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提拉法生长平肩同成分铌酸锂晶体的研究

无机材料学报 2023年第8期38卷 978-986页

作者：秦娟梁丹丹孙军杨金凤郝永鑫李清连张玲许京军南开大学物理科学学院天津300071 中国人民解放军陆军工程大学基础部南京211101 南开大学教育部弱光非线性光子学重点实验室天津300071 河南工程大学河南省电子陶瓷材料及应用重点实验室郑州451191 南开大学泰达应用物理学院天津300071

提拉法生长的晶体肩部形状普遍为斜肩,但斜肩的肩部质量差且加工难度大,会降低晶体的利用率,生长平肩晶体可以解决该问题。然而,平肩晶体对热场和扩肩工艺要求非常高,扩肩阶段易出现多晶和包裹体缺陷。铌酸锂晶体作为一种多功能晶体材料... 详细信息

提拉法生长的晶体肩部形状普遍为斜肩,但斜肩的肩部质量差且加工难度大,会降低晶体的利用率,生长平肩晶体可以解决该问题。然而,平肩晶体对热场和扩肩工艺要求非常高,扩肩阶段易出现多晶和包裹体缺陷。铌酸锂晶体作为一种多功能晶体材料,在电子技术、光通信技术、激光技术及集成光子学技术等领域得到了广泛应用。本研究以同成分铌酸锂晶体为例,利用数值模拟和实验方法,研究了提拉法生长平肩晶体的热场和扩肩工艺。结果表明:提拉法生长平肩晶体时,放肩阶段结晶前沿的界面形状需保持微凸;反射屏降低(10 mm)可减小结晶前沿的温度梯度,避免肩部生成多晶;扩肩速度以监控为主,微调加热功率保证扩肩趋势,适当增大扩肩初期(ϕ≤30 mm)的速度,降低中后期(ϕ≥35 mm)的扩肩速度,可达到不产生包裹体和缩短放肩周期的目的;采用小幅度(Δt=10 min)微调拉速(Δv=0.2 mm/h)和功率的策略,可实现拉速(0~1.5 mm/h)的快速变化(1.5~2 h)而不影响晶体扩肩趋势和质量。使用优化后的热场和扩肩工艺,获得了系列三英寸平肩同成分铌酸锂晶体,晶体光学均匀性良好。

关键词：铌酸锂热场设计平肩晶体提拉法晶体生长

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Y60A单晶炉的热场设计及测试

电子工业专用设备 2001年第2期30卷 21-26页

作者：梁秀梅张冰毅西安理工大学陕西西安710048

结合LBO、BBO等氧化物晶体生长的工艺条件 ,在一台包含三温区的晶体生长炉中进行热场控制的实验研究 ,实验结果表明该炉室恒温区内控温精度≤± 0 2℃ ;炉温均匀度≤± 1℃。

关键词：热场设计三温区控温精度炉温均匀度晶体炉 Y60A型测试晶体生长

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大型单晶炉热场设计的探讨

LSI制造与测试 1992年第6期13卷 21-25,32页

作者：牛筱民

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热传导理论在现代电机绝缘结构设计中的应用

电气制造 2009年第7期 34-37页

作者：董阜敏哈尔滨庆缘电工材料股份有限公司

将建筑材料的基础理论应用于电机高导热绝缘材料及高导热电机绝缘结构,论述了热导率、导温系数、蓄能系数和热阻等因素对电机热场设计的影响。并以电机热场设计实例做对比,提出研究高导热绝缘材料及高导温系统对大型空冷汽轮发电机组热... 详细信息

将建筑材料的基础理论应用于电机高导热绝缘材料及高导热电机绝缘结构,论述了热导率、导温系数、蓄能系数和热阻等因素对电机热场设计的影响。并以电机热场设计实例做对比,提出研究高导热绝缘材料及高导温系统对大型空冷汽轮发电机组热场设计的重要性。

关键词：电机绝缘热传导理论结构设计应用热绝缘材料热场设计汽轮发电机组绝缘结构

定向凝固法晶硅热区升级及热质输运的数值研究

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定向凝固法晶硅热区升级及热质输运的数值研究

作者：杨伟江苏大学

学位级别：硕士

晶硅定向凝固技术是太阳能级硅工业化生产的主要技术之一。如今,扩大硅锭尺寸可以有效提高生产效率和降低生产成本,这已成为晶硅生产趋势所向。但尺寸升级会影响硅熔体热流场、热应力场及杂质场等晶硅生长物理场。因此,兼顾硅锭大尺寸... 详细信息

