顶部籽晶提拉法激光晶体生长工艺有限元模拟（可编辑）

顶部籽晶提拉法激光晶体生长 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 有限元模拟（可编辑） 顶部籽晶提拉法激光晶体生长工艺有限元模拟 分类号: 工 密纨衄: 编号:里盟。 顶部籽晶提拉法激光晶体生长工艺 有限元模拟 学位授予单位及代码:篮壹墨互太堂 堑 学科专业名称及代码:挝魁扬堡生丝堂&艘 研究万同:左史:监晶盐挝拦 申请学位级别:亟 ? 指导教师:奎篮副熬燕 研究生:盘圭篮 论文起止时间:垫:二垫:长春理工大学学位论文版权使用授权 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使 用规定”,同意长春理工大学保留井向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文 全文数据库和系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和 电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索.也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名 丝年土月亘 导师签名 丝年立月』日摘要 本文针对顶部耔晶提拉法以下简称法晶体生长中的流动传热过程,开 发完成一套数值模拟程序,数值结果包括在一定工艺参数、材料物性及晶体 尺寸下单晶炉内的温度分布及液流速度分布。数值模拟程序采用语言编写,在 有限元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 软件上运行。文中介绍了基于获得的一部分数值模拟结 果,其中包括;单晶炉内的温度场分布;焙体内的液流速度场及温度场。这些数 值结果与实践经验相符,具有一定参考价值。 在此基础上,本文提出了一个以有限元模拟技术为基础的法晶体生长工艺 预测系统。工艺预测系统具有友好的交互界面.允许晶体生长者对数值结果 进行索引、归档、储存等操作。法工艺预测系统能够在工艺实践中向晶体生长者 即时提供指导数据。 关键词:法晶体生长有限元模拟物理场曲 .? . 词 陀叫烈. 奄? .也 ’, . : ; : :??一 .基于的建模第四章程序及数值模拟结果??.。“? 程序?., 物理模型一, .数学模型??,? .单晶炉内的温度场分布 ?.? 熔体内的液流速度场及温度场.小结第五章法晶体生长工艺预铡系统?。法晶 体生长工艺预测系统简介.软件需求分析??.. .系统设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .预测系统的实现与测试 第六章结论?。??.. 致谢?一??。...。 参考文献。,第一章绪论 激光晶体及生长方法概述 激光因为其定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极大等特点,在各种领域 都有广泛的应用。尤其在科技快速发展的今天,激光嚣在如工业、科学、医学、军事、 信息传输等领域都得到了长足的发展.并且带动了一批新兴的学科的形成和发展。 早期的周体激光器以气体放电光源作为泵浦源,近年来国际上应用较广的新的激 光器泵浦源是激光二极管 ,。它的出现让人们对激光晶体的有效利用 有了更深的认识。以激光二极管为泵浦源的固体激光器被人们称作全固态檄光器.这 种激光器具有工作时间长、电光转换效率高、低功耗、输出更稳定、凝聚性更高和颜 色更纯的特点,最重要的是它的全固态使固体激光器体积变小可以集成在一起,同时 也实现了模块化,这相对于气体放电作为激励源的固体激光器来说,是一个革命性的 跃迁。全固态激光器在材料加工工艺、激光制导技术、医疗研究与应用、光学信息传 输、微光武器等领域都有重要的应用,而激光晶体作为全固态激光器的内核.其性质 对激光器的质量与寿命有着决定性的影响“, 以微观结构来分,激光晶体包括激活离子和基质晶体.而激活离子和基质晶体这 两部分之间的相互作用决定了激光发射和光谱波长。各种卤化物、复合卤化物、氧化 物、复合氧化物和含氟酸盐化合物是常用基质晶体,而常用的激活离子则有稀土如 镧系、锕系、过渡金属离子等。 按材料的特性和用途分类,激光晶体可以分为高功率激光晶体、泵浦激光晶体、 可调谐激光晶体、新波长激光晶体和复合功能激光晶体: 高功率激光晶体方面.较广泛研究的是大尺寸:晶体,:晶体,掺 镱、钕的高功率激光晶体,其中,晶体综合性能最好,生长出的晶体透明且 直径很大,抗压抗折能力强,切片抛光容易,损伤阙值高,可靠性高.在固体激光器 中处于领先地位。 泵浦激光晶体方面,主要有:晶体、:晶体以及高效率低阙值 泵浦激光晶体,如掺、的?晶体等。 可调谐激光晶体方面,主要有:晶体、:晶体、:晶体、 :晶体,以及掺”、”、过渡金属离子的可调谐晶体。 新波长激光晶体方面,主要有 和“掺、和的、 晶体。 复合功能激光晶体方面,主要有自倍颧激光晶体。该类材料通过基质晶体材 料的 特性使激活离子的基波变成二次谐波。迄今应用虽广、研究展广泛的激光工作物质是红宝石:,,掺钕的钇铝石 榴石:”和铝酸钇:计,而近几年发展较快的则是掺镱激光晶体和 拉曼激光晶体。。 晶体生长的工业化是由二十世纪初期的发明了焰熔法而开始的。