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直拉式单晶硅生长炉超导磁体研究

直拉式单晶硅生长炉超导磁体研究

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作者：吴小四安徽建筑大学

学位级别：硕士

作为当代信息社会的物质基础—硅单晶材料,其尺寸与质量在太阳能光伏及集成芯片等半导体产业的发展需求一直在不断提高。然而,随着大直径硅单晶的发展,进料量增加,大熔体对流严重,边界层的越发不稳定性,使得生成的晶体易生杂质,影响质... 详细信息

作为当代信息社会的物质基础—硅单晶材料,其尺寸与质量在太阳能光伏及集成芯片等半导体产业的发展需求一直在不断提高。然而,随着大直径硅单晶的发展,进料量增加,大熔体对流严重,边界层的越发不稳定性,使得生成的晶体易生杂质,影响质量及制作的电子器件性能。并且国内对于大尺寸高品质单晶硅的应用主要依赖于进口,缺乏相关技术研究和积累。本课题在研究了磁场对熔体对流的抑制效果,能生成满足高品质、大尺寸的单晶需求,进而对直拉式单晶硅生长炉磁体线圈及磁场装置开展较全面的设计分析,为实现国产化及促进我国单晶制备技术发展奠定了基础,具有重要现实需求和科学意义。在了解磁场类型及单晶磁场研究现状的基础上,分析了磁场对生长炉内熔体对流和氧杂质运输的影响基理,为磁场设计指标提供依据。在此基础上提出一种新型单晶生长炉瓦状结构的超导磁体,并通过数值分析对磁场建模仿真,探讨磁体线圈结构参数、安匝数、屏蔽体厚度及磁芯高度等对磁场的影响规律,得出优化的结构参数,使其满足大尺寸高品质单晶硅生长所需的磁场强度（约0.5T）及位型,从而降低磁漏,为后续的MCZ硅单晶生长工艺参数提供有价值的参考依据。接着根据工程和物理要求,提出了一种传导冷却的磁控拉单晶超导磁体整体装置。介绍系统部件的设计准则,完成系统整体的概念设计,包括真空杜瓦、冷屏、绝缘及低温冷却和内部的辅助支撑系统等,涉及到电磁、材料、机械结构、低温、真空及计算机辅助设计与分析等多学科交叉。根据实际情况下磁体系统的运行特点,对磁体装置关键部件的设计结构进行计算校核与仿真验证,获得相应的应力、位移及场强分布图。分析结果表明杜瓦、冷屏吊杆、骨架、支撑及绝缘系统的设计是合理可靠的。本课题的研究结果对直拉式单晶硅生长炉超导磁体的研制提供相关技术参考,对磁体整体结构及相关部件进行了设计分析。论文创新点在于提出一种新型瓦状结构的超导线圈及磁拉单晶技术的核心部件（传导冷却磁控拉单晶超导强磁体装置）,对磁体及整体装置进行了全面的电磁,结构分析计算,为后续超导磁体系统设计提供参考依据。图[70]表[30]参[53]

关键词：磁控直拉法超导磁体结构设计材料绝缘有限元分析

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