《多晶矽定向凝固反向誘導泉涌效應的研究》是依託大連理工大學,由姜大川擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多晶矽定向凝固反向誘導泉涌效應的研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：姜大川
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
定向凝固是去除多晶矽中金屬雜質的主要技術，廣泛套用在多晶矽鑄錠、冶金法提純過程中。理論除雜率可達90%以上，但由於凝固後矽錠末端雜質濃度遠高於先凝固區域，在濃度差驅動下雜質向已提純區域擴散，形成反擴散現象，大幅降低了矽錠的良率。如何抑制定向凝固過程中雜質反擴散行為，是一個急需解決的關鍵共性問題。本項目提出一種全新的研究思路，在凝固達到預期良率、液固共存的狀態下，利用矽在凝固時體積發生膨脹的特性，通過改變熱場和氣氛環境誘導富含雜質的液矽表面首先形核凝固，將石英管從鑄錠上方穿過表面插入熔體，通過改變石英管內的壓強，使熔體在壓力差的作用下湧入石英管，產生泉涌效應，實現熔體與已提純基體的分離。本項目研究這一過程中的界面控制、熔體流動及凝固提純等科學問題。本研究是申請人博士工作的延續，也是博士後研究課題，系統研究反向誘導矽熔體泉涌效應的形成機制，將為徹底解決定向凝固的反擴散現象奠定基礎。
結題摘要
本項目針對多晶矽定向凝固提純過程中雜質的反擴散造成提純良率下降的瓶頸問題，提出了在矽定向凝固過程利用反向誘導泉涌凝固抑制雜質反擴散的方法，具體開展了以下幾個方面的研究： （1）開展了多晶矽定向凝固過程的雜質分布及固液界面控制的研究，獲得了矽中雜質分布與固液界面形態、凝固速度、初始濃度之間的關係，基於定向凝固理論，建立了包含雜質反擴散行為的分布模型，獲得了與實驗值更加接近的理論結果，並得到控制矽凝固固液界面的技術方案； （2）開展了泉涌效應誘導多晶矽凝固實驗，確定了泉涌凝固的發生條件及時間，發現通過泉涌凝固在矽錠中形成的中空區域可以將雜質富集區和已經提純的區域分離，減小了其接觸面積，有效地抑制雜質的反擴散。建立了反向誘導矽熔體泉涌凝固的模型，闡明了其形成的機制。採用反向凝固控制、外加孔徑等方案，對泉涌凝固的工藝進行最佳化，並將該研究結果向產業轉化，獲得了有效提高矽錠良率10%的技術方案； （3）將泉涌誘導凝固的工作延伸到電子束熔煉過程中，通過緩慢降低電子束功率，實現了電子束誘導多晶矽定向凝固，雜質鋁和鈣的去除受到固液界面分凝和氣液界面蒸發的耦合控制，其含量進一步降低到0.7×10-4wt.%以下，與傳統的電子束方式相比，電子束誘導定向凝固的方式具有相同甚至更高的雜質去除率，且能耗降低了20%； （4）探索了電子束誘導矽定向凝固去除矽中輕質元素的方法，發現而當採用緩慢降束慢速凝固時，SiC和氮化矽雜質均隨時間增加不斷沉積在鑄錠底部，氮化矽的存在成為了替位碳析出形成SiC的形核點。慢速凝固也促進了C在氮化矽上的形核。SiC的形核生長及沉積是由熔體對流、溫度梯度和慢速冷卻過程共同作用的結果。
