VGF法生长6英寸Ge单晶中热应力的数值模拟优化

VGF技术生长单晶时温度梯度较低,生长速率较小,目前已成为生长大直径、低位错密度晶体的主流技术之一。采用数值模拟研究了VGF法6英寸低位错Ge单晶的生长,结果表明在采用自主研发的VGF炉生长6英寸Ge单晶时,晶体生长过程中晶体与熔体中均具有较低的温度梯度(这里的温度梯度是指的界面附近的温度梯度),尤其当晶体生长进入等径生长阶段后,晶体中的轴向温度梯度在2～3 K.cm-1之间,熔体中的轴向温度梯度0.8～1.0 K.cm-1之间;晶体中的热应力除边缘外均在(2～9)×104 Pa之间,低于Ge单晶的临剪切应力,且晶体生长界面较平整;坩埚与坩埚托之间的间隙对于晶体生长中的边界效应影响显著,将8 mm间隙减小至2 mm后,埚壁外侧的径向热流增加,使得晶体边缘的最大热应力减小至0.21 MPa和Ge单晶的临剪切应力相当,实现了热场的优化。     

VGF法生长6英寸GaAs单晶生长速率的优化

晶体的生长速率关系着晶体质量和生产效率,保证晶体质量的同时,实现较高的生产效率是晶体生长速率优化的主要目标.VGF技术生长晶体时,晶体的生长速率主要取决于控温点的温度及降温速率.在保持加热器控温点不变的情况下,利用数值模拟方法研究了0.9,1.8,3.6mm·h-13个速率下6英寸VGF GaAs单晶的生长,通过对比不同生长速率下温度梯度(均为界面附近晶体中的温度梯度)和固-液界面形状的变化及热应力的分布,得出以下结果:随着晶体生长速率的增加,轴向温度梯度增大的同时,沿径向增加也较快;但由于受氮化硼坩埚轴向较大热导率的影响,晶体边缘轴向温度梯度迅速减小;径向温度梯度在晶体半径70 mm处受埚壁的影响均变为负值,晶体中大量的热沿埚壁流失,导致生长边角上翘;生长速率的增加使得界面形状由凸变平转凹,"边界效应"逐渐增强,坩埚与固-液界面的夹角逐渐减小,孪晶和多晶产生的几率增加;通过对比,1.8 mm·h-1生长时晶体界面平坦、中心及边缘处热应力均较小、生长速率较大,确定为此时刻优化的生长速率.     

VGF法生长4英寸GaAs单晶固液界面形状和热应力的数值模拟研究

采用专业晶体生长数值模拟软件CrysMas,模拟了垂直梯度凝固法(VGF)生长4英寸GaAs单晶过程中的固液界面形状,发现晶体在生长过程中固液界面形状经历了由凹到凸的变化.数值模拟结果表明熔体中和晶体中的轴向温度梯度之比小于0.4时,固液界面为凸向熔体,与理论推导结果一致.模拟了晶体生长过程中固液界面附近的晶体中的热应力值,发现固液界面为平界面时晶体中的热应力具有最小值.推导计算了VGF GaAs单晶生长过程中固液界面凹(凸)度的临界值,当固液界面凹(凸)度小于该值时,晶体中的热应力低于临界剪切应力.     

6英寸砷化镓单晶VGF法生长中坩埚-埚托间隙对晶体生长过程影响

在VGF法生长6英寸GaAs单晶的实际生长过程中,坩埚与坩埚托之间难以实现完全的理想贴合.坩埚与埚托之间的空隙对晶体生长过程中的温场和固液界面形状影响较大.通过模拟计算5种不同的空隙形状时的温场与热应力分布,发现随着空隙面积的增大,固液界面在轴向上的位置逐渐下降.在锥形空隙情况下,得到一个平坦的固液界面.设计了两种不同的空隙填充方案,模拟计算的结果表明,液态Ga完全填充时,在晶体轴向上热应力的分布较为平缓,有利于生长低位错、高质量的GaAs单晶.     

