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.

勾形磁场下提拉法生产单晶硅的数值模拟

本文给出了提拉单晶硅时,勾形磁场强度的计算公式,并对单晶硅在有无勾形磁场情况下熔体内流场和氧的浓度分布进行了数值模拟,计算出磁场作用下磁场强度和洛伦兹力及有无磁场时流函数、垂直截面处的速度场和氧的浓度分布。通过分析表明,勾形磁场能使流动更为平稳,能有效地降低熔体内及生长界面氧的浓度,并对产生这一现象的机理作了理论分析。

勾形磁场的优化设计与实现

本文采用有限元法对8英寸单晶炉(16寸坩埚)勾形磁场的磁场分布和磁场强度,以及影响磁场强度的线圈匝数、导线面积、线圈间距等因素进行了模拟分析和优化,并依据模拟结果得到磁场结构的优化设计参数。最后通过实验对磁场的设计参数进行了验证,结果表明:磁场分布和磁场强度模拟结果与实际测试结果可较好吻合;磁场的关键参数满足晶体生长的磁场要求;模拟方法是正确的、符合实际的。此方法为磁场设计提供了一种可靠的模拟新方法和经验数据。

勾形磁场中直拉硅单晶浓度场的数值模拟研究

为有效控制晶体尺寸、金属杂质含量、掺杂元素及氧分布的均匀性,提出在非均匀轴对称勾形磁场中利用磁控提拉法生长硅单晶。用有限差分法对非均匀轴对称勾形磁场中直拉硅单晶体系中的浓度场进行数值模拟研究,基于直拉硅单晶生长系统的物理及数学模型,进行无量纲化处理,借助于相应的边界条件进行求解,并针对不同工艺条件下熔体中及界面处氧浓度分布情况进行模拟研究。结果表明:在勾形磁场作用下,通过改变磁场强度、晶体和坩埚转速及晶体半径可有效控制固液界面处氧浓度及分布均匀性,从而在晶体中获得径向均匀的氧浓度。

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．

单晶炉勾形磁场的优化设计与分析

本文采用有限元法对勾形磁场的分布进行了模拟分析,结果表明磁场强度径向分量Bx随径向距离r增大可视为线性增大,并且在线圈中心面上下20mm靠近坩埚内壁的窄小区域内最强。通过对磁场强度的影响因素的分析表明,磁场Bx随电流增大呈线性增加,并随匝数增加呈非线性增大。最后依据模拟结果及其分析,取得了磁场的设计参数。

单晶炉勾形磁场装置结构参数的分析与优化

采用有限元法对203.2mm单晶炉(406.4mm坩埚)勾形磁场线圈匝数和线圈纵横向层数(纵横向层数比值)以及上下两线圈间距、磁屏蔽体的厚度以及几何结构和尺寸等结构参数对磁场强度Br的影响进行了模拟分析和优化选取。为203.2mm单晶炉勾形磁场装置结构设计提供了一种可靠的模拟新方法和具有指导意义的经验数据。

勾形磁场对硅单晶CZ生长过程的影响

利用有限元法对勾形磁场环境下硅单晶Czochralski生长时炉内的传递过程进行了全局数值模拟,磁场强度范围为(0～2.0)T。结果表明,勾形磁场可有效抑制熔体内的流动;随着磁场强度增加,熔体内对流逐渐减弱,加热器功率增大,结晶界面温度梯度在磁场强度为0.05 T时略有降低,之后增加;结晶界面形状在磁场强度为0.05 T和0.1 T时向熔体侧弯曲,之后随磁场的增加,变得平坦;同时,熔体内的传质机制逐渐转为以扩散为主;结晶界面平均氧浓度随磁场强度的增加而逐渐降低,当磁场强度高于1.0 T时,结晶界面氧浓度会略有上升.

单晶炉低功耗勾形磁场设计与优化

本文提出了一种低功耗的新勾形磁场结构,来解决现有勾形磁场功耗过大的问题。并以8英寸单晶炉勾形磁场为研究对象,利用有限元法对线圈匝数、电流大小、线圈间距等参数对磁场强度及其分布的影响进行了模拟分析和优化设计。结果表明:在坩埚壁处产生横向磁场强度均为492 GS时,线圈内径820 mm、线圈间距200 mm等结构相同,而线圈匝数分别为2400匝的新结构与96匝的现有结构磁场相比,总功率从现有结构的38.9 kW降低到9.8 kW(降低了74.7%)。该研究为勾形磁场得以广泛应用提供了一种新的设计思路及设计方法。

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。

单晶炉勾形磁场设计参数实验验证

通过模拟方法得到8英寸单晶炉(16英寸坩埚)勾形磁场的设计参数,并对磁场参数的模拟结果进行了实验验证。结果表明:磁场参数及其分布均满足晶体生长要求,磁场参数的模拟结果与实验结果吻合较好。该模拟方法可用于勾形磁场的实际设计。

