离子束抛光对单晶硅表面质量影响的分子动力学模拟研究

离子束抛光作为一种超精密加工技术,被应用于材料表面抛光的精抛阶段,而其原子量级的去除效果使得它的加工过程与加工效果难以直接观察,因此为了能够从微观尺度研究离子束抛光的加工效果以及加工参数对材料表面粗糙度与表面损伤的影响,提出使用分子动力学模拟的方法研究离子束抛光过程,通过对氩离子轰击单晶硅的仿真模拟,分析加工参数对单晶硅表面粗糙度与晶格损伤的影响规律,指导实际的加工工艺设计.研究发现,在不同加工角度下,离子剂量对于表面粗糙度的影响规律不同,低角度(0°~40°)低剂量以及高角度(>50°)高剂量的加工有助于达到较低的表面粗糙度;随着加工角度的增加,离子束对晶体表面造成的损伤逐渐减少,当加工角度大于40°时能够大幅度减少晶格损伤.模拟结果显示在实际的离子束抛光过程中,为了得到高质量的表面,应该采取高角度高剂量的加工方式以达到既降低材料表面粗糙度又减小对材料表面晶格产生损伤的目的.

纳米划擦速度对单晶硅去除行为的影响

单晶硅作为典型的硬脆材料在不同的划擦速度下会有不同的应变率,进而产生不同的材料去除行为,采用分子动力学从应变率角度研究不同划擦速度下材料的变形与去除过程。结果表明:划擦过程中随划擦速度由25 m/s增加到250 m/s,单晶硅的应变率从1.25×10^(10) s^(−1)提高至1.25×10^(11) s^(−1),其划擦力、剪切应力和摩擦系数减小,划擦温度升高,且划擦表面的轮廓精度和粗糙度随划擦速度的增大而改善。划擦过程中的非晶化和相变是单晶硅纳米尺度变形的主要发生机制,剪切应力减小造成其亚表面损伤层深度由2.24 nm减小到1.89 nm,划擦温度升高导致其表面非晶层深度增加。

利用双磁极平面磁力研磨法对单晶硅表面的抛光实验研究

为实现单晶硅表面平坦化,提出双磁极磁力研磨法(DMAF),并设计一套双磁极磁力研磨装置。探究双磁极磁力研磨法的加工机理,明确关键加工参数对单晶硅表面质量的影响,通过单因素对比实验对加工参数进行优化;利用ANSYS MAXWELL有限元软件,对传统平面磁力研磨法与双磁极磁力研磨法的磁场强度进行模拟仿真,对比两种方法在加工区域形成的磁感应强度,以实现定量分析磁性磨料粒子的研磨压力。基于单因素实验结果,确定了双磁极磁力研磨法对单晶硅片表面加工优化后的研磨参数:磨料组合为#200电解铁粉(Fe_(3)O_(4))+#8000白刚玉(White abrasive,WA),磁极间隙为12 mm,磁极转速为300 r/min,磨料质量比为3∶1。结果表明:在优化的研磨参数条件下,研磨60 min后的单晶硅片的平均表面粗糙度由初始的0.578μm降至8 nm,在研磨区域基本实现了镜面加工效果。仿真结果表明:与传统平面磁力研磨法相比,双磁极磁力研磨法可显著提高加工区域的磁感应强度,该研磨法所产生的磁场强度约为传统磁力研磨法的1.5倍。

直拉法单晶硅生长原理、工艺及展望

碳达峰、碳中和理念提出后,太阳能作为一种可再生绿色能源备受关注。单晶硅作为主要的光伏材料,其质量决定着太阳能电池效率的高低,为了降低成本和提高产能,人们对单晶硅提出越来越高的要求。直拉法(CZ法)是单晶硅的主要制备方法,其生产效率高,可实现自动化,直拉单晶硅市场占比超过90%,目前正朝着大尺寸、N型、薄片化、低氧低碳的方向发展。然而随着晶棒尺寸增大,热场变化更加复杂,现有CZ工艺难以满足市场需求。未来降低度电成本仍是晶硅光伏发展的驱动力,应通过技术革新、产业标准化、成本控制等手段推动光伏产业发展。本文介绍了CZ法生长单晶硅的基本原理和生长工艺,分别对缺陷控制、热场优化、氧含量控制等进行了分析,在总结工艺现状和单晶生长特点的基础上对直拉法生长单晶硅的发展方向进行了展望。

