改进型单晶炉提拉系统偏心平衡研究

随着光伏行业的快速发展, 对硅单晶的品质和长晶装备的稳定性的要求也不断提高。直拉法是生产硅单晶的主要方法,通过提高单晶炉副室的高度以扩大单晶硅的生产规模。由于副室高度的大幅增加,且单晶炉提拉头质心相对于旋转轴心有一定距离,对单晶炉整体稳定性有较大影响,从而降低了单晶硅的生产质量。针对此问题,对单晶炉建立可靠的力学分析模型,采用数值仿真方法,对单晶炉整体进行动力学响应分析,计算得到副室高度增加后的单晶炉工作时中钨丝绳下端晶棒的运动规律以及最大摆动幅度,为改进设计提供依据。数值仿真分析表明提高单晶炉副室高度后,提拉头较大的质心偏心是单晶炉提拉系统发生摆动的主要原因。在此基础上提出在提拉头上添加质心调节装置,通过控制系统调节可保证提拉头质心位置在旋转轴线上以降低提拉系统的摆动。     

江苏东方四通科技股份有限公司

<正>新能源产业成就卓越发展.绿色电源点亮未来之路超越自我追求卓越主要产品太阳能硅单晶炉直流开关电源蓝宝石(Al_2O_3)单晶炉直流开关电源单晶炉磁场电源单晶生长炉感应加热电源多晶铸锭炉PWM交流调压电源江苏东方四通科技股份有限公司是一家致力子绿色、高效电源研发和生产的高新技术企业,曾承担国家和江苏省火炬计划项目,并获得科技创新基金,主要产品有大功率软开关电源。PWM交流调压器。     

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.     

基于贝叶斯参数优化的无模型自适应硅单晶直径控制

直拉硅单晶的生长过程涉及多场多相耦合与复杂的物理化学变化,其中工艺参数的波动是导致晶体直径不均匀的重要原因,如何实现工艺参数的控制以获得理想的、均匀的晶体直径具有重要的研究意义。本文分析现有控制方法存在不稳定以及控制效果不佳的问题后,提出基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制模型来控制硅单晶生长过程中的晶体直径。首先以坩埚上升速度与加热器的功率作为控制输入参数,晶体直径作为输出,搭建无模型自适应控制模型,并分析算法的稳定性。其次将控制模型进行仿真实验,发现硅单晶直径控制模型中不同的超参数设定会影响控制过程的迭代次数以及控制效果。最后,利用贝叶斯优化超参数的取值范围,并进行最终的仿真实验,结果表明,经贝叶斯参数优化后的控制模型计算快、迭代次数少,输出的晶体直径稳定,同时将生长工艺参数控制在实际生产要求范围内。因此,基于贝叶斯参数优化的无模型自适应控制实现了硅单晶直径均匀稳定的有效控制,具有结合工程背景的实际应用前景。     

硅单晶提拉生长中拉速稳定性研究

为解决硅单晶提拉生长过程中拉速不稳定、波动较大的问题,在分析晶体生长界面热量及质量传输的基础上,通过控制温度补偿速率来抑制拉速大幅波动.采取基于遗传算法优化隶属度函数的模糊控制策略,对温度补偿速率进行控制,调节加热功率,使炉内热环境处于适宜晶体生长的范围.实验结果表明,在提高系统控径精度的同时,拉速稳定性也有显著提高,大幅波动明显减少.     

不同耦合间隙对大直径SiC晶体生长感应加热系统的影响

本文采用有限元分析方法系统地研究了大尺寸SiC晶体PVT法生长装置中的加热组件不同的耦合间隙对生长系统中的感应磁场、感生电流和焦耳热的影响;分析比较了取不同的耦合间隙时系统达到热平衡状态所需时间的不同.得出了在中频电源的输出功率和频率都不变的前提下,在线圈匝数已固定的条件下,通过缩小耦合间隙可以提高系统的加热效率,缩短系统达到热平衡状态所需时间的结论.     

