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。     

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。     

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.     

φ200mm蓝宝石晶体生长工艺研究

采用单晶提拉炉成功生长出φ200mm ×180mm大尺寸Al2O3晶体.探讨了晶体生长工艺参数和晶体开裂之间的关系,并讨论了晶体中的热应力、热应变、温度梯度、提拉速度之间的关系,分析了影响晶体质量主要是晶体开裂的原因,设计出生长大尺寸Al2O3晶体的最佳工艺条件.     

定向凝固多晶硅铸锭炉石英坩埚的改进与热场优化

针对定向凝固多晶硅铸锭炉内温场的分布特点,利用COMSOL 5.0模拟软件优化设计了定向凝固多晶硅铸锭炉内部坩埚形状,并对优化后铸锭炉内的温场分布进行了详细分析.结果表明:将坩埚底面由平底结构改进为凸底结构,可优化铸锭坩埚内的温场分布,使长晶界面的等温线趋于水平分布,进而可有效解决中心区域结晶过早、边角区域结晶过慢和边角区热诱导缺陷、杂质密度大等铸锭过程中存在的基本问题.     

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。     

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.     

甩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φ400mm 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。     

氟化钙单晶炉温场的计算机模拟及改进

对氟化钙晶体生长炉的顶部保温、加热器和下保温装置进行了改进研究.结合数值模拟,对改进前后晶体的轴向温度梯度、径向温度梯度和固液界面附近温度分布进行了对比分析.模拟结果表明,改进了顶部保温后增加了晶体炉内的辐射传热,有效降低了温度梯度,减小了晶体内热应力从而避免了晶体开裂;对加热器和底部保温进行改进后,减少了坩埚底部的热损失,相同温度时降低了加热功率.     

双坩埚三维温度梯度法蓝宝石晶体生长炉设计

在已有的三维温度梯度法(3DGF)蓝宝石晶体生长炉基础上,设计了一种双坩埚蓝宝石晶体生长炉.设计的三维温度梯度法蓝宝石晶体生长炉主要针对蓝宝石手机面板市场,将坩埚设计成长方体型,增加了材料利用率,并简化了晶体切割工艺.采用双坩埚技术,可进一步提高晶体的生产效率,节约能耗,降低成本.本设计的双坩埚3DGF蓝宝石晶体生长炉可单炉获得2个300 mm×100 mm× 100 mm的蓝宝石晶体.     

多晶硅晶体生长中固-液界面研究进展

论述了多晶硅晶体生长技术的研究现状,探讨了多晶硅在定向凝固过程中的生长机制,重点阐述了多晶硅定向生长中固-液界面的形貌、杂质分布、数学模型、数值模拟以及外场对界面调控的影响,归纳总结目前国内外多晶硅生长界面的研究现状,展望了多晶硅晶体生长过程中固-液界面调控技术的发展前景.     

热屏间距对泡生法蓝宝石单晶生长影响研究

太空、军事和科研等高科技领域的持续发展极大促进了对蓝宝石晶体的需求,泡生法是蓝宝石晶体的主要制造方法之一;热场结构对所得蓝宝石晶体的质量具有重要影响.本文对采用泡生法工艺制造蓝宝石单晶过程中,具有内置7层氧化锆外置8层钼金属的新型热屏结构间距进行研究.通过数值模拟考察热屏间距对单晶炉功率、固-液界面形状和晶体热应力的影响确定了合理的热场结构;并与试验生产结果进行对比验证.结果表明:热屏间距增大使得单晶炉功率明显提升,并引起固-液界面凸度增大;而蓝宝石晶体热应力出现减小.综合考察三个影响因素的影响,最后确定热屏间距为5 mm时单晶炉能耗较低,可用于制造高质量的蓝宝石晶体.     

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...     

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.     

Movable partition designed for the seed‐assisted silicon ingot casting in directional solidification process

For the seed‐assisted casting process for silicon ingots, different partition blocks were designed in the directional solidification (DS) furnaces to preserve the seed crystals and optimize the thermal field in the hot‐zone. A transient global model was established to investigate the effects of different partition blocks during the solidification process. The simulation results showed that the partition blocks can significantly influence the temperature distributions and the melt flow fields. From the designed partition blocks, the movable partition block was more favorable for the seed‐assisted DS process. A suitable temperature gradient and a flat seed‐melt (s‐m) interface were obtained, which facilitated the preservation of seed crystals effectively, and an optimized crystal‐melt (c‐m) interface was achieved as well. One of the designs of the movable partition blocks was implemented in quasi‐mono crystalline silicon casting experiments and it has been confirmed that the designed movable partition block was helpful for the improvement of the single crystal area.     

Influence of furnace design on the thermal stress during directional solidification of multicrystalline silicon

Directional solidification is one of the most popular techniques for massive production of multicrystalline silicon (mc-Si). Dislocation is one of the major defects that significantly affect the photovoltaic performance. For the analysis and optimization of stress-induced dislocation, a computational tool has been developed to investigate thermal stress distribution during directional solidification process of multicrystalline silicon. Temperature distribution in the furnace, S/L interface shape and melt flow are simulated. Parametric studies are further conducted to evaluate the effect of furnace design on the interface shape and on the maximum von Mises stress in the growing ingot. To consider the effects of the crucible geometry qualitatively, three-dimensional modeling of the thermal stress is performed with or without the constraint of the crucible. The regions of dislocation multiplication are evaluated by comparing von Mises stress to critical resolved shear stress (CRSS). The results imply that the dislocation in the growing ingot can be reduced by optimizing the design of the directional solidification furnace.     

Influence of view angle of radiation and heat of fusion on the GaAs bridgman crystal growth

The paper is concerned with the numerical simulation of temperature distributions within the ingot. The effective field of view of heat exchange by radiation depending on the difference in the radii of the ingot and furnace wall flats the axial temperature gradient in the ingot and influences the position of the solid-liquid interface. In the vicinity of this interface the heat of fusion flats and increases the temperature gradient in the liquid and the solid respectively. Thereby the curvature of isotherms is changed, too.     

Three-dimensional global analysis of thermal stress and dislocations in a silicon ingot during a unidirectional solidification process with a square crucible

A three-dimensional global model was used to obtain the solution of a thermal field within the entire furnace during a unidirectional solidification process of multicrystalline silicon with a square crucible. Then the thermal stress distribution in the silicon ingot was solved. Based on the solution of thermal stress, relaxation of stress and multiplication of dislocations were performed by using the Haasen–Alexander–Sumino model (HAS model). The influence of crucible constraint on stress levels and dislocations was investigated. It was found that the crucible constraint had significant influence on the thermal stresses and dislocations in the ingot. The results indicated that it is important to reduce the crucible constraint in order to relax thermal stresses and reduce dislocations in a silicon ingot during the solidification process.     

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.