冷心放肩微量提拉法大尺寸蓝宝石单晶生长过程的模拟分析

利用数值模拟方法计算了冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)蓝宝石晶体生长过程.结合晶体直径变化、裂纹出现位置与延续方向、晶体透明性等实验现象,通过与提拉法、温梯法、坩埚移动法等相对比,分析了冷心放肩微量提拉法晶体生长各阶段的工艺特点,并根据模拟计算结果对晶体生长系统和晶体生长控制工艺进行了改进.分别利用增大热交换器的散热参数、降低加热温度、改进降温曲线、调节外加轴向和径向温度梯度的方式来实现对晶体生长的引晶、放肩、等径和收尾控制.通过实验比较证明了改进后的晶体生长系统和晶体生长控制工艺能够生长出性能较好的大尺寸蓝宝石晶体.     

热交换器中氦气流量对生长蓝宝石温场影响的研究

采用热交换法生长蓝宝石晶体,通过数值模拟与实验研究了晶体生长过程中热交换器中氦气流量对温场的影响.结果表明:晶体生长过程中固液界面为近弧面;随氦气流量增大,晶体与熔体的温度下降,温度梯度增大;加热器功率缓慢上升.     

三维运动下KDP晶体生长过程中的应力分析

作为一种新型溶液晶体生长方式,“三维运动生长法”能够快速生长高质量大尺寸的KDP晶体.为了了解KDP晶体在三维运动生长过程中晶体内部的应力状态,本文采用有限元法对三维运动下KDP晶体生长过程中的应力分布进行了计算.结果表明,掣晶杆顶端附近以及晶面和掣晶杆交接处存在明显的应力集中,主应力较大,是晶体生长过程中的易开裂点.增加掣晶杆直径,使用圆头掣晶杆和降低三维运动过程中的加速度能够降低晶体内部的最大主应力,减小晶体在生长过程中开裂的机率.     

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.     

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.     

高质量LiCaAlF6晶体生长条件的探索

本文报道了采用提拉法在不同加热系统中和不同生长气氛下进行的LiCaAlF6晶体生长的实验,以探索高质量晶体的生长条件,并讨论了在晶体生长过程中晶体内部和表面上的某些缺陷的形成原因.为了获得高质量的晶体,抑制原材料的氧化和挥发,实现生长过程的稳定控制,是晶体生长过程中不可忽视的三要素.在较小的温度梯度、较高真空度(2×10-2Pa)、敞开式保温体系、较高控温精度(±0.1℃)及充入保护气体CF4条件下,可生长高质量的LiCaAlF6晶体.     

蓝宝石晶体热性能的各向异性对SAPMAC法晶体生长的影响

采用有限元法对冷心放肩微量提拉法蓝宝石晶体生长过程中晶体内的温度、应力分布进行了模拟计算,结合实验结果讨论了蓝宝石晶体热性能的各向异性对晶体生长的影响.研究结果表明,对于冷心放肩微量提拉蓝宝石晶体生长系统,较大的轴向热导率有利于提高晶体的生长速率和界面稳定性,而稍大的径向热导率则有利于保持微凸的生长界面.晶体内的热应力受径向热膨胀系数的影响显著,随着径向热膨胀系数的增大而增大,最大热应力总是出现在籽晶与新生晶体的界面区域.在实验中选α轴为结晶取向,成功生长出了直径达230mm、高质量蓝宝石晶体.     

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.     

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.     

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.     

移动加热器法生长碲锌镉晶体的组分输运与界面形貌研究

移动加热器法(THM)生长碲锌镉晶体时,界面稳定性对晶体生长的质量有很大影响。本文基于多物理场有限元仿真软件Comsol建立了THM生长碲锌镉晶体的数值模拟模型,讨论了Te边界层与组分过冷区之间的关系,对不同生长阶段的物理场、Te边界层与组分过冷区进行仿真研究,最后讨论了微重力对物理场分布的影响,并对比了微重力与正常重力下的生长界面形貌。模拟结果表明,Te边界层与组分过冷区的分布趋势是一致的,在不同生长阶段,流场中次生涡旋的位置会发生移动,从而导致生长界面的形貌随着生长的进行发生变化,同时微重力条件下形成的生长界面形貌最有利于单晶生长。因此,在晶体生长的中前期,对次生涡旋位置的控制和对组分过冷的削弱,是THM生长高质量晶体的有效方案。     

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.     

Te溶剂-Bridgman法Cd0.9Mn0.1Te晶体生长习性研究

采用Te溶剂-Bridgman法生长了尺寸为φ30 mm× 60 mm的Cd0.9Mn0.1Te:In晶锭,通过淬火得到了生长界面形貌.测试了晶片在近红外波段的透过率和电阻;采用化学腐蚀的方法观察了晶片中位错,Te夹杂和孪晶界;采用光学显微镜和红外成像显微镜观察了生长界面处附近的形貌.测试结果表明,晶锭中部结晶质量较好的晶片红外透过率达到60％,电阻率达到2.828×1011Ω · cm.位错密度在106 cm-2数量级,Te夹杂密度为1.9×104 cm-2,同时孪晶密度明显低于Bridgman法生长的晶锭.生长界面宏观形貌平整,呈现微凹界面.但由于淬火过程的快速生长,界面微观形貌发生变化,呈现不规则界面,并在界面附近形成富Te相的包裹.     

