随着集成电路(IC)产业的迅猛发展,器件制造商对IC级硅单晶材料提出了更加严格的要求,具体表现在硅材料的高纯度、高均匀性、高完整性和大直径四个方面的要求。一般来说,晶体直径增加时会使结晶过程中晶体内部的热量难以及时传递出去,进而增大晶体径向温度梯度,导致晶体与熔体交界面的形变量增加,最终造成晶体质量低下,甚至拉晶失败。因此,在晶体生长过程中针对固/液界面的控制显得尤为重要。考虑到固/液界面的宏观形状与晶体中溶质的偏析、缺陷的形成、应力的分布等密切相关。基于此,本论文开展了在晶体生长过程中固/液界面形状控制的相关研究,着重研究了晶体生长过程中熔体的对流情况,以期提高大直径硅单晶的质量。由于单晶炉内的高温环境导致对固/液界面的直接观察极为困难,且实验拉晶也将耗费较高的成本,因此我们采用数值模拟的实验方法,研究炉体结构与晶转、埚转、拉速、磁场等工艺参数对固/液界面形状以及对熔体流动的影响。论文的第三章,我们优化了热屏的结构、位置以及材料,并设计了一种新型环绕式加热器。研究表明：优化后的热屏能够显著增加晶体的轴向温度梯度,并保持熔体中轴向温度梯度基本不变,使得结晶速率提高的同时保持固/液界面的平坦。一来可降低晶体内的热应力,减少晶体中发生宏观位错的可能性；二来促使熔体自由表面的温度升高,有效避免熔体内发生过冷。此外应用环绕式加热器时,能够减少功率的消耗,进一步降低拉晶成本。论文的第四章,我们研究了各个驱动力独立作用于熔体时,固/液界面的形状变化和熔体的流动情况。结果表明：仅浮力或表面张力作用于熔体时,整个熔体内产生一个逆时针方向的涡流；仅晶转或氩气剪切力作用于熔体时,整个熔体内产生一个顺时针方向的涡流；仅坩埚旋转时,熔体中产生多个流动方向不同的涡流。因此,加快晶转会增加界面的形变量,且界面下方局部区域内熔体流速和湍流程度增加；而埚转的增加会使界面更加平坦,但会增加功率的消耗。此外,还研究了施加磁场后固/液界面的形状变化及熔体的流动情况。模拟过程中我们主要考虑了磁感应强度、线圈间距离、线圈半径、零高斯面与熔体自由液面的相对位置的影响。研究结果表明：施加轴向磁场时,随磁感应强度的增加,固/液界面愈趋于平缓,但熔体中的氧含量也明显增加,这会降低半导体材料的少子寿命并造成p-n结的漏损电流。施加CUSP磁场时,随磁感应度增加,固/液界面也愈趋平缓,尤其当B=0.5T时,界面近乎于直线且熔体中的氧含量明显减少。最后本论文研究了晶体处在不同生长阶段时界面形变量与熔体流动情况。研究结果表明：随着晶体长度的增加,固/液界面的形变量不断增加,晶体内部的热应力显著增大。但通过精确调节晶体转速与坩埚转速的比值和提拉速率,实现了晶体生长的各个阶段都保持最小的界面形变量。可见晶体旋转与坩埚旋转的比值与界面的形变大小密切相关,同时降低提拉速率也可显著减小界面的形变量。此外,我们还探索了相同热场和控制参数条件下,生长不同尺寸的硅单晶时的固/液界面形状及熔体流动情况。结果表明：随着晶体直径的增加,界面的形变量和晶体内的热应力也随之增大。