塊狀晶體制備過(guò)程的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)和熱應(yīng)力分析.pdf

1、上世紀(jì)50年代以來(lái)，塊狀晶體材料已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)境科學(xué)、信息加工、醫(yī)療及軍事等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)隨著高新技術(shù)的飛速發(fā)展，大尺寸、高質(zhì)量塊狀晶體材料的需求日益增長(zhǎng)。大部分重要塊狀晶體（如半導(dǎo)體晶體（Si、GaAs、InP等）、激光晶體（Nd:YAG、GGG等）、光學(xué)晶體（α-Al2O3、KNbO3）等），通常是利用熔體法（如提拉法、布里奇曼法及區(qū)熔法等）制備的。熔體法晶體生長(zhǎng)過(guò)程伴隨著復(fù)雜的熱環(huán)境，長(zhǎng)晶完成后晶體內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，過(guò)大的熱

2、應(yīng)力會(huì)引起位錯(cuò)快速增殖，甚至導(dǎo)致晶體開裂，嚴(yán)重降低了晶體質(zhì)量。冷卻過(guò)程中，由于晶體內(nèi)部與其表面冷卻不同步，同樣會(huì)引起熱應(yīng)力的產(chǎn)生。熱應(yīng)力的產(chǎn)生與溫度分布、生長(zhǎng)界面形狀密切相關(guān)，二者直接受爐內(nèi)換熱環(huán)境的影響。合理的溫度分布、穩(wěn)定的凝固界面是高質(zhì)量晶體生長(zhǎng)的關(guān)鍵，因此晶體制備過(guò)程中熱場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高晶體質(zhì)量具有非常重要的意義。
　　論文從流體力學(xué)、熱科學(xué)與材料科學(xué)基礎(chǔ)出發(fā)，結(jié)合晶體生長(zhǎng)理論，發(fā)展了基于多物理場(chǎng)耦合的輸運(yùn)模型，并將其應(yīng)用

3、于DSS法多晶硅和KY法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)過(guò)程和冷卻過(guò)程的熱場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。針對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程和冷卻過(guò)程，分別從爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過(guò)程工藝參數(shù)控制兩個(gè)方面對(duì)熱場(chǎng)優(yōu)化展開研究。對(duì)于多晶硅生長(zhǎng)過(guò)程，重點(diǎn)研究隔熱籠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加熱器布置對(duì)凝固界面形狀及硅錠熱應(yīng)力的影響，提出熱場(chǎng)優(yōu)化方案。對(duì)于冷卻過(guò)程，詳細(xì)分析入口氣體流速、底部隔熱板移動(dòng)速率對(duì)生長(zhǎng)系統(tǒng)熱場(chǎng)、流場(chǎng)及硅錠熱應(yīng)力場(chǎng)的影響，提出入口流速及底部隔熱板移動(dòng)速率優(yōu)化方案。對(duì)于藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)過(guò)程，著重研究不

4、同生長(zhǎng)階段熔體熱場(chǎng)和流場(chǎng)分布特征及Marangoni效應(yīng)對(duì)熔體流動(dòng)的影響。并從熱應(yīng)力、晶體幾何外形及三維效應(yīng)三個(gè)方面對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程常見(jiàn)的開裂現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，找出晶體開裂的主導(dǎo)因素，提出避免開裂的有效措施。對(duì)于冷卻過(guò)程，重點(diǎn)探討加熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)、不同功率分配比對(duì)晶體內(nèi)溫度、熱流及熱應(yīng)力分布的影響，最后對(duì)加熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的功率分配比進(jìn)行優(yōu)化。
　　研究結(jié)果表明，DSS法多晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整隔熱籠厚度或加熱器位置，不僅能夠降低

5、最大熱應(yīng)力而且還有助于獲得微凸或平直凝固界面，因此可以提高硅錠質(zhì)量。多晶硅冷卻過(guò)程中，底部隔熱板移動(dòng)速率及入口氣體流速對(duì)熱應(yīng)力影響很大。減小隔熱板移動(dòng)速率可以顯著降低最大熱應(yīng)力的峰值。冷卻前期通入較大速率的氣體而冷卻后期通入較小速率的氣體有助于降低冷卻過(guò)程硅錠的最大熱應(yīng)力。通過(guò)對(duì)入口流速優(yōu)化，不必延長(zhǎng)冷卻時(shí)間即可進(jìn)一步提高硅錠質(zhì)量。對(duì)于泡生法藍(lán)寶石生長(zhǎng)系統(tǒng)，熔體流動(dòng)受自然對(duì)流和Marangoni對(duì)流共同影響。長(zhǎng)晶初期熔體內(nèi)自然對(duì)流占主導(dǎo)

6、，可以忽略Marangoni對(duì)流的影響，而等徑生長(zhǎng)后期隨著熔體體積不斷縮小，自然對(duì)流受到抑制，此時(shí)Marangoni對(duì)流流動(dòng)占主導(dǎo)。晶體開裂是由多晶生長(zhǎng)等晶體缺陷和熱應(yīng)力共同決定的，與晶體幾何結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。晶體周圍換熱環(huán)境變化引起的三維效應(yīng)是導(dǎo)致晶體出現(xiàn)單側(cè)開裂的主要原因之一。為避免長(zhǎng)晶過(guò)程晶體開裂，應(yīng)對(duì)加熱器及隔熱屏進(jìn)行定期檢查及更換。藍(lán)寶石單晶冷卻過(guò)程中，晶體喉部及頸部表面附近區(qū)域熱應(yīng)力始終最高，最大熱應(yīng)力主要集中在頸部表面區(qū)域。為提高