浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)是一個(gè)包含固體導(dǎo)熱、熔體對(duì)流、固液相變等多種傳熱流動(dòng)方式的復(fù)雜熱-質(zhì)輸運(yùn)過程。因其具有無坩堝接觸污染的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于高精度硅、高溫合金及其他半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)。在微重力環(huán)境下,由重力引起的浮力對(duì)流幾近消失,由表面溫度梯度和濃度梯度引起的毛細(xì)對(duì)流成為影響浮區(qū)晶體質(zhì)量的主要因素之一。為了提高浮區(qū)法生長(zhǎng)單晶材料的品質(zhì),研究浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)中毛細(xì)對(duì)流時(shí)空演化特性及其控制顯得尤為重要。本文以浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)過程中存在的毛細(xì)對(duì)流為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)零重力下熔體中單純?nèi)苜|(zhì)毛細(xì)對(duì)流、單純熱毛細(xì)對(duì)流的演化特征、熱-質(zhì)耦合毛細(xì)對(duì)流的不穩(wěn)定性展開研究,并對(duì)施加不同類型磁場(chǎng)下熔體內(nèi)的毛細(xì)對(duì)流的行為特征進(jìn)行了仿真。研究?jī)?nèi)容及獲得的研究結(jié)果如下:首先,數(shù)值研究了半浮區(qū)液橋內(nèi)單純熱毛細(xì)對(duì)流不穩(wěn)定性的產(chǎn)生條件、發(fā)展演化機(jī)制及其在靜態(tài)磁場(chǎng)控制下的演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)硅熔體而言,隨著Marangoni（Ma）數(shù)的增加,液橋內(nèi)熱毛細(xì)對(duì)流依次經(jīng)歷二維軸對(duì)稱流、三維定常流,而后轉(zhuǎn)變?yōu)槿S單頻周期性振蕩流再到多頻振蕩流,最終演化為非周期性振蕩流。當(dāng)熔體對(duì)流處在多頻振蕩模式時(shí),頻譜分析發(fā)現(xiàn)頻率之間滿足f

【文章來源】：南京航空航天大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：166 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

Czochralski法單晶生長(zhǎng)示意圖

(a)基本結(jié)構(gòu) (b)溫度分布圖 1.2 Bridgman 法晶體生長(zhǎng)的基本原理下降法(Bridgman 法)[2]將坩堝垂直放置，然后緩緩下沉通過結(jié)晶爐，由于結(jié)晶爐的溫度上高下低，因此熔體自下而上定向凝固成晶體(圖 1.2)。也可使生長(zhǎng)爐沿坩堝上升，或者生長(zhǎng)爐和坩堝都不動(dòng)，通過生長(zhǎng)爐的逐漸降溫來實(shí)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)。坩堝的特殊構(gòu)型可以改善爐內(nèi)的熱場(chǎng)，有利于單晶的生長(zhǎng)。下降法適于大尺度的堿鹵化物單晶的生長(zhǎng)，將此方法與液相封蓋技術(shù)相結(jié)合，也用來生長(zhǎng)分解壓或蒸氣壓較高的Ⅲ～Ⅴ、Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體晶體材料。下降法生長(zhǎng)中，由于其特殊的結(jié)晶過程，坩堝的重要性更為突出，坩堝的選材、形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是晶體生長(zhǎng)過程能否實(shí)現(xiàn)以及晶體結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)劣的控制因素之一。對(duì)于冷卻時(shí)體積增大的晶體，利用此法生長(zhǎng)的晶體內(nèi)部通常具有較多的雜質(zhì)和較大的應(yīng)力。另外，由于晶體生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，生長(zhǎng)過程中直接觀察存在困難，因此下降法特定的結(jié)構(gòu)所帶來的缺點(diǎn)有待進(jìn)一步改進(jìn)。浮區(qū)法(Floating zone)具有無坩堝接觸污染的優(yōu)點(diǎn)，是生長(zhǎng)高純度、高質(zhì)量、高品質(zhì)單晶材料的一種重要技術(shù)，在各類晶體生長(zhǎng)法中頗具競(jìng)爭(zhēng)力，因而被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中(圖1.3)。1952 年，Pfann 首先在提純材料中引進(jìn)區(qū)域熔化法[3-5]，為浮區(qū)法的誕生奠定了基礎(chǔ)。次年，Keck 和 Golay[6]將 Pfann 提出的區(qū)域熔化法用于單晶硅生長(zhǎng)，即浮區(qū)法。在浮區(qū)法晶體生

?しㄖ釁木呔赫?Γ?蚨?還惴河τ玫較執(zhí)?ひ瞪???圖1.3)。1952 年，Pfann 首先在提純材料中引進(jìn)區(qū)域熔化法[3-5]，為浮區(qū)法的誕生奠定了基礎(chǔ)。次年，Keck 和 Golay[6]將 Pfann 提出的區(qū)域熔化法用于單晶硅生長(zhǎng)，即浮區(qū)法。在浮區(qū)法晶體生長(zhǎng)過程中，利用高頻感應(yīng)、光學(xué)聚焦或電子轟擊等方法形成一個(gè)高溫區(qū)，將多晶棒通過這個(gè)高溫區(qū)熔化形成一個(gè)浮熔區(qū)，然后移動(dòng)多晶棒或者反向移動(dòng)加熱體，使多晶棒依次熔化并冷卻結(jié)晶，最后整個(gè)多晶棒熔化結(jié)晶后就形成單晶棒。浮區(qū)內(nèi)的熔體靠表面張力維持其形狀，這種方法能有效地避免坩堝的接觸污染和對(duì)所生長(zhǎng)單晶熔化溫度的限制，因而可以制備高純度、高熔點(diǎn)的單晶材料。為了使生長(zhǎng)的單晶具有高度的完整性，在接好籽晶后需要生長(zhǎng)一段細(xì)頸單晶，以消除晶體位錯(cuò)。目前，20%工業(yè)應(yīng)用的高質(zhì)量、高精度的單晶硅都是通過浮區(qū)法獲得[7]，這得益于浮區(qū)法生長(zhǎng)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】：
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