就如 ,.,等人一样,因为他的有 关成核控制理论,晶体直径控制理论对于后来发展起来的熔体生长技术有着重要的意 义,.被认为是晶体生长技术的奠基人”。 二十世纪二十年代.砒科塞尔和.斯特兰斯基提出了完整 晶体生长的微观理论,他们第一次提出了在完整晶体生长中台阶和扭折的作用:四十 年代,.、夫兰克提出缺陷晶体生长的徽观理论.解释了在氐于临界驱动力下, 仍能观察到晶体生长的实验事实:五十年代初..伯顿田、卡夫露拉 和夫兰克等人撰写丁一篇总结性的论文.这篇文章为描述晶体生长的界面过程 起到了重要的作用,是关于晶体生长动力学的权威著作;二十世纪中叶.由于半导体 材料、激光晶体材料的研究发展,人们进而开展了质、热传输理论和界面稳定性理论 豹研究,尤其是有关温度场控制、增埚中的溶质分凝,晶体生长层的形成以及 组分过 玲等实际问题的研究,以达到有效控制晶体的成分及结构的目的:七十年代,晶体生 长理论得到了快速的提高.通过宏观对流和微观扩散实现了能量、质量和动量的传输, 同时还展开了弯月面效应、界面翻转、温度起伏等的液流效应的研究,这对传统理论 又是一个重要的补充:经过之后三十年的发展,晶体生长理论已经以一门独立学科的 形式出现,但理论研究仍然不够完善,未来的科研之路仍然任重而道远.要想达到指 导晶体的定量生长,对于晶体生长理论研究提出了更为严格的要求“。 完整的晶体是最理想的晶体生长结果,但这种理想晶体只能在数学模型中才能实 现。晶体生长肯定会形成晶面,这种缺陷使晶体的连续性和完整性遭到了破坏。晶体 生长过程其实就是控制两个转变,一个是质变,这是一个从无到有的过程,是成核的 过程。控制速度可以控制其数量,防止生成多晶;另一个是量变,这是一个从小到大 的过程,是粒子向晶核上堆积的过程。 伴随着晶体生长理论的完善,晶体生长方法也是多种多样的。晶体生长法主 要有 溶液法、熔体法、助溶剂法、气相法,固相法和薄膜法等,如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf .】所示。吲相法 薄膜法 高压法 真空蒸发法 分子柬外延 再结晶法 法 溅射洼 离子柬外延 法 法。顶部籽晶提拉法是 生长方法”:顶部耔晶提拉法晶 体生长设备类似于熔体生长的提拉炉装霹,在籽晶杆的下端固定好籽晶,降低籽晶杆 高度至蚶埚内液面上空.经过预加热,当籽晶的温度相对于坩埚内溶液温度差别不大 时,即可将籽晶缓慢降到与坩埚中的饱和溶液的界面相接处,然后让溶液缓慢冷却, 同时将籽晶杆缓慢向上提升.坩埚还要作正反向交替的转动,以促进溶液的混合,为 了便于籽晶的生长以及晶体生长的控制,还采用了结构来调节籽晶与溶液 之间的温度梯度。 晶体生长数值模拟的发展 所谓数值模拟,就是在假想条件或环境下.实验或研究较难进行时,对研究对象 建立数学模型,利用数学的方法将其物理性质程式化,接着编写成一个或多个电脑程 序,并利用电脑程序运算得出研究对象在不同环境参数和各种条件下,其主要性质参 数的浮动规律,以此来实现熟悉和掌握研究对象各种特性的目的”。 自从二十世纪五十年代以来,晶体在高科技领域的应用越来越广泛。面对大量的 工业需求,晶体的供给基本都是由人工生长的方法来解决的。从第一种人工晶体的合 成发展到现在,其种类不断增加的同时也使人们对晶体生长工艺和技术的要求在不断 的提高,晶体生长工艺也越来越受到人们的重视。可是晶体生长实验不但生长周期长,生长费用昂贵.而且对资源的浪费也很高.这些不利因素限制了通过实际晶体生长实 验的方法来获得最佳生长工艺参数。随着晶体生长理论被科学家们不断的深入研究, 尤其是随着现代数值模拟技术的迅猛发展.国际上将这两者结合在一起.开展了晶体 生长工艺的数值模拟方面的研究。目前,计算机模拟技术已经成为熟悉和提 高晶体生 长工艺的有力办法之一,数值模拟能够填补井指导实体实验研究使之有序、快速、正 确的进行。 和等人?通过建立一个简单模型求解出拉普拉斯方程,从而获 得固.液界面形状曲线函数,该函数与热交换损失、晶体长度、晶体直径.坩埚温度有 关,并且发现了晶体生长速率与固.液界面形状阃的关系,揭示了无位错晶体生长的可 能性。”’采甩有限元方法,对钇铝石榴石晶体生长过程进行了分析,发现生 长炉外壳的温度及光学特性对线形、温度分布和界面形状的影响。“。?’基于对 砷化镓晶体生长的有限元模拟,分析了晶体温度分布和热应力对晶体生长的影响。 /““运用体积控制有限差分法.研究了不同流动机制下坩埚旋转对提拉法晶体生 长中熔体混合流的主导作用。“。。等学者为比较各向异性和各向同性的单晶提拉 过程中的应力与位错密度参数,开发了一套三维有限元程序。 从年开始,国际上已有学者着手利用大型商业数值模拟仿真软件进行提 拉法晶体生长工艺的三维、全域计算机模拟的研究。近几年来,该研究领域取得了重 大进展,在日本和德国,由“。、.”“等人领导的研究小组分别建 立了提拉法晶体生长工艺的三维、全域计算机模拟系统。 在国内.长春理工大学“光电功能材料教育部工程研究中心”,于上世纪束开始着 手提拉法生长激光晶体的数值模拟研究.苏伟教授采用有限差分法,给出了钇铝石榴 石生长过程中的温度场和液流速度场的有限元程序。 本文的研究目的、意义及研究内容 晶体生长技术是’正在发展的学科,材料研究和制备过程的复杂程度也越来越 高。激光晶体是激光技术发展的核心,优质、大尺寸的激光晶体在国防、工业、医疗 等领域拥有着巨大的需求和特殊的意义。采用顶部籽晶提拉法生长优质、大尺寸激光 晶体,不仅需要考虑设备组件的配置满足条件及装配协调,更需要使设备组件运转时 能够达到加热功率.