ø300 mm直拉硅单晶生长过程中的变晶现象及其影响因素

直拉法生长直径300 mm硅单晶过程中,直径均匀是获得高品质硅单晶的关键。在生产实践中发现,当硅晶体进入等径生长阶段,过高的提拉速度会引起晶体发生扭晶现象,导致晶线断裂随即变晶,对等径生长不利。本文采用数值模拟和理论相结合的方法分析了ø300 mm硅单晶生长过程中扭晶现象的成因,建立了不同提拉速度下晶体直径与熔体温度分布的关系,分析了晶体发生扭晶的影响因素。结果表明,随着提拉速度的增加,熔体自由表面产生过冷区且该过冷区随提拉速度的增加不断扩大,过冷区的产生是导致晶体发生扭晶的主要原因。提出了一种基于有限元热场数值模拟的最大稳定提拉速度的判别方法,并给出了通过改变晶体旋转速度来改善熔体自由表面温度分布的工艺措施建议,从而避免晶体扭晶现象的发生。研究结果对设计大尺寸硅单晶生长热场具有一定的指导作用。     

二元半导体合金垂直Bridgman晶体生长的热质对流Ⅰ-原型炉

以GeSi半导体合金为例,采用准稳态模型数值研究了理想垂直Bridgman装置-原型炉中二元合金单晶生长过程的热质对流现象,分析了热瑞利数、生长炉绝热区长度对热质对流、熔体径向溶质分凝的影响规律.结果表明,原型炉中熔体的流动结构随热瑞利数的变化出现三种截然不同的形式;热质对流的驱动力是生长炉热边界条件不连续性引起的径向温度梯度;随着熔体流动强度的增加,径向溶质分凝变化出现两个极小点.     

基于数据驱动的晶体直径模型辨识方法研究

直拉法硅单晶生长是一个多场多相耦合、物理变化复杂,且具有大滞后和非线性现象的过程,基于单晶硅生长系统内部机理所构建的机理模型由于存在诸多假设而无法应用于工程实际。因此,本文以现有CL120-97单晶炉拉晶车间的长期、海量晶体生长数据为基础,忽略炉内复杂的晶体生长环境,对影响晶体直径的拉晶参数进行关联性分析及特征量化,探寻拉晶数据中所蕴藏的规律信息,进而建立基于数据驱动的BP神经网络晶体直径预测模型,并针对现有BP神经网络易陷入局部极小值的问题,采用遗传算法对BP神经网络的阈值和权值进行优化,以提高晶体直径预测的准确性。通过实际拉晶数据对模型预测结果进行验证,结果表明,对任意选取的8组拉晶数据进行直径预测,预测的平均相对百分比误差为0.095 71%,证明该模型对于等径阶段晶体直径的预测是可行的。     

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.     

直拉法单晶炉随动式加热器设计

单晶炉是一种在以高纯氩气为主的惰性气体环境中,用石墨热场加热,将多晶硅材料加以熔化,用直拉法生长单晶硅的设备,在太阳能单晶硅拉制的过程中,如何提高拉晶的速度和质量以及降低设备的能耗一直是单晶硅厂家永恒的追求。本文从机械结构的角度分析了坩埚上升在单晶炉拉晶过程中所造成的拉晶速度下降和额外能耗问题,在此问题的基础上提出了一种加热器随坩埚在拉晶过程中上升的单晶炉结构优化方法,并通过有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及拉晶过程中加热器功率进行分析。结果表明,改进后的单晶炉不仅可以提高拉晶过程的稳定性和拉晶速度,从而进一步提高单晶炉的拉晶质量和产量,而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。     

热屏下降式单晶炉设计与研究

光伏发电以绿色、可再生、能源质量高和不受资源分布地域的限制等优点被广泛使用,单晶硅又以低衰减率和高转换效率等优点渐渐超过了多晶硅光伏电池在市场中的份额,但成本问题和产能问题一直束缚着单晶硅太阳能产业的发展。本文提出了一种在晶体生长过程中随硅液面下降而下降的直拉单晶炉热屏结构,来解决在拉晶过程中坩埚上升所造成的拉晶速度和稳定性降低以及拉晶能耗增加的问题,并以CL120-97单晶炉热场为研究对象,利用有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及氩气流场进行分析。分析仿真结果表明,优化后单晶炉不仅可以提高单晶炉拉晶的速度和质量,而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。     

红外LED用GaAs单晶的垂直梯度凝固制备研究

GaAs单晶是当前光电子器件的主要衬底材料之一，在红外LED中有着重要应用。但杂质浓度高、迁移率低等缺点会严重影响红外LED器件性能。为生产出低杂质浓度、高迁移率、载流子分布均匀、高利用率的红外LED用掺硅垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶，本文研究了热场分布、合成舟和炉膛材质、工艺参数对单晶的成晶质量、杂质浓度、迁移率、载流子分布的影响。利用CGSim软件对单晶生长热场系统进行数值模拟研究，温区一至温区六长度比例为8∶12∶9∶5∶5∶7时，恒温区达到最长，位错密度达到1 000 cm^-2以下，成晶率达到85%。采用打毛石英合成舟进行GaAs合成，用莫来石炉膛替代石英炉膛，可以获得迁移率整体高于3 000 cm²/(V·s)的GaAs单晶，满足红外LED使用要求。对单晶生长工艺参数展开研究，采用提高头部生长速度、降低尾部生长速度的方式提高单晶轴向载流子浓度均匀性，头尾部载流子浓度差降低33%,尾部迁移率从2 900 cm²/(V·s)提高到3 560 cm²/(V·s)。单晶有效利用长度提高33...     

