Разработка экспериментальной установки для исследования процесса магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Сливкин Евгений Владимирович

• Сливкин Евгений Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Сливкин Евгений Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВОВ

1.1 Применение МГД-перемешивания в металлургии металлов и сплавов

1.2 Применение МГД-перемешивания в производстве полупроводникового кремния

1.2.1 Основные методы производства кристаллического кремния

1.2.2 Этапы технологического процесса производства слитка мультикристаллического кремния

1.2.3 МГД-перемешивание расплава кремния

1.2.4 Математическое моделирование МГД-перемешивания расплава кремния

1.3 Направленная кристаллизация в условиях МГД-перемешивания

расплава

1.4. Использование МГД-перемешивания в процессе рафинирования расплава

кремния

1.5 Типы конструкций МГД-перемешивания для производства полупроводникового кремния

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВА КРЕМНИЯ

2.1 Физико-математическая модель МГД-перемешивания расплава кремния

2.2 Описание численной модели магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния

2.3 Результаты математического моделирования МГД-перемешивания расплава кремния

2.4 Исследование применения синусоидальной и треугольной форм импульсов тока при реализации МГД-перемешивания

2.5 Влияние амплитуды, частоты и фазового сдвига на эффективность МГД-перемешивания для импульсов тока треугольной формы

2.6 Физическая интерпретация влияния параметров МГД-перемешивания на скорость движения расплава

2.6.1 Сопоставление синусоидальной и треугольной форм импульсов тока в индукторах

2.6.2 Анализ влияния частоты тока на эффективность МГД-перемешивания расплава кремния

2.6.3 Анализ влияния фазового сдвига на эффективность МГД-перемешивания расплава кремния

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВА КРЕМНИЯ

3.1 Разработка блока индукторов установки для исследования процесса магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния

3.1.1 Расчет эффективной индуктивности индукторов

3.1.2 Изготовление блока индукторов экспериментальной установки

3.1.3 Расчет теплового режима индукторов в процессе работы

3.1.4 Система гермовводов индукторов модуля МГД-перемешивания

3.2 Расчет максимальной мощности потребления модуля магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния

3.3 Специализированный блок питания и блок управления МГД-перемешиванием

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВА КРЕМНИЯ

4.1 Экспериментальное исследование электродинамических параметров установки магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния

4.2 Экспериментальное исследование скорости движения расплава кремния на поверхности

4.2.1 Экспериментальное исследование собственной конвективной скорости движения расплава кремния на поверхности

4.2.2 Экспериментальное исследование скорости движения расплава кремния на поверхности от амплитуды тока в индукторах

4.2.3 Экспериментальное исследование скорости движения расплава кремния на поверхности от фазового сдвига токов в индукторах

4.2.4 Экспериментальное исследование эффективности перемешивания расплава кремния от частоты импульсов тока треугольной формы

4.2.5 Сопоставление экспериментальных результатов и данных математического моделирования

4.3 Экспериментальное исследование эффективности использования МГД-перемешивания в процессе направленной кристаллизации расплава кремния

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка экспериментальной установки для исследования процесса магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Мировой рынок фотоэлектрических систем является быстроразвивающимся и в период 2010-2017 годы стабильно растет порядка 24 % в год. Объем произведенных фотоэнергетических систем за 2017 год превышает 90 ГВт [1-2]. Основная часть рынка, около 93 %, приходится на долю фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе кремниевых пластин, включая элементы, выполненные на основе мультикристаллического кремния, монокристаллического кремния, гибридные HIT-структуры [1]. Для изготовления ФЭП требуется моно- или мультикристаллический кремний «солнечного» качества (Solar Grade Silicon, SoG-Si), то есть со степенью чистоты не менее чем 99,9999 % (6N) [3-4]. При этом доля ФЭП на основе мультикристаллического кремния, производимого, в основном, в установках направленной кристаллизации [5], по состоянию на начало 2018 года составляет более 60 % от общего числа модулей [1, 3]. Ключевой проблемой производства мультикристаллического кремния методом направленной кристаллизации является значительная стоимость производства, обусловленная прежде всего высокой стоимостью исходного сырья - высокочистого кремния «солнечного» качества.

Актуальными направлениями снижения себестоимости производства мультикристаллического кремния «солнечного» качества являются:

1. Поиск новых методов промышленной очистки металлургического кремния со степенью чистоты 96-99 % [6] до степени чистоты, достаточной для изготовления ФЭП. К методам промышленной очистки относятся способы вакуумного рафинирования, плазмохимической и плазмотермической обработки, направленной кристаллизации. Одним из основных недостатков данных методов очистки, основанных на удалении примесей с границы раздела фаз, является малая эффективность, обусловленная низкой интенсивностью массообмена в расплаве.

2. Увеличение выхода готового продукта за один производственный цикл, что неизбежно ведет к значительному увеличению массы слитка, что влечет за собой возрастание числа структурных дефектов и включений в слитке.

Структурные дефекты и включения связаны с увеличением градиента температуры в объёме расплава и возникающими конвективными потоками.

Перспективным методом интенсификации массообмена в расплаве, снижения числа структурных дефектов и включений в слитках является магнитогидродинамическое перемешивание (МГД-перемешивание) с использованием бегущих магнитных полей.

Степень разработанности темы.

Вопросы применения МГД-перемешивания расплавов металлов рассмотрены в трудах отечественными авторами И.В. Протоковиловым, В.Э. Фризеном, С.Ф. Сарапуловым, Е. А. Павловым, Ю.М. Гельфгатом, А.И. Вольдеком, Г.А. Барановым [7-15]. Вопросы МГД-перемешивания расплава кремния в основном рассматривались в трудах зарубежных авторов P. Rudolph, K. Dadzis, Ch. Kudla, N. Dropka, D. Linke, M. Cablea, A. Popescu, C. Tanasie, Q. Yu, A. Doni [16-31]. Работы данных авторов составляют научно-методическую основу для решения задач диссертационной работы. Необходимо отметить, что большинство публикаций посвящено решению задач моделирования процессов МГД-перемешивания расплава кремния различными типами магнитных полей: бегущими [17-19, 23, 25, 27, 30], карусельными [21]. Проблемам практической реализации МГД-перемешивания расплава кремния посвящены работы [18, 22, 31], в том числе для промышленной установки направленной кристаллизации с массой слитка более 400 кг [18, 31]. Стоит заметить, что созданные системы одновременно реализовывали функции нагревателей и МГД-перемешивателей, что делает невозможным их применение для исследования процессов МГД-перемешивания расплава кремния независимо от процессов плавления и кристаллизации. Вопросам интенсификации массообмена в процессах очистки расплава кремния различными методами, в том числе методом МГД-перемешивания, посвящены работы C. Alemany, J. Safarian и других авторов [32-38].

Таким образом, актуальной задачей является разработка экспериментальной

установки для исследования процесса магнитогидродинамического перемешивания расплава в ходе технологического процесса получения слитков мультикристаллического кремния промышленного формата и массой 450-500 кг.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка экспериментальной установки для исследования процесса магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ существующих подходов построения систем МГД-перемешивания металлов и полупроводниковых материалов.

2. Разработка физико-математической и численной модели МГД-перемешивания расплава кремния с учетом геометрии функциональных узлов вакуумной камеры установки направленной кристаллизации.

3. Численное моделирование процесса МГД-перемешивания расплава кремния при различных параметрах тока в индукторах - форма тока, амплитуда, частота, сдвиг фаз.

