微重力条件下开口矩形容器的小Pr热毛细对流

采用数值方法研究了微重力条件下开口矩形容器内小 Prandtl数镓 (Ga)熔体生长过程中定常热毛细对流 ,讨论了 Re数、几何纵横比 A和侧壁外加温差的相对高度 H对熔体内温度场和流场分布的影响 .计算结果表明 ,热毛细对流对熔体温度分布有明显的影响 ,从而影响着晶体生长过程 .自由面两侧温度差很小 (如 0 .1K)时 ,熔体内温度场将发生变化 ;当温度差增加即 Re数增加时 ,热毛细对流加强 ,对流和扩散相互作用导致温度场分布更加不均匀 .无论多小的 H值 ,若自由面存在温差 ,都会驱动热毛细对流 ;随着 H值增加 ,热毛细对流会扩展到整个熔区 .几何纵横比 A对熔     

微重力条件下开口矩形容器的小Pr热毛细对流

采用数值方法研究了微重力条件下开口矩形容器内小Prandtl数镓（Ga）熔体生长过程中定常热毛细对流,讨论了Re数、几何纵横比A和侧壁外加温差的相对高度H对熔体内温度场和流场分布的影响.计算结果表明,热毛细对流对熔体温度分布有明显的影响,从而影响着晶体生长过程.自由面两侧温度差很小（如0.1K）时,熔体内温度场将发生变化;当温度差增加即Re数增加时,热毛细对流加强,对流和扩散相互作用导致温度场分布更加不均匀.无论多小的H值,若自由面存在温差,都会驱动热毛细对流;随着H值增加,热毛细对流会扩展到整个熔区.几何纵横比A对熔体内温度场和流场也有影响,当A比较大时,在固/液界面附近扩散起主导作用.     

用提拉法生长氧化物晶体时的一些问题

生长铌酸盐、钽酸盐和石榴石这样的氧化物晶体时,用一稳定方法生长直径不变的晶体往往碰到某些困难。本文通过模拟熔体中的液流和温场研究了金属和半导体晶体生长时不曾遇到的两大问题。一个是生长界面形状随液流变化由凸转向凹时,熔体流动由自然对流转变为生长时晶体旋转所产生的强制对流所引起的。另一个是晶体周围的热不对称引起的,而且只有当晶体和坩埚的温差或熔体的温度梯度低以及强制对流为主体时才发生。本文给出了强制对流肚过自然对流而占优势时的临界雷诺数。详细地研究了石榴石晶体生长时,其界面形状的突变情况。     

用直拉法生长PbMoO_4晶体时的液流转换及对晶体完整性的影响

在不同的生长条件下进行了钼酸铅(PbMoO_4)晶体生长实验,研究了生长条件与固液界面附近液流状态的关系,以及液流状态对界面形状和晶体完整性的影响.实验表明PbMoO_4晶体生长过程中,界面形状经历了从凸到凹再凸的变化.这些变化是受固液界面附近液流状态的转换支配的.在等径生长过程中,固液界面附近的液流发生了从强迫对流占优势向自然对流占优势转换的现象.我们认为,这一现象是当格拉索夫数Gr随着液面下降熔体径向温差增加而增加到超过某一临界Gr数时产生的.液流的这一转换使得界面中心部位的生长速度迅速增加,产生了组分过冷或气泡、固体包裹物的集聚.我们利用增大熔体的径向温差并降低晶体的转数来降低强迫对流的强度,有效地抑制了固液界面附近液流转换,从而避免了上述缺陷的产生,提高了晶体完整性.研究表明维持生长过程中固液界面附近液流状态的稳定性是生长完整晶体的重要条件.     

勾形磁场下直径300mm CZ Si 熔体中氧浓度分布的数值模拟

采用低雷诺数K-ε紊流模型,考虑自然对流、晶体旋转和坩埚旋转等因素,对晶体直径为300mm,磁场强度变化范围在0～0.12T条件下,熔体硅内流场及氧的浓度分布、磁场分布等作了数值模拟.计算中采用有限体积法,运用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equations)算法耦合压力和速度场,动量方程、能量方程中对流项的离散采用QUICK(quadratic upwind interpolation of convective kinematics)格式,紊动能和耗散项方程中对流项的离散采用迎风格式.数值模拟结果表明,在勾形磁场作用下,熔体硅内的流场、氧的浓度分布与无磁场作用相比有较大不同,随着磁场强度的增加,生长界面处氧的浓度降低,并且磁场确实能有效地抑制熔体内的紊流,有利于晶体生长.     

