硅晶体生长速率与过冷度关系的分子动力学模拟研究

基于Tersoff势函数描述硅原子间的相互作用,运用分子动力学方法模拟研究了不同过冷度条件下硅晶体凝固生长速率.结果发现,在一定过冷度范围内,硅晶体的生长速率随过冷度的增大而呈先快速增大后缓慢减小的趋势,并最终趋于不生长.同时,运用Wilson-Frenkel模型从理论上对硅晶体生长速率与过冷度关系进行了预测,分子动力学模拟结果与Wilson-Frenkel模型预测结果基本吻合,表明了硅晶体沿[100]方向的生长是一种扩散型生长.     

晶体生长过程的分子动力学模拟研究

本文采用晶液两层构型方法,分子动力学模拟研究了ＲｂＣｌ和β－ＢａＢ２Ｏｒ（ＢＢＯ）两种晶体的生长过程,模拟ＲｂＣｌ的晶体生长,可以清晰地观察到结晶时固液界面的运动过程,表明对于简单离子晶体、Ｆｕｍｉ－Ｔｏｓｉ势和由宏观压缩模量得到的势参数很好的反映了离子间相互作用。ＢＢＯ的晶体生长模拟使用与ＲｂＣｌ环束缚约束时,实现了ＢＢＯ晶体模拟生长。模拟结果表明,ＢＢＯ结晶可能仅在熔体中存在一定量（Ｂ３Ｏ６）     

Au3Ag合金的快速凝固及晶体生长过程的分子动力学模拟

采用常温、常压分子动力学模拟技术,研究了液态Au3Ag合金在不同冷却条件下形成晶体及非晶的过程.模型采用EAM作用势,计算了不同温度,不同冷却条件下的偶分布函数及非晶转变温度;分析了不同冷却条件下体系的相变热力学及动力学过程;最后采用液固两层构型法,描述了晶体的生长过程.     

超薄全局应变硅薄膜的应变弛豫研究

采用Ge浓缩法制备了高质量超薄绝缘体上锗硅(SiGe-on-insulator,SGOI)材料,然后在SGOI上通过超高真空化学气象沉积(UHVCVD)法外延了厚度为15 nm的超薄全局应变硅单晶薄膜,使用电子束光刻和反应离子刻蚀在样品上制备了一组纳米级尺寸不等的应变硅线条和应变硅岛,并利用TEM、SEM、Raman等分析手段表征样品.实验结果表明,本文制备的应变硅由于其直接衬底超薄SiGe层的低缺陷密度和应力牵制作用,纳米图形化的应变Si弛豫度远小于文献报道的无Ge应变硅或者具有Ge组分渐变层SiGe衬底的应变Si材料.     

绝缘体上全局应变硅晶圆的制备和表征

首先使用改良型Ge浓缩法制备了绝缘体上锗硅圆片,然后在超薄弛豫SiGe层上,利用超高真空化学气相沉积法外延了单晶硅薄膜,获得一系列不同厚度的6寸绝缘体上应变硅晶圆.结果表明应变硅薄膜完整、均匀、表面平整且晶体质量良好,获得样品中顶层硅最大应力值达2.22 GPa.应用临界厚度理论对样品厚度和应变值之间的关系进行了分析,发现本实验所得样品在超过临界厚度3倍之后会发生应变弛豫.     

不同驱动力对Cz硅生长中熔体对流影响的数值模拟研究

为了确定Cz单晶硅生长各种驱动力对熔体对流及固/液界面形状的影响,利用CGSim软件,对典型的Cz单晶硅生长中的熔体对流进行数值模拟.研究了重力、表面张力、平流力、晶转、埚转和氩气剪切力等各种驱动力的大小对熔体对流涡胞、涡胞强度、界面形状、温度分布的影响.结果表明:各种驱动力对熔体对流的影响大小依次为:浮力＞表面张力＞晶转力＞氩气剪切力＞埚转力＞平流力;浮力和表面张力使熔体产生一沿坩埚壁上升、从固/液界面附近下降的涡胞,晶转力和氩气剪切力使熔体产生与前面反方向的涡胞,而埚转力产生多个不同流向的对流涡胞,使熔体混合更加均匀,熔体凝固引起的平流力对熔体对流影响不大;增大埚转,熔体中涡胞数量更多、对流换热更充分、温度梯度更小、熔体内的最高温度更低,有利于减少石英坩埚氧的熔解,但界面更向下凹;增大晶转,熔体内的最高温度无明显变化;固定埚转Ωc=-10 r/min,晶转存在一临界值Ωs(C)=60～ 80 r/min,当Ωs＜Ωs(C)时,增大晶转,固/液界面更向上凹,当Ωs＞Ωs(C)时,增大晶转,固/液界面更向下凹.     