4. Определение структуры и расчет оптимальных параметров элементов конструкции экспериментальной установки для исследования процесса МГД-перемешивания расплава кремния.

5. Изготовление узлов экспериментальной установки с учетом результатов моделирования и расчетов.

6. Разработка методики оценки скорости движения расплава кремния на поверхности при различных параметрах тока в индукторах - форма тока, амплитуда, частота, сдвиг фаз.

7. Экспериментальные исследования работы системы МГД-перемешивания расплава кремния при различных параметрах тока в индукторах - амплитуда, частота, сдвиг фаз.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана самосогласованная физико-математическая модель МГД-перемешивания расплава кремния в вакуумной камере индустриальной установки

направленной кристаллизации, учитывающая геометрию элементов конструкции вакуумной камеры и нагревательного узла для промышленного формата тигля (порядка 862*862*450 мм) и массы получаемого слитка 450-500 кг.

2. Впервые разработана и реализована экспериментальная установка для проведения комплексного исследования процесса МГД-перемешивания расплава кремния бегущим магнитным полем независимо от процессов нагрева и кристаллизации для промышленного формата тигля (порядка 862*862*450 мм) и массой получаемого слитка 450-500 кг.

3. Теоретически и экспериментально обосновано применение треугольной формы импульсов тока в кольцевых индукторах, расположенных за пределами нагревательного узла внутри вакуумной камеры установки направленной кристаллизации, для создания бегущего магнитного поля.

4. Теоретически и экспериментально обосновано наличие оптимальных параметров тока в индукторах - частоты и фазового сдвига, для системы из трех кольцевых индукторов, расположенных за пределами нагревательного узла внутри вакуумной камеры.

5. Разработана методика оценки скорости движения расплава кремния на поверхности, позволяющая получить данные о скорости движения расплава кремния на поверхности в условиях МГД-перемешивания, а также собственной конвективной скорости движения расплава на поверхности для условий установки направленной кристаллизации с промышленным форматом тигля (порядка 862х862х450 мм) и массой получаемого слитка 450-500 кг.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. В системе трех кольцевых индукторов, создающих бегущее магнитное поле, переход от синусоидальной формы импульсов токов к треугольной, при близких по величине среднеквадратичных значениях токов, практически не снижает эффективность МГД-перемешивания расплава кремния (падение скорости не более

6 % в диапазоне частот от 25 Гц до 200 Гц) и позволяет существенно (в несколько раз) уменьшить аппаратные затраты, габариты, вес и стоимость инверторного источника питания системы МГД-перемешивания.

2. Существует значение частоты тока в индукторах, при котором обеспечивается максимальная скорость МГД-перемешивания расплава кремния бегущим магнитным полем. Для условий установки направленной кристаллизации с промышленным форматом тигля (порядка 862x862x450 мм) это значение частоты составляет 50 Гц.

3. Существует значение фазового сдвига тока в индукторах, при котором обеспечивается максимальная скорость МГД-перемешивания расплава кремния бегущим магнитным полем. Для условий установки направленной кристаллизации с промышленным форматом тигля (порядка 862x862x450 мм) это значение фазового сдвига составляет 60°.

4. При магнитогидродинамическом перемешивании расплава кремния скорость движения материала вблизи поверхности приблизительно линейно возрастает с увеличением амплитуды токов в индукторах. Зарегистрированное с помощью разработанной экспериментальной установки значение скорости движения расплава на поверхности порядка 112 мм/с при амплитуде токов в индукторах 600 А свидетельствует о высоком потенциале способа МГД-перемешивания расплава кремния для очистки от примесей различными методами.

Методы исследований и достоверность результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием численных методов вычислений в пакете программ конечно-элементного анализа СОМБОЬ МиШрИувюБ. Для проведения необходимых расчетов и обработки экспериментальных данных использован программный пакет МЛТЬЛВ. При проведении экспериментальных исследований использовалось поверенное современное измерительное оборудование. Достоверность результатов подтверждается соответствием результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы подтверждается созданием экспериментальной установки, позволившей осуществить МГД-перемешивание расплава кремния в вакуумной камере промышленной установки направленной кристаллизации независимо от процессов плавления и кристаллизации. С использованием данной установки может быть реализован широкий спектр исследовательских задач по применимости МГД-перемешивания на различных этапах выращивания мультикристаллических слитков кремния. Полученные данные о скорости движения расплава кремния на поверхности могут быть использованы в дальнейшем при реализации промышленных методов очистки металлургического кремния до кремния «солнечного» качества. Разработанная самосогласованная физико-математическая модель МГД-перемешивания расплава кремния в вакуумной камере индустриальной установки направленной кристаллизации 0Т-0Б8450ТМ, учитывающая геометрию элементов конструкции вакуумной камеры и нагревательного узла для промышленного формата слитка кремния может быть адаптирована в дальнейшем для тиглей других размеров.

Реализация и внедрение. Полученные в диссертации результаты использованы при выполнении НИР № 8-17 Г в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по теме «Разработка технологии производства высокочистого кремния для солнечной энергетики на основе плазмохимической очистки и магнитогидродинамического перемешивания» (Соглашение № 14.577.21.0263 от 26.09.2017, уникальный идентификатор проекта КЕМЕЕ157717Х0263) и НИОКР №2 26-17 в рамках договора № 26-17 от 13.12.2017 и договора о софинансировании и дальнейшем использовании результатов исследований № 586-24 от 26.09.2017 по теме «Разработка технологии производства высокочистого кремния для солнечной энергетики на основе плазмохимической очистки и магнитогидродинамического перемешивания». Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе для подготовки бакалавров Рязанского государственного

радиотехнического университета по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» в дисциплине «Нетрадиционные источники энергии». Результаты диссертационной работы использованы в технологическом процессе ООО «ХЕЛИОС-Ресурс» (г. Саранск) при производстве слитков мультикристаллического кремния. Использование результатов диссертационной работы перечисленными выше организациями подтверждается соответствующими актами о внедрении (Приложение).

Личный вклад автора. Автор диссертации проводил моделирование, принимал участие в разработке и изготовлении узлов экспериментальной установки, осуществлял постановку экспериментов и их проведение, обработку и интерпретацию экспериментальных результатов, написание научных статей и подготовку их к публикации, представлял доклады по теме диссертации на конференциях. Все основные результаты диссертационной работы, включая положения, выносимые на защиту, получены автором лично.

Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики» в части:

- пункта 5 «Разработка и создание экспериментальных установок для проведения экспериментальных исследований в различных областях физики»;

- пункта 8 «Моделирование физических явлений и процессов».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и

обсуждались на международных и всероссийских научно - технических конференциях «XXII всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых учёных и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях» (г. Рязань, Россия, 2017 г.), международная конференция «35th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition» (Брюссель, Бельгия, 2018 г.), международная конференция «8th International Conference on Silicon Photovoltaics (SiliconPV 2018)» (Лозанна, Швейцария, 2018 г.), международная конференция «2018 IEEE International Conference on Environment and Electrical

Engineering and 2018 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe)» (Палермо, Италия, 2018 г.), международная конференция «12th International Photovoltaic Power Generation and Smart Energy Conference & Exhibition, SNEC 2018» (Шанхай, Китай, 2018), международная конференция «2019 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2019 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe)» (Генуя, Италия, 2019 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 работы из перечня, рекомендованного ВАК РФ, 5 работ входят в реферативные базы данных Scopus и Web Of Science, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст работы содержит 180 страниц, 104 рисунка и 2 таблицы. Список литературы на 14 страницах включает 113 наименований. В приложении на 6 страницах приведены: патент РФ на изобретение, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, акты о внедрении результатов работы.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Карабанову Сергею Михайловичу за чуткое руководство, ценные советы и обсуждения. Искренне благодарен Суворову Дмитрию Владимировичу и Тарабрину Дмитрию Юрьевичу за всестороннюю поддержку и неоценимую помощь в диссертационном исследовании. Благодарю коллектив ООО «ХЕЛИОС-Ресурс» за помощь в проведении экспериментальных исследований и лично Ерахтина Олега Викторовича за поддержку, важные советы и замечания. Благодарю Серебрякова Андрея Евгеньевича и Тыщенко Михаила Сергеевича за помощь в обработке экспериментальных результатов. Огромное спасибо моим родителям, моей семье и в особенности супруге за созданные условия и атмосферу поддержки и понимания.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РАСПЛАВОВ

1.1 Применение МГД-перемешивания в металлургии металлов и сплавов

Метод магнитогидродинамического перемешивания расплавов известен достаточно широко и начал применяться в цветной и черной металлургии металлов и сплавов в 1930-х годах [7-15, 39-42].

Автором [11] были рассмотрены примеры использования магнитогидродинамических эффектов в металлургических процессах и показаны задачи применения электромагнитных воздействий, приведены классификация и принцип работы основных МГД-устройств. Различные конструкции МГД-установок применяются на многих стадиях металлургического процесса: при транспортировке и дозировке металлургических расплавов, для интенсификации тепло- и массопереноса в плавильных агрегатах, рафинирования металлов и сплавов, управления процессом кристаллизации слитков и др. (рисунок 1.1).

Основные эффекты использования МГД-перемешивания:

- гомогенизация расплава;

- дозирование расплава;

- выравнивание температуры в объеме расплава;

- выравнивание фронта кристаллизации;

- интенсивный массоперенос внутри расплава, обеспечивающий эффективную

сегрегацию примесей и рост слитка лучшего качества;

- транспортировка расплавов без применения механических методов;

- сепарация расплавов для очистки расплавленного металла от

неметаллических включений (оксидов, хлоридов, фторидов и т.д.);

Над разработкой технологии МГД-перемешивания расплава металлов также работали авторы [9]. Типовая конструкция технологической установки для приготовления алюминиевых сплавов показана на рисунке 1. 2.

Рисунок 1.1 - Назначение и типы металлургических МГД устройств

Рисунок 1.2 - Технологическая установка для приготовления алюминиевых сплавов: а - продольный разрез, б - поперечный разрез

Технологическая установка для приготовления алюминиевых сплавов, состоит из поворотного миксера и установленного горизонтально МГД-перемешивателя. Конструкция состоит из следующих основных частей: 1 -металлический каркас; 2 - футеровка; 3 - ванна с расплавом (нижняя тепловая зона); 4 - электрические нагреватели; 5 - фор-камера; 6 - заливочный карман; 7 - вытяжной зонт; 8 - поворотная опора; 9 - верхняя тепловая зона (внутренняя полость); 10 - индуктор МГД- перемешивания; 11, 12, 13 - термопары. Индуктор для осуществления МГД-перемешивания расплава выполнен по принципу

линейной индукционной машины [10, 43-45] и может быть установлен как под основание, так и с боковой стороны печи.

Коллектив зарубежных авторов в работе [46] проводил исследование МГД-перемешивания расплава легированной стали GCr15. Для исследования влияния электромагнитного перемешивания на поток и затвердевание расплавленной стали в форме использовался метод, который представляет собой комбинацию метода конечных элементов и метода конечных объемов. На рисунке 1. 3 представлено распределение вектора скорости в центральном поперечном сечении МГД-перемешивателя.

а б

Рисунок 1.3 - Распределение вектора скорости на плоскости х-у при z = 0,1 м: (а)

без М-ЕМБ; (б) с М-ЕМБ (I = 300 А)

Из рисунка видно, что после приложения электромагнитного перемешивающего поля поток расплавленной стали имеет значительные изменения. Без электромагнитного перемешивания расплавленная сталь, которая еще не затвердела на горизонтальном участке формы, имеет только радиальную скорость от центра к внешней стенке, как показано на рисунке 1.3 а. После приложения электромагнитного перемешивающего поля тангенциальная электромагнитная сила заставляет расплавленную сталь вращаться в

горизонтальном направлении, как показано на рисунке 1.3 б. Авторы делают вывод о том, что вращение потока расплавленной стали может очистить фронт кристаллизации от примесей, разбить столбчатые кристаллиты и способствовать образованию равноосных кристаллов. Их выводы подтвердились экспериментальными результатами.

На основании анализа широкого спектра МГД-устройств, применяющихся в металлургии металлов и сплавов, можно сделать вывод о возможности использования МГД-перемешивания при производстве слитков мультикристаллического кремния «солнечного» качества методом направленной кристаллизации для улучшения структуры кристаллов, снижения процентного содержания примесей, управления фронтом кристаллизации, ускорения процесса кристаллизации.

1.2 Применение МГД-перемешивания в производстве полупроводникового кремния

Помимо применения в металлургии металлов и сплавов, МГД-перемешивание также используется при выращивании моно- и мультикристаллических слитков полупроводникового кремния и других материалов различными методами.

В настоящее время существует достаточно много методов выращивания кристаллов: метод вытягивания кристаллов из расплава, более известный как метод Чохральского [47, 48] в различных вариациях, метод направленной кристаллизации расплава (метод Бриджмена и другие), процесс Вернейля, метод зонной плавки [4951]. При помощи этих методов производится широкий спектр кристаллических материалов для многих высокотехнологичных отраслей, таких как микро- и оптоэлектроника, фотоника, акустооптика, фотогальваника и другие. Основные принципы каждого метода роста кристаллов хорошо освоены и так или иначе применяются в промышленности. На сегодняшний день основными методами выращивания кристаллов кремния для нужд солнечной энергетики являются:

- метод вытягивания кристаллов из расплава (метод Чохральского);

- метод бестигельной зонной плавки;

- метод направленной кристаллизации.

1.2.1 Основные методы производства кристаллического кремния

Принцип метода вытягивания кристаллов из расплава впервые был предложен Яном Чохральским в 1916 г [47, 48]. Типовая установка для выращивания кристаллов методом Чохральского показана на рисунке 1.4.

Суть данного метода заключается в следующем. Затравку погружают в расплав и вытягивают кристалл путем медленного поднятия затравки при непрерывном вращении тигля с расплавом и затравки.

По мнению [53] к основным достоинствам метода вытягивания кристаллов из расплава относятся следующие.

1. Процесс поддается гибкой регулировке: изменяя скорость вытягивания кристалла, возможно непосредственно управлять линейной скоростью роста и диаметром получаемого кристалла.

2. Фронт кристаллизации не контактирует со стенкой тигля, что позволяет избежать образования побочных центров кристаллизации, возникающих у стенок тигля.

