热交换法蓝宝石晶体生长的数值模拟研究

针对热交换法蓝宝石晶体各生长阶段的温场、流场和热应力进行数值模拟研究,并讨论了上部保温层结构、热交换器内管高度对晶体生长的影响.结果表明:长晶初期,固液界面呈椭球形;等径阶段,固液界面平坦,晶体与坩埚壁不接触;长晶后期,中心轴向晶体生长速率增加,晶体中心首先冒出熔体液面.随晶体高度增加,熔体对流由初期的两个涡胞变为等径阶段的一个涡胞,最大对流速度量级为10-3 m/s.晶体中最大热应力分布在晶体底部,热应力分布呈W型.增加炉体上部保温层,长晶后期固液界面变得平坦;降低热交换器内管高度,有利于降低晶体底部热应力.     

泡生法蓝宝石单晶不同生长阶段的数值模拟研究

针对泡生法蓝宝石单晶生长的不同生长阶段的温场、流场和固液界面形状进行数值模拟研究.并分析了加热器相对坩埚的轴向位置和不同生长速率对蓝宝石单晶生长的影响.结果表明:在蓝宝石单晶生长中,在靠近坩埚壁面和固液界面的熔体内,等温线密,温度梯度较大;在靠近坩埚底部的熔体内,等温线稀疏,温度梯度较小.随着晶体高度的增加,熔体对流由放肩阶段的两个涡胞变成等径阶段的一个涡胞,熔体平均温度有小幅度下降;加热器相对坩埚的轴向位置对晶体生长炉内温场和固液界面形状影响很大,随着加热器位置上移,晶体内平均温度升高,温度梯度减小;熔体内平均温度降低,温度梯度增大.同时固液界面凸度增大.随着晶体生长速率增大,固液界面凸度增大,界面更加凸向熔体.     

热屏位置影响直拉单晶硅熔体和固液界面的模拟

为了研究热屏位置对于直拉单晶硅的熔体和固液界面的影响,采用CGSim有限元软件对φ200 mm直拉单晶硅生长过程进行了模拟,结果表明,随着热屏底端位置上升(或径向内移),熔体自由表面及其邻近区域的温度下降;随着热屏底端位置径向内移,位于两个大涡胞之间的较小涡胞强度增大且移向熔体液面深处;热屏位置上升或径向外移均会使固液界面上凸程度增大,这主要归因于晶体热场的相应变化.     

氩气流速对400 mm大直径磁场直拉单晶硅固液界面、热应力及氧含量的影响

大直径化是太阳能光伏用单晶硅发展的趋势之一.由于炉体结构的增大,炉内气体流场的变化对晶硅生长过程产生了一定的影响.本文采用CGSim晶体生长软件,系统分析了氩气进口流速对固液界面,热应力和晶体氧含量的影响.结果表明,随氩气流速的增加,固液界面高度逐渐下降,当氩气流速为中等范围时,固液界面波动最低,有利于提高拉晶过程的稳定性;另一方面,三相交界处热应力最大值随氩气流速的增加而降低,固液界面热应力波动幅度随氩气流速的增加而增加,综合两方面考虑,确定采用中等氩气流速(0.9～1.5 m·s-1)工艺可有效避免断晶等缺陷的发生.同时,在中等氩气流速范围内,晶体中心处的氧含量下降至6.55×1017 atm/cm3(氩气流速为1.5m·s-1时),与低氩气流速时相比,氧含量降低了18;.     

泡生法生长蓝宝石晶体中固液界面形状的数值模拟研究

在泡生法蓝宝石单晶生长中,固液界面形状对晶体生长质量影响极大.本文针对泡生法蓝宝石晶体生长进行数值模拟,研究了晶体半透明性、放肩角、底部钼屏保温层厚度、加热器侧部和底部功率分配比等对固液界面形状的影响.模拟结果发现:不考虑蓝宝石晶体的半透明性,则固液界面凹向熔体生长,反之则固液界面凸向熔体生长;放肩角增大、底部钼屏保温层增厚,都造成固液界面凸度减小;加热器侧部与底部的功率比增大,则固液界面凸度增大.实际的固液界面形状取决于多种参数的综合作用.     

