华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074
激光增材制造可实现高性能金属复杂构件整体化成形，在航空航天、汽车、医疗等领域具有广阔应用前景。但是，高斯激光作用产生不均匀温度场、极高的温度梯度以及不稳定的流场，导致飞溅、球化、气孔、残余应力和裂纹等缺陷及各向异性的微观性能，影响了该技术更广泛的应用。光束矫形和场辅助原位调控激光增材制造过程是控制缺陷产生的有效方法。综述了国内外在光束矫形以及热、磁和超声多场调控金属激光增材制造领域的研究进展，重点揭示外场-激光-材料-组织-性能间的作用机理，并对多场调控金属激光增材制造未来发展进行了展望，可为金属激光增材制造的高性能调控提供有益参考。
激光技术 激光增材制造 光束矫形 磁场 热场 超声场 中国激光
2024, 51(10): 1002306
1 1.南开大学 物理科学学院, 天津300071
2 2.中国人民解放军陆军工程大学 基础部, 南京 211101
3 3.南开大学 教育部弱光非线性光子学重点实验室, 天津300071
4 4.河南工程大学 河南省电子陶瓷材料及应用重点实验室, 郑州 451191
5 5.南开大学 泰达应用物理学院, 天津 300071
提拉法生长的晶体肩部形状普遍为斜肩, 但斜肩的肩部质量差且加工难度大, 会降低晶体的利用率, 生长平肩晶体可以解决该问题。然而, 平肩晶体对热场和扩肩工艺要求非常高, 扩肩阶段易出现多晶和包裹体缺陷。铌酸锂晶体作为一种多功能晶体材料, 在电子技术、光通信技术、激光技术及集成光子学技术等领域得到了广泛应用。本研究以同成分铌酸锂晶体为例, 利用数值模拟和实验方法, 研究了提拉法生长平肩晶体的热场和扩肩工艺。结果表明：提拉法生长平肩晶体时, 放肩阶段结晶前沿的界面形状需保持微凸；反射屏降低(10 mm)可减小结晶前沿的温度梯度, 避免肩部生成多晶；扩肩速度以监控为主, 微调加热功率保证扩肩趋势, 适当增大扩肩初期(ϕ≤30 mm)的速度, 降低中后期(ϕ≥35 mm)的扩肩速度, 可达到不产生包裹体和缩短放肩周期的目的；采用小幅度(Δt=10 min)微调拉速(Δv=0.2 mm/h)和功率的策略, 可实现拉速(0~1.5 mm/h)的快速变化(1.5~2 h)而不影响晶体扩肩趋势和质量。使用优化后的热场和扩肩工艺, 获得了系列三英寸平肩同成分铌酸锂晶体, 晶体光学均匀性良好。
铌酸锂 热场设计 平肩晶体 提拉法 晶体生长 lithium niobate crystal thermal field design flat shoulder crystal Czochralski method crystal growth
1 1.哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院, 索维奇智能材料实验室, 深圳518055
2 2.中国电子科技集团公司 第十三研究所, 专用集成电路重点实验室, 石家庄 050051
磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体材料。InP由于性能优异，在高频电子器件及红外光电器件领域的应用日趋增多。目前，磷化铟器件的价格远高于砷化镓器件，其主要原因是磷化铟单晶成品率低，以及晶圆尺寸较小造成外延和器件工艺成本居高不下。增大InP单晶的直径对降低晶圆及半导体工艺成本至关重要。制备大尺寸InP单晶的主要难点是提高晶体的成品率和降低晶体的应力。目前行业内通常使用垂直梯度凝固(Vertical gradient freeze, VGF)法和液封直拉(Liquid Encapsulated Czochralski, LEC)法制备InP。 VGF法在制备6英寸(15.24 cm)InP方面鲜有建树， LEC法制备的晶体往往具有更高的应力和位错密度。本研究展示了半密封直拉(Semi-Sealed Czochralski, SSC)法在生长大直径化合物半导体材料方面的优势，采用数值模拟方法分析了LEC法和SSC法中熔体、晶体、氧化硼和气氛中的温度分布，重点分析了SSC技术的温度分布。模拟结果中，SSC法晶体中的温度梯度为17.4 K/cm，明显低于LEC法中的温度梯度28.7 K/cm。在等径阶段SSC法晶体肩部附近气氛温度比LEC法高504 K。根据模拟结果对SSC法热场进行了优化后，本研究得到了低缺陷密度、无裂纹的6英寸S掺杂InP单晶，证实了SSC法应用于大尺寸InP单晶生长的优势。
