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CZ法制备单晶硅相变界面形状演变及控制研究

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太阳能学报 2014年第2期35卷 247-252页

作者：姜雷刘丁赵跃焦尚彬西安理工大学国家联合晶体生长设备及系统集成工程研究中心西安710048

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... 详细信息

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。

关键词：固液界面数值模拟直拉法单晶硅

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

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人工晶体学报 2012年第6期41卷 1762-1767页

作者：姜雷刘丁赵跃刘志尚西安理工大学国家联合晶体生长设备及系统集成工程研究中心西安710048

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... 详细信息

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。

关键词：直拉硅单晶固液界面形态迭代法移动边界

四极磁场下大尺寸直拉硅单晶生长三维数值模拟

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材料热处理学报 2015年第9期36卷 238-243页

作者：张晶刘丁赵跃惠一龙姜雷西安理工大学国家联合晶体生长设备及系统集成工程研究中心陕西西安710048

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... 详细信息

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。

关键词：直拉硅单晶非轴对称性四极磁场数值模拟

水平磁场作用下Φ300mm直拉单晶硅生长三维数值模拟

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材料热处理学报 2013年第7期34卷 193-198页

作者：姜雷刘丁赵跃焦尚彬西安理工大学国家联合晶体生长设备及系统集成工程研究中心陕西西安710048

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... 详细信息

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。

关键词：直拉硅单晶水平磁场数值模拟非轴对称性

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直拉硅单晶生长过程建模与控制研究综述

控制理论与应用 2017年第1期34卷 1-12页

作者：刘丁赵小国赵跃西安理工大学晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程研究中心陕西西安710048

硅单晶是最重要的半导体材料,90%的半导体器件和集成电路芯片都制作在硅单晶上.随着集成电路技术的快速发展,对硅单晶的品质要求也不断提高.直拉法是生产硅单晶的主要方法,其科学原理与方法、生长技术与工艺、控制策略与手段一直是理论... 详细信息

硅单晶是最重要的半导体材料,90%的半导体器件和集成电路芯片都制作在硅单晶上.随着集成电路技术的快速发展,对硅单晶的品质要求也不断提高.直拉法是生产硅单晶的主要方法,其科学原理与方法、生长技术与工艺、控制策略与手段一直是理论界和产业界高度关注和不断研究的热点.本文针对直拉法电子级硅单晶生长过程,以晶体生长基本原理为基础,从生长建模、变量检测、控制方法等方面进行了全面的阐述,特别针对当今大尺寸、高品质硅单晶生长的要求,总结了目前所取得的主要研究成果与面临的问题,并提出了相应的研究思路和方法.

关键词：直拉硅单晶过程建模变量检测过程控制控制策略

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大尺寸单晶炉勾形磁场的优化设计

人工晶体学报 2010年第4期39卷 1035-1040页

作者：焦尚彬刘丁任宁西安理工大学晶体生长设备与系统集成国家地方联合工程研究中心西安710048

本文在分析cusp磁场抑制对流原理的基础上,采用有限元法对大尺寸单晶炉cusp磁场进行了建模。利用模型分析了磁场结构尺寸对磁场强度的影响,优化了磁场结构;分析了线圈规格对磁场功率的影响,优化了磁场功率;并通过实验验证了建模方法的... 详细信息

本文在分析cusp磁场抑制对流原理的基础上,采用有限元法对大尺寸单晶炉cusp磁场进行了建模。利用模型分析了磁场结构尺寸对磁场强度的影响,优化了磁场结构;分析了线圈规格对磁场功率的影响,优化了磁场功率;并通过实验验证了建模方法的有效性。实验结果表明:该模拟方法可用于大尺寸单晶炉cusp磁场的实际设计。

关键词： cusp磁场单晶炉参数优化功率优化

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直拉硅单晶非均匀相变温度场最优控制

控制理论与应用 2021年第1期38卷 44-52页

作者：张晶刘丁杜燕军西安理工大学晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程中心陕西西安710048

针对直拉硅单晶固液界面相变温度场的非均匀性导致晶体直径不均匀问题,提出一种基于偏微分方程(PDE)模型的温度场最优控制策略.考虑生长速率波动的影响,建立了一种改进的提拉动力学模型,确定了域边界演化动力学关系.研究基于抛物型PDE... 详细信息

