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1、大直径直拉硅单晶生长过程有限元模拟及控制参数优化,姓 名： 指导老师：,山东大学 材料科学与工程学院,主要内容,4,课题的背景及意义,1,2,3,5,国内外研究现状 （硅单晶数值模拟）,研究的技术路线与方法,研究内容,研究工作计划,1、课题的背景及意义,硅单晶是制造集成电路和光能转换产品的基础材料，是信息产业和太阳能产业发展的基石。我国硅单晶制造业发展迅速，仅仅用了八年时间，我国硅单晶产量就从2002年的不足世界总产量的0.4%发展为现在的硅单晶重要出口国。,8年,1、课题的背景及意义,但是，我国生产的直拉硅单晶直径小，缺陷尺寸大且分布不均匀，无法与国际的三高（高纯度、高完整性、高均匀性）一大
2、（大直径）的发展趋势同步。,大直径,高纯度,高完整性,高均匀性,1、课题的背景及意义,提拉法单晶生长是一个复杂的流动与传热过程。晶体生长处于高温环境，在熔体中存在自然对流、自由液面表面张力流动、晶体与坩埚产生强迫对流等各种驱动机制引发的混合流动。,准确了解不同因素下晶体生长过程熔体流动基本特征，一直是力学、物理化学、传热学、材料学所研究的重要课题。,力学,物理化学,传热学,材料学,1、课题的背景及意义,1、课题的背景及意义,单晶在相变界面长出，其裂纹、夹杂等现象与熔体-晶体界面形状密切相关。晶体生长相变界面属于运动边界问题；同时，伴随着结晶潜热的释放。跟踪相变界面及其内在规律以合理地释放潜热，
3、对改善生长条件来提高单晶质量也有重要意义。,1、课题的背景及意义,单晶生长炉内包括了坩埚、晶体、熔体、加热系统等，各部分之间的热辐射、热传导和对流，以及结晶潜热和表面张力等因素都是相互耦合的。综合考虑这些因素，建立有效的全局数值模拟模型，可为研究单晶生长系统及流场的整体特性、晶体生长炉结构设计及控制参数优化提供模拟实验手段。,1、课题的背景及意义,针对在国家经济建设中具有重要战略地位的信息产业和太阳能产业的基础材料-硅单晶的发展需求，本文以大直径直拉硅单晶为研究对象，以有限元理论、晶体生长理论、晶体结构理论、热力学理论、分子动力学理论、概率论与数理统计理论、,1、课题的背景及意义,计算机仿真理
4、论等为基础，综合运用有限元分析、晶体增长模拟过程等方法，通过理论和过程分析、模拟运算等过程，实现大直径直拉硅单晶生长过程有限元模拟及控制参数优化，完成接近实际的大直径直拉硅单晶生长模拟实验和研究，为实现无大缺陷的大直径直拉硅单晶生产提供指导。,2、国内外研究现状 （硅单晶数值模拟）,随着半导体集成电路技术的不断发展 ，硅材 料的应用也越来越广泛。半导体硅作为现代电子工业的基础材料，已有 5 06 0年的历史，随着 I C 集成度的提高，给硅片质量提出了更高的要求，这就要求半导体材料行业能够提供直径更大、质量更好的单晶硅。然而，随着制备单晶硅直径的不断加大，单晶制备的每次装料量也随之增多,使得实
5、验费用越来越高；而且，一些数据很难通过直接测量获得。,2、国内外研究现状 （硅单晶数值模拟）,因此，人们想出用数值模拟的方法来模拟单晶硅生长过程的热场。从 1 9 6 5年 B i l l i g采用一维片状近似的方法，获得了晶体半径和晶体拉速平方成反比的关系，现在进行的数值模拟向着瞬态、全系统的方向转变。可以说，对于单晶炉热场进行数值计算经历了一个由简单到复杂、由局部到整体的过程。随着计算机技术的发展，可以利用计算机运行更加复杂的大运算量的数值计算。计算方法多采用差分法和有限元法。,3、研究的技术路线与方法,首先，通过对国内外硅单晶生长过程的数值模拟研究的学习，在熔体中生长晶体的流动机制研究
6、的基础上，利用流体力学相关理论建立二维全局模拟的数学模型和边界条件，以西安理工大学晶体生长设备研究所生产的TDL一150型单晶生长炉为原型，,3、研究的技术路线与方法,经过物理假设简化，运用CGSim软件建立几何模型，并对模型进行网格化分析为后续模拟计算做基础；,其次，根据晶体生长实践摸索出来的生长工艺，采用准稳态连续模拟大直径直拉硅生长的部分过程，对模拟得到的热场和流场结果进行初步分析，了解晶体生长过程中热传导和热传质的具体情形；,3、研究的技术路线与方法,然后，基于模拟结果，讨论各种流动对晶体生长的影响，以及晶体生长长度的增加对晶体和熔体中热场与流场的变化特点；,最后，借助于模拟结果，分析
7、硅单晶生长时晶体长度和液面高度对固液界面形状的影响，得出为了获得稳定的固液界面而进行液面高度调整的规律。如果有条件的话，希望模拟研究不同磁场和内部气流条件下大直径直拉硅生长的热场和流场特点，以及磁场与自由表面应力对直拉硅生长的综合影响。,3、研究的技术路线与方法,4、研究内容,1、基于相关理论和假设，建立二维模拟的数学模型和边界条件，进行模型的网格化分析； 2、利用CGSim (晶体增长模拟)程式，参照实际生长工艺，在确定的初始条件和边界条件下，完成大直径硅单晶生长过程的有限元模拟；,4、研究内容,3、基于大直径硅单晶生长过程有限元模拟的结果，揭示和分析各种流动、晶体生长长度对晶体和熔体中热场与流场变化的影响以及液面高度调整规律。 4、不同磁场和内部气流条件下大直径直拉硅生长的热场和流场特点，以及磁场与自由表面应力对直拉硅生长的综合影响的模拟研究。,5、研究工作计划,Thank you!,