温度对甲烷水合物分解影响的分子动力学模拟

甲烷水合物是含有高纯度甲烷和水,可有效缓解能源危机的重要战略资源.甲烷水合物的分解动力学研究涉及水合物的开采和水合物技术的应用,一直是各国学者所关注的焦点.本文采用分子动力学模拟的方法对sI型甲烷水合物的分解动力学过程进行研究,分析讨论了温度对sI型甲烷水合物分解过程中的微观结构以及分解速率的影响.以sI型甲烷水合物作为研究对象,研究了温度对水分子的序参数以及径向分布函数的影响,结果表明在水合物分解过程中,水分子由最初的长程有序向长程无序近程有序结构演化,由密度较低的晶型结构向密度较高的液态水转变.从270 K开始不断升高体系温度至295 K,甲烷分子的碳-碳原子的径向分布函数第一峰的峰值呈升高趋势,表明温度越高,甲烷逃逸出笼子的速率越快.研究发现在分解动力学演化过程中,水分子的AOP序参数从0开始逐渐升高,最终趋于稳定在0.8附近.温度越高,分解过程的AOP曲线越陡,甲烷水合物分解越快.     

Na+对KDP晶体生长的影响

本文利用传统的降温法和"点籽晶"快速生长法在不同Na+掺杂浓度的溶液中生长KDP晶体,定量研究了Na+对KDP晶体生长的影响.实验发现:Na+的存在降低了溶液的稳定性,致使KDP晶体柱面容易扩展.Na+的存在对KDP晶体的光学性能基本没有影响.     

热交换法蓝宝石晶体生长的数值模拟研究

针对热交换法蓝宝石晶体各生长阶段的温场、流场和热应力进行数值模拟研究,并讨论了上部保温层结构、热交换器内管高度对晶体生长的影响.结果表明:长晶初期,固液界面呈椭球形;等径阶段,固液界面平坦,晶体与坩埚壁不接触;长晶后期,中心轴向晶体生长速率增加,晶体中心首先冒出熔体液面.随晶体高度增加,熔体对流由初期的两个涡胞变为等径阶段的一个涡胞,最大对流速度量级为10-3 m/s.晶体中最大热应力分布在晶体底部,热应力分布呈W型.增加炉体上部保温层,长晶后期固液界面变得平坦;降低热交换器内管高度,有利于降低晶体底部热应力.     

电离对晶体生长的作用

为什么有的晶体材料容易生长,而有的则很难.本文通过分析溶液或熔体的电离状态对晶体生长的影响,认为晶体生长的难易程度主要决定于该晶体材料在液相状态下电离度的大小,电离是所有化学键晶体生长的必要条件.通过比较各类晶体生长难易程度与价键结构及其化学元素组成的关系,认为:以偏离子性键、金属键结合的材料,在熔体状态下的电离度大,容易形成晶相;以偏共价键结合的化合物电离度小,难于生长单晶体,但容易制作非晶或纳米材料.     

不同籽晶对多晶硅晶体生长的影响

通过在坩埚底部铺设籽晶来控制形核的同步性,获得均一等大的硅晶粒,实验采用铺设硅粉、颗粒料、碎硅片三种籽晶来诱导硅晶体生长,结果表明硅粉籽晶生长硅晶体晶粒均匀性最好.采用硅粉籽晶所生产硅锭效率比碎硅片籽晶高0.3;.     

硅单晶中空位团形成能的分子动力学模拟

为了获得硅单晶中空位团的形成能以及有关因素的影响规律,采用分子动力学方法进行了模拟计算和分析,揭示了模型体系大小、空位团构型和空位数目对空位团形成能的影响规律和机理.结果表明:总体上,模型体系大小和空位团构型对空位团形成能的影响不大;3 ×3 ×3模型更适合于硅单晶空位形成能的计算和分析;当空位数目≤5时,最小空位团形成能随空位数目增大而线性增加;空位团形成能实质上主要取决于所需破坏的Si-Si键数目及键能.     