磷化铟 半密封直拉 数值模拟 热场 indium phosphide semi-sealed Czochralski numerical simulation thermal field
碲锌镉(Cd1-xZnxTe, 简称CdZnTe或CZT)是一种在室温下工作的半导体核辐射探测材料, 因其优越的光电特性近年来受到越来越多的关注, 在医学成像、环境监测和空间探测领域的应用也愈发广泛。移动加热器法(THM)被认为是目前生长CZT单晶最有前景的方法之一。晶体生长过程中, 合适的温场是获得优质晶体的前提条件。本文使用Fluent软件对电阻加热式THM生长CZT单晶生长系统展开热场研究, 首先建立描述系统热输运的物理和数学模型, 提出一种设立控温点的逆模拟方法解决了加热器功率并非既定值的模拟难点, 设定功率分别为225.6、343.7、1 045.9、92.5、199.6 W的5个加热器情况下的炉内温场计算值与实验测量值有了较好的吻合。进而研究加热器与炉膛管距离、散热区宽度等炉膛结构对坩埚内CZT原料区温度分布的影响。研究结果表明, Canthal炉管与加热器间距离由5 mm增大至10、15 mm后, 最高温度减小3.7％、5.6％, 散热区宽度由30 mm增大至50、80 mm后, 熔区宽度分别减小32.7％、50.0％。
碲锌镉晶体 移动加热器法 半导体 数值模拟 热场 炉膛结构 CdZnTe crystal traveling heater method semiconductor numerical simulation thermal field furnace structure
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
随着CeF3晶体在激光和磁光领域应用的持续发展, 大尺寸、高光学质量的CeF3单晶的需求日益急迫, 而CeF3熔体的高黏度和低热导率的特性给晶体生长工艺带来了较大挑战。为研究CeF3熔体低导热性引发的生长问题, 探究其生长过程中炉体结构和工艺参数对温度分布和结晶界面的影响机制, 本工作对热交换坩埚下降法(Heat Exchanger-Bridgman method, HEB)生长大尺寸(ϕ80 mm)CeF3晶体中炉体结构与晶体/熔体温度分布关系、不同生长阶段界面的变化规律以及热场结构对生长界面的作用机制开展了数值模拟研究。研究结果表明：当发热体长度与坩埚长度相适应时，更有利于构建合理的温度梯度场, 而放肩和等径生长阶段的凹界面问题则可以通过改变隔板形状和加反射屏调节坩埚壁温度分布得到有效解决。本研究成果不仅可以加深对CeF3晶体结晶习性的理解, 炉体结构和生长界面的优化思路对坩埚下降法制备其他晶体同样有实际指导意义。
CeF3晶体 热交换坩埚下降法 数值模拟 固液界面 热场优化 CeF3 crystal heat exchanger-Bridgman method numerical simulation solid-liquid interface thermal field optimization
1 昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093
2 云南省硅工业工程研究中心，昆明 650093
随着我国光伏行业的快速发展，直拉（CZ）法制备的单晶硅朝着大尺寸、高品质、低成本的方向发展，然而随着单晶硅尺寸越来越大，其内部氧杂质含量偏高的问题也越来越突出。本文在介绍CZ法制备单晶硅过程中氧杂质传输机理的基础上，归纳总结了单晶硅生产过程的控氧技术现状，分析了热场结构优化、工艺优化、掺杂元素、氩气流场优化以及新型CZ技术对单晶硅氧杂质含量的影响规律，并对控氧技术的发展方向提出了展望。
直拉法 单晶硅 控氧技术 热场结构 工艺参数 连续直拉法 Czochralski method single-crystal silicon oxygen control technology thermal field structure process parameter continuous Czochralski method
1 清华大学航天航空学院，北京 100084
2 清华大学工程物理系，北京 100084
3 中电化合物半导体有限公司，宁波 315336
4 山东力冠微电子装备有限公司，济南 250119
