本文關鍵詞：旋轉對Czochralski熔體晶體生長中熱對流過程的影響

  更多相關文章： Czochralski結構 旋轉 熱對流 流型 流動不穩(wěn)定性

【摘要】：Czochralski(Cz)法是工業(yè)上最常見的熔體晶體生長技術,其生長晶體質量主要受熔體流動影響。在這種晶體生長過程中,坩堝與晶體之間存在溫度差,從而在熔體自由表面上形成表面張力梯度,驅動熔體流動;同時,在常重力條件下,由于密度差產生的浮力也是熔體流動的重要驅動力;在結晶過程中,由于溶質的偏析作用,使得熔體內的溶質/雜質濃度分布不均勻,從而在自由表面上產生溶質毛細力。各種驅動力的相互耦合作用使得熔體內的流動變得非常復雜。為了使熔體內的流動更加穩(wěn)定,溶質分布更加均勻,工業(yè)上往往會使晶體和坩堝旋轉,以獲得高質量的晶體,為此,毛細力、浮力、旋轉離心力和Coriolis力共同耦合驅動的熔體熱對流過程受到了極大的關注。雖然已經(jīng)有許多研究致力于分析Cz法熔體晶體生長過程中復雜流動的基本特征和流型演變過程,但目前對多力場耦合驅動下流動失穩(wěn)的機理仍不清楚,特別是相關復雜熱對流的實驗研究更為匱乏。本文主要采用實驗研究結合數(shù)值模擬方法對Cz結構液池內旋轉對純工質和混合工質復雜熱對流過程的影響進行系統(tǒng)研究,獲得了流動失穩(wěn)后自由表面流型結構、內部流場以及溫度場,分析了各種流型的轉變規(guī)律,揭示了流動失穩(wěn)的物理機制。首先,通過系統(tǒng)實驗揭示了Cz結構淺液池內晶體和坩堝旋轉對熱毛細對流及其穩(wěn)定性的影響。結果發(fā)現(xiàn),當熱毛細雷諾數(shù)超過某一臨界值后,穩(wěn)定的軸對稱流動將轉變?yōu)槿S時相關的振蕩流動。不論坩堝是否旋轉,臨界熱毛細雷諾數(shù)都隨晶體旋轉速度的增加而降低;與坩堝和晶體同向旋轉相比,二者相向旋轉時流動更容易轉變?yōu)檎袷幜鲃�。當晶體旋轉速度較小時,熱毛細力主導流動,此時流動失穩(wěn)的機理為熱流體波不穩(wěn)定性,晶體旋轉對熱流體波波數(shù)、傳播角幾乎沒有影響。隨著晶體旋轉速度的逐漸增加,旋轉波開始出現(xiàn),并與熱流體波共存于液池中,最后,旋轉波占據(jù)整個液池,此時流動失穩(wěn)的機理為環(huán)形剪切不穩(wěn)定性。坩堝旋轉能夠抑制熱流體波的振蕩,控制熱流體波的周向傳播方向。其次,觀測了Cz結構深液池內旋轉-熱毛細-浮力對流的流動特征及流動轉變規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn),隨著液池深度的增加,浮力對流動的影響增強,流動失穩(wěn)后的熱流體波逐漸轉變?yōu)榛ò鸂钶嗇椊Y構;當液池較深、浮力主導流動時,自由表面流動結構轉變?yōu)槊靼迪嚅g的輪輻狀直條紋,此時流動失穩(wěn)機理為Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。當坩堝靜止時,熱對流失穩(wěn)的臨界瑞利數(shù)隨晶體旋轉速度的增加而增大。在較小的晶體旋轉速度下,坩堝旋轉使得臨界瑞利數(shù)大幅增加;隨著晶體旋轉速度的增大,輪輻狀流型周向傳播速度增加,但波動幅度逐漸減小,最終被振蕩波所取代。在輪輻狀波動消失前,輪輻狀波的條紋數(shù)量與晶體旋轉速度無關。液池越深,晶體旋轉越容易使流動失穩(wěn),相反,坩堝旋轉使較深液池內的流動更加穩(wěn)定。然后,通過一系列的三維數(shù)值模擬詳細分析了Cz結構液池內旋轉耦合熱毛細力-浮力對流特征。當旋轉速度較低時,Cz結構液池內的流動主要受熱毛細力-浮力驅動,從而形成一個逆時針流胞。當徑向溫度梯度超過臨界值后,在淺液池內流動將由二維軸對稱穩(wěn)態(tài)流動轉變?yōu)槿S振蕩流動,失穩(wěn)后的振蕩流動結構為螺旋狀熱流體波。在深液池內,軸對稱穩(wěn)態(tài)流動將轉變?yōu)槿S振蕩流動,在自由表面上可觀察到徑向直條紋輪輻狀結構。隨著液池深度的增加,振蕩波的波數(shù)逐漸減少。淺液池內溫度振蕩幅度最大處位于晶體側壁附近,而在深液池內坩堝側壁附近溫度振蕩更加劇烈。晶體旋轉對熱流體波的波數(shù)、傳播角和傳播方向等影響較小,而坩堝旋轉能夠有效控制波動的周向傳播方向,減少熱流體波的波數(shù)。在淺液池內,熱毛細力和旋轉驅動流動形成剪切層,隨著晶體旋轉速度的逐漸增加,旋轉波出現(xiàn)并與熱流體波共存,最后旋轉波會完全抑制熱流體波。最后,通過數(shù)值模擬分析了Cz結構深液池內硅鍺晶體(Ge0.98Si 0.02)生長時,旋轉對耦合浮力-溶質/熱毛細力對流的影響。結果表明,坩堝和晶體靜止時,流動失穩(wěn)轉變?yōu)槿S振蕩流動,根據(jù)溶質濃度梯度和溫度梯度的強弱,振蕩結構表現(xiàn)為穩(wěn)定的三胞狀結構和不穩(wěn)定的輪輻狀結構,流動失穩(wěn)的機理是Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。