Cu单晶的生长与温场研究

Cu单晶在中子单色器、激光核聚变和音频信号传输等方面有着广泛的应用前景.根据对Cu晶体的差热分析结果,设计并制作了硅钼棒加热单晶生长炉,获得了适合Cu单晶体生长的温场.采用改进的垂直布里奇曼法成功生长出外观完整、表面光滑、尺寸为15 mm×35 mm的Cu单晶体.对生长的晶体进行切割、抛光腐蚀后,采用金相显微镜和X射线衍射分析,结果表明:研究设计的温场适合Cu单晶体的生长,生长出的晶体结晶性好、结构完整.     

基于NARX动态神经网络直拉硅单晶直径预测模型

直拉法在制备硅单晶的过程中存在机理假设多、多场耦合下边界条件不明确和化学变化交错且相互影响等问题,导致无法建立准确的机理模型用于硅单晶生长过程控制。针对此问题,本文以单晶炉拉晶车间的大量晶体生长数据为基础,基于互信息理论提出的最大信息系数(MIC)算法,对与晶体直径相关的特征参数进行分析,然后基于带外源输入的非线性自回归(NARX)动态神经网络,建立多输入单输出的等径阶段晶体直径预测模型,并对三台单晶炉拉晶数据进行直径预测,预测的平均均方误差值为0.000 774。最后将NARX动态神经网络同反向传播(BP)神经网络进行对比分析,验证了该模型的优越性。结果表明,NARX动态神经网络为晶体直径的控制提供了一种更准确的辨识模型。     

Propagation behavior of threading dislocations during physical vapor transport growth of silicon carbide (SiC) single crystals

The dislocation formation and propagation processes in physical vapor transport (PVT) grown 4H silicon carbide (4H–SiC) single crystals have been investigated using defect selective etching and transmission electron microscopy (TEM). It was found that while the growth initiation process generally increased the density of threading dislocations in the grown crystal, for certain areas of the crystal, threading dislocations were terminated at the growth initiation. Foreign polytype inclusions also introduced a high density of dislocations at the polytype boundary. In the polytype-transformed areas of the crystal, almost no medium size hexagonal etch pits due to threading screw dislocations were observed, indicating that the foreign polytype inclusions had ceased the propagation of threading screw dislocations. Based on these results, we argued the formation and propagation of the threading dislocations in PVT grown SiC crystals, and proposed the dislocation conversion process as a plausible cause of the density reduction of threading dislocations during the PVT growth of SiC single crystals.     

The effects of argon gas flow rate and furnace pressure on oxygen concentration in Czochralski silicon single crystals grown in a transverse magnetic field

The effects of the argon gas flow rate and furnace pressure on the oxygen concentration in a transverse magnetic field applied Czochralski (TMCZ) silicon single crystals were examined through experimental crystal growth. A gas controller which had been proposed by Zulehner was used for this series of experiments. In the TMCZ gas-controlled crystals, a decrease in the oxygen concentration with a decrease in furnace pressure was found. A clear relationship between the oxygen concentration and the argon gas flow rate was not obtained due to the limited experimental conditions. The relationships between the oxygen concentration and the furnace pressure and the argon gas flow rate previously observed for Czochralski (CZ) crystals by a similar gas controller were confirmed by the present gas controller. The oxygen concentration changes in the TMCZ and the CZ crystals were analyzed in terms of the calculated flow velocity of the argon gas between the gas controller and the silicon melt surface. In contrast with the CZ gas-controlled crystals, the oxygen concentration was decreased with an increase in the flow velocity of argon gas in the TMCZ gas-controlled crystals. The surface temperature model and the melt flow pattern model which had been proposed in the previous report are discussed again in light of the present experimental results.     

AgGaS2晶体生长成核研究

本文在对红外非线性光学材料AgGaS2的DTA谱线进行分析的基础上,对AgGaS2的结晶习性进行了研究.对传统的Bridgman-Stockbarger法进行了改进,设计出新的三温区立式炉,炉内温度梯度达到生长晶体的要求.根据自发成核的几何淘汰理论,针对AgGaS2的结晶特点,设计出适宜的石英生长安瓿,形状能够满足AgGaS2晶体结晶习性的需要,成功地生长出完整性较好的尺寸达10mm×25mm的AgGaS2单晶体.