CZ法制备单晶硅相变界面形状演变及控制研究

建立描述CZ-Si系统中动量、热量和质量同时传递,且流固耦合的模型,数值模拟CZ法制备单晶硅等径过程中在热传导、热对流等因素耦合作用下的固液相变问题,给出相变界面形状的演变过程。计算结果表明,等径前期和中期相变界面形状变化主要是由于晶体散热的改变,后期则是由于熔体中自然对流和强迫对流关系的反转。从全局的角度分析改善界面形状的控制方法,提出变晶转制备工艺。

水平磁场作用下Φ300mm直拉单晶硅生长三维数值模拟

设计一种二维轴对称和三维混合的数值计算模型,对水平磁场作用下的直拉硅单晶生长进行了研究。结果表明,由于水平磁场的非轴对称性,只有在三维模型中才能获得确切的温度、速度分布。温度场、熔体中的流函数和固液界面形状在水平磁场的作用下也具有非轴对称性,这种非轴对称性随磁场强度的变化而改变。提高晶体旋转速度有利于减小固液界面形状的非轴对称性,并会改变界面形状的凹凸程度;提高坩埚旋转速度则有利于提高熔体中温度分布的均匀性,但会扩大熔体中的径向温度梯度。

多对流耦合环境下Cz-Si固液界面形态的仿真方法及控制参数研究

固液界面形态是各种晶体生长研究的关键,固液界面形态问题是一个移动边界问题。然而在Cz-Si系统中,移动边界问题又与对流耦合,尤其是与晶体旋转所引起的强迫对流直接耦合,构成了含有第三方耦合因素的移动边界问题。本文提出一种基于FVM的迭代法解决此问题,对多流耦合环境下的固液界面形态进行了仿真和研究,分析了晶体旋转对界面形态的影响。最终将仿真结果与采用快速提离法在实践中获得的界面形态进行对比,取得了一致性。

四极磁场下大尺寸直拉硅单晶生长三维数值模拟

在大尺寸直拉硅单晶生长过程中,针对水平磁场单方向磁力线分布引起的熔体温度分布非轴对称特征,提出了一种双磁力线结构的磁场——四极磁场。为准确描述非轴对称磁场作用下晶体生长过程,采用三维数值模拟方法,建立了四极磁场下二维/三维混合热场模型的边界条件,并将三维数值模拟结果与水平磁场作以对比。结果表明,四极磁场降低了熔体内部温度的非轴对称性;增加磁感应强度有利于增加熔体自由表面附近温度分布的均匀性,但对固液界面形状调节作用不明显;强磁场环境下,提高晶体旋转速度有利于改变固液界面凹凸程度,改善固液界面形态的非轴对称性。