本文關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)對(duì)Czochralski熔體晶體生長(zhǎng)中熱對(duì)流過(guò)程的影響

  更多相關(guān)文章： Czochralski結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn) 熱對(duì)流 流型 流動(dòng)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(zhǎng)技術(shù),其生長(zhǎng)晶體質(zhì)量主要受熔體流動(dòng)影響。在這種晶體生長(zhǎng)過(guò)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(qū)動(dòng)熔體流動(dòng);同時(shí),在常重力條件下,由于密度差產(chǎn)生的浮力也是熔體流動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)力;在結(jié)晶過(guò)程中,由于溶質(zhì)的偏析作用,使得熔體內(nèi)的溶質(zhì)/雜質(zhì)濃度分布不均勻,從而在自由表面上產(chǎn)生溶質(zhì)毛細(xì)力。各種驅(qū)動(dòng)力的相互耦合作用使得熔體內(nèi)的流動(dòng)變得非常復(fù)雜。為了使熔體內(nèi)的流動(dòng)更加穩(wěn)定,溶質(zhì)分布更加均勻,工業(yè)上往往會(huì)使晶體和坩堝旋轉(zhuǎn),以獲得高質(zhì)量的晶體,為此,毛細(xì)力、浮力、旋轉(zhuǎn)離心力和Coriolis力共同耦合驅(qū)動(dòng)的熔體熱對(duì)流過(guò)程受到了極大的關(guān)注。雖然已經(jīng)有許多研究致力于分析Cz法熔體晶體生長(zhǎng)過(guò)程中復(fù)雜流動(dòng)的基本特征和流型演變過(guò)程,但目前對(duì)多力場(chǎng)耦合驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)失穩(wěn)的機(jī)理仍不清楚,特別是相關(guān)復(fù)雜熱對(duì)流的實(shí)驗(yàn)研究更為匱乏。本文主要采用實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)Cz結(jié)構(gòu)液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)對(duì)純工質(zhì)和混合工質(zhì)復(fù)雜熱對(duì)流過(guò)程的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究,獲得了流動(dòng)失穩(wěn)后自由表面流型結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流場(chǎng)以及溫度場(chǎng),分析了各種流型的轉(zhuǎn)變規(guī)律,揭示了流動(dòng)失穩(wěn)的物理機(jī)制。首先,通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)揭示了Cz結(jié)構(gòu)淺液池內(nèi)晶體和坩堝旋轉(zhuǎn)對(duì)熱毛細(xì)對(duì)流及其穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)熱毛細(xì)雷諾數(shù)超過(guò)某一臨界值后,穩(wěn)定的軸對(duì)稱流動(dòng)將轉(zhuǎn)變?yōu)槿S時(shí)相關(guān)的振蕩流動(dòng)。不論坩堝是否旋轉(zhuǎn),臨界熱毛細(xì)雷諾數(shù)都隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加而降低;與坩堝和晶體同向旋轉(zhuǎn)相比,二者相向旋轉(zhuǎn)時(shí)流動(dòng)更容易轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幜鲃?dòng)。當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)速度較小時(shí),熱毛細(xì)力主導(dǎo)流動(dòng),此時(shí)流動(dòng)失穩(wěn)的機(jī)理為熱流體波不穩(wěn)定性,晶體旋轉(zhuǎn)對(duì)熱流體波波數(shù)、傳播角幾乎沒有影響。隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的逐漸增加,旋轉(zhuǎn)波開始出現(xiàn),并與熱流體波共存于液池中,最后,旋轉(zhuǎn)波占據(jù)整個(gè)液池,此時(shí)流動(dòng)失穩(wěn)的機(jī)理為環(huán)形剪切不穩(wěn)定性。坩堝旋轉(zhuǎn)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(cè)了Cz結(jié)構(gòu)深液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)-熱毛細(xì)-浮力對(duì)流的流動(dòng)特征及流動(dòng)轉(zhuǎn)變規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著液池深度的增加,浮力對(duì)流動(dòng)的影響增強(qiáng),流動(dòng)失穩(wěn)后的熱流體波逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛ò鸂钶嗇椊Y(jié)構(gòu);當(dāng)液池較深、浮力主導(dǎo)流動(dòng)時(shí),自由表面流動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊靼迪嚅g的輪輻狀直條紋,此時(shí)流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理為Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。