φ5300mm的大直径直拉单晶硅勾形磁场下生长的数值模拟

直径300mm硅片的生产技术是当今硅材料生产研究的重要方向之一，而晶体生长界面的形状、温度分布、晶体中氧的浓度和均匀性等对熔体流动状态十分敏感，采用实验的方法来测量熔体的流动、温度场分布是很困难的，因此很难通过实验的方法获得熔体的流动是如何影响晶体生长的质量的，而数值模拟能提供熔体流动、温度分布等详细内容，为单晶硅的生长提供有利的指导．本文采用低雷诺数的K—ε紊流模型，对直径300mm的大直径单晶硅生长进行了数值模拟，通过熔体在有、无勾形磁场作用时的流场、温度场的分析，阐明了勾形磁场影响熔体流动的机理．     

勾形磁场作用下分离结晶中熔体热毛细对流的数值模拟

为了更好地了解勾形磁场对分离结晶法制备CdZnTe晶体过程中熔体热毛细对流的影响,采用有限差分法对熔体内的热量和动量传递进行数值模拟。假定熔体为不可压缩牛顿流体,熔体的高径比为1,狭缝自由表面无因次宽度为0.1,研究了不同Ma数下,Ha数分别为0、45、90、135时的CdZnTe晶体生长过程。结果表明,勾形磁场能够有效地抑制熔体内部的对流,并且随着磁场强度的增加,抑制作用增强,熔体内部流动减弱。     

籽晶边长对SAPMAC法蓝宝石晶体放肩阶段生长质量的影响

温度场的控制是蓝宝石生长过程关键技术问题。采用有限元方法研究了冷心放肩微量提拉法蓝宝石单晶生长过程中籽晶的边长对晶体生长放肩阶段温度场内温度分布、流场分布和晶体的等效应力分布的影响。结果表明:当籽晶边长为24mm时,放肩阶段熔体的轴径向温度变化平缓,温度场内温度分布均匀,熔体的流动和晶体的热应力均适合晶体的生长。     

磁场在晶体生长中的应用

针对磁场在晶体生长中的应用,综述了近年来该领域数值模拟和实验研究的进展,包括静态磁场和动态磁场的产生原理及其在晶体生长中的效应。分析了晶体生长过程中存在的主要流动。综述了晶体生长过程中磁场力对导电熔体对流、固液界面形貌和杂质分布的影响,重点分析了磁场在直拉法单晶硅和定向凝固法多晶硅生长过程中的应用,总结了该领域当前存在的问题及其发展趋势。     

多晶硅真空定向凝固过程Marangoni对流对铸锭质量的影响研究

对于多晶硅垂直布里奇曼真空定向凝固过程,熔体自由表面张力引起的Marangoni对流对晶体生长质量有着明显的影响.本文通过建立多晶硅真空定向凝固过程的热场-流场-应力场多场耦合数学物理模型,采用数值模拟和实验研究了Marangoni对流作用下熔体传热特性、熔体流动行为、铸锭热应力等因素对硅晶体生长质量的影响.结果 表明...     

微注塑成型中对流换热系数对熔体充模流动的影响

在熔体流动理论的基础上,通过分析熔体的对流传热机理,并引入对流换热系数模型,对微注塑成型中对流换热系数对熔体充模流动进行了研究。在正方形截面分别为500μm、300μm和200μm的三种长方形微流道中,数值模拟了熔体充模流动,通过与已有实验数据相比较,验证了对流换热系数模型的合理性,并分析了不同的模具温度和熔体温度下,采用常数对流换热系数和对流换热系数模型得到的熔体温度分布及其随微流道特征尺度变化规律。     

热场分布对大直径CZSi单晶中氧含量的影响

为了降低大直径CZSi单晶生长过程中氧的引入,采用不同的热场,通过最优化方法,得到了适于大直径（154mm)晶体生长的热场温度分布,使熔体的纵向温度梯度下降,热对流减少,硅单晶中氧含量降低。     

微重力条件下熔体中对流过程的数值模拟

微重力条件下生长优质晶体遇到的最大问题是要控制晶体生长的条件，抑制由于重大的减弱而引起的熔体中的热毛细时流。但是，用实验来解决这些问题费用高，周期也长，而且有时完全用实验来模拟也是很困难的。用数值计算方法来模拟微重力条件下熔体中的对流过程是空间晶体生长研究的一个重要的方向，计算结果对控制空间生长晶体和抑制熔体中的对流有指导意义。对微重力条件下熔体中对流发生、发展的过程进行了数值研究。以有限差分法研究了沿上表面为自由表面的水平区域不同边界条件下的熔体中的对流过程。     

