鑄錠過程中的晶粒控製之控製生長界麵-多晶鑄錠爐熱場

鑄錠過程中的晶粒控製之控製生長界麵-多晶鑄錠爐熱場
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晶體生長的習慣作法是控製生長界麵。多晶鑄錠爐熱場之生長界麵決定了晶粒生長的方向是向內還是向外。對於凸狀的生長界麵，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，如果是凹狀界麵，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，凝固界麵垂直於熱流。所以，對於定向凝固，獲得凸界麵的最簡單的方法是按壓熱場的接觸麵[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麵.jpg
Yeh 等人之前的研究中[24]，氧化鋁氈可以用來保溫坩堝。接觸麵的形狀從使用氧化鋁氈後就由凹狀變成凸狀。


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麵周圍的熱量散失。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，接觸麵上的凸性也會增大。想法很簡單，改造目前多晶爐的熱場卻並非易事，因為接觸麵的位置也是隨著時間變化的。



表示了不同熱場長出的矽錠的橫截麵，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麵的熱損失實現的。換言之，熱場II 靠近生長界麵的坩堝保溫最好。圖2(a)中的晶粒結構表明，默認熱場的接觸麵凹得非常厲害，晶粒傾向於向內生長。而另一方麵，對於改良過的熱場，坩堝保溫效果更好，接觸麵徑向的熱損失更少， 如圖2(b) 和 (c)，凹度大幅減小，靠近中央位置的晶粒慢慢趨於向外側生長。特別是圖側壁的晶粒也明顯減少了。



圖3是一組矽片(15.6×15.6 cm2尺寸)晶粒結構的對比圖，矽片取自默認熱場和
熱場II的中央矽錠的不同高度。如圖所示，對於默認熱場，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經過更好的接觸麵控製後，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。盡管通過控製生長界麵可以改善晶粒尺寸，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後顯示出的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，缺陷麵積超過80 cm2 (多於 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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