當(dāng)坩堝靜止時(shí),熱對(duì)流失穩(wěn)的臨界瑞利數(shù)隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大。在較小的晶體旋轉(zhuǎn)速度下,坩堝旋轉(zhuǎn)使得臨界瑞利數(shù)大幅增加;隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的增大,輪輻狀流型周向傳播速度增加,但波動(dòng)幅度逐漸減小,最終被振蕩波所取代。在輪輻狀波動(dòng)消失前,輪輻狀波的條紋數(shù)量與晶體旋轉(zhuǎn)速度無(wú)關(guān)。液池越深,晶體旋轉(zhuǎn)越容易使流動(dòng)失穩(wěn),相反,坩堝旋轉(zhuǎn)使較深液池內(nèi)的流動(dòng)更加穩(wěn)定。然后,通過(guò)一系列的三維數(shù)值模擬詳細(xì)分析了Cz結(jié)構(gòu)液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)耦合熱毛細(xì)力-浮力對(duì)流特征。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí),Cz結(jié)構(gòu)液池內(nèi)的流動(dòng)主要受熱毛細(xì)力-浮力驅(qū)動(dòng),從而形成一個(gè)逆時(shí)針流胞。當(dāng)徑向溫度梯度超過(guò)臨界值后,在淺液池內(nèi)流動(dòng)將由二維軸對(duì)稱穩(wěn)態(tài)流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S振蕩流動(dòng),失穩(wěn)后的振蕩流動(dòng)結(jié)構(gòu)為螺旋狀熱流體波。在深液池內(nèi),軸對(duì)稱穩(wěn)態(tài)流動(dòng)將轉(zhuǎn)變?yōu)槿S振蕩流動(dòng),在自由表面上可觀察到徑向直條紋輪輻狀結(jié)構(gòu)。隨著液池深度的增加,振蕩波的波數(shù)逐漸減少。淺液池內(nèi)溫度振蕩幅度最大處位于晶體側(cè)壁附近,而在深液池內(nèi)坩堝側(cè)壁附近溫度振蕩更加劇烈。晶體旋轉(zhuǎn)對(duì)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(zhuǎn)能夠有效控制波動(dòng)的周向傳播方向,減少熱流體波的波數(shù)。在淺液池內(nèi),熱毛細(xì)力和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)流動(dòng)形成剪切層,隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的逐漸增加,旋轉(zhuǎn)波出現(xiàn)并與熱流體波共存,最后旋轉(zhuǎn)波會(huì)完全抑制熱流體波。最后,通過(guò)數(shù)值模擬分析了Cz結(jié)構(gòu)深液池內(nèi)硅鍺晶體(Ge0.98Si 0.02)生長(zhǎng)時(shí),旋轉(zhuǎn)對(duì)耦合浮力-溶質(zhì)/熱毛細(xì)力對(duì)流的影響。結(jié)果表明,坩堝和晶體靜止時(shí),流動(dòng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S振蕩流動(dòng),根據(jù)溶質(zhì)濃度梯度和溫度梯度的強(qiáng)弱,振蕩結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為穩(wěn)定的三胞狀結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定的輪輻狀結(jié)構(gòu),流動(dòng)失穩(wěn)的機(jī)理是Rayleigh-Bénard不穩(wěn)定性。晶體轉(zhuǎn)速較低時(shí),流動(dòng)失穩(wěn)的臨界瑞利數(shù)隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大,即晶體低速旋轉(zhuǎn)有利于流動(dòng)的穩(wěn)定;但當(dāng)晶體轉(zhuǎn)速超過(guò)某一臨界值后,流動(dòng)失穩(wěn)的臨界值隨晶體旋轉(zhuǎn)速度的增大而降低。當(dāng)晶體和坩堝均靜止時(shí),軸對(duì)稱流動(dòng)在相對(duì)較小的瑞利數(shù)下就會(huì)失穩(wěn),轉(zhuǎn)變?yōu)槿S非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。隨著坩堝轉(zhuǎn)速的緩慢增加,流動(dòng)失穩(wěn)的臨界值先逐漸增加、然后降低,即坩堝的高速旋轉(zhuǎn)不利于熔體流動(dòng)的穩(wěn)定性。當(dāng)坩堝靜止時(shí),隨著晶體旋轉(zhuǎn)速度的增加,自由表面上的輪輻狀徑向條紋轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐w旋轉(zhuǎn)方向周向傳播的振蕩波,當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增大,自由表面周向速度波動(dòng)增大,但波數(shù)基本不變。當(dāng)晶體靜止時(shí),在給定的瑞利數(shù)下,坩堝低速旋轉(zhuǎn)能夠抑制Si溶質(zhì)濃度波動(dòng),一旦坩堝轉(zhuǎn)速超過(guò)某一臨界值后,自由表面上Si濃度波動(dòng)隨坩堝轉(zhuǎn)速的增加而增大,流動(dòng)將經(jīng)歷三胞狀結(jié)構(gòu)-混沌狀態(tài)-旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的振蕩流動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。當(dāng)晶體和坩堝聯(lián)合旋轉(zhuǎn),同向旋轉(zhuǎn)時(shí)的振蕩總是比相向旋轉(zhuǎn)時(shí)振蕩劇烈,且周向傳播速度不斷增加。在相向旋轉(zhuǎn)過(guò)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(zhǎng)晶體時(shí),晶體和坩堝相向旋轉(zhuǎn)更利于晶體的生長(zhǎng)。
