发射率计算的晶体内部冯米塞斯等效热应力。不难发现，随之水冷套发射率的提高，晶体侧壁的最大应力也随之增加。且当水冷套发射率为从 0.2 逐渐增加至 0.6、0.8 时，晶体内部的最大热应力由晶体的侧壁转移至了晶体的固液界面。出现这种情况的原因是因为当水冷套发射率较低时，水冷套辐射吸热的能力较弱，晶体侧壁与晶体轴向的散热能力相当，此时固液界面最平坦，因此最大热应力出现在晶体的侧壁处。当水冷套发射率继续增加时，晶体表面的散热能力显著增强，因此靠近固液界面侧壁方向上晶体的径向温度梯度显著增加，因此晶体侧壁的热应力显著增加。同时固液界面附近，由于晶体侧壁冷却能力与晶体固液界面中心区域的冷却能力相差较大，使得晶体在固液界面中心区域的温度变化也很剧烈，且由于该处散热弱，界面凸向晶体，使得固液界面处的应力显著增加，甚至大于了晶体侧壁附近的最大热应力。水冷套发射率会影响熔体内部的温度分布，因此也会影响对熔体内部、固液界面附近的氧含量。图4-7为水冷套不同发射率下固液界面的氧浓度分布。显然，当发射率为 0.2 时，固液界面的氧浓度最低，当发射率增加时，固液界面的氧含量也逐渐增加。由于在本章中，热屏角度均为 0 度，且提拉速度均一致，因此，我们将从氧的来源，氧的扩散两个方面来分析氧的浓度。首先是氧的来源。当水冷套发射率增加时，坩埚侧壁的最高温度也随之增加，因此侧壁溶解进入熔体中的氧杂质会增加，表现为石英坩埚的溶解速率加快。图4-6 为不同发射率下熔体内部的温度分布，显然，当水冷套发射率为 0.8 时，熔体侧壁温度最高，因此，当水冷套发射率为 0.8 时，熔体内部溶解的氧杂质含量最高。其次氧杂质的扩散速率。图 4-8 为不同水冷套发射率下，熔体的湍流粘度。湍流粘度会影响熔体内部氧杂质的扩散速率。从图 4-8 中不难发现，当水冷套发射率增加时，熔体内部中心区域的湍流粘度也显著增加。因此，当水冷套发射率增加时，熔体内部氧的扩散速率也显著增加。故而，当水冷套发射率增加时，熔体侧壁的温度变高使得熔体内部溶解进入更多的氧原子，同时当发射率增高时，熔体内部的湍流粘度也显著增加，因此氧在熔体内部的传输速率也显著增加，在两者的共同作用下，使得在固液界面附近，氧的杂质含量也随之增加。