晶體轉速較低時,流動失穩(wěn)的臨界瑞利數(shù)隨晶體旋轉速度的增加而增大,即晶體低速旋轉有利于流動的穩(wěn)定;但當晶體轉速超過某一臨界值后,流動失穩(wěn)的臨界值隨晶體旋轉速度的增大而降低。當晶體和坩堝均靜止時,軸對稱流動在相對較小的瑞利數(shù)下就會失穩(wěn),轉變?yōu)槿S非穩(wěn)態(tài)流動。隨著坩堝轉速的緩慢增加,流動失穩(wěn)的臨界值先逐漸增加、然后降低,即坩堝的高速旋轉不利于熔體流動的穩(wěn)定性。當坩堝靜止時,隨著晶體旋轉速度的增加,自由表面上的輪輻狀徑向條紋轉變?yōu)檠鼐w旋轉方向周向傳播的振蕩波,當晶體旋轉速度進一步增大,自由表面周向速度波動增大,但波數(shù)基本不變。當晶體靜止時,在給定的瑞利數(shù)下,坩堝低速旋轉能夠抑制Si溶質濃度波動,一旦坩堝轉速超過某一臨界值后,自由表面上Si濃度波動隨坩堝轉速的增加而增大,流動將經(jīng)歷三胞狀結構-混沌狀態(tài)-旋轉驅動的振蕩流動結構的轉變過程。當晶體和坩堝聯(lián)合旋轉,同向旋轉時的振蕩總是比相向旋轉時振蕩劇烈,且周向傳播速度不斷增加。在相向旋轉過程中,存在使振蕩顯著降低,甚至出現(xiàn)三維穩(wěn)態(tài)的區(qū)域。所以采用Cz法雙組分熔體生長晶體時,晶體和坩堝相向旋轉更利于晶體的生長。
【關鍵詞】：Czochralski結構 旋轉 熱對流 流型 流動不穩(wěn)定性
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O78;TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 主要符號表10-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 引言12-14
• 1.2 熱毛細-浮力對流14-20
• 1.3 旋轉-熱毛細-浮力對流20-23
• 1.3.1 實驗研究20-21
• 1.3.2 數(shù)值模擬及理論研究21-23
• 1.4 溶質-熱毛細對流耦合浮力對流23-24
• 1.5 主要研究內容24-26
• 2 旋轉-熱對流實驗研究26-48
• 2.1 引言26
• 2.2 實驗裝置及方法26-29
• 2.2.1 實驗裝置26-28
• 2.2.2 實驗方法28-29
• 2.2.3 實驗步驟29
• 2.3 淺液池內旋轉-熱毛細對流29-38
• 2.3.1 實驗結果及討論30-36
• 2.3.2 實驗不確定度分析36-37
• 2.3.3 小結37-38
• 2.4 深液池內旋轉-熱毛細-浮力對流38-46
• 2.4.1 實驗結果及分析38-45
• 2.4.2 小結45-46
• 2.5 本章小結46-48
• 3 旋轉-熱對流的數(shù)值模擬48-78
• 3.1 引言48
• 3.2 物理數(shù)學模型48-53
• 3.2.1 物理模型48-49
• 3.2.2 數(shù)學模型49-52
• 3.2.3 數(shù)值方法52-53
• 3.3 旋轉對熱毛細對流的影響53-66
• 3.3.1 穩(wěn)態(tài)流動53-57
• 3.3.2 三維時相關振蕩流動57-65
• 3.3.3 小結65-66
• 3.4 旋轉對熱毛細-浮力對流的影響66-76
• 3.4.1 穩(wěn)態(tài)流動66-69
• 3.4.2 三維流動69-75
• 3.4.3 小結75-76
• 3.5 本章小結76-78
• 4 旋轉對溶質/熱毛細-浮力對流的影響78-108
• 4.1 引言78
• 4.2 物理模型78-79
• 4.3 數(shù)學模型及計算方法79-83
• 4.3.1 控制方程及定解條件79-80
• 4.3.2 控制方程和定解條件的無因次化80-82
• 4.3.3 計算條件和數(shù)值方法82-83
• 4.4 結果及討論83-106
• 4.4.1 穩(wěn)態(tài)流動83-87
• 4.4.2 流動失穩(wěn)臨界條件87-88
• 4.4.3 非穩(wěn)態(tài)振蕩流動88-106
• 4.5 本章小結106-108
• 5 結論與展望108-112
• 5.1 主要結論108-109
• 5.2 主要創(chuàng)新點109
• 5.3 后續(xù)研究工作展望109-112
• 致謝112-114
• 參考文獻114-126
• 附錄126
• A 攻讀博士學位期間以第一作者身份發(fā)表的論文126
• B 攻讀博士學位期間參加的科研項目126

【參考文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 莫東鳴;環(huán)形雙層液池內熱毛細對流的線性穩(wěn)定性分析[D];重慶大學;2012年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 凌芳;開口圓形液池內熱毛細對流及其失穩(wěn)機理分析[D];重慶大學;2007年

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本文編號：642101