Рисунок 1. 4 - Схема установки выращивания кристаллов методом Чохральского [52]

Метод бестигельной зонной плавки [50, 54] применяется для выращивания высококачественных монокристаллических бездислокационных слитков. В данной технологии используется высокочастотный индуктор для расплавления участка поликристаллического кремниевого стержня. Затем расплавленный кремний затвердевает в виде монокристалла на вращающейся затравке, как показано на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Метод бестигельной зонной плавки. 1 - Верхний кристаллодержатель, 2 - поликристаллической стержень, 3 - расплав, 4 - индуктор-нагреватель, 5 - монокристалл, 6 - затравка, 7 - нижний кристаллодержатель, 8 - корпус камеры

В ходе данного процесса не используются тигли, что значительно снижает загрязнение слитка, позволяя получать монокристаллы кремния высокого качества, которые используются для производства фотоэлектрических модулей с высокой эффективностью до 25 %. Однако, необходимость использования кремниевых стержней в качестве исходного материала в сочетании с низкой производительностью процесса ведут к высокой стоимости изготовления монокристаллических слитков.

Несмотря на все достоинства метода Чохральского и метода бестигельной зонной плавки, наибольший сегмент рынка солнечных модулей, более 60 %,

занимают фотоэлектрические модули на основе мультикристаллического кремния [1], получаемого методом направленной кристаллизации. Большинство мультикристаллов на рынке имеют p-тип проводимости и легированы бором [55].

Основные конструкции установок направленной кристаллизации, используемые в производстве, и технологические процессы, реализуемые на них достаточно полно рассмотрены в [55] и в целом достаточно похожи. На рисунке 1.6 представлены три наиболее типичных проекта. Первая из приведенных конструкций, типа GT DSS 450 на рисунке 1.6 а, разработан компанией GTAT. В типовом производственном процессе выращивания мультикристаллического слитка, поликристаллический кремний «солнечного» качества (SoG-Si) в виде порошка или кусков, а также легирующий материал, в основном бор, загружают в кварцевый тигель, который помещают внутри графитового поддерживающего обклада, а затем закрывают крышкой из графитового композита (рисунок 1.6 а).

Отверстие в центре композитной крышки используется для продувки нагревательного узла и поверхности расплава аргоном, с целью удаления моноокиси кремния SiO, испаряемой из расплава кремния, а также для предотвращения диффузии оксида углерода CO из графитовых деталей нагревателя установки в расплав. Далее графитовую теплоизоляцию опускают на графитовый охлаждающий блок, вакуумную камеру закрывают, вакууммируют и продувают аргоном для последующего выращивания мультикристаллических слитков. Данная конструкция отличается тем, что тигель с расплавом установлены неподвижно, а охлаждение системы в процессе направленной кристаллизации происходит с помощью поднятия графитовой теплоизоляции с определенной скоростью. Эта скорость фактически и является скоростью кристаллизации и не превышает, обычно, 0,5-1 см/час [56].

Вторая конструкция, показанная на рисунке 1.6 б, разработана компанией Zhejiang Jinggong New Energy Inc. [55] и отличается от предыдущей тем, что верхняя графитовая теплоизоляция нагревательного узла неподвижна, а для

охлаждения расплава в процессе кристаллизации опускается нижняя часть теплоизоляции, находящаяся под блоком теплообменника.

а б в

Рисунок 1.6 - Три различных конструкции печи направленной кристаллизации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сливкин Евгений Владимирович, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Photovoltaics report. Prepared by Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, 2019 [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.ise.fraunho fer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf [21.08.2019]

2. Watson, J., Schmela M. Global Market Outlook For Solar Power / 2018 - 2022 [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.solarpowereurope.o rg/wp-content/uploads/2018/09/Global-Market-Outlook-2018-2022.pdf [20.08.2019].

3. Xakalashe, B. Silicon processing: from quartz to crystalline silicon solar cells / B. Xakalashe, M. Tangstad // South. African Pyrometallurgy. 2011. pp. 83-99.

4. Safarian, J. Processes for Upgrading Metallurgical Grade Silicon to Solar Grade Silicon / J. Safarian, G. Tranell, M. Tangstad // Energy Procedia. 2012. V. 20. pp. 88-97.

5. Wu, B. Simulation of silicon casting process for photovoltaic (PV) application / B. Wu, S. Scott, N. Stoddard, R. Clark, A. Sholapurwalla // TMS Annual Meeting. - 2009. - Vol. 2 - PP. 1-8.

6. ГОСТ 2169-69 Кремний технический. Технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. - 7 с.

7. Фризен В.Э. Индукционные комплексы для инновационных электрометаллургических технологий: дис. д-ра техн. наук: 05.09.10 / Фризен Василий Эдуардович. - Е., 2014. - 317 с.

8. Сарапулов С. Ф. Индукционные магнитогидродинамические машины технологического назначения для электромеханического воздействия на металлические расплавы: дис. д-ра техн. наук: 05.09.01 / Сарапулов Сергей Федорович. - Е., 2011. - 291 с.

9. Павлов, Е.А. Магнитогидродинамическое перемешивание алюминиевых расплавов в миксерах сопротивления / Е.А. Павлов, С.В. Боговалов, В.Н. Тимофеев, Д.С. Надточий // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2006. № 5. - вып. 12. - С. 201-205.

10. Вольдек, А. И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом / А. И. Вольдек. Л. : Энергия. Ленингр. отд-ние. - 1970.- 272 с.

11. Протоковилов, И.В. МГД технологии в металлургии (Обзор) [Электронный ресурс] / И.В. Протоковилов // Современная электрометаллургия. -2011. - № 4 (105). - С. 32-41. Режим доступа: https://docplayer.ru/59662902-Mgd-tehnologii-v-metallurgii-obzor.html [21.08.2018]

12. Бояков, С. А. Трехфазные устройства для электромагнитного перемешивания жидких металлов / С. А. Бояков, Е. А. Павлов, Л. К. Собочинский, А. В. Богданчиков // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. / отв. ред. С. Р. Залялеев - Красноярск: ИП КГТУ, 2004. - С. 10-17

13. Тимофеев, В.Н. Электромагнитные вращатели, перемешиватели и дозаторы алюминиевых сплавов: Автореф. дис. докт. техн. наук: 05.09.03 / В.Н. Тимофеев. -Красноярск, 1994.- 39 с.

14. Гельфгат, Ю.М. Жидкий металл под действием электромагнитных сил / Ю.М. Гельфгат, О.А. Лиелаусис, Э.В. Щербинин // - Рига: Зинатне, 1976. - 250 с.

15. Баранов, Г. А. Расчет и проектирование индукционных МГД-машин с жидкометаллическим рабочим телом / Г. А. Баранов, В. А. Глухих, И. Р. Кириллов. - М. : Атомиздат, 1978. - 248 с.

16. Frank-Rotsch, C. VGF growth of 4 in. Ga-doped germanium crystals under magnetic and ultrasonic fields / C. Frank-Rotsch, U. Juda, B. Ubbenjans, P. Rudolph // Journal of Crystal Growth. - 2012. - Vol. 352 - № 1. - PP. 16-20.

17. Dadzis, K. Model experiments and numerical simulations for directional solidification of multicrystalline silicon in a traveling magnetic field / K. Dadzis, J. Ehrig, K. Niemietz, O. Patzold, U. Wunderwald, J. Friedrich // Journal of Crystal Growth. -2011. - Vol. 333 - № 1. - PP. 7-15.