Al2O3/MgAl2O4共晶陶瓷定向凝固过程固液界面形貌的研究

采用有限元法计算模拟了Al2 O3/MgAl2 O4共晶陶瓷区域熔炼定向凝固过程固液界面形貌的演变,研究了熔区坩埚壁面温度、凝固速率对固液界面形貌的影响.结果表明,当熔区坩埚壁面温度从2090℃升至2290℃时,固液界面先由凸界面转为平界面,再转变为凹界面;固液界面前沿的温度梯度随之增大.当凝固速率从1×10-6 m/s升至1 x10-5s时,固液界面形貌无明显变化,而熔区长度有所增大.随着凝固过程的进行,熔区长度逐渐增大,凸固液界面的凸出高度逐渐变小.     

超导水平磁场结构对φ300mm直拉硅单晶固液界面影响的三维数值模拟

针对不同超导水平磁场结构的磁力线分布对φ300 mm直拉硅单晶固液界面影响问题,本文采用一种基于格子Boltzmann方法的耦合热格子模型,解决温度场与速度场耦合建模问题,并对不同结构的超导磁场作用下的晶体生长进行了三维数值模拟.结果表明,采用单磁力线分布的超导磁场结构使得固液界面氧含量降低,但是容易引起熔体内部热分布不均匀;采用双磁力线分布结构能够有效地改善熔体内部沿晶体生长的轴向温度梯度和沿固液界面的径向温度梯度,然而,其对固液界面氧含量抑制作用较小.当晶转、埚转工艺作用时,超导单磁力线水平磁场结构明显优于超导双磁力线水平磁场结构,固液界面形状对称性随磁感应强度的增加而增强.     

直拉硅单晶放肩过程的有限元数值模拟与控制参数研究

放肩是直拉法生长硅单晶保持无位错生长的过程,是晶体能够顺利进入等径生长的关键.生产实践中发现,在放肩前段经常出现液流线切人晶体随之变晶的现象.本文提出了放肩前期的变晶转拉晶工艺,采用有限元数值模拟的方法计算出熔体热对流及温度分布,给出了固液界面附近熔体中的流速变化规律,解释了液流线的成因,通过仿真结果和拉晶实验结果表明该方法的有效性.     

硅单晶生长工艺参数建模及多目标优化

为了获得满足高品质硅单晶体生长的工艺参数,一种计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法、数据处理组合法(group method of data handing,GMDH)型神经网络和第二代非支配排序遗传算法Ⅱ(nondominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)的混合策略被提出,并对Czochralski(Cz)法硅单晶生长进行建模和工艺参数的多目标优化.将包含了加热温度、晶转速度、埚转速度和提拉速度等四个设计变量的固液界面形变量h和缺陷评价准则V/G作为目标函数.通过CFD进行数值计算,获得GMDH训练所需要的样本,并建立目标函数多项式模型,最后利用NSGA-Ⅱ得到满足了Pareto最优解的工艺参数.通过实际工程验证,证明了所提出的混合策略为获取晶体生长工艺参数提供了一种新的数值计算方法.     

微重力条件下Marangoni数对分离结晶过程的影响

为了了解微重力条件下新型分离结晶生长过程中熔体热毛细对流的基本特征,利用有限差分法进行了三维数值模拟.当熔体顶部分别为自由表面及固壁边界条件时,得到了新型分离结晶Bridgrnan生长过程中熔体热毛细对流的速度分布和温度分布.结果表明:熔体顶部为自由表面时,当Marangoni数较小时,在上自由表面和下部狭缝处自由表面的表面张力的驱动下,熔体内部产生了逆时针和顺时针两个流动方向相反的流胞,此时熔体内的流动状态为稳态;随着Marangoni数进一步的增大,流胞的流动逐渐增强并逐步向熔体内部扩展,熔体内部温度分布非线性增强,上自由表面和下部狭缝处自由表面处速度增大;当Marangoni数超过某一临界值后,流动转化为非稳态流动.当熔体顶部为固壁时,与熔体顶部为自由表面时相比,临界Marangoni数增大.流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