复合共挤成型中挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构方程,建立了矩形截面共挤口模内外两种聚合物熔体流动的三维粘弹数值模型,有限元模拟了聚丙烯/聚苯乙烯(PP/PS)共挤过程中的挤出胀大现象,并用实验验证了模拟结果。研究表明:当入口体积流量相同时,两熔体挤出口模后会朝向黏度较高的PS熔体一侧偏转,型材截面呈非对称畸变。两熔体在垂直挤出方向上的速度分布导致了挤出胀大过程中熔体的偏转流动,而口模出口处的剪切速率分布基本决定了共挤型材截面的形状。实验结果与模拟结果基本相符,模拟所得挤出胀大率比实际值大8.6%。等温假设是影响共挤出胀大数值模拟准确度的主要因素。     

强制对流作用下多枝晶生长的相场法研究

采用耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,对Ni-Cu合金凝固过程中多枝晶生长进行模拟,研究了多枝晶生长形貌及温度场和溶质场分布.结果表明:熔体流动显著改变凝固前沿的传热和传质,从而影响枝晶生长.受过冷熔体冲刷,枝晶逆流侧前沿溶质浓度和温度低,枝晶臂尖端生长迅速;枝晶顺流侧前沿溶质浓度和温度高,枝晶臂尖端生长缓慢.在熔体...     

磁场对KNbO3熔体中温度分布影响的实验研究

研究了磁场对ＫＮｂＯ３熔体中的温度分布的影响,利用加磁场的休仑微分干涉显微实时观察装置及一种近似的间接测量方法。对在不同磁场强度０、７０、１１７、１３５ｍＴ下,ＫＮｂＯ３Ｏ熔体中的径向温分布进行测量。     

磁场对KNbO3熔体中温度分布影响的实验研究

研究了磁场对ＫＮｂＯ_３熔体中的温度分布的影响．利用加磁场的休仑微分干涉显微实时观察装置及一种近似的间接测温方法,对在不同磁场强度０、７０、１１７、１３５ｍＴ下,ＫＮｂＯ_３熔体中的径向温度分布进行测量．发现随着磁场强度的增大,熔体中的径向温度梯度减小,尤其在坩埚－熔体界面附近,浮力驱动对流占主要作用的区域,温度梯度的减小更加明显．这可能是由于磁场对熔体中浮力驱动对流抑制的结果．     

Heat and mass transfer during crystal growth

Quality of semiconductor and oxide crystals which are grown from the melts plays an important role for electronic and/or optical devices. The crystal quality is significantly affected by the heat and mass transfer in the melts during crystal growth in a growth furnace such as Czochralski or horizontal Bridgman methods. This paper reviews the present understanding of phenomena of the heat and mass transfer of the melts, especially instability of melt convection from the detailed numerical calculation, which helps to understand the melt convection visualized using X-ray radiography. Large scale simulation of melt convection during crystal growth is also reviewed.

Characteristics of flow instabilities of melt convection with a low Prandtl number (ratio between momentum and thermal diffusivities) are also reviewed by focusing on the instabilities of baroclinic, the Rayleigh-Benard and the Marangoni-Benard, from the points of view of temperature, rotating and/or magnetic field effects during crystal growth. Oxygen concentration in grown crystals is also discussed how melt convection affects.     

用PMCZ法生长的单晶硅中氧和电阻率的均匀性

用永磁体环形磁场直拉（PMCZ）炉代替普通的MCZ炉生长了质量较高的单晶硅。在PMCZ炉中水平辐射状磁力线均匀分布，可有效地抑制熔体中不规则的对流和固液界面处的温度波动，降低以至消除微观生长速率的起伏。在用PCMCZ法生长的硅晶体中氧浓度较低，杂质的径向分布均匀性好。简单地讨论了PMCZ法控氧优于普通MCZ法的机理。     