18. Kudla, Ch. et al. Crystallization of 640 kg mc-silicon ingots under traveling magnetic field by using a heater-magnet module / Ch. Kudla, A. Blumenau, F. Bullesfeld,

N. Dropka, Ch . Frank-Rotsch, F. Kiessling, O. Klein, P. Lange, W. Miller, U. Rehse, U. Sahr, M. Schellhorn, G. Weidemann, M. Ziem, G. Bethin, R. Fornari, M. Muller, J. Sprekels, V. Trautmann, P. Rudolph, // Journal of Crystal Growth. - 2013. - Vol. 365 -. -PP. 54-58.

19. Dropka, N. Influence of travelling magnetic fields on SL interface shapes of materials with different electrical conductivities / N. Dropka, C. Frank-Rotsch, W. Miller, P. Rudolph // Journal of Crystal Growth. - 2012. - Vol. 338 - № 1. - PP. 208-213.

20. Dropka, N. Numerical study on improved mixing in silicon melts by double-frequency TMF / N. Dropka, W. Miller, U. Rehse, P. Rudolph, F. Büllesfeld, U. Sahr, O. Klein, D. Reinhardt // Journal of Crystal Growth. - 2011. - Vol. 318 - № 1. - PP. 275279.

21. Dropka, N. Numerical study on stirring of large silicon melts by Carousel magnetic fields / N. Dropka, C. Frank-Rotsch, P. Rudolph // Journal of Crystal Growth. -2012. - Vol. 354 - № 1. - PP. 1-8.

22. Linke, D. Characterization of a 75 kg multicrystalline Si ingot grown in a KRISTMAG®-type G2-sized directional solidification furnace / D. Linke, N. Dropka, F.M. Kiessling, M. König, J. Krause, R.P. Lange, D. Sontag // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2014. - Vol. 130 -. - PP. 652-660.

23. Cablea, M. Directional solidification of silicon under the influence of travelling magnetic field / M. Cablea, K. Zaidat, A. Gagnoud, A. Nouri, Y. Delannoy // Journal of Crystal Growth. - 2014. - Vol. 401 -. - PP. 883-887.

24. Cablea, M. Multi-crystalline silicon solidification under controlled forced convection / M. Cablea, K. Zaidat, A. Gagnoud, A. Nouri, G. Chichignoud, Y. Delannoy // Journal of Crystal Growth. - 2015. - Vol. 417 -. - PP. 44-50.

25. Popescu, A., D. Vizman. Numerical study of the influence of forced melt convection on the impurities transport in a silicon directional solidification process / A. Popescu, D. Vizman // Journal of Crystal Growth. - 2017. - Vol. 474 -. - PP. 55-60.

26. Cablea, M. Numerical and experimental studies of magnetic field effects on solidification of metallurgical silicon for photovoltaic applications: Th. Doct. l'Univ. de Grenoble: Materials / Mircea Cablea. Université Grenoble Alpes - 2015.- P. 190

27. Tanasie, C. Numerical study of the influence of different types of magnetic fields on the interface shape in directional solidification of multi-crystalline silicon ingots / C. Tanasie, D. Vizman, J. Friedrich // Journal of Crystal Growth. - 2011. - Vol. 318 - №2 1. - PP. 293-297.

28. Vizman, D. Novel method for melt flow control in unidirectional solidification of multi-crystalline silicon / D. Vizman, C. Tanasie // Journal of Crystal Growth. - 2013. - Vol. 372 - № 1. - PP. 1-8.

29. Yu, Q. Parameter study of traveling magnetic field for control of melt convection in directional solidification of crystalline silicon ingots / Q. Yu, L. Liu, Z. Li, Y. Shao // International Journal of Heat and Fluid Flow. - 2018. - Vol. 71 -. - PP. 55-67.

30. Yu, Q. Global simulations of heat transfer in directional solidification of multi-crystalline silicon ingots under a traveling magnetic field / Q. Yu, L. Liu, Z. Li, P. Su // Journal of Crystal Growth. - 2014. - Vol. 401 -. - PP. 285-290.

31. Doni, A. Processes and technologies for crystalline silicon production for photovoltaic applications. Scuola di dottorato di ricerca in: ingegneria industriale. Indirizzo: ingegneria elettrotecnica / Università degli Studi di Padova. - 2012. - P. 167

32. Buchovska, I. The influence of travelling magnetic field on phosphorus distribution in n-type multi-crystalline silicon / N. Dropka, S. Kayser, F.M. Kiessling // Journal of Crystal Growth. - 2019. - Vol. 507 -. - PP. 299-306

33. Alemany, C. Refining of metallurgical-grade silicon by inductive plasma / C. Alemany, C. Trassy, B. Pateyron, K.I. Li, Y. Delannoy // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2002. - Vol. 72 - № 1-4. - PP. 41-48.

34. Moon, B.M. Boron removal from UMG-Si by hybrid melting utilizing steam plasma torch and EMCM / B.M. Moon, H.M. Lee, B.K. Kim, D. Park, T.U. Yu // Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference. - 2010. - PP. 21942197.

35. Ikeda, T. Purification of Metallurgical Silicon for Solar-grade Silicon by Electron Beam Button Melting / T. Ikeda, M. Maeda // ISIJ International. - 1992. - Vol. 32 - № 5. - PP. 635-642.

36. Lee, B.P. Refining of MG-Si by hybrid melting using steam plasma and EMC / B.P. Lee, H.M. Lee, D.H. Park, J.S. Shin, T.U. Yu, B.M. Moon // Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2011. - Vol. 95 - № 1. - PP. 56-58.

37. Safarian, J. Vacuum refining of molten silicon / J. Safarian, M. Tangstad // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. - 2012. - Vol. 43 - № 6. - P. 1427-1445

38. Li, P. Effect of alternating magnetic field on the removal of metal impurities in silicon ingot by directional solidification / P. Li, S. Ren, D. Jiang, J. Li, L. Zhang, Y. Tan // Journal of Crystal Growth. - 2016. - Vol. 437 -. - PP. 14-19.

39. Getselev, Z.N. Casting in an electromagnetic field / Z.N. Getselev // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. - 1971. - Vol. 23 - № 10. - PP. 3839 .

40. Asai, S. Metallurgical Aspects of Electromagnetic Processing of Materials in Liquid Metal Magnetohydrodynamics / S. Asai // ed. J. Lielpeteris and R. Moreau Boston, MA: Kluwer Academic Publishers. - 1989. - P. 13.

41. Штанько, Д.А. Применение вращающегося магнитного поля при литье металлов / Д.А. Штанько // Журнал технической физики. - 1933. - Т. 3 -вып. 7. -С. 1085-1090.

42. Takeuchi, E. Applying MHD technology to the continuous casting of steel slab / E. Takeuchi // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. - 1995. - Vol. 47 - № 5. - PP. 42-45.

43. Коняев А.Ю. Линейные индукционные машины для технологического электромагнитного воздействия на обрабатываемые электропроводящие изделия и материалы: дисс. ... д-ра техн. наук: 05.09.01 / Коняев Андрей Юрьевич. - Е. - 1996. - 282 с.

44. Багин Д. Н. Электродинамические сепараторы на основе линейных индукционных машин для обработки мелких фракций лома цветных металлов: дисс. ... к-та техн. наук: 05.09.01 / Багин Дмитрий Николаевич. - Е. - 2016. - 152 с.

45. Юрьев Ю. Н. Линейные индукционные машины для электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток: дисс. ... к-та техн. наук: 05.09.01 / Юрьев Юрий Николаевич. - Е. - 2000. - 214 с.

