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.     

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.     

12英寸硅单晶生长过程中熔液面位置控制方法研究

集成电路用12英寸硅单晶生长过程中,为满足晶体生长界面附近温度梯度的要求,需要测量并控制晶体生长过程中硅熔体液面位置.传统的设定坩埚上升速度和激光测距的方法有时不能适应直拉硅单晶生长技术的发展.本文提出并实现了一种采用CCD图像捕捉和测量液面位置的方法,结合调节坩埚上升速度来控制液面高度,最终可以满足生长集成电路用12英寸硅单晶的需要.     

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.     

热屏优化对大直径单晶硅生长影响的数值模拟

通过对28英寸热场生长300 mm硅单晶过程中结晶速率、固液界面形状、晶体中热应力及晶体中氧含量的数值计算提出了在该热场条件下热屏的优化方案。数值计算结果表明:对热屏底端与晶体表面和熔体自由液面的距离以及热屏材料(优化前热屏使用单一石墨材料,优化后采用辐射率较高的内壁材料结合反射率较高的外壁材料组成复合式热屏)的优化可以减少主加热器对晶体的热辐射使得固液界面更加平坦,藉此增加结晶速率,减小晶体内热应力和熔体中氧含量。     

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.     

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.     

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。     

基于响应面法的直拉硅单晶生长工艺参数优化方法

在直拉法制备硅单晶的过程中,要得到优质的晶体必须建立合理的温度分布,而单晶炉内热场的分布与工艺参数的设定密切相关.其中以晶体转速、坩埚转速和拉速等三个工艺参数对热场分布的影响尤为显著.为了确定最佳热场分布下晶转、埚转及拉速的设定值,本文采用响应面算法通过方程拟合、回归分析等步骤求解这三个工艺参量与温度梯度之间的最佳函数模型,并在该模型下同时对这三个工艺参量进行优化分析,且通过仿真实验和拉晶实验表明该方法的有效性.     

热屏位置对直拉硅单晶V/G、点缺陷和热应力影响的模拟

为了研究热屏位置对φ200 mm直拉硅单晶V/G、原生点缺陷浓度场以及热应力场的影响,使用CGSim有限元模拟软件进行了系统模拟.结果表明:热屏位置对硅单晶的V/G和原生点缺陷浓度的径向分布规律没有影响;较热屏至晶体侧表面距离相比,其底端至熔体表面距离的影响更大,即随着它的增加,V/G值沿径向普遍增大且由内向外变化程度增强,晶体心部高浓度空位区扩大,最大热应力减小.合理控制热屏底端至熔体表面的距离可有效改善晶体质量.     

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.     

固液界面形貌及其转变

凝固时的固液界面通常为平面、胞状、枝晶状。在某些条件下结晶,会形成双胞结构、三胞结构、倾斜枝晶、密集分枝和退化枝晶等不规则界面。本文介绍了不规则界面的形貌特征,讨论了界面能各向异性、压力和温度对界面形貌的影响以及规则界面与不规则界面的相互转变等问题。当晶体沿着某些特定位向生长时,界面能接近于各向同性,晶体以密集分枝方式生长;当界面能各向异性时,大多数晶体以规则枝晶方式生长。在VF工艺中,低压下得到密集分枝界面;压力增加,界面以枝晶方式生长;压力进一步增加,重新得到密集分枝界面。     

热屏和后继加热器对生长φ300mm硅单晶热场影响的数值分析

本文采用有限体积元法软件CrysVUn对直拉法生长直径300mm硅单晶热场和热应力分布进行了模拟。后继加热器通过补充晶体径向的热散失,使得沿生长界面径向的由熔体向晶体的热输运实现平衡,使晶体生长界面更加平坦。随着热屏材料热辐射率的降低,晶体生长界面趋于平坦,生长界面上方热应力水平也随着热屏材料辐射率的减小而下降,使用内层高辐射率材料、外层低辐射率材料的复合式热屏结构进一步降低了晶体生长界面中心高度。     

大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟

为了降低大直径硅单晶生长过程中氧的引入,对常规的406mm(16英寸)热场进行了改造.设计了以矮加热器为核心的复合式加热器系统,使晶体生长过程中熔体热对流减小.通过对热场的数值模拟计算,分析了热场的温度分布,发现熔体的纵向温度梯度下降,熔体热对流减小,硅单晶中氧含量降低.     

硅晶体生长固液界面形貌研究

结合杰克逊界面理论、分子动力学模拟(MD)和密度泛函理论(DFT),对硅晶体(100)和(111)面生长过程中固液界面形貌进行研究,包括界面自由能变化、结构变化和生长位置吸附能等。通过杰克逊界面理论计算,发现(100)界面晶相原子和流体相原子在表面各占约50%时吉布斯自由能达到极小值,而(111)界面在表面占比约0%或100%时达到极小值,说明当热力学平衡时,(100)面趋向于粗糙面,(111)面趋向于光滑面;分子动力学模拟显示,随着生长的进行,初始光滑的固液界面在(100)面上会逐渐转变为粗糙界面,而(111)面则始终保持光滑界面生长;且在生长过程中,(100)面的生长速率明显高于(111)面,因为(100)面始终为粗糙面生长;DFT计算发现,(100)面上的所有生长位置吸附能接近,可以实现连续生长,(111)面吸附能则存在明显的差值,生长原子需要吸附在台阶处才能进行层状生长。     

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;.     

凝固速度对金属基复合材料液-固界面形态选择的影响

液－固界面形态的转变决定着材料内部显微组织的变化,本文采用定向凝固垢方法,研究了凝固速度对金属基复合材料液－固界面形态选择的影响。随着凝固冷却速度的提高,Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ－４．５Ｃｕ复合材料液０固界面形态将发生由胞状向树枝状的转变、其胞－枝转变的临界速率实验值是４９．８μｍ／ｓ。