拉速和转速等工艺参数的要求。 在晶体生长工艺的设计领域中,许多复杂的材料制备过程可以通过计算机进行数 值模拟和运算,相对于传统的试错性试验方法,计算机模拟方法可以部分地取代花钱 多、耗时长的复杂物理过程,极大地节省了人力物力财力的需求,因此计算机 模拟方 法同样具有重要的研究价值。通过本文系统、全面的研究。开发出顶部秆晶提拉法晶 体生长工艺的计算机模拟预测系统.此项技术集成了适于求解的若干个算法,可获取顶部籽晶提拉法晶体生长系统内各宏观物理场例如温度场、渍流速度场等分布的 定量规律,通过对这些信息作进一步分析与评价后,可预铡晶体生长结果及工艺的台 理性,在减少试验次数的同时,使设备组件的配置满足条件及装配协调.设备组件运 转时能够满足加热功率、拉速和转速等工艺参数的要求,进而达到降低研发成本,缩 短研发周期的目的,为优质大尺寸激光晶体如:、:等生长系统提供 辅助性指导。 目前。国外已在法晶体生长的计算机模拟研究领域取得了重大进展,井作 了大量报导详见学术期刊 山》。但文献中明显地存在着技术 壁垒和保留。用于求解多物理场电磁.热.流一结构耦合模型的算结源码未见在互联 网上公布,专业的数值模拟软件仅在国外少数科研机构间进行交流。这是在商业利益 和市场竞争的双重压力下不可避免的。此外,国内外所使用的晶体生长设备??提拉 炉存在着架构上的差异。因此照搬照抄科技文献中的数值结果尚不能满足国内晶体生 长工艺设计实践的需求。 本文的研究内容主要有以下几点: 建立激光晶体生长系统的离散模型有限元模型: 开展一定工艺条件下.熔体晶体内的耦台场分析: 针对洁晶体生长中的流动传热过程,开发完成一套数值模拟程睁 ,数值结果包括在一定工艺参数、材料物性及晶体尺寸下提拉炉内的温度分布 及液流速度分布: 利用语言开发了一个‘法晶体生长工艺预测系统,该系统具有 友好的交互界面.并且可以对数值结果进行索引、存储。第二章法生长激光晶体 法介绍 是助熔剂法与熔体提拉法相 顶部籽晶提拉法 结合的方法。法的工作原理是将籽晶固定在籽晶杆下端,溶质熔融于坩埚底部的 高温助溶剂中,形成饱和熔融液.通过对流和扩散到达坩埚顶部的低温区域,形成过 饱和溶液。缓慢降低耔晶杆的高度,使籽晶与溶液界面相接处,熔体首先成核于籽晶 下端,然后以一定速度缓慢向上提拉.同时控制温度的变化,晶体会在籽晶上从小到 大逐渐定向生长。顶部籽晶提拉法除了具有提拉法的优点以外,还不易产生热应力以 及助溶剂固化变硬而绘晶体施加的应力。需要注意的是要时刻观察籽晶是否与液面相 接处,控制提拉速度以防止晶体生长过程中离开溶液液面。晶体生长结束后。剩下的 熔体材料可以再次加入晶体及助溶剂材料继续利用。晶体生长直径一般小于蚶埚内径, 大约为坩埚内径的三分之二。 项部籽晶提拉法晶体生长工艺的优点有: 在晶体生长过程中可以方便的观察晶体生长状况。 生长单晶宰较高,并且可以按照我们需要的晶向定向生长。 晶体在溶液表面处生长,不直接与坩埚壁相接处,这样可以防止在坩埚壁姓 寄生成核,同时减低晶体的应力。 晶体生长速率较快。 晶体的质量比其他方法生长的晶体要好。 可以使用定向籽晶和“缩颈”技术,这样能大大减少位错、包裹物和自笈成 核晶粒过多的缺陷。 实验装置及工艺 实验装置 长春理工大学实验室用顶部籽晶提拉法生长晶体的实验设备有:型提拉 机,坩埚,/热电偶,控温仪。炉内为电阻丝加热,均匀环状排列于 炉体周围,热电偶的位置在坩埚底都并紧挨坩埚壁,坩埚托为高纯度陶瓷底托, 提拉炉结构示意图如图.所示:酗 晶体炉结构示意圈法生长工艺 顶部籽晶提拉法生长工艺过程如图. 酗 击晶体生长艺流程吊取籽晶 耔晶,就是小的单晶颗粒.由于晶体生长中成核是比较田难的一步,籽晶实际上就 是提供了一个晶体比较容易继续生长的中心。首先帚吊晶法得到形状不规则的多晶体. 将多晶体用蒸馏水清洗干净后找出其中体积较大的晶体,这就是我们需要的籽晶,顶 部耔晶提拉法相比于其他晶体生长方法的优点之一就是可以使用定向耔晶。 要想获得大尺寸、高质量的激光晶体,就必须严格选择耔晶。因此所选择的秆晶应 完整性良好,可以通过侵蚀注达到降低晶体表面伤害的目的。 装炉 将所得到的籽晶加工成规则形状.固定于提拉杆的下端.旋转籽晶杆,观察并调 整晶体头使其尖端与提拉杆同轴转动,转动过程中无偏移现象。籽晶调整好后.将装 料坩埚放置于坩埚托的合适位置.实验用坩埚必须为已经过一次化料的坩埚,降低籽 晶杆使耔晶与坩塌顶部中心处重台.之后装好后熟器。 引晶 等到坩埚中原料全部熔化至熔体后,降低温度至略太于饱和温度,令籽晶下端接 触固液界面,这时籽晶下部会缓慢烙融,继续降温至饱和温度,这个时候就可以进行 引晶生长了。只有当籽晶周围髂液的温度在凝周点之下时,晶体才能持续生长,这就 要求晶体生长的固渡界面处必须一直处于过冷态。不过为了避免其他位置自发成棱影 响晶体完整性,需要保证周液界面处处于过冷而熔体其他部分则为过热。 降温生长 晶体生长的第一天,不向上提拉晶体,温度恒定不变,然后以每小时一定的下降 温度开始缓慢生长,控制好转速和拉速。晶体生长周期一般为十五至二十天,晶体生 长结束后将晶体与固粮界面相分离,以一定速率将炉温降至室温下。 退火 遇火在晶体生长过程中是根重要的一个环节,对于能否得到高质量的晶体意义重 大.因为退火可以实现真空生长气氛下晶体中的氧空位的填补,不但如此还可以减轻 晶体中的熟应力损伤。 影响晶体生长的因素 .