单晶炉双驱感应加热温度场的数值模拟与实验研究

论文摘要

随着电子技术的发展,越来越多的半导体材料引起众多研究者的关注,因此半导体材料特别是相对应高质量单晶体的制备成为了研究重点。影响单晶体质量的因素有许多,包括热场条件、加热工艺以及时间的控制,其中能否匹配合适的热场条件对于单晶生长过程是至关重要的。目前,许多学者致力于单晶炉热场的研究,不论单晶的生长方法是区熔法还是直拉法,热系统的研究都是必不可少的。其中,单晶炉温度的控制存在很多实质问题,主要问题是难以达到满足晶体生长的足够大的温度梯度。所以本文主要研究目的是:通过自制的双驱感应加热装置,调节感应加热电流、频率、线圈高度比例等参数来有效地完成温度场的合理控制。本文以单晶炉为研究背景,结合电磁感应加热的理论基础,通过有限元软件ANSYS与ELTA对石墨套筒感应加热过程进行模拟分析计算。ELTA是一个独特的程序,有着广泛的应用,包括感应加热工艺和设备的设计、感应加热线圈与电源的匹配等。提供了感应加热过程中电磁场与热场的快速与合理的精确模拟。首先用ELTA软件计算不同石墨套筒外径及线圈匝数下的电压值。通过与实验室电源柜的具体参数比较,来确定满足电源柜参数要求的石墨套筒外径与上下线圈匝数;接着利用ANSYS电磁—热耦合模块对石墨套筒的加热过程进行模拟计算。对加热装置依次进行建模—附属性-划网格-加载边界条件与载荷-求解这一系列过程,并且模拟计算分析不同感应加热电流、频率以及线圈高度比例下的温度场变化规律。通过感应线圈参数的调节,来达到合适的石墨套筒温度梯度;最后进行感应加热温度测量实验,采用无纸记录仪实时监控记录石墨套筒在不同电流、频率下的温度分布情况,并且将实验结果与模拟计算结果作比较来证明模拟计算结果的准确性。通过分析模拟计算结果,电流强度、频率以及线圈高度比例对温度场的分布都有着显著影响,双线圈的设计可以容易地达到较大的纵向温度梯度。根据模拟计算结果设计了双驱感应加热装置,并进行了感应加热实验,得到如下结论:当上下线圈的频率分别为400 Hz、1000 Hz,电流强度分别为73 A、28 A,加热时间为300 s时,无纸记录仪实时测得最终温度为243.8℃,模拟计算的最终温度为282.5℃,显然模拟值要高于实验值,计算可得相对误差为13.6%,误差值在试验允许范围之内,证明了模拟计算结果的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
•   1.1 直拉法生长硅单晶的工艺概述
•     1.1.1 制备单晶硅的方法
•     1.1.2 直拉法生长硅单晶的工艺过程
•   1.2 单晶炉结构
•   1.3 直拉单晶炉热场系统简介
•   1.4 论文的研究内容与意义
• 2 感应加热
•   2.1 感应加热概述
•     2.1.1 电磁感应
•     2.1.2 集肤效应
•     2.1.3 邻近效应与圆环效应
•     2.1.4 感应加热的特点及应用
•   2.2 感应加热的电磁场
•   2.3 感应加热的温度场
•   2.4 本章小结
• 3 双驱感应加热设备
•   3.1 ELTA软件简介
•   3.2 双驱加热设备的ELTA电压分析
•     3.2.1 线圈匝数的确定
•     3.2.2 石墨套筒外径的确定
•   3.3 热场系统的配置
•   3.4 本章小结
• 4 石墨炉体温度场的有限元模拟分析
•   4.1 ANSYS模拟过程介绍
•   4.2 多物理耦合场简介
•   4.3 温度场数值模拟分析
•     4.3.1 线圈高度比例对温度场的影响
•     4.3.2 电流密度对温度场的影响
•     4.3.3 频率对温度场的影响
•   4.4 本章小结
• 5 双驱设备的自制以及模拟计算的验证
•   5.1 实验设备及仪器
•   5.2 主要实验内容
•   5.3 实验过程与结果分析
•     5.3.1 电流对感应加热影响的实验测试
•     5.3.2 频率对感应加热影响的实验测试
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蒙耀鑫

导师: 邢淑清

关键词: 单晶炉,双驱,感应加热,数值模拟

来源: 内蒙古科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,无线电电子学

单位: 内蒙古科技大学

分类号: TN304;O441;O78

DOI: 10.27724/d.cnki.gnmgk.2019.000012

总页数: 62

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