大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料，物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶，同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型，进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律，并优化热场结构。数值模拟结果显示，通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数，电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。
8英寸SiC晶体 晶体生长 电阻加热 热场设计 输运机理 物理气相传输 加热器 保温棉 8-inch SiC crystal crystal growth resistance heating thermal field design transport principle physical vapor transport heater heat insulator
1 青海大学机械工程学院, 西宁 810016
2 阳光能源(青海)有限公司, 西宁 810000
光伏发电以绿色、可再生、能源质量高和不受资源分布地域的限制等优点被广泛使用, 单晶硅又以低衰减率和高转换效率等优点渐渐超过了多晶硅光伏电池在市场中的份额,但成本问题和产能问题一直束缚着单晶硅太阳能产业的发展。本文提出了一种在晶体生长过程中随硅液面下降而下降的直拉单晶炉热屏结构, 来解决在拉晶过程中坩埚上升所造成的拉晶速度和稳定性降低以及拉晶能耗增加的问题, 并以CL120-97单晶炉热场为研究对象, 利用有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及氩气流场进行分析。分析仿真结果表明,优化后单晶炉不仅可以提高单晶炉拉晶的速度和质量, 而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。
单晶炉 单晶硅 热屏改造 升降装置 高效热场 热场模拟 流场模拟 single crystal furnace monocrystalline silicon heat shield modification lifting device high-efficiency thermal field thermal field simulation flow field simulation
中国电子科技集团公司第四十六研究所, 天津 300220
锗片作为衬底材料已在空间太阳电池领域得到广泛的应用, 新型锗基空间太阳能电池对锗片的需求由4英寸(1英寸=2.54 cm)提高到6英寸后, 低位错锗单晶的生长难度增大。本文设计开发了一种适用于直拉法生长大尺寸、低位错锗单晶的双加热器热场系统, 模拟研究了不同形状主加热器的热场分布, 从而得到最优的热场环境。研究发现: 渐变长度为L/h=1/2、渐变率α为65°的渐变型主加热器热场结构能够获得最佳的热场分布, 有利于低位错单晶的生长。经验证, 生长的锗单晶热应力较低, 位错密度在310～450 cm-2范围内。
锗 单晶生长 热场 加热器 温度梯度 位错密度 germanium single crystal growth thermal field heater temperature gradient dislocation density
1 青海大学机械工程学院，西宁 810016
2 阳光能源(青海)有限公司，西宁 810000
单晶炉是一种在以高纯氩气为主的惰性气体环境中，用石墨热场加热，将多晶硅材料加以熔化，用直拉法生长单晶硅的设备,在太阳能单晶硅拉制的过程中，如何提高拉晶的速度和质量以及降低设备的能耗一直是单晶硅厂家永恒的追求。本文从机械结构的角度分析了坩埚上升在单晶炉拉晶过程中所造成的拉晶速度下降和额外能耗问题，在此问题的基础上提出了一种加热器随坩埚在拉晶过程中上升的单晶炉结构优化方法，并通过有限元仿真对单晶炉优化前后晶体和熔体的热场以及拉晶过程中加热器功率进行分析。结果表明，改进后的单晶炉不仅可以提高拉晶过程的稳定性和拉晶速度,从而进一步提高单晶炉的拉晶质量和产量，而且还能有效降低单晶炉拉晶的能耗。
单晶炉 加热器优化 高效热场 单晶硅生长 热场模拟 single crystal furnace heater optimization high-efficiency thermal field single crystal silicon growth thermal field simulation