温场 耍得到优质、大尺寸的激光晶体,在顶部籽晶提拉法晶体生长过程中就必须建立 合理的温度场。在气相生长和液相生长系统中,晶体生长系统中温度的分布对晶体生 长有着重要的影响,这是由于饱和气相和饱和浓度都跟温度有关。这里我们主要讨论 法生长晶体的温度分布和热量传输。 晶体生长炉炉膛内的温度在不同的空间点处也是不一样的。在晶体生长过程中的每一个瞬时时刻.整个炉膛内的任一空间点处都对应着一个确定的温度值,空间点不 同.温度也有可能不相同,炉膛内整个空间的温度分布就是我们所说的温场。 晶体生长炉内的温场共有两种,稳杰温场与非稳悉温场。 稳态温场 稳态温场是指炉内温度不随时『日而变化的温场。在稳卷温场中,有很多温度相同 的点,如果我们把这些空间点连接起来.就得到了一个空间曲面,而这个曲面就称为 等温面。等温面上温度处处相等,不同温度的等温面是永不相交的。确定的温场.对 于不同的温度。可以得到一系列等温面,称为等温面族。在顶部籽晶提拉法单晶炉的 温场内的等温面族中有一个特殊的等温面.其对应的温度值是溶液的凝固点。当温度 比凝固点高时,溶掖仍为液枢,随藿对运动传质、传热:而当温度低子凝固点时, 溶液就凝结成固相,析出成晶体形态附着在籽晶上。温度是材料凝固点的等温面就是 晶体与溶液的分界面.该界面处等温面的温度就是溶液的凝固点,这个界面被称为固 液界面。 周藏界面的形状会直接影响到激光晶体的内部质量,对于激光晶体的生长意义重 大。周液界面有平坦、向晶体凹回和向溶液凸出三种形状。固液界面与晶体中的熟应 力分布有关.改变固液界面的形状可以减少不需要的晶面生长,控制气泡的形成和溶 质偏聚.也可以改变与界面相交的位错的方向。因此固液界面控制好,可以极 大地提 高激光晶体生长的质量。 固液界面作为炉膛内温场的重要体现之一,固液界面形状的改变可以通过改变温 场来实现。在实际拉晶过程中主要是通过改变提拉炉结构或者工艺参数.尤其是改变 转速来实现改变媪场,进而达到对固液界面形状的控制。 在任一个等温面上的某一点处作该点的法线,枯着这个法线的单位长度的温度变 。 化就称为该点处的温度梯度。温度梯度矢量记为舒 温度梯度对于我们研究温场来说意义重大,因为它同热量传输过程中的热传导机 制热传输机制有传导传热、对流换热、辐射换热等联系紧密。众所周知,热量的 传递总是由高温的物体传至低温的物体,或者由物体的高温部分传至低温部分。也就 是说热量是沿着与温度梯度相反的方向来传导的。单位时间内通过单位面积的热量叫 做热流密度,热流密度的大小与温度梯度成正比,方向与温度梯度的方向相反。他们 之间的关系可以表示为 . 一 公式.就是我们说熟悉的傅里叶热传导定律的数学表达式.其中为热传导系数。 热传导系数不一定是一个常量,实际上物质的熟传导系数乃是关于温度的函数.液体 或气体的热传导系数还与受到的压力有关。晶体的热传导系数是各向异性的.即热传 导系数是随着方向的改变而改变的。 如果提拉炉的温场为稳态温场,那么炉内的温度只与空间有关,而与时间无关,即只是空间的函数。因此,稳态温场中可以生长出人们需要的性能优越的完整性良好 的晶体人们总是通过各种办法束试图在生长过程中的等径阶段建立稳态温场以获得 优质晶体。然而稳态温场并不容易建立,因为单晶炉内的温场总是有温度梯度.因此 也有热流存在。这些热量一直通过炉膛耗散于局围的环境中。单位时间内耗散到环境 中的热量被称为热损耗。由能量守恒定律可知,当单位时间内炉子产生的热量大于热 损耗炉子的温度就会上升,当单位时间内炉子产生的热量小于热损耗,那么炉子的 温度就会下降。这样的晶体生长的环境都不是稳态温场。只有当单位时间内炉子产生 的热量等于熟损耗时,才能让炉温保持不变,从而建立稳态温场。 非稳态温场 如前所讲,晶体炉内的温度不仅是空间的函数,同时也是时间的苗数,这样的温 场叫做非稳态温场。在非稳态温场中的一个确定的点.不同的时刻会有不同的温度, 温度随时恻的变化而变化。因此在某一时刻.这个点在一个等温面上.下一个时刻. 又变成另一个等温面上的点。同一固定点在不同时刻所处的等温面,不仅形状不同. 而且等温面的温度也会改变。随着时间的改变,非稳态温场中的温度梯度的大小和方 向也会变化。 能量守恒方程: . ?押, 公式.又称熟传输方程,实际上就是从非稳态温场中推导出来的。推导这一方程 的时候.单位时阃内闭台曲面因温度变化所放出或吸收的热也被考虑进去“。转速和拉遽 晶体的生长是复杂物理现象相互作用的结果,而当改变晶体生长介质的热量或质 量运输时.晶体吾晶面『自】的相对生长速度就会发生变化,晶体的生长形态也会改变. 同时还会影响固液界面的稳定性,这又极大的影响了晶体生长的完整性。导致晶体缺 陷的产生。 顶部籽晶提拉法是通过控制拉速和转速来控制固液界面的形状。晶体生长过程中, 坩埚是周定在坩埚托上,而籽晶杆以一定的速度旋转,同时以一定的速度向上提拉。 熔液溶液被搅拌的越充分,溶质边界层的厚度越薄。溶质在边界层内的浓度梯度 越大.生长速率也相应的增加。 晶体生长速率可以由文献【中的相应公式求得,这里的生长速率是将提拉速率和 液面下降速率台起来的: 仁 ,‰孚删驯罢 其中?是热膨胀系数.岛是热应力晟大值,是结晶潜热值,是晶体的半径。‘峭 是晶体的最大生长速率。由上可知.用较小的生长速率可以得到应力小的晶体。 影响晶体生长的其它物性参数 除了温场、拉速和转速以外.晶体生长的质量还与其他物性参数有关.例如晶体 和熔体的热传导率、密度、介质、粘滞系数、发射率和溶解热等。 