冷心放肩微量提拉法大尺寸蓝宝石单晶生长过程的模拟分析

利用数值模拟方法计算了冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)蓝宝石晶体生长过程.结合晶体直径变化、裂纹出现位置与延续方向、晶体透明性等实验现象,通过与提拉法、温梯法、坩埚移动法等相对比,分析了冷心放肩微量提拉法晶体生长各阶段的工艺特点,并根据模拟计算结果对晶体生长系统和晶体生长控制工艺进行了改进.分别利用增大热交换器的散热参数、降低加热温度、改进降温曲线、调节外加轴向和径向温度梯度的方式来实现对晶体生长的引晶、放肩、等径和收尾控制.通过实验比较证明了改进后的晶体生长系统和晶体生长控制工艺能够生长出性能较好的大尺寸蓝宝石晶体.     

Cz法单晶硅生长过程功率及流体流动的实验研究与数值模拟

本文建立了一个二维全局模型对120 KG单晶硅炉的热系统进行了数值模拟.通过对温场的单独模拟以及温场流场的耦合模拟得到了不同模型下晶体生长所需要的功率,并将两组模拟值与实验数据进行对比得到了加入流体流动后系统所产生的功率损耗.同时对晶体生长过程的分阶段模拟得到了晶体生长过程热系统温度分布的变化规律以及熔体流动的变化规律.结果显示,在整个晶体生长过程中流体流动所产生的功率损耗占实际功率的21.6;左右.     

改进热交换法生长蓝宝石晶体的气泡研究

采用改进的热交换法生长的蓝宝石晶体,气泡是其主要缺陷之一.本文采用数值模拟研究了晶体生长过程中氦气流量对坩埚内温场、固液界面形状的影响.并结合晶体生长实验结果,分析了在实际的晶体生长过程中,氦气流量的线性增加对晶体内气泡的尺寸、形态和分布的影响.     

基于神经网络和遗传算法的铸锭晶体硅质量控制及工艺优化

铸锭晶体硅是太阳能级晶硅材料的重要来源之一,为了进一步降低硅片成本,需要在保证晶体质量的同时发展大尺寸铸锭晶硅。影响铸造晶体硅质量的热场控制核心参数包括晶体生长速度与生长界面温度梯度之比V/G、壁面热流q、生长界面高度差Δh和硅熔体内部温差ΔT等。针对铸锭晶体硅生长过程中的质量控制问题,本研究基于人工神经网络(ANN)模型对晶体生长过程建立了工艺控制优化方法,利用实验测量数据和数值仿真模拟结果构建铸锭晶体硅生长过程的工艺控制数据集,以底部隔热笼开口和侧、顶加热器功率比作为主要工艺控制参数,V/G、|q|、|Δh|和ΔT为优化目标,建立用于研究晶体生长工艺控制参数和热场参数之间映射关系的神经网络模型。使用训练完成的模型分析底部隔热笼开口及侧、顶加热器功率比对晶体生长过程热场的影响规律,并采用遗传算法(GA)对铸锭晶体硅生长过程的工艺控制参数以提高晶体质量为目标进行优化,最后结合实际生产中的检测图像讨论了V/G对晶体质量的影响。研究表明晶体生长中期的V/G沿横向变化较平缓,对应缺陷较少且分布均匀,因此增大V/G在横向上的均匀度也是提高晶体质量的一个重要因素。     

热交换器中氦气流量对生长蓝宝石温场影响的研究

采用热交换法生长蓝宝石晶体,通过数值模拟与实验研究了晶体生长过程中热交换器中氦气流量对温场的影响.结果表明:晶体生长过程中固液界面为近弧面;随氦气流量增大,晶体与熔体的温度下降,温度梯度增大;加热器功率缓慢上升.     

泡生法生长大尺寸蓝宝石晶体的生长速率研究

采用晶体生长数值模拟软件CrysMAS对泡生法生长蓝宝石晶体过程的温场进行了研究,利用数值模拟结果来调节晶体生长实验的生长速率,成功的长出了质量为91.3 kg的高质量蓝宝石晶体,并将模拟结果与实验结果进行了对比.结果表明:数值模拟结果能很好的反映出晶体在不同时刻的生长状态.晶体在生长初期应保持较低的生长速度,在等径生长阶段,晶体的最大生长速度应低于1002 g/h.     

液面位置对φ300mm硅单晶固液界面形状影响的数值计算

数值模拟技术已经成为分析和优化工业化晶体生长工艺必不可少的工具.本文利用有限元分析软件计算了φ300 mm直拉硅单晶生长过程中,不同液面位置时的晶体固液界面形状,模拟计算考虑了热传导、辐射、气流等物理现象,分析了晶体长度和液面位置对晶体生长界面形状的影响,得出了随着晶体长度的增加固液界面的凸度会增大的规律.     

大尺寸Yb:YAl3(BO3)4晶体的生长及其自倍频激光性能研究

利用助熔剂法生长了高质量、大尺寸的Yb:YAl3(BO3)4晶体,讨论了晶体生长过程中各种工艺参数对晶体生长的影响;研究了晶体的自倍频绿光输出、自倍频黄光输出、锁模激光输出.     

固相晶体生长技术的发展 ——从籽晶诱导到无籽晶生长

文章综合概述了固相法晶体生长技术的发展过程与研究进展.首先,回顾了在陶瓷烧结与冶金工艺中经常出现的晶粒异常长大现象,以及由此发展起来的固相法晶体生长技术.对固相法晶体生长工艺和应用领域等进行了简要介绍,对固相法晶体生长技术的典型应用案例和发展历程进行了叙述.然后,着重介绍了一种新的固相晶体生长技术——无籽晶固相晶体生长技术.对无籽晶固相晶体生长技术在无铅铁电压电晶体—铌酸钾钠基晶体中的应用进行详细介绍,并将该方法与常规的高温熔体法和籽晶诱导固相法晶体生长技术的特点进行了比较.最后,在介绍当前关于固相法晶体生长机理讨论的基础上,针对无籽晶固相晶体生长技术,提出了一种新的综合机制模型,力图解释无籽晶固相晶体生长的机理.对无籽晶固相晶体生长技术当前存在的问题以及未来的发展,分别进行了简要的说明与展望.     