单晶硅纳米磨削力热行为与亚表面损伤研究

纳米磨削作为实现单晶硅低损伤加工的技术之一被逐渐应用于硅片减薄中,但磨削过程中的力热行为及其对亚表面损伤形成的影响机制仍不清楚;因此,通过分子动力学仿真手段对单晶硅纳米磨削时的力热行为和亚表面损伤之间的联系进行研究。结果表明,单晶硅纳米磨削过程中切向磨削力对材料去除起主要作用,磨粒前下方区域的热量聚集和应力集中现象明显。在力热载荷作用下,非晶化和相变是单晶硅纳米磨削时亚表面损伤的主要形成机制。磨削力的增大会导致单晶硅去除过程中产生较大的亚表面损伤层,而一定的高温由于增强了单晶硅的韧性进而抑制了亚表面损伤层的形成。

激光织构形状间距对单晶硅摩擦磨损特性的影响

目的提高单晶硅的减摩耐磨性能。方法利用紫外激光在单晶硅试样表面刻蚀不同形状,间距为0.1、0.2、0.3 mm,宽度为0.2 mm的织构。基于MRTR-1摩擦磨损实验机,研究干摩擦条件下织构参数对单晶硅摩擦学性能的影响。利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察单晶硅表面织构的微观形貌和磨痕形貌,用电子天平称量实验前后试样的质量,并计算磨损率,通过Ansys有限元软件模拟仿真试样表面应力和摩擦生热的温度分布。结果与无织构相比,刻蚀表面织构均能不同程度地降低试样的磨损率,磨损率从0.012 mm^(3)/(N·m)降至0.008 mm^(3)/(N·m);部分表面织构试样的摩擦因数下降,低于0.14;单晶硅试样的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。仿真结果表明,织构试样的平均等效应力均大于无织构试样,在单晶硅试样表面加工织构会影响其表面整体性,容易出现应力集中现象;织构试样表面高于环境温度的区域面积小于无织构试样,且试样表面的最高温度与摩擦因数呈正相关。结论在单晶硅表面加工织构,可以有效提高试样的耐磨性能,合适的织构参数还能够降低摩擦因数。通过加工表面织构,一方面可以影响试样的整体性,另一方面能够改善试样的散热性能。

不同金属镀层单晶硅靶板的冲击受力特性

为了探究金属镀层对单晶硅靶板抗冲击性能的影响,建立了金属/单晶硅复合靶板理论分析模型,分析讨论了单晶硅靶板表面的最大应力与镀层材料动态屈服应力的关系,应用有限元法在LS-DYNA软件中对金属/单晶硅复合靶板进行瞬态动力学计算,得到了不同金属镀层单晶硅靶板冲击受力后的力学响应。根据实验结果总结得到金属镀层对单晶硅靶板冲击受力具有一定的抗冲击效果,能够延迟和减弱出现在靶板正、背面的应力峰值,减小在靶板上产生的应力。

光伏单晶硅切割片断裂强度的仿真分析与实验研究

单晶硅被广泛应用于光伏行业,随着切片加工厚度的逐步减小和锯丝的细径化,切片过程中存在的黏附等现象导致单晶硅切割片发生弯曲甚至断裂,进而引起破片率的提高,对光伏太阳能电池的成本造成较大影响。本工作针对光伏单晶硅片切割加工过程,采用三轴弯曲实验,测量并分析硅片的断裂强度及相应的破片率,利用有限元方法建立硅切割片断裂强度的三维仿真分析模型。研究结果表明:硅切割片断裂强度分散性大,平均断裂强度为97.7 MPa;硅切割片的弯曲刚度随着厚度减小而降低,平均弯曲刚度为441.2 N/m,当厚度规格为60μm时,弯曲刚度最低,达103.5 N/m;硅切割片的破片率范围随着厚度的减小而增大,60μm厚度的切割片破片率范围最大,为0.6%~99.9%。仿真与实验结果基本一致,表明仿真模型及方法适用于光伏单晶硅切割片的断裂强度和破片率的模拟分析。