由于晶体生长过程中熔体流动是由许多力麸同作用来驱动的。例如晶体和坩埚转 动产生的科里奥利力和离心力,因温度梯度产生的浮力、表面张力随温度变化形成的 热毛细力,以及炉膛上部气体自然对流对界面产生的切应力等。这些力所产生的合力 使得熔体内的流动变得报复杂。许多学者为了研究炉内的传热传质,做了大量的数值 模拟实验“‘。“。但是这些数值模拟所使用的物性参数却是不尽相同的?。’。 等人通过对掺、和的硅晶体生长的实验,给出了熔点温度下硅绍体的密度 和热膨胀系数的推荐值。其中推荐密度为. /推荐热膨胀系数为.× 膈“。 和 四认为熔体密度满足公式:.一 。一,一 一砌 /’ 其中 .体积膨胀系数满足公式: ?,、 . 笔生 。? ×卜 ” 定压比热设定为大于熔点,发射率为.,表面张力系数和粘度分别满足公式: . 盯? ?,/? . 々/?.? 吕志新和崔风柱。通过研究氟化钙的晶体生长.发现晶体材料的热传导率严 重影 响了固液界面的形成,也对晶体的散射产生了较为强烈的影响。周振华, 研 . 等人?经过改进技术更精确的测量了熔融硅晶体的物性参 数,给出了密度、发射率比热、表面张力和粘度更为精确的计算公式: ×。, 一一 。一抽,/ 其中 . : ., ;一 一砌.丁一 。? / 门’一 . ? 口, . 一?/耵 其中 ; . /. 。 其中;发射率为。李友荣遁过研究物性参数对硅单晶提拉洁晶体生长的影响,发现随着熔体热传导率 的增大.固液界面的形状更加平坦,坩埚壁到晶体的温度差逐渐减小,而晶体轴向温 度梯度却垤新增大:随着绍体发射率的增大,固渣界面的形状更加平坦,晶体轴向温 度梯度由于通过界面导入晶体的热量相对降低而逐渐减小.结晶界面处的氧浓度也逐 渐增大:溶解热.密度和粘度对晶体生长的固液界面形状、晶体轴向温度梯度以及结 晶界面处的氧浓度影响均不大“。 因为顶部籽晶提拉法晶体生长都是从介质环境中进行的,因此介质必然会对晶体的 生长过程产生重要的影响。介质对顶部耔晶提拉法生长晶体的影响主要有如下几点: ”杂质一般把影响晶体纯度的外来物质称为杂质。杂质是难以消除的,因为 其本身就是外部介质.广义的杂质包括溶剂在内的。 杂质不但会极大的改变晶体的结晶习性,降低晶体的完整性,还对溶液的溶解度和 溶液性质及对晶体的质量影响很大,使晶体的性能降低。杂质对晶体生长的不利有: 进入晶体、改变晶体对介质的表面能和选择性的吸附在某些晶面上,其中主要方式是 进入晶体。 氢离子浓度溶液中韵氢离子浓度的大小对顶部籽晶提拉法激光晶体生长过 程也有很大的作用。主要有以下几种方式:通过改变溶解度使溶液中离子平衡发生变 化,影响杂质活性以改变杂质的灵敏度.通过改变不同晶面的相对生长速率来改变晶 体生长形态。 过饱和度过饱和度的不同会产生不同的晶体生长机制,能够改变晶体生长 速率、晶体质量以及晶体外形。控制晶体生长速度和晶体质量的有效办法之一是控制 过饱和度。过饱和度大.对晶体的晶形简化以及晶体自提纯有利,使晶体生长速度加 快且晶体光学均匀性更加电好。但过饱和度天,同时也会造成品面上各部分的过饱和 度差变大,晶体构造的完整性由于过饱和度大的区域叉开始新层的生长而遭到破坏, 外面的介质进入晶体变得更加容易,因此晶面上过饱和度的差别是杂质进入晶体的主 要外界因素。 晶体生长过程中的流动换热 从大的方面来着眼,晶体生长就是热量、质量和动量的运输过程,是在生长界面 上发生的结晶作用。这些作用被叫做输运效应,不同的输运效应是互相联系的,气相 传输过程的运动速度不同可以导致动量运输.而温度梯度产生的热量传递和动量的运 输一起叉会产生质量在不同位黄上的转移。生长优质晶体需要建立台理的温度梯度分 布,温度梯度和热量传输机制联系紧密。晶体生长过程中会放出热量.这些热量需要 及时从自由界面传输出去,否则会影响凝固过程。 ”传热顶部籽晶提拉法生长晶体.主要靠传热效应来实现。晶体生长的热量如果;,公式可以化简为: 甜 . . 如果不存在对流换熟,即,那么公式.就会变成上述热传导方程式,也就是公 式.】。 传质晶体生长的传质有两种方式,即扩散和对流。扩散是通过分子不规则 运动实现的.而对流则是通过分解于溶液中的溶质粒子随着溶液的流动而一起运动和 传输的。扩散和对流都是报重要的质量输运的办法。 动量输运动量输运其实就是对流,对流可分为自然对流和强迫对流两种。 自然对流.顾名思义就是在自然重力条件下自发形成的流体流动。皂然对流叉分 为两种.其一为热对流.热对流是由温度梯度引起的:其二是溶质对流.它的驱动力 是溶质浓度梯度。没有受到外界环境限制的自然对流通常是自由流动的,项部籽晶提 拉法中影响自然对流中的热对流的因素有很多:蚶埚的几何形状,温度梯度,热量流 动与重力扬的相对取向,熔体性质及其边界条件等。 自然对流发生时的熔体状态可由一个无量纲的量,即不稳定倾向的浮力跟稳定倾 向的粘滞力的比值来表示.这个量我们称为数,简写为.满足: . %:’。 【 其中是熔体的熟膨胀系数,是熔体的粘滞系数,是熔体的熟导率.是重力加速度,,是坩埚的几何尺寸,他是温度梯度。 如果熔体中的浮力与粘滞力相等时。在这种临界值状态下熔体是稳定的.而当熔 体的超过临界值时,熔体对流就会出现不稳定的现象,这种不稳定的热对流会干 扰晶体生长界面的稳定性,导致温度震荡并产生生长条纹,会影响晶体的光学均匀性。 强迫对流,是由于晶体的旋转或嗣绕在晶体周围的溶液的旋转搅拌导致的。 当溶液的惯性作用力超过了粘滞力的作用,溶液中就会产生强追对流。