液面位置对Ф300mm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Ф300mm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。     

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.     

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.     

晶体对热辐射的吸收对晶体生长的影响

本文综述了晶体对熔体热辐射吸收对晶体生长的影响,包括对热腔热耗散的影响;对晶体生长温度时间特性的影响;对液流形态和固液界面形状的影响;对晶体界面反转的影响;对晶体中温度分布和应力分布的影响.     

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.     

泡生法蓝宝石晶体炉不同保温屏材料的性能比较分析

泡生法蓝宝石晶体炉内保温屏是炉内温场的重要部件,并对晶体生长有重要影响.本文对不同的保温屏材料的影响进行了计算分析.通过分析加热功率、晶体温度分布、固液界面形状,比较钨钼、石墨、氧化锆三种材料的保温屏的保温性能和对晶体生长的影响,结果表明:氧化锆保温性能优于钨钼保温屏,而石墨保温性能最差.选用钨钼保温屏和氧化锆保温屏晶体温度分布较为接近,且高于选用石墨保温屏时的温度分布.石墨保温屏对应的固液界面形状最大,钨钼屏其次,而氧化锆材料时形状最平缓.     

微重力下静态磁场对浮区法硅单晶生长的影响

考虑晶体生长界面的变形,利用有限体积方法对侧面加热的空间全浮区法硅单晶生长中熔区内的热质传输、流场及晶体生长界面位置和形态特征进行了数值研究.应用不同中等强度的轴向磁场和勾型磁场对硅熔体内的热毛细对流进行抑制.分析了静态磁场不同强度下熔区中的对流模式,研究表明,轴向和勾型磁场均能有效抑制熔体内的对流,并将热毛细对流挤压到自由表面附近.轴向磁场可有效抑制熔体的径向流动,但难以有效抑制轴向对流;勾型磁场则可以达到更好的控制熔体对流的效果.对不同强度下的固液面形态及位置分析发现:轴向磁场下固液面基本和无磁场时的重合,但磁场强度较小时固液面在自由表面边缘处向单晶侧有个凸起;勾型磁场作用下的固液面比较平滑,其中心区域较无磁场时整体向z轴正向偏移.研究结果可对浮区法晶体生长中获得高质量晶体提供帮助.     

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.     

碲锌镉垂直布里奇曼法晶体生长过程固液界面的演化

计算模拟了半导体材料碲锌镉垂直布里奇曼法单晶体生长过程,以等温线图展示了固液界面形状的演化,分析了温度梯度和坩埚移动速率对固液界面形状以及晶体内组分偏析的影响.计算结果表明在凝固的初始段,固液界面的凹陷深度较大,随后有较大幅度的减小.整个凝固过程中固液界面的凹陷深度值有一定的波动性.提高温度梯度、降低坩埚移动速率均能有效地减小固液界面的凹陷,改善晶体的径向组分偏析.     

晶体生长时的固液相结构变化分析

晶体的溶解、熔化以及结晶成核生长时的固液相原子结构是怎样变化的,晶体生长时的生长基元是原子还是原子团.本文根据各种材料液相结构的最新研究结果,提出不饱和配位结构转换模式,并以此模式对各种常见晶体材料从溶解、熔化到结晶生长时的液态母相结构变化以及晶体成核过程进行了描述和分析,认为晶体生长时的界面结构和液相结构十分接近,溶解、熔化主要是晶体表面的不饱和配位原子(离子)转换到液相结构的过程,晶体生长主要是液相中的不饱和配位原子(离子)转换到固液生长界面的位错位置,使配位结构更饱和的过程.随着液相过饱和度的增大,液相结构单元的原子数越来越多,吸附到晶体生长界面若来不及转换回液相,就形成新的位错生长中心,形成晶体生长缺陷.     

大直径硅单晶生长过程中固/液界面形状及熔体流动的数值分析

数值模拟技术是提升大直径硅单晶质量、降低晶体制备成本的有效工具.利用切克劳斯基法生长硅单晶时,固/液界面的形变程度是衡量晶体质量的关键参数.由于单晶炉体内的高温环境导致对界面的直接观察极为困难,因此本文采用有限元法对生长16英寸直径硅单晶过程中,不同生长阶段的固/液界面形状及熔体流动情况进行计算.数值计算结果表明:在本文所用的热场及工艺参数条件下,随着晶体长度的不断增加,固/液界面的形变量增加同时晶体内部的热应力加大;通过对晶体提拉速率及晶体转速-坩埚转速的比值的调整,我们发现,降低晶体的提拉速率以及精确的控制转速比可以使晶体各个阶段都获得比较理想的界面形状.     

