鑄錠過程中的晶粒控制之控制生長界面-多晶鑄錠爐熱場

鑄錠過程中的晶粒控制之控制生長界面-多晶鑄錠爐熱場
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晶體生長的習慣作法是控制生長界面。多晶鑄錠爐熱場之生長界面決定了晶粒生長的方向是向內還是向外。對于凸狀的生長界面，晶粒向外生長，如果沒有分生出出新的晶粒，它的尺寸很容易增大。相反，如果是凹狀界面，晶粒向內生長，新的晶粒常常會從側壁結晶，隨著柱狀晶粒相互碰撞，在靠近末端處生成等軸晶粒。從基本的熱量轉移的角度看，凝固界面垂直于熱流。所以，對于定向凝固，獲得凸界面的最簡單的方法是按壓熱場的接觸面[28] 或者更好地使坩堝隔熱以避免熱量從側壁散失

多晶鑄錠爐熱場之生長界面.jpg
Yeh 等人之前的研究中[24]，氧化鋁氈可以用來保溫坩堝。接觸面的形狀從使用氧化鋁氈后就由凹狀變成凸狀。


相似的概念在工業生產中也有采用，通過改造熱場減少坩堝壁生長接觸面周圍的熱量散失。也就是說，如果阻止了坩堝壁的熱量損失，熱流就會集中進冷卻墊，接觸面上的凸性也會增大。想法很簡單，改造目前多晶爐的熱場卻并非易事，因為接觸面的位置也是隨著時間變化的。



表示了不同熱場長出的硅錠的橫截面，參考右圖默認多晶鑄錠爐熱場(a)，熱場 I (b) 和 II (c)，都分別是通過減少坩堝壁靠近接觸面的熱損失實現的。換言之，熱場II 靠近生長界面的坩堝保溫最好。圖2(a)中的晶粒結構表明，默認熱場的接觸面凹得非常厲害，晶粒傾向于向內生長。而另一方面，對于改良過的熱場，坩堝保溫效果更好，接觸面徑向的熱損失更少， 如圖2(b) 和 (c)，凹度大幅減小，靠近中央位置的晶粒慢慢趨于向外側生長。特別是圖側壁的晶粒也明顯減少了。



圖3是一組硅片(15.6×15.6 cm2尺寸)晶粒結構的對比圖，硅片取自默認熱場和
熱場II的中央硅錠的不同高度。如圖所示，對于默認熱場，晶粒尺寸隨著位置升高而逐漸減小，頂部出現了很多等軸晶粒。熱場II經過更好的接觸面控制后，晶粒大小顯著增加。不同熱場中晶粒尺寸的軸向分布如圖4所示。盡管通過控制生長界面可以改善晶粒尺寸，但是，無論怎樣晶粒大小仍然隨著高度增加而減小。更重要的是，缺陷較多的區域，即經過優先腐蝕和圖像處理后顯示出的EPD密度遠遠超出1×106/cm2的區域，隨著生長距離增加會迅速增多，在熱場II中也不例外。靠近生長末端，缺陷面積超過80 cm2 (多于 30%). 生長過程中晶粒尺寸減小被認為是新晶粒的生成。從位錯群和晶界處成核的次晶粒能夠變成含有大量位錯的晶粒。

信息來源：多晶鑄錠爐熱場

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