强追对流发生 时的熔体状态可由一个无量纲的量来表示,这个量我们称为数,简写为‰ 如下式: . ?兰讨一 其中,?为晶体生长的角速度,为运动粘滞系数,为晶体的直径。当超过某一 临近值时也用雷诺数来衡量.便会导致晶体生长的不稳定性增大。晶体所允许的最大 旋转速度为:?垒竽 口。 例如:顶部耔晶提拉法生长晶体,如果:此临界速度,固液界面凸向熔体,而当大 于此临界速度时.熔液中强迫对流与自然对流相互抵消并且连渐占具优势, 固液界面 由平坦变为凹型。引起界面翻转。 强迫对流的优缺点: 优点:流体的强迫对流可以改变熔体生长界面附近的温度场。产生温度梯度温度 梯度可正可负;同时减小边界层厚度,增加浓度梯度,能加快晶体生长速度; 缺点:流体中的强迫对流可以导致晶体生长的不稳定性增大,使溶质的边界层各 处薄厚不均,同时会在晶体生长过程中形成缺陷条纹。第三章有限元方法及模型的建立 将有限元方法应用于顶部籽晶提拉法生长激光晶体,可以得到例如晶体、熔体内 的稳态温度分布等较全面的数值信息,进而协助研究人员深入研究顶部籽晶提拉法晶 体生长过程对环境、工艺参数的响应规律.及耐对晶体生长结果及工艺的合理性做出 预铡,最终结台试错性试验方法“更快”,“更省”地找到晶体生长的撮佳工艺条件。 有限元法概述 有限元去最早是由矩阵分析方击发展而束的’,先后出现了基于势能原理和余能原 理的有限元位移模型、混合有限元模型,为有限元法的发展与完善奠定了基 石。有限 元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解,是一种预测结构的偏移 与其它应力影响的过程,它将求解域分解成有限个按一定方法联接在一起的微小的单元 网格以形成实际物理结构模型。通过插值函数计算出各个具有简单形态的单元内场函 数的近似解从而整体推导求出满足这个域的近似解以解决问题?。 有限元法可阻用来分析各种结构问题,通过经典固体力学理论人们所能解决的 实际问题并不多,而有限元法因为其计算精度高.而且适用于各类繁复的形状,因此 其解决实际问题的能力远远超过了经典方法.并受到广泛重视,有限元法已然成为一 种高效的科学分析方法“。 本文所使用的有限元软件为软件?’,该软件将有限元分析、图形处理和技 术优化有效的结合在一起,实现数据的共享和交换,广泛应用于航空、士建、机械、 能源、交通运输、医药学,教学科研等方面。 软件可以使有限元法理论和方法通过计算机模块来计算实现,通常有三个 基本要素:前处理模块,分析计算模块和后处理模块,计算过程如图 。 圈 计算流程图模型柬达到对实际系统的认识、控制及优化?”。本章中,我们 通过两个演示案例柬完 成对软件中单元适用性的考察,离散模型的考察以及耦合场算法的考察,展 现 对晶体生长的模拟运算能力,为之后探索和开发更复杂的模拟程序 及法晶体生长工艺预测系统做好前期准备。其一是晶体生长离散 模型:其二是熔体一晶体内的耦合场分析。激光晶体生长离散模型 在此,首先采用敬件模拟晶体法制备过程中稳态温场.以此 检验软件的适用性。 材料参数如表所列: .材料物性参数 实体 热导宰/ 晶体 熔体 坩埚?一 定义材料参数:: 叶 :. 酊仙时? 生成几何模型; :? 一 网格划分; :一 一 施加温度载荷; :? ?,? ? 分析计算: :? 结果显示;: ? ? .?: 退出系统 时:?? 经过一系列的菜单操作,我们对晶体生长离散模型进行了满足收敛条件的网 格划田王网络划分 ,擘 圈. 内温度分布 . 熔体?晶体内的耦台场分析 在得到晶体生长离敦模型之后,我们分别采用非结构网格和结构网格建立。 熔体. 晶体热传模型”的局域有隈元模型,如图.所示。圈 豳.温场分布等值线 晶体焙体界面湿度分布特征 图.给出的是晶体热导率为/ .熔体热导率为 ,巾,晶体直径为 时的温度分布等值线。图中红色为熔体最高湿度,蓝色为晶体最低温度 ,蓝色代表最低温度,红色代表最高温度,从此图可看出下部熔体较上韶晶体 温度偏高,在熔体中心处于底部的温度最高,产生的热量一部分以传导方式 通过熟介 质材料和扩展面并由扩展面以对流和辐射方式散出,从图上我们可以很直观 的看到整 个温度分布。 图 为晶体熔体交界面温度分柿的二维直线圈。由图可看出.在固熔界面内,中 心处温度最低,四周温度逐渐升高。幽.流场的分布等值线 . 熔体热导率对温场、流场的影晌 以熔体热导率为例,本节研究了熔体热导率的不同对晶体生长过程中温度场 和液 流速度场的影响。图.给出的是晶体直径为、晶体热导率为 ,艮熔体热 导率分别为.,、/、/?时的晶体和熔体的温度场分布云图,从图 中我们可以非常直观的看到其温度场分布的变化情况与规律。? 图 不同的熔体热导率时熔体中锰场分布等值线 随着熔体热传导率的增大.沿自由表面从坩埚壁到晶体的温度差连渐减小,从坩 埚壁到晶体的传热被强化,熔体下部的温度逐渐升高.而晶体轴向温度梯度却逐渐增 大。而且随着熔体热传导率的增加,主加热器的功率逐下降,但结晶界面处的温度却 逐渐升高同时结晶界面的形状变的更加平坦。四 ,/幽 不同的熔体热导率时熔体中流场分布等值线 由图中可以看出,随着热传导率的增加,熔体中最大液流速度逐渐减小.这是由自 然对流与强迫对流相互影响导致的。随着熟传导率的增加.强迫对流逐渐占掘上札, 熔体轴向液流速度变缓而结晶界面处的液流速度明显变快.加速热量和质量传输。第四章程序及数值模拟结果 程序 本文针对法晶体生长中的流动传热过程.开发完成一套数值模拟程序 .数值结果包括在一定工艺参数、材料物性及晶体尺寸下单晶炉内的温度分布 及液流速度分布。