Numerical investigation of heat transport and fluid flow during the seeding process of oxide Czochralski crystal growth Part 1: non‐rotating seed

For the seeding process of oxide Czochralski crystal growth, the flow and temperature field of the system as well as the seed‐melt interface shape have been studied numerically using the finite element method. The configuration usually used initially in a real Czochralski crystal growth process consists of a crucible, active afterheater, induction coil with two parts, insulation, melt, gas and non‐rotating seed crystal. At first the volumetric distribution of heat inside the metal crucible and afterheater inducted by the RF coil was calculated. Using this heat source the fluid flow and temperature field were determined in the whole system. We have considered two cases with respect to the seed position: (1) before and (2) after seed touch with the melt. It was observed that in the case of no seed rotation (ω_seed = 0), the flow pattern in the bulk melt consists of a single circulation of a slow moving fluid. In the gas domain, there are different types of flow motion related to different positions of the seed crystal. In the case of touched seed, the seed‐melt interface has a deep conic shape towards the melt. It was shown that an active afterheater and its location with respect to the crucible, influences markedly the temperature and flow field of the gas phase in the system and partly in the melt. (© 2007 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

生长气氛和速度在金红石(TiO2)单晶体生长中的作用研究

本文研究了生长气氛和生长速度在焰熔法金红石单晶体生长中的作用,对比了晶体在空气中与在氧气中退火的结果,测定了晶体试样的摇摆曲线和透过率.研究表明:金红石单晶体的生长受炉膛气氛、生长界面温度和生长速度的影响;炉膛气氛决定晶体能否形成,是关键因素;炉膛气氛中的氧分压大于液固界面(即生长界面)处熔体的氧离解压是生长完整晶体的前提条件;晶体在退火过程中消除热应力,但更重要的是通过氧化反应消除氧空位,在氧气氛中退火,可明显缩短退火时间.在所优化的实验条件下制备的晶体,完整性较好,透过率为70～72;,与商用晶体的透过率基本一致.     

LED用硅掺杂GaAs晶体的生长与表征

采用坩埚下降法生长了LED用硅掺杂<511>取向的GaAs晶体.选用带籽最槽的PBN坩埚作为生长容器,密封在石英安瓶中以防止生长过程中As蒸汽挥发.研究了掺杂工艺、固液界面形貌和生长缺陷.结果表明:孪晶化是硅掺杂GaAs晶体生长的主要问题.探讨了孪晶形成机理,优化了生长工艺,成功获得了直径2英寸高质量的硅掺杂GaAs晶体,双摇摆曲线显示所得晶体的FWHM为40 arcsec.     

Numerical optimization of czochralski sapphire single crystal growth using orthogonal design method

Crystal quality during Czochralski (Cz) growth is influenced significantly by the convexity of solid/liquid (S/L) interface, which is related to operating conditions, such as Radio‐Frequency (RF) coil position, crystal rotation and crucible rotation. Generally, a flat interface shape is preferred for high‐quality crystal growth. It is difficult to achieve the optimized conditions even from numerical modeling due to the large computational load from examining all of the affecting factors. Orthogonal design/test method, fortunately, provides an efficient way to organize the study of multiple factors with the minimization of computational load. In the paper, this method is adopted to investigate the affecting factors of Cz‐sapphire single crystal growth based on the coupled calculation of thermal field and melt flows. The orthogonal analysis clearly reveals the optimized growth conditions to achieve a relative flat S/L interface under the current ranges of the parameters.     

On facets existed on concave interfaces in Czochralski-grown GaSb crystals

It is tried to make facet regions grow on interfaces curved concavely toward the melt using the Czochralski method. By increasing rapidly the pulling rate of crystals, the whole growth interface is once remelted and a concave interface is formed in the following growth process. A facet region occurs from a (¯I¯I¯I) plane which appears by the remelt of interfaces. This facet continues to grow while it is being surrounded by concave interfaces of nonfacet regions. From the microscopic measurement of spreading resistance. the impurity concentration is higher in the facet region than in non-facet ones. This suggests that the growth mechanism of the facet on concave interfaces is the same as that on convex ones.     

Experimental Study of Interface Inversion of Tb3ScxAl5‐xO12 Single Crystals Grown by the Czochralski Method

Thermal conditions and rotation rate were examined experimentally for obtaining a flat interface growth of high melting‐point oxide (Tb₃Sc_xAl_5‐xO₁₂ ‐ TSAG) by the Czochralski method. The critical crystal rotation rate can be significantly reduced, of about twice at low and very low temperature gradients comparing to medium temperature gradients in the melt and surroundings of the crystal. The interface shape of TSAG crystals is not very sensitive on crystal rotation rate at small rotations and becomes very sensitive at higher rotations, when the interface transition takes place. The range of crystal rotation rates during the interface transition from convex to concave decreases with a decrease of temperature gradients. At low temperature gradients interface inversion crystals takes place in very narrow range of rotation rates, which does not allow one to growth such crystals with the flat interface. Even changing crystal rotation rate during the growth process in a suitable manner did not prevent the interface inversion from convex to concave and thus did not allow to obtain and maintain the flat interface.