针对直拉硅单晶固液界面相变温度场的非均匀性导致晶体直径不均匀问题,提出一种基于偏微分方程(PDE)模型的温度场最优控制策略.考虑生长速率波动的影响,建立了一种改进的提拉动力学模型,确定了域边界演化动力学关系.研究基于抛物型PDE的时变空间域对流扩散过程的温度模型,描述了域运动在对流扩散系统上的单向耦合.针对无限维分布参数系统建模控制难问题,采用谱方法进行系统近似,选取整个空间域的全局和正交的空间基函数,通过Galerkin方法对无限维系统进行降维,获得了该系统的近似模型.采用线性二次型方法控制晶体生长温度,通过仿真实验对相变温度场模型进行验证.结果表明,优化后的模型能够获得较为平稳的晶体生长速率,减小了生长直径的波动,使得固液界面径向温度分布更加均匀,验证了该方法的有效性.

关键词：直拉硅单晶相变温度场生长直径抛物型PDE 分布参数系统

∅300 mm直拉硅单晶生长过程中的变晶现象及其影响因素

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人工晶体学报 2022年第7期51卷 1185-1193页

作者：张晶刘丁西安理工大学晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程研究中心西安710048

直拉法生长直径300 mm硅单晶过程中,直径均匀是获得高品质硅单晶的关键。在生产实践中发现,当硅晶体进入等径生长阶段,过高的提拉速度会引起晶体发生扭晶现象,导致晶线断裂随即变晶,对等径生长不利。本文采用数值模拟和理论相结合的方... 详细信息

直拉法生长直径300 mm硅单晶过程中,直径均匀是获得高品质硅单晶的关键。在生产实践中发现,当硅晶体进入等径生长阶段,过高的提拉速度会引起晶体发生扭晶现象,导致晶线断裂随即变晶,对等径生长不利。本文采用数值模拟和理论相结合的方法分析了∅300 mm硅单晶生长过程中扭晶现象的成因,建立了不同提拉速度下晶体直径与熔体温度分布的关系,分析了晶体发生扭晶的影响因素。结果表明,随着提拉速度的增加,熔体自由表面产生过冷区且该过冷区随提拉速度的增加不断扩大,过冷区的产生是导致晶体发生扭晶的主要原因。提出了一种基于有限元热场数值模拟的最大稳定提拉速度的判别方法,并给出了通过改变晶体旋转速度来改善熔体自由表面温度分布的工艺措施建议,从而避免晶体扭晶现象的发生。研究结果对设计大尺寸硅单晶生长热场具有一定的指导作用。

关键词：直拉硅单晶扭晶数值模拟提拉速度晶体旋转速度过冷区

直拉硅单晶生长过程中工艺参数对相变界面形态的影响

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物理学报 2018年第21期67卷 366-377页

作者：张妮刘丁冯雪亮西安理工大学晶体生长设备及系统集成国家地方联合工程研究中心西安710048 陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室西安710048

为改善晶体相变界面形态,提高晶体品质,提出了一种融合浸入边界法(immersed boundary method,IBM)和格子Boltzmann法(lattice Boltzmann method, LBM)的二维轴对称浸入边界热格子Boltzmann模型来研究直拉法硅单晶生长中的相变问题.将相... 详细信息

为改善晶体相变界面形态,提高晶体品质,提出了一种融合浸入边界法(immersed boundary method,IBM)和格子Boltzmann法(lattice Boltzmann method, LBM)的二维轴对称浸入边界热格子Boltzmann模型来研究直拉法硅单晶生长中的相变问题.将相变界面视为浸没边界,用拉格朗日节点显式追踪相变界面;用LBM求解熔体中的流场和温度分布;用有限差分法求解晶体中的温度分布.实现了基于IB-LBM的动边界晶体生长过程研究.得到了不同晶体生长工艺参数作用下的相变界面,并用相变界面位置偏差绝对值的均值和偏差的标准差来衡量界面的平坦度,得到平坦相变界面对应工艺参数的调整方法.研究表明,相变过程与晶体提拉速度、晶体旋转参数和坩埚旋转参数的相互作用有关,合理地配置晶体旋转参数和坩埚旋转参数的比值,能够得到平坦的相变界面.

关键词：晶体生长固-液相变浸入边界法格子Boltzmann法