直拉硅单晶中双空洞长大动力学的相场模拟

为了研究硅单晶直拉法生长过程中双空洞的长大动力学以及空洞间的相互作用机理,采用已建立的空洞演化的相场模型及其应用程序,模拟研究了直拉硅单晶生长过程中双空洞演化和相关因素的影响规律.结果表明:所建相场模型能够有效地模拟基体中空位扩散和双空洞长大的过程;双空洞长大趋势随着模拟时间和初始空位浓度的增强而加强;随着空洞初始中心间距的增加和初始空位浓度的减小,双空洞长大由相互融合模式转变为独立长大模式.     

直拉单晶硅生长时空洞演化的相场模拟

为研究大直径直拉硅生长时空洞的演化规律,建立了与有限元模型所模拟的晶体生长温度场相结合的空洞演化相场模型,并应用该模型模拟研究了空洞形貌及其分布状态的变化过程以及不同初始点缺陷浓度对空洞演化的影响规律.结果表明:直拉硅单晶生长过程中,空洞的演化经历了孕育-形核-长大-稳定四个阶段,其形貌和分布状态亦由孤立的球形向偏聚的串珠形转变;与较低的点缺陷浓度相比,初始点缺陷浓度较高时,空洞的数目、平均尺寸、面积分数普遍较大,孕育阶段缩短、形核和长大阶段延长;空洞的偏聚及合并、长大的现象显著;当温度低于980 K时,大直径的空洞数目不再增加.     

硅晶体生长固液界面形貌研究

结合杰克逊界面理论、分子动力学模拟(MD)和密度泛函理论(DFT),对硅晶体(100)和(111)面生长过程中固液界面形貌进行研究,包括界面自由能变化、结构变化和生长位置吸附能等。通过杰克逊界面理论计算,发现(100)界面晶相原子和流体相原子在表面各占约50%时吉布斯自由能达到极小值,而(111)界面在表面占比约0%或100%时达到极小值,说明当热力学平衡时,(100)面趋向于粗糙面,(111)面趋向于光滑面;分子动力学模拟显示,随着生长的进行,初始光滑的固液界面在(100)面上会逐渐转变为粗糙界面,而(111)面则始终保持光滑界面生长;且在生长过程中,(100)面的生长速率明显高于(111)面,因为(100)面始终为粗糙面生长;DFT计算发现,(100)面上的所有生长位置吸附能接近,可以实现连续生长,(111)面吸附能则存在明显的差值,生长原子需要吸附在台阶处才能进行层状生长。     

多晶硅晶体生长中固-液界面研究进展

论述了多晶硅晶体生长技术的研究现状,探讨了多晶硅在定向凝固过程中的生长机制,重点阐述了多晶硅定向生长中固-液界面的形貌、杂质分布、数学模型、数值模拟以及外场对界面调控的影响,归纳总结目前国内外多晶硅生长界面的研究现状,展望了多晶硅晶体生长过程中固-液界面调控技术的发展前景.     

Interface Dynamics during Indium Antimonide Crystal Growth

Experiments with a stoichiometric InSb compound were first performed at small temperature gradient across the crystal/melt interface of 3 °C/cm and furnace translation velocity, V_frn, of 2 μ/sec. Known growth requirements for quality crystals were confirmed. They are, (1) the interface temperature must be close to the congruent melting temperature and, (2) the interface must be located within the adiabatic zone. These requirements can be obtained only through specific settings of the heater temperatures. An X-ray radioscopic system has been modified to accommodate real-time visualization of the crystal/melt interface during vertical Bridgman-Stockbarger growth of InSb. It is shown that asymmetric temperature settings of the heaters can be advantageously used to minimize defect formation. The interface temperature was assessed indirectly with calibrated outside thermocouples. Optical microscopy and electron microprobe analyses provided feedback on crystalline homogeneity.     

Peculiarities of Silicon Carbide Crystal Growth in Quasiclosed Volume

On the basis of the accomplished investigation is has been shown that in the known schemes for growing of SiC epitaxial layers from the gas phase in quasiclosed volume it takes place an excretion of the redundant silicon upon the front of crystallization, its accumulation in the gas phase up to the state of the saturation and its deposition upon the growing surface as drops. In this case the growth of the epitaxial layer takes place by the vapour-liquid-solid (VLS) mechanisms.