¿Qué es el campo térmico?

en el campo decrecimiento monocristalino, la distribución de temperatura dentro del horno de crecimiento de cristales juega un papel fundamental. Esta distribución de temperatura, comúnmente conocida como campo térmico, es un factor vital que influye en la calidad y las características del cristal que se cultiva. Elcampo termalSe pueden clasificar en dos tipos: estáticos y dinámicos.

Campos térmicos estáticos y dinámicos

Un campo térmico estático se refiere a la distribución de temperatura relativamente estable dentro del sistema de calefacción durante la calcinación. Esta estabilidad se mantiene cuando la temperatura dentro del horno se mantiene constante a lo largo del tiempo. Sin embargo, durante el proceso real de crecimiento del monocristal, el campo térmico está lejos de ser estático; es dinámico.

Un campo térmico dinámico se caracteriza por cambios continuos en la distribución de temperatura dentro del horno. Estos cambios están impulsados ​​por varios factores:

Transformación de fase: a medida que el material pasa de una fase líquida a una fase sólida, se libera calor latente, lo que afecta la distribución de temperatura dentro del horno.

Alargamiento del cristal: a medida que el cristal crece, la superficie de la masa fundida disminuye, alterando la dinámica térmica dentro del sistema.

Transferencia de calor: los modos de transferencia de calor, incluidas la conducción y la radiación, evolucionan a lo largo del proceso, contribuyendo aún más a los cambios en el campo térmico.

Debido a estos factores, el campo térmico dinámico es un aspecto en constante cambio del crecimiento de un solo cristal que requiere un seguimiento y control cuidadosos.

La interfaz sólido-líquido

La interfaz sólido-líquido es otro concepto crucial en el crecimiento de monocristales. En un momento dado, cada punto dentro del horno tiene una temperatura específica. Si conectamos todos los puntos dentro del campo térmico que comparten la misma temperatura, obtenemos una curva espacial conocida como superficie isotérmica. Entre estas superficies isotérmicas, una es particularmente significativa: la interfaz sólido-líquido.

La interfaz sólido-líquido es el límite donde la fase sólida del cristal se encuentra con la fase líquida de la masa fundida. Esta interfaz es donde ocurre el crecimiento del cristal, ya que el cristal se forma a partir de la fase líquida en este límite.

Gradientes de temperatura en el crecimiento de un solo cristal

Durante el crecimiento del silicio monocristalino, elcampo termalAbarca fases sólidas y líquidas, cada una con distintos gradientes de temperatura:

En el cristal:

Gradiente de temperatura longitudinal: se refiere a la diferencia de temperatura a lo largo del cristal.

Gradiente de temperatura radial: se refiere a la diferencia de temperatura a lo largo del radio del cristal.

En el derretimiento:

Gradiente de temperatura longitudinal: se refiere a la diferencia de temperatura a lo largo de la altura de la masa fundida.

Gradiente de temperatura radial: se refiere a la diferencia de temperatura a lo largo del radio de la masa fundida.

Estos gradientes representan dos distribuciones de temperatura diferentes, pero la más crítica para determinar el estado de cristalización es el gradiente de temperatura en la interfaz sólido-líquido.

Gradiente de temperatura radial en el cristal: determinado por la conducción de calor longitudinal y transversal, la radiación superficial y la posición del cristal dentro del campo térmico. Generalmente, la temperatura es mayor en el centro y menor en los bordes del cristal.

Gradiente radial de temperatura en la masa fundida: influenciado principalmente por los calentadores circundantes, siendo el centro más frío y la temperatura aumentando hacia el crisol. El gradiente radial de temperatura en la masa fundida es siempre positivo.

Optimización del campo térmico

Una distribución de temperatura del campo térmico bien diseñada debe satisfacer las siguientes condiciones:

Adecuado gradiente de temperatura longitudinal en el cristal: Debe ser lo suficientemente grande como para garantizar que el cristal tenga suficiente capacidad de disipación de calor para llevarse el calor latente de cristalización. Sin embargo, no debe ser excesivamente grande, ya que esto podría dificultar el crecimiento de los cristales.

Importante gradiente de temperatura longitudinal en la masa fundida: garantiza que no se formen nuevos núcleos de cristal dentro de la masa fundida. Sin embargo, si es demasiado grande, pueden producirse dislocaciones que provoquen defectos en el cristal.

Gradiente de temperatura longitudinal apropiado en la interfaz de cristalización: debe ser lo suficientemente grande como para crear el sobreenfriamiento necesario, proporcionando suficiente impulso de crecimiento para el monocristal. Sin embargo, no debe ser demasiado grande para evitar defectos estructurales. Mientras tanto, el gradiente de temperatura radial debe ser lo más pequeño posible para mantener una interfaz de cristalización plana.

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