塊狀晶體制備過程的熱場設計和熱應力分析.pdf

1、上世紀50年代以來，塊狀晶體材料已被廣泛應用于工業(yè)、環(huán)境科學、信息加工、醫(yī)療及軍事等諸多領域。近年來隨著高新技術的飛速發(fā)展，大尺寸、高質(zhì)量塊狀晶體材料的需求日益增長。大部分重要塊狀晶體（如半導體晶體（Si、GaAs、InP等）、激光晶體（Nd:YAG、GGG等）、光學晶體（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。熔體法晶體生長過程伴隨著復雜的熱環(huán)境，長晶完成后晶體內(nèi)產(chǎn)生熱應力，過大的熱

2、應力會引起位錯快速增殖，甚至導致晶體開裂，嚴重降低了晶體質(zhì)量。冷卻過程中，由于晶體內(nèi)部與其表面冷卻不同步，同樣會引起熱應力的產(chǎn)生。熱應力的產(chǎn)生與溫度分布、生長界面形狀密切相關，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)量晶體生長的關鍵，因此晶體制備過程中熱場優(yōu)化設計對提高晶體質(zhì)量具有非常重要的意義。
　　論文從流體力學、熱科學與材料科學基礎出發(fā)，結合晶體生長理論，發(fā)展了基于多物理場耦合的輸運模型，并將其應用

3、于DSS法多晶硅和KY法藍寶石單晶生長過程和冷卻過程的熱場優(yōu)化設計中。針對晶體生長過程和冷卻過程，分別從爐體結構設計和過程工藝參數(shù)控制兩個方面對熱場優(yōu)化展開研究。對于多晶硅生長過程，重點研究隔熱籠結構設計、加熱器布置對凝固界面形狀及硅錠熱應力的影響，提出熱場優(yōu)化方案。對于冷卻過程，詳細分析入口氣體流速、底部隔熱板移動速率對生長系統(tǒng)熱場、流場及硅錠熱應力場的影響，提出入口流速及底部隔熱板移動速率優(yōu)化方案。對于藍寶石單晶生長過程，著重研究不

4、同生長階段熔體熱場和流場分布特征及Marangoni效應對熔體流動的影響。并從熱應力、晶體幾何外形及三維效應三個方面對工業(yè)生產(chǎn)過程常見的開裂現(xiàn)象進行深入分析，找出晶體開裂的主導因素，提出避免開裂的有效措施。對于冷卻過程，重點探討加熱器結構改進、不同功率分配比對晶體內(nèi)溫度、熱流及熱應力分布的影響，最后對加熱器結構改進后的功率分配比進行優(yōu)化。
　　研究結果表明，DSS法多晶硅生長過程中，通過適當調(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。多晶硅冷卻過程中，底部隔熱板移動速率及入口氣體流速對熱應力影響很大。減小隔熱板移動速率可以顯著降低最大熱應力的峰值。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程硅錠的最大熱應力。通過對入口流速優(yōu)化，不必延長冷卻時間即可進一步提高硅錠質(zhì)量。對于泡生法藍寶石生長系統(tǒng)，熔體流動受自然對流和Marangoni對流共同影響。長晶初期熔體內(nèi)自然對流占主導

6、，可以忽略Marangoni對流的影響，而等徑生長后期隨著熔體體積不斷縮小，自然對流受到抑制，此時Marangoni對流流動占主導。晶體開裂是由多晶生長等晶體缺陷和熱應力共同決定的，與晶體幾何結構無關。晶體周圍換熱環(huán)境變化引起的三維效應是導致晶體出現(xiàn)單側開裂的主要原因之一。為避免長晶過程晶體開裂，應對加熱器及隔熱屏進行定期檢查及更換。藍寶石單晶冷卻過程中，晶體喉部及頸部表面附近區(qū)域熱應力始終最高，最大熱應力主要集中在頸部表面區(qū)域。為提高