46. Wang, B. Analysis of the effects of electromagnetic stirring on solidification structure of bearing steel / B. Wang, Z. G. Yang, X. F. Zhang, Y. T. Wang, C. P. Nie, Q. Liu, H. B. Dong // Metalurgija. - 2015. - Vol. 54. - № 2.- PP. 327-330

47. Czochralski, J. Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle. [Электронный ресурс] / J. Czochralski // Zeitschrift für Physikalische Chemie. - 1918. - Vol. 92. - PP. 219-221. Режим доступа: http://bcpw.bg.pw.edu.pl/Content/3410/zeitschrift_fur_ physikalische_chemie_1918_v92_str219.pdf

48. Tomaszewski, P., Cahn, R. Jan Czochralski and His Method of Pulling Crystals / P. Tomaszewski, R. Cahn // MRS Bulletin. - . 2004.- Vol. 29. - № 5. - PP. 348-349

49. Müller, G. Fundamentals of Melt Growth, in Perspectives on Inorganic, Organic, and Biological Crystal Growth: From Fundamentals to Applications. / G. Müller, M. Skowronski, J.J. DeYoreo, C.A. Wang, Eds. // AIP Conference Proc. 916. -2007. - PP. 3-33.

50. Brice, J.C. Crystal Growth, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. [Электронный ресурс] / J.C. Brice, P. Rudolph // 2005. - PP. 1-54 Режим доступа: http://en.bookfi.net/book/1306103

51. Вильке, К.-Т. Выращивание кристаллов / К.-Т. Вильке. пер. с нем. Л.А. Рейхерт. под ред. Т.Г. Петрова и Ю.О. Пунина // Л. - Недра. -1977. - С. 600.

52. Cui, Bo Microfabrication and thin film technology [Электронный ресурс] / Bo Cui // NE 343. University of Waterloo. Режим доступа: https://ece.uwaterloo.ca/~bcui/content/NE%20343/Chapter%203%20Wafer%20fabricat ion%20_%20I.pptx

53. Мочалов, И.В. Выращивание оптических кристаллов. Конспект лекций. Часть 1. [Электронный ресурс] / И.В. Мочалов // Режим доступа: https://books.ifmo.ru/file/pdf/927.pdf

54. Таиров, Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов / Ю.М. Таиров, В.Ф. Цветков // C-Пб. - Лань. - 2002. - С. 422

55. Lan, C.W. Multicrystalline Silicon Crystal Growth for Photovoltaic Applications / C.W. Lan, C. Hsu, K. Nakajima // Handbook of Crystal Growth: Bulk Crystal Growth: Second Edition. - 2014. - Vol. 2 -. - PP. 373-411

56. Li, J. Modeling and optimization of the feedstock melting for industrial photovoltaic multi-crystalline silicon ingot / J. Li, Y. Chen, R. Hong // Solar Energy. -2016. - Vol. 139 -. - PP. 108-115

57. ALD Vacuum Technologies [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www. ald-vt. com/wp-content/uploads/2018/01/SCU2016.pdf

58. Vizman, D. Numerical parameter studies of 3D melt flow and interface shape for directional solidification of silicon in a traveling magnetic field / D. Vizman, K. Dadzis, J. Friedrich // Journal of Crystal Growth. - 2013.- Vol. 381- PP. 169-178.

59. Mullln, J.B. The use of electromagnetic stirring in zone refining / J.B. Mullln, K.F. Hulme // Journal of Electronics and Control. - 1958. - Vol. 4 - № 2. - PP. 170-174.

60. Gondi, P. Improvements in the purification of germanium by zone melting / P. Gondi, G. Scacciati // Il Nuovo Cimento. - 1961. - Vol. 21 - № 5. - P. 829-833.

61. Croll, A. Static magnetic fields in semiconductor floating-zone growth / A. Croll, K.W. Benz // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. - 1999. - Vol. 38 - № 1. - PP. 7-38.

62. Mitric, A. Growth of Ga(1-x)InxSb alloys by Vertical Bridgman technique under alternating magnetic field / A. Mitric, T. Duffar, C. Diaz-Guerra, V. Corregidor, L.C. Alves, C. Garnier, G. Vian // Journal of Crystal Growth. - 2006. - Vol. 287 - № 2. -PP. 224-229.

63. Galindo, V. Crystal Growth Melt Flow Control by Means of Magnetic Fields / V. Galindo, G. Gerbeth, W. Von Ammon, E. Tomzig, J. Virbulis //4th Int. PAMIR Conf.

on Magnetohydrodynamics at Dawn of Third Millenium (Presq'ile de Giens, France).-2000.- PP. 725-730.

64. Brückner, F.U. Single crystal growth with the Czochralski method involving rotational electromagnetic stirring of the melt / F.U. Brückner, K. Schwerdtfeger // Journal of Crystal Growth. - 1994. - Vol. 139 - № 3-4. - PP. 351-356.

65. Galindo, V. Numerical and experimental modeling of VGF-type buoyant flow under the influence of traveling and rotating magnetic fields / V. Galindo, K. Niemietz, O. Patzold, G. Gerbeth // Journal of Crystal Growth. - 2012. - Vol. 360 - № 1. - PP. 3034.

66. Ozawa, S. Programmed magnetic field applied liquid encapsulated Czochralski crystal growth / S. Ozawa, T. Kimura, J. Kobayashi, T. Fukuda // Applied Physics Letters. - 1987. - Vol. 50 - № 6. - PP. 329-331.

67. Vizman, D. Influence of different types of magnetic fields on the interface shape in a 200 mm Si-EMCZ configuration / D. Vizman, M. Watanabe, J. Friedrich, G. Müller // Journal of Crystal Growth. - 2007. - Vol. 303 - № 1 SPEC. ISS. - PP. 221-225.

68. Croll, A. Floating-zone growth of silicon in magnetic fields II. Strong static axial fields / A. Croll, F.R. Szofran, P. Dold, K.W. Benz, S.L. Lehoczky // Journal of Crystal Growth. - 1998. - Vol. 183 - № 4. - PP. 554-563.

69. Negrila, R.A. Numerical and experimental modeling of melt flow in a directional solidification configuration under the combined influence of electrical current and magnetic field / R.A. Negrila, A. Popescu, D. Vizman // European Journal of Mechanics, B/Fluids. - 2015. - Vol. 52 -. - PP. 147-159.

70. Rudolph, P. Travelling magnetic fields applied to bulk crystal growth from the melt: The step from basic research to industrial scale/ P. Rudolph, // Journal of Crystal Growth. - 2008. - Vol. 310 - № 7-9. - PP. 1298-1306.

71. Rudolph, P. Crystal Growth from the Melt under External Force Fields / P. Rudolph, K. Kakimoto // MRS Bulletin. - 2009. - Vol. 34 - № 4. - PP. 251-258.

72. Pfann, W.G. Magnetic stirring technique / W.G. Pfann, D. Dorsi // Review of Scientific Instruments. - 1957. - Vol. 28 - № 9. - PP. 720.

73. Pfann, W.G. Electromagnetic suspension of a molten zone / W.G. Pfann, D.W. Hagelbarger // Journal of Applied Physics. - 1956. - Vol. 27 - № 1. - PP. 12-18.

74. Utech, H.P. Elimination of solute banding in indium antimonide crystals by growth in a magnetic field / H.P. Utech, M.C. Flemings // Journal of Applied Physics. -1966. - Vol. 37 - № 5. - PP. 2021-2024.