垂直Bridgman法生长氟化钙晶体的数值分析

利用Fluent软件,模拟计算了垂直Bridgman法大尺寸氟化钙晶体生长的具体过程,研究了晶体生长过程中的热传递和熔体对流传热,分析了固相、液相和坩埚的热导率的差异对坩埚中心轴的轴向温度分布和轴向温度梯度以及界面处的径向温度分布和径向温度梯度的影响。分析结果表明:熔体对流传热的效果随晶体生长的不断进行逐渐减弱;固相、液相和坩埚的热导率的差异对坩埚中心轴的轴向温度分布和轴向温度梯度以及界面处的径向温度分布和径向温度梯度有重要影响;晶体的结晶速度和坩埚的下降速度存在不一致性。     

晶体生长期间热腔热耗散

本文研究了引上法高温晶体生长期间热腔的热耗散。在晶体生长过程中，辐射引起的热耗散减小，减小的速率主要由晶体对熔体热辐射的吸收系数决定。对流引起的热耗散随晶体长度增加而增加。热耗散的变化引起输入功率，热腔质热传递的变化，不利于晶体生长。通过调节对流气体的压力，可以改变对流引起的热耗散，从而改变液面上纵向温度梯度。     

勾形磁场下直径300mm CZ Si熔体中氧浓度分布的数值模拟

采用低雷诺数Ｋ-ε紊流模型，考虑自然对流、晶体旋转和坩埚旋转等因素，对晶体直径为300mm，磁场强度变化范围在0～0.12T条件下，熔体硅内流场及氧的浓度分布、磁场分布等作了数值模拟．计算中采用有限体积法，运用SIMPLE(semiimplicit method for pressure linked equations)算法耦合压力和速度场，动量方程、能量方程中对流项的离散采用QUICK(quadratic upwind interpolation of convective kinematics)格式，紊动能和耗散项方程中对流项的离散采用迎风格式．数值模拟结果表明，在勾形磁场作用下，熔体硅内的流场、氧的浓度分布与无磁场作用相比有较大不同，随着磁场强度的增加，生长界面处氧的浓度降低，并且磁场确实能有效地抑制熔体内的紊流，有利于晶体生长．     

真空高阻区熔Si单晶中的微缺陷及其少子寿命

通过在Ar气氛及真空环境中进行的高阻区熔Si单晶生长实验,分析了晶体直径、晶体生长环境及晶体生长速率对晶体中微缺陷及少子寿命的影响及产生这种影响的原因.单晶生长实验表明,与在Ar气氛下的单晶生长相比,在真空环境下采用较低的晶体生长速率即可生长出无漩涡缺陷的单晶,而当晶体生长速度较高时,尽管可以消除漩涡,但单晶的少子寿命却有明显的下降.     

YAG晶体等径生长过程中界面翻转与流体效应

本文讨论了提拉法氧化物晶体生长过程中固液界面的翻转与流体效应的关系。在自然对流时,Re不是一个独立的无量纲数.而是G的函数,与坩埚中熔体纵横比有关。计算了界面发生翻转与直径突变时晶体高度l:■对于坩埚中熔体的不同纵横比,计算界面翻转时的临界直径和晶体高度,与实验结果基本符合。     

水冷系统对直拉法生长大直径硅单晶拉速的影响

在直拉法生长大直径硅单晶过程中,单晶炉内的温度梯度直接影响单晶生长的质量.分析了炉体内添加水冷板后循环水流速对系统固相温度梯度的影响.研究发现在不影响单晶炉内固液界面处熔体表面温度的前提下,增大固液界面处固相温度梯度可有效提高晶体生长速率.但若冷却水流速过大,熔体可能生成新的不规则结晶核,凝固在晶体界面导致晶变.当单晶炉体内放置水冷板时,改变水冷板水流速大小可调整系统的温度梯度.通过仿真得出当循环水温度为296.15 K时,生长14英寸(1英寸=2.54 cm)硅单晶最适水流速约为55 L/min.经过对比实验得出,在晶体生长的过程中,炉体内加水冷板后的晶体生长速率逐渐高于未加水冷板的,最大生长增速约为9％.     

浮区中相变对流和毛细对流对分凝过程的影响

本文用“迎风有限元”法研究了在微重力条件下包含热毛细对流、相变对流及热和浓度扩散过程的浮区晶体生长过程,特别是半导体晶体生长的分凝效应。分析了不同典型参数条件下的流场、温度场、浓度场、熔化界面及固化界面形状,着重讨论了不同条件下的分凝过程。结果表明,相变对流对分凝有影响,它使固化界面处的杂质浓度增大。增大晶体的生长速度会使熔区变小,使固化界面变得平坦,使熔化界面变尖凸,使分凝程度增大。     