晶硅定向凝固技术是太阳能级硅工业化生产的主要技术之一。如今,扩大硅锭尺寸可以有效提高生产效率和降低生产成本,这已成为晶硅生产趋势所向。但尺寸升级会影响硅熔体热流场、热应力场及杂质场等晶硅生长物理场。因此,兼顾硅锭大尺寸和高质量成为研究和生产中的挑战之一。本文利用数值模拟结合实验的方法,针对GT型G6和ALD型G7两种炉型尺寸升级前后的热质输运变化进行研究,为提升大尺寸晶硅生长质量提供理论指导。主要研究内容及结论如下:(1)根据国内外有关晶硅生长的文献,对晶硅生长机理、传热传质机理、热应力产生机理及晶硅生长中热质输运的研究现状进行详细介绍。这为充分理解和掌握晶硅生长理论以及分析数值模拟结果打下基础。(2)在定向凝固生长原理的基础上,利用Fluent仿真软件建立G6和G7二维全局非稳态传热传质数值模型,其中考虑了导热、对流、辐射和相变等多种传热方式及氧碳杂质的输运。并将G6和G7加热器功率和监测点TC2温度的实验值与模拟值进行对比,完成传热数值模型的可靠性验证。此外,利用Comsol仿真软件完成对G6和G7硅锭热应力模型建立。(3)基于G6和G7传热流动数值模型,研究热区变化前后对硅锭生长参数的影响。结果发现:G7硅熔体的径向温差大于G6,使得G7的硅熔体流动强度大于G6。与G6相比,长晶初期的G7硅锭中心过冷,导致固液界面存在中心过凸的问题且在长晶中后期固液界面存在明显边缘翘曲问题。长晶各阶段G7硅锭的温度梯度大于G6,使晶体生长速率和热应力均增加。此外,对比G6和G7的V/G比值,发现两者的V/G参数均高于临界值,且G7的V/G比值更高,使G7生长的硅锭形成缺陷的可能性更大。(4)基于构建的G6和G7的传热传质输运模型,分析两种炉体中全熔和长晶阶段的氩气和硅熔体中氧碳杂质分布。全熔时期到长晶阶段,熔体自由表面氩气从一对涡胞变成两对涡胞,熔体自由表面上方Si O和CO浓度从单峰值变为双峰值。由于硅熔体流态和流动强度对于其氧碳杂质分布有着重要影响。在长晶阶段,固液界面处硅熔体流动强度弱,容易造成C杂质聚集。此外,发现硅熔体沿固液界面由中心向坩埚侧壁的流动,有利于减少杂质在熔体中心聚集。随着凝固分数不断增加,G6和G7硅熔体的氧杂质平均浓度逐渐下降,碳杂质平均浓度逐渐上升。长晶过程结束时,G6和G7硅锭的氧碳分布从下到上分别呈现:氧浓度逐渐降低,碳浓度逐渐升高。(5)G7炉长晶初期存在固液界面过凸的问题,不利于晶粒垂直生长。通过调整底部热门移动速率来改善此问题,并分析不同底部热门移动速率下G7长晶8小时的固液界面以及硅区域热质输运的变化。研究发现:随着方案一到方案三热门移动速率逐渐降低,硅区域流动结构不变,但固液界面凸度明显改善。方案二到方案三凸度分别降低55%、44%。方案二和方案三分别比方案一硅侧壁热流增加38%和60%,硅底壁热量散失减少18%和27%。方案一到方案三硅锭轴向温度梯度减少,方案二和方案三最大热应力分别降低20%和27%,最小热应力分别降低31%和43%。因优化前后对硅熔体流动影响较小,方案一到方案三的硅区域中O和C杂质的整体分布形式相差不大。优化后的热门移动速率能改善固液界面和硅锭的热流分布,但对杂质输运影响较小。

关键词：晶硅铸锭定向凝固法数值模拟尺寸升级热场设计传热传质

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

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人工晶体学报 2022年第3期51卷 371-384页

作者：卢嘉铮张辉郑丽丽马远宋德鹏清华大学航天航空学院北京100084 清华大学工程物理系北京100084 中电化合物半导体有限公司宁波315336 山东力冠微电子装备有限公司济南250119

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport,PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在... 详细信息

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport,PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。

关键词： 8英寸SiC晶体晶体生长电阻加热热场设计输运机理物理气相传输加热器保温棉

高拉速低能耗Φ200mm直拉硅单晶用热场的设计与分析

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高拉速低能耗Φ200mm直拉硅单晶用热场的设计与分析

作者：王蕾西安理工大学

学位级别：硕士

直拉硅单晶是重要的半导体材料,广泛应用于集成电路和太阳能光伏电池的制造。热场是直拉硅单晶生长技术的核心,对产品的质量、产量和成本产生重要的影响。因此合理的设计热场是硅单晶生产企业增强其市场竞争力的重要方法。本文基于公司... 详细信息

