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.     

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。     

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.     

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.     

直拉硅单晶中双空洞长大动力学的相场模拟

为了研究硅单晶直拉法生长过程中双空洞的长大动力学以及空洞间的相互作用机理,采用已建立的空洞演化的相场模型及其应用程序,模拟研究了直拉硅单晶生长过程中双空洞演化和相关因素的影响规律.结果表明:所建相场模型能够有效地模拟基体中空位扩散和双空洞长大的过程;双空洞长大趋势随着模拟时间和初始空位浓度的增强而加强;随着空洞初始中心间距的增加和初始空位浓度的减小,双空洞长大由相互融合模式转变为独立长大模式.     

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.     

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.     

基于响应面法的半水硫酸钙晶须制备工艺优化

本研究以氯化钙、硫酸为主要原料,采用常压酸化法制备半水硫酸钙晶须.以长径比、长度为主要指标,在单因素实验的基础上,运用响应面法中的Box-Behnken design对反应温度、硫酸浓度、反应时间、搅拌速度进行优化,建立半水硫酸钙晶须制备工艺的数学模型,研究制备的最优工艺条件.结果表明,制备半水硫酸钙晶须的最优工艺条件为:反应温度103℃、硫酸浓度7.4;、反应时间60 min、搅拌速度288 r·min-,得到的晶须样品形貌规整、均一,平均长径比为82.2,φ90为53.3,平均长度为562 μm.     

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.     

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.     

基于ISOMAP-DE-SVM的Cz单晶硅等径阶段掉苞预测

针对目测法无法及时发现直拉单晶硅在等径生长阶段发生的掉苞问题,本文提出一种基于ISOMAP-DE-SVM的掉苞预测模型,可以在掉苞现象发生之前发出警告。首先剔除方差较小的参数,采用斯皮尔曼相关系数法剔除冗余参数,采用最大互信息法检验剩余参数的非线性相关性;然后将关键参数的均值和标准差作为等度量映射和多维放缩的输入,得到两份样本数据;最后将这两份样本数据分别输入到经过差分算法、遗传算法优化的支持向量机预测模型,得到4份预测结果。预测结果表明：基于ISOMAP-DE-SVM的预测模型具有收敛速度快、准确度高的特点,平均预测准确率可以达到96%;同时,所使用的方法揭示了单晶硅等径阶段的数据具有非线性特点。通过实际应用验证表明模型具有一定的工程实用价值。     

基于M IC的Cz单晶硅放肩阶段关键特征参数辨识

直拉单晶硅生长过程中放肩阶段常由于断棱的出现导致无法顺利进入等径生长.为研究影响断棱的关键特征参数,提出采用最大互信息系数法(MIC)辨识直拉单晶硅放肩阶段关键特征参数.分别采用最大互信息系数法(MIC)、层次分析法(AHP)计算特征参数与放肩断棱的相关系数,按照降序依次提取前k项直至全部特征参数作为输入参数,在逻辑斯蒂回归模型进行放肩断棱预测评估.结果表明,采用MIC提取特征参数的前13项特征作为输入参数时,模型的准确度最高;且采用MIC法在预测精度上优于AHP法.     

Cz法单晶硅生长过程功率及流体流动的实验研究与数值模拟

本文建立了一个二维全局模型对120 KG单晶硅炉的热系统进行了数值模拟.通过对温场的单独模拟以及温场流场的耦合模拟得到了不同模型下晶体生长所需要的功率,并将两组模拟值与实验数据进行对比得到了加入流体流动后系统所产生的功率损耗.同时对晶体生长过程的分阶段模拟得到了晶体生长过程热系统温度分布的变化规律以及熔体流动的变化规律.结果显示,在整个晶体生长过程中流体流动所产生的功率损耗占实际功率的21.6;左右.     

旋转对Cz法硅晶生长过程中热输运和熔体流动影响的数值模拟

建立了一个120 kg单晶炉的二维轴对称全局模型,分别对无旋转、加入晶体旋转、加入坩埚旋转、同时加入晶体旋转和坩埚旋转的四种工况展开了数值模拟研究.得到了晶体旋转及坩埚旋转对晶体生长过程的拉晶功率、炉内温度分布和熔体流动的影响;得到了不同晶体长度下拉晶炉内的温度分布以及熔体流动的变化规律.结果显示,加入晶体旋转对晶体生长过程的拉晶功率、温度分布和熔体流动的影响小于坩埚旋转的影响;随着晶体长度的增加,晶体旋转及坩埚旋转对温度分布和熔体流动的影响不断减小.因此在单晶炉设计和优化过程中应考虑整个晶体生长过程.     

基于数值模拟的CZSi单晶收尾控制参数研究

采用理论分析和有限元数值模拟相结合的方法研究了晶体收尾过程中的温度分布与热量传递.解释了"倒草帽"形收尾(收尾前段晶体直径猛然收缩)的成因,指出了改进收尾形状的方法,研究结果对于合理设定直拉硅单晶收尾工艺参数具有一定的参考意义.通过对比试验,仿真计算结果与单晶炉实验测试结果相吻合.     

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。     

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.