75. Ono, N. A numerical study of the effects of electromagnetic stirring on the distributions of temperature and oxygen concentration in silicon double-crucible Czochralski processing / N. Ono, G. Trapaga // Journal of the Electrochemical Society. -1997. - Vol. 144 - № 2. - PP. 764-772.

76. Schwesig, P. Comparative numerical study of the effects of rotating and travelling magnetic fields on the interface shape and thermal stress in the VGF growth of InP crystals / P. Schwesig, M. Hainke, J. Friedrich, G. Mueller // Journal of Crystal Growth. - 2004. - Vol. 266 - № 1-3. - PP. 224-228.

77. Yesilyurt, S. The effect of the traveling magnetic field (TMF) on the buoyancy-induced convection in the vertical Bridgman growth of semiconductors / S. Yesilyurt, S. Motakef, R. Grugel, K. Mazuruk // Journal of Crystal Growth. - 2004. - Vol. 263 - № 14. - PP. 80-89.

78. Dropka, N. Numerical study on transport phenomena in a directional solidification process in the presence of travelling magnetic fields / N. Dropka, W. Miller, R. Menzel, U. Rehse // Journal of Crystal Growth. - 2010. - Vol. 312 - № 8. - P. 14071410

79. Елисов, Н.А. Влияние моделей турбулентности на расчётные значения несущих свойств летательного аппарата / Н.А. Елисов, С.А. Ишков, В.Г. Шахов [Электронный ресурс] // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2017. -№3. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/ article/n/vliyanie-modeley-turbulentnosti-na-raschyotnye-znacheniya-nesuschih-svoystv-letatelnogo-apparata.

80. Щербаков, М.А. Сравнительный анализ моделей турбулентности с использованием научного кода "Fastest-3D" и коммерческого пакета ANSYS CFX

[Электронный ресурс] /М.А. Щербаков, А.А. Юн, Б.А. Крылов// Режим доступа: https://docplayer.ru/49341157-Sravnitelnyy-analiz-modeley-turbulentnos ti-s-

ispolzovaniem-nauchnogo-koda-fastest-3d-i-kommercheskogo-paketa-ansys-cfX.html

81. Muiznieks, A. Convective phenomena in large melts including magnetic fields / A. Muiznieks, A. Krauze, B. Nacke // Journal of Crystal Growth. - 2007. - Vol. 303 - № 1 SPEC. ISS. - PP. 211-220.

82. Djambazov, G. Numerical modelling of silicon melt purification in induction directional solidification system / G. Djambazov, V. Bojarevics, K. Pericleous, M. Forzan // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. - 2016. - Vol. 53 -. - PP. 95-102.

83. Leenov, D. Theory of electromagnetophoresis. I. Magnetohydrodynamic forces experienced by spherical and symmetrically oriented cylindrical particles / D. Leenov, A. Kolin // The Journal of Chemical Physics. - 1954. - Vol. 22 - № 4. - PP. 683-688.

84. Srinivasan, M. Modeling on Directional solidification of Silicon for Solar Cell Applications [Электронный ресурс] / M. Srinivasan , P. Ramasamy //International Journal of Science and Research (IJSR). 2014. Режим доступа: https://www.ijsr.net/conf/AT0M2014/AT0M2014_02.pdf

85. Zheng, S.S. Mass transfer of phosphorus in silicon melts under vacuum induction refining / S.S. Zheng, W.H. Chen, J. Cai, J.T. Li, C. Chen, X.T. Luo // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. - 2010. - Vol. 41 - № 6. - PP. 1268-1273.

86. Dong, W. Removal of Phosphorus in Metallurgical Grade Silicon Using Electron Beam Melting // Materials Science Forum. 2011. - Vol. 675-677. - PP. 45-48.

87. Takashi I. Purification of Metallurgical Silicon for Solar-Grade Silicon by Electron Beam Button Melting./ I. Takashi, M. Masafumi // Isij International. 1992. - Vol. 32. - PP. 635-642.

88. Nakamura, N. Boron Removal in Molten Silicon with Steam Added Plasma Melting Method / N. Nakamura, H. Baba, Y. Sakaguchi, S. Hiwasa, Y. Kato // Journal of the Japan Institute of Metals. - 2003. - Vol. 67. - PP. 583-589.

89. Altenberend, J. Study of Mass Transfer in Gas Blowing Processes for Silicon Purification / J. Altenberend, G. Chichignoud, Y. Delannoy // Metallurgical and Materials Transactions E. - 2017. - Vol. 4 - P 41.

90. Karabanov, S.M Study of the Temperature Influence on the Efficiency of Silicon Vacuum Refining under Electromagnetic Stirring [Электронный ресурс] / S. M. Karabanov, D. V. Suvorov, D. Y. Tarabrin, E. V. Slivkin, A.E. Serebryakov, V. V. Klimakov, A. S. Karabanov, O.A. Belyakov // Proceedings of 2019 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering. - 2019. - P. 1-5. Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/8783705 [21.09.2019]

91. Karabanov, S.M. Mathematical modeling of vacuum refining of silicon melt under the conditions of electromagnetic stirring / S.M. Karabanov, D. V. Suvorov, D.Y. Tarabrin, E. V. Slivkin, A.E. Serebryakov, V. V. Klimakov, A.S. Karabanov, O.A. Belyakov // AIP Conference Proceedings. - 2018. - Vol. 1999 - PP. 1-8.

92. Карабанов, С.М. Математическое моделирование процесса вакуумного рафинирования расплава кремния в условиях магнитогидродинамического перемешивания / С.М. Карабанов, Д.В. Суворов, Д.Ю. Тарабрин, О.А. Беляков, А.С. Карабанов, Е.В. Сливкин, А.Е. Серебряков, В.В. Климаков // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. -2018. - № 65. -С. 164-170.

93. Karabanov, S.M Study of interaction of a plasma jet with the silicon melt surface under the conditions of its high turbulence [Электронный ресурс] / S. M. Karabanov, D. V. Suvorov, D. Yu. Tarabrin, E. V. Slivkin, V.A. Korotchenko, A. N. Vlasov, O.A. Belyakov, A. S. Karabanov, V.L. Dshkunyan // Proceedings of 2017 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering. - 2017. - P. 1-5. Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/7977457 [20.09.2019].

94. Karabanov, S.M. Study of Plasma-chemical Purification of Metallurgical-grade Silicon under the Conditions of Electromagnetic Stirring by Mathematical Modeling/ S. M. Karabanov, D. V. Suvorov, D. Yu. Tarabrin, E. V. Slivkin, O.A.

Belyakov, A. S. Karabanov, A.E. Serebryakov, V. V. Klimakov // Energy Procedia.-2018. - V. 150. - P. 2-8.

95. Sortland, 0.S. Boron Removal from Silicon Melts by H2O/H2 Gas Blowing: Mass Transfer in Gas and Melt / 0.S. Sortland, M. Tangstad // Metallurgical and Materials Transactions E. - 2014. - Vol. 1 - № 3. - P. 211-225.

96. Dughiero, F. Preliminary study on molten silicon velocity distribution during the directional solidification into i-DSS furnace [Электронный ресурс] / F. Dughiero, M. Forzan, N. Sempreboni, A. Tolomio // Режим доступа: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01331843/document

97. Dughiero, F. Experimental results in industrial environment of the i-DSS furnace / Forzan, M, Pozza, C., Tolomio, A. [Электронный ресурс] // Conference: Modelling for Electromagnetic Processing. - 2014. Режим доступа: http://www.sikelor.eu/publications

98. Rudolph, P. Crystal growth from melt in combined heater-magnet modules / P. Rudolph, M. Czupalla, N. Dropka, C. Frank-Rotsch, F.-M. Kiessling, O. Klein, B. Lux, W. Miller, U. Rehse, O. Root // Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology. - 2009. - Vol. 19. - PP. 215-222.