小闪耀角单晶硅光栅结构参数优化及制备工艺

本文开展了对单晶硅小闪耀角光栅的各向异性湿法刻蚀制备工艺研究,制备了适用于软X射线中波波段的闪耀光栅,以满足国家同步辐射光源的需要。首先,基于严格耦合波法对小闪耀角光栅进行了结构参数优化及工艺容差分析。在晶向对准过程中,先通过环形预刻蚀确定硅片晶向,再基于倍频调整法实现光栅掩模与单晶硅<111>晶向的对准。研究了光刻胶灰化技术及活性剂对光栅槽形质量的影响,并通过单晶硅各向异性湿法刻蚀工艺成功制备了接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅。实验结果证明:所制备光栅闪耀角为1°,刻线密度为1200 gr/mm,闪耀面均方根粗糙度在0.5 nm以内。此方法可以应用于软X射线中波波段闪耀光栅的制作,在获得较高衍射效率的同时可以大大减少制作难度及成本。

石墨烯类涂层和表面织构对单晶硅摩擦性能的影响

为了改善单晶硅的减摩耐磨性能,利用紫外激光加工技术在单晶硅表面刻蚀出不同形状的表面织构,并在织构上沉积石墨烯和氧化石墨烯涂层,通过MRTR-1摩擦磨损试验机研究表面织构和石墨烯类涂层对单晶硅在干摩擦条件下摩擦学性能的影响。利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察单晶硅试样的微观形貌及磨痕形貌,用电子天平称量实验前后试样的质量并计算磨损率。结果表明,与无织构试样相比,表面织构试样均能不同程度的降低磨损率,磨损率从0.012降至0.008以下;部分表面织构试样能够降低摩擦系数,摩擦系数低于0.14;单晶硅试样的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损。由于表面织构能起到收集磨屑,存储涂层碎片的作用,加上石墨烯类涂层特殊的物理特性,二者的结合作用能够有效改善单晶硅的摩擦性能,显著降低磨损率,保护材料。

单晶硅片循环包装设计与可靠性分析

目的以某公司M10型单晶硅片为研究对象,基于缓冲包装六步法及4R1D原则设计安全经济的单晶硅片循环包装方案。方法使用Creo软件建立3D模型,利用ANSYSLS-DYNA进行堆码跌落仿真,结合跌落试验结果验证包装的可靠性。结果动态跌落仿真在角跌落工况下,跌落角产生最大应力为34.42 MPa,小于包装箱许用应力40 MPa;产品最大响应加速度为38.71g,发生在棱跌落工况,小于产品脆值50g。试验与仿真平均误差为8.30%,在450 mm跌落高度下。使用此循环包装方案,产品整体破损率降低了8.02%。结论此循环包装的安全性、便利性和经济性优于现有一次性包装的。

臭氧催化氧化在单晶硅切削液废水处理的工程应用

单晶硅切削液废水具有COD高、可生化性差等特点。针对某单晶硅生产企业废水,目前拟采取将其在企业内经过气浮、生化、曝气生物滤池等工艺处理至达到接管标准后,与其他污水混合进入污水处理厂进行生化处理的措施,这存在着对下游污水处理厂水质冲击问题,影响其稳定运行。对此,在污水处理厂生化工艺段前增设臭氧催化氧化处理工艺段对废水进行预处理,以提升生化段进水水质。根据企业外排废水出水COD设置不同的臭氧投加量,连续运行15 d,分析了臭氧消耗量、出水COD和下游污水处理厂出水COD,结果表明,随着单位质量COD的臭氧投加量(臭氧投加比)的提高,出水COD显著降低,但过高的臭氧投加量会造成臭氧尾气破坏装置高负荷运行及高能耗。实验条件下,当臭氧投加比在0.98~1.39 mg/mg内变动,平均1.20 mg/mg时,臭氧工艺段出水COD平均为83 mg/L,下游污水处理厂最终出水COD平均为17 mg/L,实现了出水稳定达标。