数值模拟程序采用语言编写,在有限元分析软件上 运行。文中介绍了基于获得的一部分数值模拟结果.其中包括:单晶炉 内的温度场分布;熔体内的液流速度场及温度场。 物理模型 实验室使用的单晶炉如图.所示,用于有限元分析的简化模型仅选用了 外管以内的部分,如图。单晶炉尺寸为坩埚尺寸为 .管内壁、单晶炉底被定义为绝热边界。 豳单晶炉结构示意图 耔晶杆 照明茴;后加热器坩螭:电丝 内:,管.:,保温球 外’管:保温棉 坩埚托:蕊辩宙 数学模型 为简化起见。假定:晶 忽略两相流的影响,取溶澈使用近似: “在加热嚣中 . ?‘: 在其它固体构件中 丑审 . 其中为速度矢量为密度,压强,目为粘滞系数,口为流体热膨胀系数, 为温度,为熔点温度,定压热容.为导热系数,加热器生热率。下标,表示流 体.表示气体,表示晶体,表示加热器,表示其它固体,卅表示熔点。模型中的 几何参数及物性参数分别如表.、表所示: 表几何参数,。 , :;繁鬻 ?,。 一。 :一。 一。 。罢毳 数值模拟程序采用有限元分析软件的语言编写。有限元 分析过程中?选择单元、单元分别对固体、流体区域划分网格,网圈. 单晶炉内垒域温场分布等值线 圈 流动换热下熔体温场分布等值线 熔体内的液流速度场及温度场 专业程序以全域温场作为边界条件,进一步模拟坩埚内熔体流动换热的 稳态过程。固.中熔体内的自然对流具有非常复杂的情况,峰值流速 /,谚 结果与文献相符“‘。自然对流明显地改变了图 申的熔体温度分布,如图. 所示。由该温场判断晶体端面以凸向熔体一侧的趋势生长。在此前的晶体生 长工作 中””?’,晶体转速介于//之间。晶体生长端面突向熔体内部.这表明熔 体中同时存在着自然对流和强迫对流.但以自然对流占主导,因此本文仅针 对起主导 作用的自然对流进行模拟研究。如果考虑由晶体旋转所引起的强迫对流的影 响.图.向水平。轴 熔体内的温度筠 图.换热熔体温场、流场分布菩值线 小结 数值模拟程序能够模拟多种工艺条件下的法晶体生长过程。文中所 展示的数值模拟结果其一,单晶炉内的温度场分布:其二,熔体内的液流速度 场及温度场,能够与实践经验、文献资料相互印证,可以作为指导晶体生长实践的参 考数据。作为.法晶体生长工艺预测系统的核心程序,其可靠性将会在与 实验数据的相互印证中臻于完善。第五章法晶体生长工艺预测系统 法晶体生长工艺预测系统简介 . 法预测系统的开发意义 软件功能强大,应用范围广泛.但这使得软件本身复杂程度提高,操作繁 琐。对于不熟悉软件的工作人员来说,使用软件进行工程模拟分析 难度会很大,且对于针对性较强的问韪时,必然会出现某些功能不够完善,而某些功 能又很多余。所以,要提高分析提拉法晶体制备工艺的高效性和便捷性在原有平台 的基础上必须要进行一定的改进,来简化操作手续。 法晶体生长工艺预测系统的开发是对操作的一个很好的简化方案。 通过对该平台的实现,我们可蚍使的处理工作更加适用于顶部籽晶提拉法晶体 生长工艺.使其对问题的分析更加具有针对性,去除原有平台中对于分析提 拉法晶体 生长不需要的冗余功能,同时扩展该工程分析中所需要的更多功能.从而使程序的操 作复杂度大大降低,同时也使处理、分析问题的工作更加完善,提高工作效率和工作 质量。 法晶体生长工艺预测系统的实现主要是借助于程序设计语言通过调用 子程序实现主要的前、后处理工作。利用程序语言结合 集成开发环境可以对的前后处理以及分析计算过程进行抽象,最后呈现给用户 更加友好的操作界面,很好的融合了尚未问世的第四代程序设计语言的设计思想 ?“只需要关心想做什么,而不必关心如何去傲”.即将的处理细节抽象化, 使用户只需提供一些必需的参数即可实现有限元模型的建立并进行工程分析。由于其 前台的人机交互界面友好、方便、易用,所以可以对复杂的、难于理解和掌握的 命令流进行后台封装,那么,即使从未系统学习过的工程设计人员也能很好地 借助本系统进行有限元分析,具有较强的处理实际问题的能力。 平台构建方案 法晶体生长工艺预测系统,其实质就是利用语言和集成开发 环境对的口后处理工作进行封装.隐藏建模及计算过程中较复杂、较 繁琐的工作.使用户的分析工作变得更加便捷,而且可以在很大程度上提高工作效率。 简化操作手续的法晶体生长工艺预测系统方案的提出具有一定的创新 性.且在国内尚属首次,作为的二次开发产品,其具有可靠性,实用性,高效、 便捷等优点.相信在以后的晶体生长工艺领域将会得到广泛的应用及关注。 下面对该平台所使用的开发工具作简要介绍新和升级.同时提高复用性; .复用性:采用面向对象的程序设计语言,其内部的继承、封装、多态等特性使 代码具有很高的可重用性: 根据初步方案,本软件主要有:下几点需求: .采用语言实现一个便捷的人机交互界面,以此来简化的操作手 续: 维护一个用来存放由生成的数值结果的数据库; .通过为交互界面提供一些必要的晶体生长参数.即可获得相应条件下的有限元 分析结果。 系统设计方案 .数据库设计 提拉法晶体生长过程中所需要的参数主要有晶体半径.晶体熟导率、熔体熟导率. 这三个参数将作为数据库表中的其中三个字段晶体半径、晶体热 导率、熔体热导率,由于在数据显示的时候需要通过数据的位置来获取数 据并进行显示.那么就还需要有两个字段来保存数值结果的位置,即温场数据图片、 流场数据图片的位置,在本表中将以仃温场图片位置、流场图片位置两个字段来描述,此外,为了唯一标识某一种参数条件下的数据,还需要一个 主键来描述相应条件下的数据的,同时为了提高检索效率还要将其设置为索引字段。 