99. Bates, E.M. Development of a Bitter-Type Magnet System / E.M. Bates, W.J. Birmingham, C.A. Romero-Talamas // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2016. -Vol. 44 - № 4. - PP. 540-544.

100. Lantzsch, R. Experimental and numerical results on the fluid flow driven by a traveling magnetic field / R. Lantzsch, V. Galindo, I. Grants, C. Zhang, O. Patzold, G. Gerbeth, M. Stelter // Journal of Crystal Growth. - 2007. - Vol. 305 - № 1. - PP. 249-256.

101. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. - М.: Атомиздат. - 1978. - 144 с.

102. Dadzis, K. Modeling of directional solidification of multicrystalline silicon in a traveling magnetic field: Dissertation Dr. rer. nat. / Kaspars Dadzis // 2012. - P. 277.

103. Юрьев, А. С. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем / И. Г. Грачев, С. Ю. Пирогов, Н. П. Савищенко, А. С. Юрьев; под общ. ред. А.С. Юрьева.- С-Пб.: Мир и семья. - 2001. - 1153 с.

104. Анкудинов, В. E. Компьютерное моделирование процессов переноса и деформаций в сплошных средах: Учебное пособие. 1-е издание. / В. E. Анкудинов, Д. Д. Афлятунова, М. Д. Кривилев, Г. А. Гордеев. - Ижевск: Удмуртский университет. - 2014. - 108 c.

105. Красников, Г.Е. Моделирование физических процессов с использованием пакета Comsol Multiphysics / Г.Е. Красников, О.В. Нагорнов, Н.В.Старостин. - М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - 184 с.

106. Davidson, P.A. An Introduction to Magnetohydrodynamics / P.A. Davidson. Cambridge University Press. - 2001. - P. 431

107. Dropka, N., Comparison of stirring efficiency of various non-steady magnetic fields during unidirectional solidification of large silicon melts / N. Dropka, C. Frank-Rotsch, P. Rudolph // Journal of Crystal Growth. - 2013. - Vol. 365. - PP. 64-72.

108. Сливкин, Е.В. Математическое моделирование системы магнитогидродинамического перемешивания расплава кремния экспериментальной установки направленной кристаллизации / Е.В. Сливкин, С.М. Карабанов, Д.В. Суворов, Д.Ю. Тарабрин // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. -2019. - № 68. - С. 111-119.

109. Факторович, Л. М. Краткий справочник по тепловой изоляции. -Ленинград : Гостоптехиздат. Ленингр. отд-ние, 1962. - 451 с.

110. Программа управления модулем магнитогидродинамического перемешивания расплава: свидетельство о государственной регистрации ПрЭВМ 2019618057 Рос. Федерация / Серебряков А.Е., Сливкин Е.В., Суворов Д.В., Карабанов С.М., Тарабрин Д.Ю.; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина». - № 2019616935; заявл. 10.06.2019; опубл. 26.06.2019. - 1 с.

111. АТЕ-8702 Магнитометр [Электронный ресурс] // Режим доступа: https: //www.aktakom.ru/kio/index.php?ELEMENT_ID=39662.

112. APPA A series electrical tester & clamp meter specifications [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.appatech.com/style/frame /m9/download.asp?lang=2&customer_id=1855&content_set=color_1&name_id=22795 9&Directory_ID=16516.

113. Сливкин, Е.В. Экспериментальное исследование скорости движения расплава кремния в условиях магнитогидродинамического перемешивания / Е.В. Сливкин // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. -2019. - № 69. - С. 211-220.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Аеторы: KitpuftuiUHi Сергей Михайлович (RU). Суворов Дмитрий Владимирович (RU), Ошанин Евгений Владимирович (RU), Тарабрин Дмитрий Юрьевич (RU), Карабонол Андрей Сергеевич (RU), Ерахтин Олег Викторович (RU), Воронина Татьяна Николаевна (RU), Беляков Олег Алексин дроши ч (RU), I fanón Андрей Александрович (ИЩ

(¡O, HELOS

ООО иХЁЛ ИОС-Рееурс>>

егрн неттлимти

ЧНН ?^35573aW акгаоеивоит

^^h^U-ILLArtH.

íJCÍOl. Í'KHVÉ^^« VcrVWfMA Г L9£UF4£H, fJfc Пригари*!, i 1Í5. пцг^гп^-лл:^ lujinvc hiél ТТЛ. StJWHJ üí-ít H lílfcj Í8WH-75

pft: вдтщяпннююшгва

IÍPHM" МММСнлй fttuiMui | «himiOMEAl^H

^W НЕЭДЛСЕ

h^C ^оишта^нккчгпгМ

((05» сентиоря 20 L 9 г.

Акт

о внедрении результатов ди-сссргпщнОеной работы

Сливкина Евгения Владимировича

на тему «Разработки экспериментальной установки для исследования пронеси мапшго гидродинамического перемешивания расплава креынм»

Результаты Диссертационной p^íkvrfct Сливкина Е.В. в части ¡наработки еисг^ы иагнвтогндродннлшгчсскога перемешивания мги>л мен f технологическом процессе ООО «ХЯЛ 1-1ОС-Рейурс» при производстве слитков мулътккрнстздл нческого кремния.

С использованием разработанной системы магннтотндродинампческиго перемешивания были достигнуты следующие результаты;

- уменьшена длительность технологического npc¡ti¿eca ныраисннзнни слитков мульги-крнсталлнчсского кремния на Si -10%;

- увеличен выход годных пластин с одного слитка на 3-4%;

- обеспечена возможность Евзкращсннх в технологический процесс верхней части слЕ1ткои ну л ъта Ефи с талл ига с к о ла кремния, ранее являющихся невюбратными потерями, сеставлякш^чк 5-6 % от общего oíhbewa слитка.

«УТВЕРЖДАЮ»

АКТ

об использовании материалов диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технически?! наук

старшего преподавателя кафедры «Промышленная электроника» Слиикина Евгения Владимировича

Настоящим подтверждаем, что материалы диссертационной работы Е,В Сливкина на тему «Разработка экспериментальной установки для исследования процесса магнита гид родинамического перемешивания расплава Есремния» использованы при выполнении следующих научно исследовательских (опытно-конструкторских) работ:

- НИР № 5-17 Г в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 201А—2020 годы» но теме «Разработка технологии производства высокочистого кремния для солнсчйой энергетики на основе плазмохимическон очистки и магнитогидродя намического перемешивания» (Соглашение Л» 14,577,21.0263 от 26,09.2017, уникальный идентификатор проекта ЕРМЕИ57717X0263),

- ] 1ИОКР № 26-17 в рамкчх договора №26-17 т 13Л 2.2017 и договора о софинанснровании и дальнейшем использовании результатов исследований М58&-24 от 26.09,2017 по теме ¡¡(Разработка технологии производства высокочисгого кремния для солнечной энергетики на основе плазмохнмичгской очистки и мащитогндродинамического перемешивания».

Научный руководитель НИР В-17 Гт г.н.с, д.т.н

Научный руководитель НИР 26-17

в,II,с, К.'Г.Н