垂直凝固法（VF）生长砷化镓单晶

垂直凝固法（ＶＦ）生长砷化镓单晶宋萍王永鸿马碧春濮玉梅（北京有色金属研究总院１０００８８）关键词：垂直凝固法（ＶＦ）砷化镓（一）引言砷化镓等Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体材料在高速发展的电子领域中起着重要的作用。电子器件的需求不断推动着单晶生长技术的发展。而...     

4英寸低位错锗单晶生长

采用直拉法生长 4 英寸低位错锗单晶,研究了热场温度梯度、缩颈工艺、拉晶工艺参数对单晶位错密度的影响,测量了单晶位错密度,结果表明位错密度小于3000.cm-2,满足空间GaAs/Ge太阳电池的使用要求.     

球墨铸铁件的凝固数值模拟

采用直接差分法对典型球铁件曲轴凝固过程中的温度场和体积变化进行了数值模拟。模拟计算中发现铸件内某处先于冒口颈凝固,并把整个铸件分成若干个互不连通的区域,进而提出对其凝固过程体积变化分区计算的方法。模拟中考虑了共晶前期的温度回升及二次收缩等球墨铸铁件的特有现象。以凝固过程中铸件的体积变化作为判断是否产生收缩缺陷的参数,并根据温度场判断收缩缺陷的位置。模拟计算结果与实际生产验证基本相符。利用球铁铸件凝固过程的计算机模拟,为优化球铁铸件的生产工艺,生产出致密无收缩缺陷的合格产品提供了科学依据。     

凝固显微组织数值模拟研究的进展

概述了凝固显微组织数值模拟研究的发展过程,介绍了在晶粒惊讶上进行组织模拟的两类模型：确定论模型和概率论模型,此外,介绍了显微组织模拟研究方面的最新动态,包括相图计算和相场法的应用,最后,在分析现有模型不足的基础上,指出了显微组织模拟研究中亟需解决的问题,并对今后的发展方向作了分析。     

结合射钉实验与数值模拟对凝固进程精确预测研究

结合大方批连铸机设备和工艺特点与要求,采用射钉法测量不同工艺条件下40CrA和GCr15两个钢种的铸坯凝固坯壳厚度,并将测量结果与数值模拟结果进行了综合验证。结果表明,结合射钉实验和数值模拟能更精确跟踪铸坯的凝固进程,为轻压下工艺提供可靠的凝固信息。     

数字模拟法研究坩埚锥角对VGF法GaAs单晶生长的影响

坩埚锥角是诱发VGF法GaAs单晶出现孪晶与多晶的重要因素之一,应用数值模拟的方法对其进行了研究与探讨,研究发现,在晶体生长的放肩阶段,坩埚锥角为60°,90°,120° 3种情况下,晶体生长的固液界面均凹向熔体,随坩埚锥角α的增大,接触角θ变小,非均匀形核几率增加,易诱发孪晶和多晶.根据热量传输分析,在晶体生长的转肩阶段,随坩埚锥角α的增大,沿轴向传走的热量减小,径向传走的热量增加,增大了径向的温度梯度,造成凹的生长界面,导致三相点处过冷度的增加,也增大了孪晶及多晶产生的几率.而在等径生长部分由于远离了坩埚直径增加的区域,坩埚锥角对成晶率的影响较小.考虑到晶体生长的效率,为获得较长的等径部分,需要设计合适的坩埚锥角.选取了90°的坩埚锥角,模拟及实验均证实这一角度即能有效提高单晶成晶率,又能保证一定的晶体生长效率,并生长出直径4英寸的VGF GaAs单晶.     