保温层结构对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固技术是制备太阳能级多晶硅的主要制备技术.在该技术路线之中,优化多晶铸锭炉的热场结构和控制硅熔体的对流形态是获得高品质多晶硅的有效途径之一.本文设计了三种热场保温层,通过分析不同保温层下坩埚内硅熔体的热场、流场、固液界面、氧含量等的变化,确定了优化的保温层结构.研究发现,在传统固化碳毡保温层中引入石墨层可以使多晶炉内形成两个“热源”,提高多晶炉的热效率,使其能耗降低了38.5;;在洛伦兹力的作用下硅熔体中仅存在一个上下贯通的涡流,有利于硅中杂质原子的挥发.同时,添加石墨保温层后固液界面的形状由“W”状转变为凹状,其上的氧含量有所降低,并且V/Gn值在整个固液界面范围内均大于临界值,可以有效抑制氧沉淀.可见,在感应加热多晶硅生长系统中,采用固化碳毡+石墨保温层时,有利于降低多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质.     

半导体单晶生长过程中的位错研究

阐述了现有的半导体单晶位错模型,即临界切应力模型和粘塑性模型的基本理论及应用状况.分析了熔体法单晶生长过程中影响位错产生、增殖的各种因素,以及抑制位错增殖的措施.与熔体不润湿、与晶体热膨胀系数相近的坩埚材料,低位错密度的籽晶可有效地抑制生长晶体的位错密度;固液界面的形状及晶体内的温度梯度是降低位错密度的关键控制因素,而两因素又受到炉膛温度梯度、长晶速率、气体和熔体对流等晶体生长工艺参数的影响.最后,对熔体单晶生长过程的位错研究进行了展望.     

加热功率波动对SAPMAC法生长蓝宝石晶体的影响

本文根据温度波在熔体介质中的传播理论,结合SAPMAC法蓝宝石晶体生长工艺特点,研究了由加热功率波动引起的温度波动对晶体生长的影响.研究表明由于氧化铝高温熔体具有较大的热扩散系数,温度波较容易传到固液界面引起界面温度起伏;界面的温度起伏会使晶体内产生气泡、空腔等缺陷.根据温度波的频率、幅值对氧化铝熔体的传递深度、衰减规律的关系,提出了提高系统热惯性、增加界面熔体包裹层厚度等抑制措施.     

钇铝石榴石晶体固液界面形状的研究

本文描述了引上法〈111〉方向生长的钇铝石榴石晶体固液界面纵横截面的形状特征.研究表明,透过系数大的钇铝石榴石晶体,存在一个发生界面反转的临界转速ω1,透过系数小的掺质钇铝石榴石晶体,临界转速扩展为ω2-ω3的范围,在这个范围上可生长出平界面的晶体.还有一个临界转速ω4(ω4<ω2),晶转大于ω4时,凸、平、凹三种界面的晶体在固液界面的边缘都有一个与转速有关的微凸的边缘区.横截面略呈三角形,从锥状体的尖到底有三条突出的脊,脊间有三条沟.研究了与固液界面形状有关的晶体光学不均匀性.     

石墨坩埚厚度对感应加热制备太阳能级多晶硅影响的数值模拟研究

定向凝固法制备的多晶硅是目前主要的光伏原材料,制备过程中热场结构和硅熔体对流形态对于生长高质量的多晶硅极为重要,本文利用专业晶体生长软件CGSim对制备太阳能级多晶硅用真空感应铸锭炉中的石墨坩埚进行改进并进行了数值模拟,分析了不同石墨坩埚厚度的变化对热场、流场、固液界面、硅晶体应力场以及和V/G值的影响.结果表明,当石墨坩埚厚度为20 mm,可获得良好的对流形态、平坦的固液界面、合理的V/G值等,有利于节约多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质,为生产实践中工艺方案优化及缺陷分析等提供重要的理论依据.     

