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
本文针对光伏太阳能用准单晶硅铸锭系统的硅料熔化过程进行了数值模拟研究, 尤其是孔隙率阶跃分布的堆积硅料熔化过程对籽晶熔化的影响。研究结果表明: 堆积硅料孔隙率呈轴向阶跃分布有利于降低籽晶的熔化比例; 籽晶的熔化界面形状主要受下层孔隙率影响, 在特定的平均孔隙率范围内, 上下两层孔隙率差异较小时, 孔隙率的轴向阶跃分布对籽晶的熔化界面形状影响较小; 当籽晶的熔化比例相近时, 平均孔隙率越小, 籽晶的熔化界面形状越平缓, 越有利于籽晶边缘区域的保留; 当平均孔隙率一定时, 下层孔隙率越小越有利于籽晶边缘区域的保留。堆积硅料区域孔隙率呈径向阶跃分布会使籽晶的熔化界面形状发生畸变, 内层孔隙率的逐渐增大会使籽晶的熔化界面形状由“凸”逐渐转变为“凹”, 外层孔隙率不大于内层孔隙率时籽晶可以得到有效保留; 内外两层孔隙率差值越小, 籽晶的熔化比例越小。籽晶的熔化比例分布在不同轴向阶跃分布孔隙率下呈现一定的中心对称性, 而在不同径向阶跃分布孔隙率下呈现一定的周期性, 孔隙率均匀分布时的籽晶熔化界面形状优于其他情况。在实际工况条件下, 可以根据由不同孔隙率分布条件下获取的籽晶熔化状态数据绘制的等值线图对堆积硅料区域的孔隙率分布进行合理配置。
准单晶硅铸锭 阶跃分布孔隙率 籽晶熔化 堆积硅料 界面形状 熔化状态 quasi-single crystalline silicon casting step porosity distribution seed crystal melting stacked silicon interface shape melting state
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
碳化硅(SiC)电子器件的性能和成本受衬底质量影响, 因此生长大直径高品质SiC单晶意义重大。物理气相传输(PVT)法是一种常用的生长方法, 但其主要面临热场设计与气流控制问题。本工作对电阻加热PVT法生长150 mm SiC单晶完整过程开展数值仿真研究, 建立描述SiC原料热解和再结晶及其多孔结构演变、热-质输运、晶体形貌变化的数理模型, 用数值模拟手段研究晶体生长、原料演变与热场变化等过程间的耦合关系。结果显示: 原料区侧面高温导致气流不均匀, 晶面呈“W”形, 原料区底部高温得到均匀气流和微凸晶面; 长晶界面通过径向温度变化调节气相组分平衡压力, 使晶面生长成等温线形状; 晶体生长速率与原料温度、剩余原料量呈正相关。模拟结果与已报道实验结果吻合, 对优化生长SiC单晶有指导意义。
SiC单晶 单晶生长 热-质输运 数学模型 电阻加热 物理气相传输 SiC single crystal crystal growth heat-mass transport mathematical model resistive heating physical vapor transport
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
本文在考虑硅料的堆积孔隙率和熔化变形等因素的基础上, 建立了基于多孔介质的堆积硅料简化模型, 对光伏太阳能用准单晶硅铸锭系统的硅料熔化过程进行了数值模拟, 研究了不同侧/顶加热器功率比、堆积孔隙率以及加热器总功率对籽晶熔化的影响。研究结果表明: 硅料的熔化时间和籽晶的熔化比例取决于侧/顶加热器功率比, 降低侧/顶加热器功率比和堆积孔隙率有助于籽晶的有效保留, 但会导致籽晶的熔化界面形状发生变化, 使杂质在籽晶熔化界面形状为“凹”的区域内聚集, 进而影响后续晶体生长的质量; 当加热器的总功率低于临界值之后, 籽晶的熔化界面形状会在靠近坩埚壁面的边缘区域发生变化, 导致不均匀成核的发生, 不利于准单晶硅铸锭的生产。在实际工况条件下, 可以根据由侧/顶加热器功率比、堆积孔隙率、加热器总功率、籽晶的熔化比例和状态绘制的等值线图对工艺参数进行合理配置。
准单晶硅铸锭 加热功率 堆积孔隙率 籽晶熔化 界面形状 熔化状态 quasi-single crystalline silicon casting heating power stacked porosity seed crystal melting interface shape melting state 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1755
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 江苏协鑫硅材料科技发展有限公司，徐州 221001
不同尺寸的铸锭晶体硅生长过程具有相似性，小尺寸晶体的生长规律可以迁移至大尺寸。本文采用迁移学习(TL)对G8型铸锭炉进行热场设计，设计对象为侧、顶加热器位置及体积、侧隔热笼分区块高度，主要设计目标为减少晶体内部的位错缺陷、抑制硅锭边缘多晶且使晶体生长界面微凸。首先使用神经网络对已有的G7铸锭炉建立热场几何参数与热场评价参数间的映射模型，然后将该模型迁移至G8铸锭炉，对比不同模型结构对迁移过程的影响，采用Dropout分析模型是否存在过拟合，并使用遗传算法(GA)结合聚类算法(CA)对热场几何参数进行优化，以上为G8热场设计过程。最后对优化结果采用数值模拟方法研究其在晶体生长过程中的温度分布、固液界面形状等，最终选定的优化方案能够实现较高质量的长晶。将该方案同时应用于G7和G8热场并进行对比，结果表明G8在硅熔体和硅晶体中的轴向温度梯度均小于G7，在晶体生长界面沿径向的温度梯度也小于G7，这有利于减小晶体内部的热应力。
G8型铸锭炉 晶体硅 热场设计 迁移学习 神经网络 遗传算法 G8 ingot furnace crystalline silicon hot zone design transfer learning neural network genetic algorithm
1 清华大学航天航空学院，北京 100084
2 江苏协鑫硅材料科技发展有限公司，徐州 221001