单晶硅磨抛协同加工的分子动力学

磨削与抛光是实现单晶硅材料超精密表面加工的重要工艺方法,磨抛协同加工过程中由磨粒运动状态主导的二体与三体磨损机制对材料去除效率以及表面加工质量具有重要影响。采用分子动力学方法,建立固结与游离运动状态双磨粒协同作用下的单晶硅表面超精密磨抛加工过程仿真模型,分析磨粒切入深度、横向与纵向间距干涉等因素对磨削力、材料相变、表面损伤及材料去除行为的影响规律,阐释单晶硅磨抛协同超精密加工表面形貌演化规律。研究表明:受磨粒运动状态驱动的单晶硅材料表层损伤原子数量随固结及游离磨粒切入深度增大而增加,磨粒切入深度对工件的材料去除、裂纹生长及损伤行为影响显著;法向和切向磨削力随磨粒切入深度增加而增大,且在同等切入深度变化时法向磨削力增加幅度大于切向磨削力;通过单晶硅金刚石结构分析磨粒间干涉区域的损伤情况可知,随着磨粒间纵向间距增加时,工件所受干涉作用减小,六角金刚石晶体结构减少;相比较固结磨粒,游离磨粒对工件的损伤区域更深,产生瞬态缺陷原子更多。研究结果可为实现超精密磨抛协同加工工艺高材料去除效率和高表面质量提供理论基础。

热屏结构对300 mm半导体级单晶硅生长过程温度分布影响的数值模拟

半导体级单晶硅是芯片的基础核心材料,不仅要求控制杂质浓度,还对晶体的缺陷有很高的要求。原生点缺陷浓度作为衡量晶体品质的重要指标之一,需要通过热场的优化、晶体生长温度场的调整、晶体生长过程中晶棒温度分布的控制,以及V/G值(拉速与晶棒内轴向温度梯度比值)的优化来调控。本文采用ANSYS软件中流体计算模块Fluent的有限体积分析法,研究了不同热屏结构对300 mm半导体级直拉单晶硅温度分布的影响。针对二段式热屏,模拟了不同热屏角度下拉晶初期(400 mm)、中期(800和1400 mm)和末期(2000 mm)三个等径阶段的温度分布、固液界面轴向温度梯度和V/G值。通过分析各阶段V/G值的变化,在相对较大的温度梯度下,寻找到了一种V/G值更接近临界值ζ且径向均一性更优的热屏结构,为控制缺陷的浓度提供更好的条件。通过对晶棒热历史的讨论,优化热屏结构以缩短降温周期,为控制缺陷的尺寸提供更好的条件。模拟计算结果表明,热屏夹角为110°、热屏下段厚度为70 mm、热屏内壁与晶棒间距为30 mm时,其结构设计能够提供低缺陷单晶硅生产的温度分布条件。

单晶硅的激光辅助切削特性与工艺技术研究

随着现代信息技术的蓬勃发展,现今社会对电子产品的开发与应用更加熟练,其丰富的种类也为人类生活提供了更多便利。深入研究这些电子产品可发现,单晶硅半导体、集成电路硅芯片等器件是构成电子产品的重要元件,如生活中常见的智能手机、电视、电脑等产品,都离不开对硅芯片的应用。激光切割作为制作硅芯片、半导体等工件的重要工序,其技术水平直接影响着工件成品率,因此在现今的电子技术与生产领域备受关注。下文以单晶硅的激光切割为主要方向,对其激光辅助切削的特性、关键技术及工艺优化策略进行分析,以期为现今电子技术与工业生产的进一步优化提供参考。