勾形磁场对分离结晶法生长CdZnTe晶体过程中液层热毛细-浮力对流的影响

借助数值模拟手段研究了常重力条件下分离结晶法生长Cd Zn Te晶体过程中液层热毛细-浮力对流,探讨了不同勾形磁场强度和狭缝宽度对流动的影响。计算选取液层的高径比A为1,狭缝宽度S分别为0.05、0.075以及0.1,磁场Hartmann数分别为45、90及135。结果表明:勾形磁场能够对液层内热毛细-浮力对流起到抑制的作用,且随着磁场强度的增加,流动失稳的临界Marangoni数增大;随着狭缝宽度S的增大,液层内部流动减弱。

非对称勾形磁场的三维优化设计与实现

根据坩埚内熔体对流的类型和分布区域,分析控制对流对勾形(cusp)磁场磁感应强度和磁场位形分布的要求,提出了磁场优化设计目标。采用有限元三维(3D)建模法对cusp磁场进行了建模,利用所建立的模型对比了对称结构和非对称结构对磁场位形分布的影响,分析了在非对称cusp磁场线圈横向层数一定的情况下磁场纵向层数、屏蔽体厚度、上下线圈间距对磁感应强度、磁场位形、磁场功率的影响,优化了磁场结构;根据优化的结构参数制造了磁场并进行了实验测试,结果表明非对称cusp磁场的位形分布与设计结果一致,从而验证了3D优化建模方法的有效性。

单晶炉低功耗勾形磁场设计与实现

以单晶炉低功耗勾形磁场为研究对象,采用有限元法对主要结构参数进行了模拟分析与优化设计。并对磁场优化设计参数进行了实验验证。结果表明:磁场分布、磁场纵、横向分量强度,以及线圈电压、线圈电流、线圈功率等关键参数的实验结果均满足设计要求;实验结果与模拟结果相吻合,其平均误差小于5%;这说明模拟方法是正确的,结果符合实际、可运用于实际设计。该研究为低功耗勾形磁场设计以及广泛应用提供了一种可靠的模拟方法和经验数据。

一种勾形磁场新磁屏蔽体优化设计与分析

本文在勾形磁场现有磁屏蔽体的基础上,提出一种新的磁屏蔽体结构,并以8寸单晶炉新型磁屏蔽体结构的勾形磁场为研究对象,对其进行了模拟分析及优化设计。结果表明:安匝数一定的情况下(33600),采用新型磁屏蔽体的勾形磁场较现有勾形磁场的磁场强度Br,提高了约27.03%;当坩埚侧处产生横向磁场强度均为491 Gs时,其功耗下降了约35.97%;该研究为进一步降低功耗提供了一种设计思路及设计方法。

勾形磁场中硅单晶氧轴向均匀性控制

本文在KX170MCZ型单晶炉上通过调整磁场、调整拉晶中的埚转,主要研究单晶硅棒中的氧含量及轴向分布,最终拉制出低氧含量及较小的氧轴向梯度的单晶硅棒。

勾形磁场对分离结晶法制备CdZnTe晶体的影响

为了了解勾形磁场对CdZnTe晶体生长质量的影响,利用有限元法对坩埚内的热量和动量传递过程进行了全局数值模拟。假定熔体和气相中的流动都为准稳态轴对称层流,研究了B_o(磁场轴线与晶体-坩埚界面的交点的磁场强度的轴向分量)为0 T,0.5 T,1.0 T,1.5 T,2.0 T,2.5 T,3.0 T时的CdZnTe晶体生长过程。结果表明:勾形磁场能有效抑制熔体内的流动,会产生由洛仑兹力、表面张力和浮力共同驱动的涡胞。随着磁场强度的增加,传热向导热型转变,熔体内最大流函数逐渐减小,抑制作用增强。

勾形磁场下重力水平和温度梯度对CdZnTe分离结晶生长的影响

为了了解勾形磁场下相关参数对CdZnTe晶体生长的影响,利用有限元法对坩埚内的热量和动量传递过程进行了全局数值模拟。分析了不同的磁场强度下重力水平、壁面温度梯度对CdZnTe晶体生长过程的影响。结果表明:重力水平存在1个临界值,此时CdZnTe熔体内最大流函数最小,流动最弱。随着温度梯度逐渐增大,熔体内最大流函数也逐渐增大,熔体的流动越来越强,不利于晶体稳定生长。通过施加勾形磁场,能有效抑制熔体内的流动,有利于晶体的稳定生长,为地面条件下制备大尺寸CdZnTe晶体创造了条件。

基于ANSYS的勾形电磁场有限元分析

为提高单晶硅质量,采用ANSYS软件对勾型电磁场进行理论分析和优化设计。建立8 in单晶炉勾型磁场的仿真模型,并分析了磁场径向分量B_r随径向变化规律和磁场轴向分量B_z随轴向距离变化规律,验证了模型的准确性;在此模型基础上,分析和确立了影响单晶生长的关键磁场参数,进一步对线圈电流I、线圈直径R和线圈间距h等对磁场影响规律进行了探讨,并得到优化的结构参数。仿真结果表明本文所设计的磁场关键参数正确性和有效性,为指导勾型磁场设计提供了依据。