3 清华大学工程物理系，北京 100084
铸锭晶体硅是太阳能级晶硅材料的重要来源之一，为了进一步降低硅片成本，需要在保证晶体质量的同时发展大尺寸铸锭晶硅。影响铸造晶体硅质量的热场控制核心参数包括晶体生长速度与生长界面温度梯度之比V/G、壁面热流q、生长界面高度差Δh和硅熔体内部温差ΔT等。针对铸锭晶体硅生长过程中的质量控制问题，本研究基于人工神经网络(ANN)模型对晶体生长过程建立了工艺控制优化方法，利用实验测量数据和数值仿真模拟结果构建铸锭晶体硅生长过程的工艺控制数据集，以底部隔热笼开口和侧、顶加热器功率比作为主要工艺控制参数，V/G、|q|、|Δh|和ΔT为优化目标，建立用于研究晶体生长工艺控制参数和热场参数之间映射关系的神经网络模型。使用训练完成的模型分析底部隔热笼开口及侧、顶加热器功率比对晶体生长过程热场的影响规律，并采用遗传算法(GA)对铸锭晶体硅生长过程的工艺控制参数以提高晶体质量为目标进行优化，最后结合实际生产中的检测图像讨论了V/G对晶体质量的影响。研究表明晶体生长中期的V/G沿横向变化较平缓，对应缺陷较少且分布均匀，因此增大V/G在横向上的均匀度也是提高晶体质量的一个重要因素。
铸锭晶体硅 人工神经网络 遗传算法 定向凝固 晶体质量 ingot crystalline silicon artificial neural network genetic algorithm V/G V/G directional solidification crystal quality
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
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Materials for High Power Laser, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049, China
3 School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing100084, China
4 Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing100084, China
To reduce the seed length while maintaining the advantages of the cuboid KDP-type crystal, a long-seed KDP crystal with size $471~\text{mm}\times 480~\text{mm}\times 400~\text{mm}$ is rapidly grown. With almost the same high cutting efficiency to obtain third harmonic generation oriented samples, this long-seed KDP-type crystal can be grown with a shorter seed than that of the cuboid KDP-type crystal. The full width at half maximum of the high-resolution X-ray diffraction of the (200) crystalline face is 28.8 arc seconds, indicating that the long-seed KDP crystal has good crystalline quality. In the wavelength range of 377–1022 nm, the transmittance of the long-seed KDP crystal is higher than 90%. The fluence for the 50% probability of laser-induced damage (LID) is $18.5~\text{J}/\text{cm}^{2}$ (3 ns, 355 nm). Several test points survive when the laser fluence exceeds $30~\text{J}/\text{cm}^{2}$ (3 ns, 355 nm), indicating the good LID performance of the long-seed KDP crystal. At present, the growth of a long-seed DKDP crystal is under way.
KDP crystal long-seed rapid growth High Power Laser Science and Engineering
2020, 8(1): 010000e6
安徽农业大学生命科学学院, 安徽省作物生物学重点实验室, 安徽 合肥 230036
颗粒淀粉合成酶(GBSS)和淀粉分支酶3 (SBE3)是淀粉合成过程中的两个关键酶, 这两个酶主要由Wx和SBE3两个基因分别控制, 它们的表达量直接影响直链淀粉和支链淀粉的含量比例。为了探讨水稻淀粉关键酶基因Wx过量与SBE3干涉复合表达对直链淀粉含量的影响, 构建了Wx过量表达与SBE3干涉结合的多基因表达载体, 并通过农杆菌介导的方法将其导入日本晴水稻中。经过PCR检测分析获得了65株转基因阳性植株, 半定量RT-PCR检测表明转基因株系中Wx基因表达量明显增加, 而SBE3基因表达量显著减少。转基因株系籽粒透明度明显降低, 直链淀粉含量比野生型的平均高45%, 但是千粒重变化不大, 与野生型相当。遗传分析表明这些转基因株系多数可稳定遗传。
水稻 直链淀粉 RNA干涉 过量表达 rice amylose Wx Wx SBE3 SBE3 RNA interference overexpression