我国单晶硅产品中元素含量分析测试进展

单晶硅是光伏及半导体行业研究的热点材料,主要用于制作半导体元器件。根据我国单晶硅产品中杂质元素的分类及含量要求,综述了各类杂质元素含量的测定方法,主要有二次离子质谱法(SIMS)、傅里叶红外光谱法(FT-IR)、辉光放电质谱法(GDMS)、X荧光光谱法(XRF)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、中子活化(NAA)等。分析了各方法的适用范围、应用现状及优缺点。由于固体标准物质和标准样品的缺乏,限制了FT-IR及GDMS等方法的应用和发展。随着材料研发技术的进步,痕量元素分析用固体标准物质和标准样品的成功研制将助力分析检测技术的完善,能更好地满足我国单晶硅及其他材料的分析检测需求。

单晶硅片的电化学-固结-游离磨料复合加工表面完整性

为解决金刚线固结磨料切割硅片中表面线痕较深等问题,提出了电化学-固结-游离磨料复合加工技术。通过实验对比固结磨料线锯切割和复合切割后硅片的表面形貌、表面平均粗糙度(Ra)和表面平整度(即总厚度变化(TTV)),评估复合加工对单晶硅片切割质量的影响。实验结果表明,复合加工技术的固结磨料刻滑-游离磨料剥落-电化学氧化材料去除复合机制使硅片表面的线痕明显减少。Ra和TTV也得到了明显改善,表面粗糙度曲线峰谷差从12.09μm降至4.21μm,Ra从1.20μm降至0.65μm,TTV从8.24μm降至6.46μm。基于本实验系统进一步开展电参数对比实验得出复合加工的最优电压为20 V。该复合加工方法能够有效改善切割硅片的表面质量,降低后续制绒工序的减薄量,进而降低生产成本。

拉晶工艺参数对N型单晶硅氧含量的影响研究

TOPCon电池基板是以N型硅片为主,N型硅片的氧含量在一定程度上影响着TOPCon电池的转换效率。本文采用直拉法进行单晶硅的拉制,通过调整埚转、氩气流量和炉压来研究拉晶工艺参数对N型单晶硅氧含量的影响。数值模拟分析和实验结果表明:坩埚转速的增加会抑制浮力-热毛细漩涡,减少熔体界面处SiO的挥发,提高硅熔体内部和单晶硅棒氧含量;增大氩气流量和降低炉压可增大熔体界面处SiO的质量流量,有效促进SiO挥发,减少固液界面处氧含量,从而降低单晶硅棒氧含量。根据单晶硅氧含量测试和EL检测结果可知,坩埚转速5 r/min、氩气流量100 L/min和炉压1 200 Pa时拉制的N型单晶硅氧含量最低,电池端同心圆比例也是最低的。本文研究结果可为N型单晶硅棒降氧提供一定思路。

基于GRA微细铣削单晶硅工艺参数优化及试验研究

为满足实际应用中对单晶硅微槽底部的表面粗糙度、上口尺寸精度以及材料去除率的需求,选择微细铣削的加工方法,并利用灰色关联度分析法对以上3种评价指标进行参数优化。通过设计正交试验获得评价指标的预测值,并分析了各个指标与工艺参数之间的关系;运用灰色关联法计算试验序列中各评价指标的灰色关联系数,并对各个试验序列的灰色关联度进行了排序,从而得到了最佳的工艺参数组合,并通过多次试验来验证其可行性,加工出了表面粗糙度为71.2 nm的微槽,提高其加工质量与加工精度。

太阳能电池单晶硅表面光学性能模拟研究

采用有限元分析软件对腐蚀前后太阳能电池单晶硅表面结构进行光学行为模拟分析,得到了单晶硅硅片腐蚀前后的表面电场、表面磁场、功率流和反射率的变化规律。研究表明,与腐蚀前相比,腐蚀后的单晶硅表面电场、磁场和功率流较大,当波长为700 nm时,腐蚀后单晶硅表面电场和磁场大约为腐蚀前的3倍和6倍;腐蚀后单晶硅表面功率流x分量分布均匀;反射率较低,具有较好的光学特性。