传统法KH2PO4(KDP)晶体生长温场和速度场的数值模拟研究

在不同转速下用传统法生长了KDP晶体,并根据生长槽的实际情况,建立了三维数学模型.利用有限容积法,对晶体生长槽内的速度场和温度场进行了数值模拟,分析了不同晶体转速和晶体生长对速度场和温度场的影响规律.结果表明,随着晶体转速的增大,溶液流速越来越大,晶体生长更快,杂晶减少;较高转速(55 r/min和77r/min)较于较低转速(9.0～40 r/min)更有利于晶体生长.     

Direct observation and numerical simulation of molten silicon flow during crystal growth under magnetic fields by x-ray radiography and large-scale computation

Control of melt flow during Czochralski (CZ) crystal growth by application of magnetic fields is an important technique for large-diameter (>300 mm) silicon single crystals. Melt convection under magnetic fields is an interesting problem for electromagnetic-hydrodynamics. This paper reviews the effects of a vertical magnetic field and a cusp-shaped magnetic field on melt flow during CZ crystal growth. Melt flow in vertical magnetic fields or cusp-shaped magnetic fields was investigated by the direct observation method based on X-ray radiography and by numerical simulation. The first part of this review shows the result of direct observation of molten silicon flow under magnetic fields. It also compares the results of experimental and numerical simulation. The second part shows the details of the numerical simulation of the behavior of molten silicon in magnetic fields.     

基于数值模拟的CZSi单晶收尾控制参数研究

采用理论分析和有限元数值模拟相结合的方法研究了晶体收尾过程中的温度分布与热量传递.解释了"倒草帽"形收尾(收尾前段晶体直径猛然收缩)的成因,指出了改进收尾形状的方法,研究结果对于合理设定直拉硅单晶收尾工艺参数具有一定的参考意义.通过对比试验,仿真计算结果与单晶炉实验测试结果相吻合.     

用数学模型计算生长大尺寸光学晶体加热系统结构 第2部分—在φ4 00mmCaF_2晶体生长中计算辐射-传导热交换的方法和结果(英文)

大尺寸氟化物晶体的生长是基于对晶体炉热交换的实验研究和计算结果 ,在晶体生长过程的不同阶段解决了复杂结构生长容器的边界条件和温场的二维计算任务。我们在这里给出了晶体生长过程中温场设置和转变的具体数据。所有的计算都是根据晶体、熔体 ,容器材料的光学特性与光谱和温度的关系以及它们的热物理值与温度的关系做出的。这些结果包括了迄今有关氟化物晶体生长系统和过程的最精确的数据 ,可用于生长技术工艺的发展以及晶体生长炉和容器的设计。     

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。     

用数学模型计算生长大尺寸光学晶体加热系统结构第2部分-在Ф400mm CaF2晶体生长中计算辐射-传导热交换的方法和结果

大尺寸氟化物晶体的生长是基于对晶体炉热交换的实验研究和计算结果,在晶体生长过程的不同阶段解决了复杂结构生长容器的边界条件和温场的二维计算任务.我们在这里给出了晶体生长过程中温场设置和转变的具体数据.所有的计算都是根据晶体、熔体,容器材料的光学特性与光谱和温度的关系以及它们的热物理值与温度的关系做出的.这些结果包括了迄今有关氟化物晶体生长系统和过程的最精确的数据,可用于生长技术工艺的发展以及晶体生长炉和容器的设计.     

单晶炉导流筒、热屏及炭毡对单晶硅生长影响的优化模拟

在CZ法生长太阳能级单晶硅中,单晶炉的导流筒、热屏和炭毡对晶体生长有很大影响.通过对上述三个部件进行改进优化,并通过数值模拟对优化前后晶体和熔体的热场、热屏外表面与石英坩埚内壁面之间的氩气流场以及晶体中的热应力进行分析,得出以下结论:石墨导流筒的引入减少了炉体上部的氩气流动涡胞,进而减少了SiO在单晶炉上部的沉积;优化后的热屏减少了加热器对晶体的烘烤,使结晶速率加快;优化后的侧壁炭毡阻止了加热器向上部的热损失.优化后在加热器功耗不变时,结晶速率至少可提高35;,而不增加宏观位错的发生概率.     

Combined effects of crucible geometry and Marangoni convection on silicon Czochralski crystal growth

In order to understand the influence of crucible geometry combined with natural convection and Marangoni convection on melt flow pattern, temperature and pressure fields in silicon Czochralski crystal growth process, a set of numerical simulations was conducted. We carry out calculation enable us to determine temperature, pressure and velocity fields in function of Grashof and Marangoni numbers. The essential results show that the hemispherical geometry of crucible seems to be adapted for the growth of a good quality crystal and the pressure field is strongly affected by natural and Marangoni convection and it is more sensitive than temperature. (© 2009 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Bridgman法晶体生长的瞬态数值模拟

采用变形有限元法对坩埚下降法晶体生长过程进行了瞬态数值模拟.对随下降距离生长位置、生长速度、界面位置处的法线方向温度梯度和凹度的变化进行了分析说明,将生长过程划分为三个阶段.结果表明在整个生长过程中,晶体生长条件一直处于变化之中,因而晶体的质量也在整块晶体中呈现一定的波动性.