基于以上需求,本系统将采用关系型数据库进行数据的组织和管理,数据库表的结构 如图所示: 拈 岬‘、‘印 ? 。‘、 ” ?岬、’帅? ?‘‘忸‘口 嗷 ’?‘、‘叫 口 ’‘、 ? ??‘’‘“‘帅?‘.口 。‘、‘略‘珊 ? 唧、?咿‘?.”】 唧‘、?口”%?岬‘、‘娜.? ?‘‘、?曲”阱 ?‘“? ’?‘~。叩.一?口” , 日 ? 唧、’??”珊 岬、?‘ ?.” ?‘ 岬‘、即.’ 』?? 。‘、?‘ ?《% 岬、‘岍。‘??%.. ‰’‘』峙?珊 ? 日自 唧、。??』 ’‘旧“?.』珊 ?‰他四 自 % ? ?~ 图 提拉法晶体生长工艺设计平台数据库表格 对于数据库而言,数据要进行存储需要遵循一定的规则,访问数据同样也需 要有 一定规则和标准,本课题将使用标准的结构化查询语言 岫了 ,是一种数据库查询和程序设计语言,用于存取数据以及查询、更新和 管理关系数据库系统。语言按功能不同可分为四类:数据定义语言,例如: 、、等语句:数据操作语言,忉如:、、 语句;数据查询语言,例如:语句;数据控制语言,例 如:~、、,等语句”?。本系统主要用到的是其 中的语言。 系统功能设计 根据提拉往晶体生长工艺设计平台的需求,可以将整个平台按功能划分成如 图 所示的几个模块: .??????? .?????,,???????????一?????? ??一一,???,???????一???????????????, 参始虹馘 结※?馘?误目馘黼录馘『『黼节接工 。 圈 提拉法晶体生长工艺殳计平台功能结构简圈 下面对该结构图中每个模块的功能做简要介绍: .主功能模块将负责程序的主功能界面的一些初始化工作。如窗口的默认显示位 一,一,.一置、窗口大小、窗口组件布局、是否鼍顶显示等属性的配置,并作为整个程序的入口 模块.其他模块也直接或间接的与其联系。 参数接收模块主要用来接收用户输入的晶体生长的一些参数,如晶体的半径、 晶体热导率和熔体热导率,当接收到参数后,该模块会对这些参数进行分析、处理, 同时会对参数进行合法性检查,以避免用户误操作引起不必要的麻烦。 .结果显示模块用来显示用户所请求的数值结果,当参数接收模块接收到晶体参 数并分析处理后,参数接收模块会调用结果显示模块,将晶体参数所对应的数值结果 以图片的方式显示给用户。 错误处理模块主要用来配合其他模块的工作,在某一个模块被非法操作时. 错 误处理模块会对错误进行定位.分析错误的诱发原园.并将相应的错误信息反馈给用 户,同时保护系统完全性和稳定性。 .数据库连接工厂实质上就是用来获取一个数据库连接对象,在中,工厂 是一种常用的设计模式,顾名思义.工厂就是用来生成产品的.而本系统的数据库连 接工厂产生的是一种虚拟的产品.也就是说,该产品是一个数据库连接,通过这个数 据库连接可以获取一个事务对象,事务对象可以通过结构化查询语言对数据库进 行增、删、改、查等基本操作,同时还可以通过数据库连接获取事务对象执行后的结 果集.通过这个结果集就可以找到我们想要的数值结果。 下面将结合设计流程图对每个模块进行详细的剖析,对每个组件、每个对象的功 能和用法做更细致的讲解。主功能模块 本小节将结合图 对主功能模块的实现流程进行分析: :创建一个主功能模块类.类名为。 在该类中创建、、、组件。组件是一个面板, 在面板上可以放置诸如标签、按钮等组件,就是一个标签,通常会用来设置一 些 起提示作用的标签栏,在这里用来设置一个标题.、是两个按 钮组件,通过用户的点击动作可以作出相应的反应。 :定义构造方法,在构造方法中将设置实例窗口的标题,调用 方法进行组件的初始化工作.并设置实例窗口的大小、拖拽属性、显示属性。 :主要对类中定义的图形组件进行初始化设置,设置窗口实例在显示 终端中的默认位置坐标,并为窗口实例添加事件监听器,当用户点击关闭按 钮时结束 这个实例所产生的进程:设置面板的布局:设置可标签、、 按钮的位置、大小及显示文本的字体;最后将、、组件按照一 定的布局添加到面板中。 、?:分别为 ,按钮添加事件监听器,这样在用户点击这两个按钮的时候,事件圈 提拉法晶体生长。艺设计平台主功能模块设计菠程圈 .参数接收模块 本小节将结合图 对参数接收模块的实现流程进行分析: :创建参数接收模块类,类名为. 。 在该类中创建、、、、、 、、、.、 组件,组件是一个面板,在上节已有所介绍。还是用来设置标题的标 签?、、也是标签.分别表示晶体 半径、晶体热导率、熔体热导率.、.、. 是晶体半径、晶体热导率,熔体热导率对应的三个文本框,用来接收 用户输入的三个晶体参数,、是两个按钮,是提交按钮.用于用户 输入参数后提交数据,是重置按钮,当需要情况所输入的参数数据时可以通 过此 按钮完成。 :定义构造方法.在构造方法中将设置实例窗口的标 题,调用“方法进行组件的初始化工作,井设真实例窗口的大小、拖拽属性、 显示属性 罩习 盈 圈 “谧?广?? 倒鎏餐‰』 一‰??日一 ?黼一??咯“ 翟然瓣斗:一竿 蛾 厂??赢??厂??五?? 墨怒:茹。 ”篙慧鑫“ ,。..........::...........一,...............一 弩麓嚣‖ 絮器慧 幽.提拉法晶体生长工艺设计平台参数接收模块设计流程豳 .:主要对类中定义的图形组件进行初始化设置,设置窗口实例在显示 终端中的默认位置坐标,并为窗口实例添加事件监听器,当用户点击关闭按 钮时结束 这个实例所产生的进