磁场应用在硅晶体生长过程中的研究进展

论述了磁场技术应用于硅晶体生长中的基本概况,探讨了磁场影响硅晶体生长的机制,重点阐述了各种磁场的分类、基本原理及其在硅晶体生长的应用,并归纳总结了国内外磁场应用于硅晶体生长中的研究现状。另外,对硅晶体生长中杂质的分凝行为和数值模拟作了简要介绍,并展望了磁场应用于硅晶体生长的发展前景。     

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。     

行波磁场在晶体生长过程中的研究进展

针对行波磁场的应用评述了其近几年理论和实验的研究进展,包括行波磁场原理、行波磁场发生器的设计、行波磁场在晶体生长过程中的效应。论述了在晶体生长过程中行波磁场引起的子午线流对导电熔体的稳定性、生长界面形貌和溶质分布的影响,指出了该领域当前研究存在的问题并展望了其发展趋势。     

移动加热器法晶体生长工艺的研究进展

移动加热器法被认为是一种切实可行的生长大尺寸、高质量单晶体的方法,它结合了液相外延和区熔提纯的优点.本文阐述了移动加热器法晶体生长的基本原理、优缺点,综述了相关加热方式、晶体生长过程中的质量输运和热交换,并探讨了工艺条件(如重力场、磁场、强迫对流等和晶体生长速率)对移动加热器法生长晶体过程与晶体质量的影响,最后对移动加热器法的发展趋势进行了展望.     

用于晶体生长的地基无容器悬浮技术

空间微重力环境下几乎无对流和沉降,可为晶体生长提供一个相对稳定和均一的理想环境,易于得到尺寸较大的高质量单晶。但是,空间结晶实验成功率低,费用昂贵,实验机会受限。因此,研发各种空间微重力环境地基模拟技术具有重要意义。目前可用于晶体生长的地基无容器悬浮技术主要有空气动力悬浮、静电悬浮、电磁悬浮、液体界面悬浮、超声悬浮和磁场悬浮技术等。这些地基模拟技术可实现晶体的无容器悬浮生长,避免器壁对晶体生长的不良影响,提高晶体质量,为解决X射线单晶衍射技术中的瓶颈问题提供新途径,还可为在地基进行结晶动力学和机理研究提供简单易行的方法。从技术原理、优势、缺陷及在结晶(特别是蛋白质结晶)中的应用4个方面对这些技术逐一进行了介绍和评述。重点介绍了液体界面悬浮、超声悬浮和磁场悬浮技术这3种用于蛋白质晶体生长的较为成熟的地基无容器悬浮技术。     

一种新型的超导磁场单晶炉的研制

磁场对于半导体晶体生长过程中的熔体流动模式有着明显的影响,因而可以改善晶体的组分和杂质的分布。在半导体单昌生长过程当中利用超导磁场来抑制熔体的对流,采用这种方式既可以生长出优质的单昌又可以研究熔体的对流与扩散对生长半导体单晶的质量影响,本文报道了新近自行设计,制造的一种新型超导磁场直拉单晶炉。     

组合线圈磁场下的液桥热表面张力流

为了优化外加磁场对对流控制作用,该文主要研究了轴向载流线圈磁场,横向四载流线圈磁场及其组合磁场对液桥热表面张力对流的控制.研究结果表明:轴向载流线圈磁场可有效抑制熔体的径向流动,并改善熔体对流的轴对称性;而横向载流线圈磁场可有效地抑制熔体轴向的对流,但是会破坏熔体对流的轴对称性.合理布置的轴向载流和横向四载流线圈的组合磁场同时保留了轴向载流线圈磁场的轴对称影响和横向四载流的轴向抑制作用,可以达到更好的控制熔体对流的效果,有利于从浮区法晶体生长中获得高质量晶体.     

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．     

移动加热器法晶体生长的研究

介绍了移动加热器法晶体生长的基本原理及其优缺点,报道了国内外最新研究进展,讨论了不同工艺参数,如磁场、加速坩埚旋转、重力、生长速度、温度等对THM生长晶体的影响,提出了提高THM生长晶体速度的设想,并就未来THM生长晶体的研究方法和发展趋势提出了自己的看法。     

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。     

强磁场下金属凝固研究进展

强磁场下金属凝固研究是一个新开辟的研究方向,有着广阔的前景。叙述了强磁场的基本效应,综述了强磁场下金属凝固的研究进展。重点介绍了磁场对凝固动力学、固/液界面稳定性、单相合金生长、共晶生长、热电磁流动及其作用、第二相颗粒运动的影响等方面的研究工作。指出了需要进一步研究的主要问题,以及所需的相关物理参数。     

Crystal orientation of non-magnetic materials by imposition of a high magnetic field

From the view point of learning from the nature, the controlling of crystal orientation is accounted to be a major subject for materials processing. This paper reviews the researches on the crystal orientation by use of a high magnetic field and belongs to the category of researches for mimicking structures, namely the crystal orientation, which nature or living bodies are forming. Regarding to the crystal orientation, several methods such as unidirectional solidification and epitaxial growth and so on have been developed hitherto. On the other hand the magnetization force that is familiar with the force to attract iron to a magnet, has been recognized to be effective even in non-magnetic materials when those are placed under a high magnetic field, which has become rather conveniently available by developing super-conducting technologies in these days. In this paper, main results obtained when the imposition of a high magnetic field was accompanied to several materials processing such as electrodeposition, vaperdeposition, solidification, baking, slip-casting and precipitation, are reviewed from the view point of crystal orientation of non-magnetic materials.     

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。     

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.     

静磁场对定向凝固镍基高温合金组织影响的研究进展

综述了国内外静磁场对镍基高温合金组织影响的研究现状,重点分析了施加不同方式、强度的静磁场对定向凝固镍基高温合金枝晶组织、元素偏析、凝固缺陷及高温力学性能的影响规律,并从变截面处杂晶的控制、晶体取向偏离的控制以及对凝固特性的影响机制等方面提出了静磁场在定向凝固镍基高温合金研究中潜在的发展方向。     

在横向磁场中用Bridgman法生长HgCdTe晶体

在横向磁场中用Ｂｒｉｄｇｍａｎ法生长的晶锭其轴向组分分布在中部和尾部具有相同的趋势,在头部有三种类型的分布。磁场通过对固液混合区对流的作用影响溶质的再分布和轴向组分分布。突然施加磁场和中断磁场都引起轴向组分分布的突变。当安瓿绕生长轴匀速旋转时,晶锭的径向组分分布既没有安瓿不旋转时的偏心特征,也没有常规Ｂｒｉｄｇｍａｎ法生长晶体的径向对称性,尾部呈现圆锥状的凸起,可能是旋转生长抑制胞状结构的证据。     

φ300mm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.     

强磁场下Zn-2 wt.%Cu合金定向凝固的初步研究

本文进行了10T强磁场下Zn-2wt.%Cu合金的定向凝固的初步研究.结果发现下拉速度较低时,无磁场时晶体以平界面方式生长,而施加磁场则产生带状组织,并且随着磁场的增加带状组织越来越明显,带状组织间距越来越小;当定向凝固速度较高,晶体以枝晶方式生长时,磁场促进枝晶的分枝,并扰乱枝晶规则生长;随定向凝固速度提高,磁场的作用逐渐减弱.