定向凝固法多晶硅杂质控制数值模拟概述

在传统能源日渐消耗及可再生能源开发利用日趋受到重视的形势下,太阳能光伏发电逐渐成为最具潜力的可再生能源技术之一。多晶硅凭借高效率、低成本的优势成为最主要的光伏材料,其铸锭的品质和成本将直接影响太阳能电池的成本和光电转换效率。定向凝固法是制备多晶硅铸锭的重要方法,该方法晶硅生长过程中存在很多问题,包括熔体流动、杂质传输、固液界面的形状和结构以及缺陷。定向凝固过程中引入的有害杂质严重影响晶硅的机械和电学性能,是限制多晶硅光电转换效率的关键因素。长晶过程中定向凝固炉处于高温环境中,内部的传热传质极其复杂,不具备单一的线性关系和可推断性,且难于进行实验测量,因而数值模拟是研究定向凝固过程中传热传质现象的重要方式。降低长晶过程中杂质的含量可从两方面入手:(1)杂质的来源——原材料本身所携带的杂质和长晶过程中生成的杂质;(2)杂质的输运——找到杂质在熔体和氩气中的输运规律,并利用该规律控制杂质的分凝与输运。近年来,从控制杂质产生和输运的角度考虑,国内外对降低多晶硅中有害杂质的研究主要采用以下手段:(1)控制杂质产生,包括减缓坩埚与挡板之间的化学反应、优化顶部坩埚盖板、增设碳化硅涂层等;(2)优化氩气流动,例如使用导流系统、调整炉膛压力和氩气流量;(3)优化熔体对流形式,包括控制熔体流动方式及分凝、调整加热器功率大小及其排布、采用可旋转坩埚和调整石墨碳毡位置等。为进一步降低定向凝固法多晶硅铸锭成本,坩埚尺寸和投料量不断增大,熔体对流、杂质输运和界面形状也更加难于控制,外加磁场则成为控制熔体对流的一种强有力工具,并能进一步控制杂质输运。目前利用外加磁场控制定向凝固法多晶硅杂质的研究仍刚刚起步,具有很大的研究价值,其中电磁场(EMF)和行波磁场(TMF)在控制搅拌熔体对流方面具有巨大潜力,逐渐被用于多晶硅长晶过程。本文在深入分析杂质来源和输运机理的基础上,综述了国内外对多晶硅定向凝固过程中有害杂质的产生、分布、输运以及排出等问题的研究现状,总结了数值模拟中氩气导流系统、加热器以及外加磁场等因素对杂质的影响。     

Optimal Control of Oxygen Concentration in a Magnetic Czochralski Crystal Growth by Response Surface Methodology

Concepts and techniques of response surface methodology have been widely applied in many branches of engineering, especially in the chemical and manufacturing areas. This paper presents an application of the methodology in a magnetic crystal Czochralski growth system for single crystal silicon to optimize the oxygen concentration at the crystal growth interface in a cusp magnetic field. The simulation demonstrates that the response surface methodology is a feasible algorithm for the optimization of the Czochralski crystal growth process.     

深亚微米集成电路用硅单晶材料

由于经济和技术的发展,深亚微米集成电路要求硅单晶材料向大直径和无（少）缺陷方向发展。综述了深亚微米集成电路用硅单晶材料的研究和发展,指出对于已开始应用的300毫米硅单晶而言,磁场拉晶、计算机模拟、线切割、双面抛光等工艺成为大直径硅单晶研制的重要特征;利用晶体生长速率和固液界面的温度梯度的设计,硅单晶中的自间隙硅原子、空位以及相关的微缺陷可以被控制;通过快速热处理,引入和控制空位,进而控制氧沉淀的新型内吸杂技术,可以制备高质量的表面清洁区;利用氮杂质掺杂,可以抑制硅单晶中VOID缺陷和增加硅片的机械强度。最后,还讨论了硅单晶材料的今后的研究方向和趋势。     

Excellent compositional homogeneity in In0.3Ga0.7As crystals grown by the traveling liquiduszone (TLZ) method

The influence of convection in a melt on the compositional homogeneity of the TLZ-grown In_0.3Ga_0.7As crystals has been investigated by growing crystals with various dimensions on the ground. Excellent compositional homogeneity such as 0.3 plus or minus 0.01 in InAs mole fraction for a distance of 25 mm was obtained when the melt diameter was limited to 2 mm and convective flow in the melt was suppressed. On the other hand, when the crystal diameter was increased to 10 mm, both axial and radial compositional homogeneity was deteriorated due to convection in the melt. Comparing with the numerical simulation, convective flow velocity less than 1.4 mm/h may be sufficient for growing homogeneous crystals and it is not so difficult to suppress convective flow velocity below 1.4 mm/h for 10 mm diameter crystals in microgravity. Therefore, larger homogeneous In_0.3Ga_0.7As crystals are expected to be grown by the TLZ method on board the International Space Station.     

A numerical simulation study for the Czochralski growth process of Si under magnetic field

The article presents results of the numerical simulations carried out for the transport phenomena occurring during the Czochralski crystal growth process. Due to computational constraints, the simulations were kept limited to axisymmetric geometries. The simulation model gives special attention to the crystal–melt interface and oxygen transport, and treats the crystal–melt interface according to Stefan’s balance, by explicitly moving the grids. Oxygen evaporation at the free surface is expressed by balancing the corresponding fluxes. Marangoni convection due to temperature gradients is also incorporated into the model. The role of an applied axial magnetic field in controlling fluid flow, interface shape, and oxygen levels is studied in detail. The effect of crystal and crucible rotations is also examined under the influence of the magnetic field. Simulation results show that the application of an axial magnetic field leads to flatter interfaces and lower oxygen concentration levels, but makes the oxygen distribution non-uniform at the crystal–melt interface.