LEC法GaSb晶体生长数值模拟研究

采用有限元模拟软件对液封直拉(LEC)法生长锑化镓晶体过程进行计算机建模。模拟分析了晶体旋转、坩埚旋转及隔热屏等因素对GaSb固-液界面形貌的影响。结果表明,晶体旋转与坩埚旋转分别具有促使凸向熔体的固-液界面曲率减小及增大的作用,且同等转速条件下,坩埚旋转对固-液界面形貌影响更大。此外,减小放肩角度、去除炉体上部的隔热屏等措施,均具有使凸向熔体的固-液界面曲率降低的作用。而使用液封剂使凸向熔体的固-液界面曲率增大。坩埚在加热器中存在某一位置,使熔体内部轴向梯度最大。炉膛内氩气流速最剧烈部位为保温罩与拉晶杆间的区域,Ar气对流导致上炉膛温度提高,并降低熔体表面温度约8℃。     

称重法自控生长氧化物晶体时的外形畸变

本文分析了某些氧化物晶体用称重法自控生长的外形畸变及其产生的原因.腰带的形成与晶体下方熔体内的液流转换有关.螺旋形扭曲和拐腿现象的产生与液面径向温度梯度小且又同时存在着非对称自然对流相联系.     

Nd∶YAG晶体生长过程中Nd3+浓度场的数值模拟

采用有限差分法 (FDM)对使用Cz(Czochralski)法生长Nd∶YAG激光晶体过程中熔体内和晶体内Nd3+ 浓度场进行数值模拟研究。首先给出了Nd∶YAG晶体生长系统的数学模型 ,然后对上述数学模型进行无量纲化处理 ,最后给出相应的边界条件 ,使用有限差分法求解上述方程。应用上述方法编制仿真程序 ,仿真了改变工艺条件后熔体内和晶体内Nd3+ 浓度场的变化情况 ,分析了各种工艺条件对上述场量变化的影响。     

HgCdTe超重力晶体生长系统原理设计

为了制备组份均匀的ＨｇＣｄＴｅ材料,设计了一种在超重力条件下制备ＨｇＣｄＴｅ材料的晶体生长系统。超重力由离心机产生,ＨｇＣｄＴｅ熔体在超重力条件下产生的重吧用来抵消Ｂｒｉｄｇｍａｎ生长过程中产生的组份分凝,为了获得组份均匀的ＨｇＣｄＴｅ晶体,必需在Ｂｒｉｄｇｍａｎ生长过程中,随剩余熔体长度的变化改变离心机的转速,通过理论推导,求得离心机转速与剩余熔体长度的关系。     

大直径钽酸锂晶体的提拉生长

本文确定了用提拉法生长钽酸锂大直径单晶(直径7.8cm,长度21cm)所需要的条件,亦验证晶体生长方向和熔体温度分布对晶体中位错密度和位错分布的影响,从而找出晶体产生开裂的可能性。     

Nd:YAG晶体生长过程中Nd3+浓度场的 数值模拟

采用有限差分法(FDM)对使用Cz(Czochralski)法生长Nd:YAG激光晶体过程中熔体内和晶体内Nd 3+浓度场进行数值模拟研究。首先给出了Nd:YAG晶体生长系统的数学模型，然后对上述数学模型进行无量纲化处理，最后给出相应的边界条件，使用有限差分法求解上述方程。应用上述方法编制仿真程序，仿真了改变工艺条件后熔体内和晶体内Nd3+浓度场的变化情况，分析了各种工艺条件对上述场量变化的影响。     

激光熔覆过程中熔池对流运动对熔覆层气孔和元素分布的影响

激光熔覆时熔池对流运动对熔覆层成分和气孔缺陷分布具有较大影响。通过在灰铸铁和45钢两种基体上进行激光熔覆NiCuFeBSi 系合金的工艺试验,对熔池的对流运动形式进行了机理分析与试验验证。结果表明,受熔池强对流运动影响,熔覆层气孔呈均匀弥散化分布趋势;且自熔覆层底部向顶部方向合金元素分布均匀,无缓慢过渡特征。根据YAG 激光光斑能量的高斯分布特征,获得了熔池对流运动的驱动力是熔池温度分布不均形成的熔池表面张力梯度。而且熔池表面张力梯度与激光能量密度,熔池温度,熔体对流运动速度是彼此密切相关的。熔池对流运动机理分析表明,热流密度越高,温度越高,表面张力梯度越大,熔体对流运动速度越大。     

文摘选辑

(一)单晶和薄膜材料208 提拉法晶体生长中转动的影响——(Riley N.)《Jour.Cryst.Growth》47 4557—67 1979提出了一个从熔体生长单晶时有关晶体及坩埚转动影响的模型,按许密特数求解,并研究了晶体-熔体界面上影响生长的条件.