运用数值模拟技术改进VGF法生长GaAs晶体

在VGF法生长GaAs晶体的过程中固液界面凹向晶体,很容易在坩埚圆锥面处生长多晶.本文采用专业晶体生长模拟软件CrysVUn对实验温场进行了计算机模拟并提出改进方案,把底加热器取消并在坩埚底部加入氦气冷源,底部结构类似于热交换法系统.这样改变热场结构,得到凸向熔体的固液界面.     

非均匀热场条件下多晶硅定向凝固研究

设计一种辐射加热装置环状布置的多晶硅定向凝固设备,通过构建非均匀热场,使硅熔体侧壁区域温度高于中央区域,在熔体密度差的作用力下,液相自然对流强度加剧,使固液界面富集的杂质加速汇聚至熔体表面,提高杂质提纯效率,并在满足工艺要求的同时达到节能目的.进行数学建模和数值模拟研究来阐述该热场的设计原理,并通过试验验证.试验表明,环状加热方式使晶粒生长方向略微外倾,相对于传统加热方式,其能耗更低、并提高了除P、Al效率.     

多晶硅炉氩气导流系统设计与数值模拟优化

在DSS法多晶硅生长中,为了降低氧碳含量,作者利用CGSim软件,分析了三种传统氩气导流系统的优缺点,以此为基础设计了一种中心和侧面双排气的新型导流系统,并对其进行了设计和数值模拟优化.模拟得出以下结论:多晶铸锭炉三种传统氩气导流系统中,石墨坩埚上部开大孔且有盖板时,有利于控制氧碳含量和固/液界面;新型多晶铸锭炉氩气导流系统中,中心氩气进口管伸入上盖板时,有利于降低多晶硅的氧碳含量;随着石墨坩埚上部开口高度h逐渐增大,中心出口氩气流速逐渐减小,侧面出口氩气流速增大,当h=20 mm时,有利于降低多晶硅的氧碳含量.研究结果为生长高质量的多晶硅提供了理论依据.     

分离结晶垂直Bridgman法生长CdZnTe晶体的全局数值模拟

采用FLUENT软件对分离结晶Bridgman法生长CdZnTe晶体进行了全局数值模拟.模拟对象为:熔体上部边界条件分别为固壁和自由表面时两种晶体生长系统.重点考虑坩埚和晶体之间狭缝宽度e和重力对分离结晶过程的影响.在计算中分别取e=0 mm、0.5 mm和1 mm三种狭缝宽度,得到了在微重力和常重力条件下的温度分布、结晶界面形状以及流函数分布图.结果表明:在微重力条件下,当熔体上部为固壁时,随着狭缝宽度的增大,热毛细力作用增强,流动强度增强;当熔体上部为自由表面时,则与之相反.在常重力条件下,由于浮力-热毛细对流的共同作用,随着狭缝宽度的增加,流动强度逐渐减弱,有助于提高晶体生长质量.     

泡生法大尺寸蓝宝石晶体的生长速率对固液界面的影响

采用有限元法,对泡生法生长蓝宝石晶体不同生长阶段固液界面的形状和温度梯度进行模拟计算,探讨分析了生长速率对放肩、等径阶段蓝宝石生长的影响.结果表明:固液界面凸出度在放肩阶段较大,在等径阶段凸出度相对较小,固液界面温度梯度随着晶体生长不断减小.在合理速率范围内,放肩阶段0～2 mm/h,速率对固液界面的影响很小,等径阶段2～5 mm/h,速率对固液界面的影响越来越大,固液界面温度梯度和形变均随速率的增大而减小.利用模拟结果,调节实际晶体生长工艺参数,成功长出80 kg的大尺寸高质量蓝宝石晶体.