【關(guān)鍵詞】：Czochralski結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn) 熱對(duì)流 流型 流動(dòng)不穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O78;TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 主要符號(hào)表10-12
• 1 緒論12-26
• 1.1 引言12-14
• 1.2 熱毛細(xì)-浮力對(duì)流14-20
• 1.3 旋轉(zhuǎn)-熱毛細(xì)-浮力對(duì)流20-23
• 1.3.1 實(shí)驗(yàn)研究20-21
• 1.3.2 數(shù)值模擬及理論研究21-23
• 1.4 溶質(zhì)-熱毛細(xì)對(duì)流耦合浮力對(duì)流23-24
• 1.5 主要研究?jī)?nèi)容24-26
• 2 旋轉(zhuǎn)-熱對(duì)流實(shí)驗(yàn)研究26-48
• 2.1 引言26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法26-29
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置26-28
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法28-29
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟29
• 2.3 淺液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)-熱毛細(xì)對(duì)流29-38
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論30-36
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)不確定度分析36-37
• 2.3.3 小結(jié)37-38
• 2.4 深液池內(nèi)旋轉(zhuǎn)-熱毛細(xì)-浮力對(duì)流38-46
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析38-45
• 2.4.2 小結(jié)45-46
• 2.5 本章小結(jié)46-48
• 3 旋轉(zhuǎn)-熱對(duì)流的數(shù)值模擬48-78
• 3.1 引言48
• 3.2 物理數(shù)學(xué)模型48-53
• 3.2.1 物理模型48-49
• 3.2.2 數(shù)學(xué)模型49-52
• 3.2.3 數(shù)值方法52-53
• 3.3 旋轉(zhuǎn)對(duì)熱毛細(xì)對(duì)流的影響53-66
• 3.3.1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)53-57
• 3.3.2 三維時(shí)相關(guān)振蕩流動(dòng)57-65
• 3.3.3 小結(jié)65-66
• 3.4 旋轉(zhuǎn)對(duì)熱毛細(xì)-浮力對(duì)流的影響66-76
• 3.4.1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)66-69
• 3.4.2 三維流動(dòng)69-75
• 3.4.3 小結(jié)75-76
• 3.5 本章小結(jié)76-78
• 4 旋轉(zhuǎn)對(duì)溶質(zhì)/熱毛細(xì)-浮力對(duì)流的影響78-108
• 4.1 引言78
• 4.2 物理模型78-79
• 4.3 數(shù)學(xué)模型及計(jì)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(wú)因次化80-82
• 4.3.3 計(jì)算條件和數(shù)值方法82-83
• 4.4 結(jié)果及討論83-106
• 4.4.1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)83-87
• 4.4.2 流動(dòng)失穩(wěn)臨界條件87-88
• 4.4.3 非穩(wěn)態(tài)振蕩流動(dòng)88-106
• 4.5 本章小結(jié)106-108
• 5 結(jié)論與展望108-112
• 5.1 主要結(jié)論108-109
• 5.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)109
• 5.3 后續(xù)研究工作展望109-112
• 致謝112-114
• 參考文獻(xiàn)114-126
• 附錄126
• A 攻讀博士學(xué)位期間以第一作者身份發(fā)表的論文126
• B 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目126

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 莫東鳴;環(huán)形雙層液池內(nèi)熱毛細(xì)對(duì)流的線性穩(wěn)定性分析[D];重慶大學(xué);2012年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 凌芳;開口圓形液池內(nèi)熱毛細(xì)對(duì)流及其失穩(wěn)機(jī)理分析[D];重慶大學(xué);2007年

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本文編號(hào)：642101