直拉硅单晶是重要的半导体材料,广泛应用于集成电路和太阳能光伏电池的制造。热场是直拉硅单晶生长技术的核心,对产品的质量、产量和成本产生重要的影响。因此合理的设计热场是硅单晶生产企业增强其市场竞争力的重要方法。本文基于公司开发的CZ-95型单晶炉,在介绍晶体生长相关理论的基础上,以提高晶体生长速度和降低加热电能消耗为目标,设计出了适用于生长Φ200mm直拉硅单晶的热场。确定部件组成、设计顺序、排气路线和材质等热场的整体设计,以石英坩埚的尺寸为基准设计坩埚支撑、加热器和侧保温等部件。使用专业热场模拟软件对热屏和底保温设计进行数值模拟,得到了固液界面温度梯度、加热功率和热场温度分布,分析了热屏内表面形状和反射板对晶体生长速度及加热电能消耗产生的影响,并进行晶体生长实验验证。模拟和实验结果表明,倾斜垂直的热屏设计增强了晶体表面的热辐射效果,晶体生长速度增幅达到12mm/h,并将热应力的增加控制在位错产生的临界值以内;增加反射板的底保温减小了加热电能消耗13.8kW,降低了硅单晶的生产成本,同时还略微提高了晶体生长速度。晶体生长实验成功生长出Φ200mm直拉硅单晶棒,晶体等径平均生长速度为60mm/h,等径平均加热功率为46kW,达到了热场的设计目标,满足了客户的实际生产需要。

关键词：直拉硅单晶热场设计热屏底保温数值模拟

钼隔热屏表面氧化对加热炉内部热场影响的定量分析

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工业加热 2020年第10期49卷 1-3,6页

作者：杨雷苏曼婷李早阳刘峰刘昌威西安慧金科技有限公司陕西西安710061 西安交通大学陕西西安710049

钼隔热屏在工业加热炉中应用广泛,其表面氧化导致发射率增大将影响炉体内部的热场分布。建立了钼隔热屏加热炉内部的传热数值模型,定量分析了不同发射率条件下炉体内部的温度分布和功率消耗。结果表明,在剧烈氧化情况下炉内最高温度降幅... 详细信息

钼隔热屏在工业加热炉中应用广泛,其表面氧化导致发射率增大将影响炉体内部的热场分布。建立了钼隔热屏加热炉内部的传热数值模型,定量分析了不同发射率条件下炉体内部的温度分布和功率消耗。结果表明,在剧烈氧化情况下炉内最高温度降幅达414℃,为了维持最高温度加热功率需增加到原始功率的2.6倍。相关研究对精细设计长期运行状态下加热炉内部的热场具有参考价值。

关键词：钼隔热屏表面氧化热场设计数值模拟

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基于PVT法自发形核生长AlN晶体的研究

半导体光电 2017年第5期38卷 680-684页

作者：曹凯汪佳王智昊任忠鸣邓康吴亮上海大学材料科学与工程学院省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室上海200072

根据物理气相传输法(PVT)AlN晶体生长特点及工艺要求,自主设计了AlN晶体生长炉及其配套热场。FEMAG软件热场模拟结果表明,自主设计的晶体生长炉及其配套热场可以达到AlN晶体生长所需坩埚内部温度梯度要求。基于设计的PVT生长炉,开展了在... 详细信息

根据物理气相传输法(PVT)AlN晶体生长特点及工艺要求,自主设计了AlN晶体生长炉及其配套热场。FEMAG软件热场模拟结果表明,自主设计的晶体生长炉及其配套热场可以达到AlN晶体生长所需坩埚内部温度梯度要求。基于设计的PVT生长炉,开展了在2 250℃生长温度、40h长晶时间条件下的自发形核生长实验。实验研究结果表明,在该工艺条件下,通过自发形核可生长得到典型长度为3~5mm、直径为2mm的高质量AlN单晶;AlN晶体的c-plane(0001)生长速率最快,易形成尖锥形晶体结构,不利于晶体的扩径;Raman表征图谱中AlN晶体的E2(high)半峰宽仅为5.65cm-1,表明AlN晶体质量非常高;SEM、EDS分析得出晶体内部质量较为均匀,c-plane和m-plane腐蚀形貌特征明显。

关键词： AlN 物理气相传输法热场设计实验分析