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.     

改进布里奇曼法生长HgCdTe晶体的生长速度对固液界面形态的影响

为选择合理的晶体生长速度,在用改进Bridgman法生长直径为φ19mm的HgCdTe(x=0.21)晶体过程中,对正在生长的单晶体及熔体进行淬火,以观察其固液界面形态.初步的实验结果表明:在2mm/d及9mm/d的两种生长速度条件下,石英安瓶中的固液界面形态均为凹形抛物面,但其凹陷深度分别为10mm和14mm.较低的晶体生长速度条件下,凹陷深度较小,固液界面形态较平.由实验和讨论得知,宜选择较低的晶体生长速度用改进Bridgman法生长HgCdTe晶体.     

6H-SiC单晶生长温度场优化及多型控制

本文模拟了升华法生长6H-SiC单晶的不同温度场,并进行了相应的生长实验.结果表明:改变石墨坩埚和感应线圈的相对位置,可以改变温度场形状;下移石墨坩埚;可以增大温度场径向温度梯度.在不同的径向温度梯度下,6H-SiC晶体分别以凹界面、平界面和凸界面生长.晶体生长界面的形状和速率影响晶体多型的产生,在平界面,生长速率小于300μm/h的晶体生长条件下,可获得无多型的高质量6H-SiC单晶.     

多对流耦合环境下Cz-Si固液界面形态的仿真方法及控制参数研究

固液界面形态是各种晶体生长研究的关键,固液界面形态问题是—个移动边界问题.然而在Cz-Si系统中,移动边界问题又与对流耦合,尤其是与晶体旋转所引起的强迫对流直接耦合,构成了含有第三方耦合因素的移动边界问题.本文提出一种基于FVM的迭代法解决此问题,对多流耦合环境下的固液界面形态进行了仿真和研究,分析了晶体旋转对界面形态的影响.最终将仿真结果与采用快速提离法在实践中获得的界面形态进行对比,取得了一致性.     

连续铸造铜单晶的晶体取向与竞争生长

本文采用自制单晶连铸设备和X射线衍射方法研究连铸铜单晶的晶体取向与竞争生长.结果表明,在晶体演化过程中逐渐淘汰的晶面为(311)、(200)和(111),最后单晶生长的晶面为(200),连铸铜单晶的晶体生长方向为[100],晶体取向[100]与晶轴的偏离度小于10°.单晶生长时固液界面向熔体呈凸出形状,这有利于晶体生长过程中的竞争和淘汰.还发现了连铸铜单晶取向在一定范围内,并不是唯一取向的单晶.     

光学材料结晶化研究

本文通过分析光学材料中光谱与温度之间的关系证实了晶体生长过程中的相变团簇模型,认为晶体内部热辐射流是引起固-液界边界层温度场发生传导的可能原因.引入了前结晶的概念,并结合实际中的不同晶体生长方法讨论了包裹体及气泡的抑止机理,通过计算得到了生长理想晶体的最大生长速率并且解释了由于界面层的摆动使得晶体生长过程中产生的微气泡没有被移动的界面层所捕获.     

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.     

大尺寸晶体快速生长理论与技术的研究进展

“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”是中国科协发布的2021年度的十大前沿科学问题之一,揭示晶体生长机制和突破生长关键技术是大尺寸功能晶体发展的两个趋势。在原子分子尺度上,晶体生长可以是有势垒的热激活过程,也可以是无势垒的超快结晶过程,这与具体的体系以及晶面有关。从界面属性角度来看,光滑界面是以台阶拓展的方式生长;粗糙界面没有明显的固-液分层,通过局部原子固化进行生长。本文从晶体生长理论模型、生长技术及其应用实例,以及分子动力学方法在晶体生长中的应用等方面探讨了近些年大尺寸晶体快速生长理论和技术的研究进展。目前有多种方法制备大尺寸晶体,但普遍存在制备的晶体质量差和性能不稳定等问题。需要突破对晶体生长微观机制上的认识,建立机制与温度、流速等外界因素的内在联系。而利用机器学习力场以及分子动力学模拟方法,建立固-液界面,模拟晶体生长,将是探究晶体生长微观机制的一种有效方式。     

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.