VGF法GaAs单晶位错分布的数值模拟和Raman光谱研究

采用数值模拟技术和Raman光谱法对4inch垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶位错进行了研究。运用数值模拟软件计算了GaAs晶体生长过程中的位错分布,模拟计算与实验结果一致。通过Raman光谱测量,定量计算了晶片表面的残余应力分布。Raman测量结果表明,残余应力与位错密度分布基本一致。在VGF法生长的GaAs单晶中观察到了不完整的位错胞状结构,并利用Raman光谱法对其进行了微区分析。     

CUSP磁场对直拉硅单晶氧浓度分布影响的数值模拟

利用有限元分析软件对φ300mm直拉硅单晶生长过程进行模拟,分析了保持CUSP磁场对称面与熔体坩埚界面交点处的径向分量不变的情况下,硅单晶中氧浓度分别随CUSP磁场通电线圈距离、通电线圈半径的变化规律.随着通电线圈距离和半径的增大,晶体熔体固液界面氧浓度均逐渐降低.随着通电线圈距离和半径的增大,硅熔体径向磁场强度逐渐增大,对坩埚底部熔体向晶体熔体固液界面处对流的抑制作用加强,固液界面下方熔体轴向流速减小,使得从坩埚底部运输上来的富氧熔体减少,继而固液界面处的氧浓度降低.随着线圈距离和半径的增大,为保持所需磁场强度,施加电流也逐渐增大,从而能耗增大,与增大通电线圈距离相比,增大通电线圈半径所需的电流较大.通过实验,将CUSP磁场对单晶中氧浓度分布影响的数值模拟结果与实际晶体生长进行了对比,实验结果验证了数值模拟的结果.     

Experimental Study and Numerical Simulation on Concrete Box Culverts in Trenches

Concrete culverts in trenches have been widely used in expressways. Problems frequently take place because of improperly estimated vertical earth pressures on culverts. Different codes have been used in China to estimate the design load on culverts. In this study, a full-scale experiment and FEM simulation were conducted to evaluate the variation of vertical earth pressures and soil arching in backfill and to examine the accuracy of the methods recommended by different design codes including the prevailing Chinese General Code for Design of Highway Bridges and Culverts based on the linear earth pressure theory. The measured vertical earth pressures from the experiment were compared with those from the current theoretical methods. The variations of foundation pressure and settlement were also analyzed. The FEM simulation investigated the key influencing factors on the vertical earth pressures including the height of the embankment fill, the width of the trench, the slope angle of the trench, the dimensions of the culvert, the properties of the backfill, and the elastic modulus of the foundation soil. This research reveals that soil arch formed when the backfill on the culvert reached a certain height, but it was unstable. The coefficient of the vertical earth pressure on the top of the culvert was significantly different from that recommended by the Chinese General Code for Design of Highway Bridges and Culverts.     

硅热法炼镁还原罐导热装置的试验和数值模拟

首先通过分析还原罐中心温度变化曲线,提出了在罐内安装导热装置的必要性,然后设计了导热装置的形状,通过试验并进行了改进,验证了传热效果和对镁结晶的影响。通过ANSYS模拟安装导热装置后罐内温度场,计算了中心温度达到反应温度所需要的时间,并和没有安装导热装置的温度场进行比较,从而为缩短了还原时间提供了依据。     

Numerical Simulation and Experimental Study on Interlock Deformation for Roll Formed U-Section Steel Piling

The interlock of a roll formed U-section sheet steel piling under loading was analyzed by means of numerical simulation, and meanwhile the tensile failure experiment was conducted. The results indicated that under the same load, the interlock corners of roll formed steel piling are not only the regions with the lowest safety factor, but also the regions with the highest stress; there are two slippages in the tensile instability process of interlock. Each slippage can be regarded as a failure, and different types of failure mode should be used to evaluate the performance of steel pilings according to different applications. Due to the work hardening effect during the roll forming process, the hardness of the interlock material increases by 16% compared with that of the original sheet steel. It was also found that the instability strength obtained in tensile failure test is only 15.6% of the tensile strength of the original sheet steel.